趙鵬翔，康新朋，李樹剛，林海飛，甘路軍，安星虣

（1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

0 引 言

在煤炭開采過程中，瓦斯事故仍是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一［1］。 通過實(shí)施瓦斯抽采技術(shù)，可以降低煤層瓦斯含量，進(jìn)而減少煤與瓦斯突出等瓦斯事故的發(fā)生，也可將抽采的瓦斯作為能源加以利用［2-4］。

對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行定向抽采，應(yīng)先了解采空區(qū)上覆巖層的垮落規(guī)律，掌握巖層裂隙發(fā)育規(guī)律［5-7］，為各抽采方式提供合理的布置層位［8-9］。 目前井下較為常用的抽采方法有高抽巷、定向長(zhǎng)鉆孔、隅角埋管、瓦斯尾巷等。 其中定向長(zhǎng)鉆孔具有抽采效率高、軌跡可控等優(yōu)點(diǎn)，近年來已逐步成為治理上隅角瓦斯超限問題的主要手段［10-12］。 李宏、 閆振國等［13-14］通過優(yōu)化鉆孔的布置方式，從而實(shí)現(xiàn)頂板定向長(zhǎng)鉆孔的高效率抽采，達(dá)到了節(jié)約工程量、降低施工成本的效果。 文獻(xiàn)KONDRATENKO 等［15-18］利用鉆孔軌跡控制技術(shù)提高煤層鉆遇率，實(shí)現(xiàn)深孔精準(zhǔn)鉆進(jìn)。 孫四清等［19］、陳冬冬等［20］、鄭凱歌等［21］采用定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯超前預(yù)抽，并結(jié)合水力壓裂技術(shù)進(jìn)行煤層增透以強(qiáng)化抽采效果。

目前針對(duì)裂隙帶瓦斯治理，抽采效果最好的抽采方式為高抽巷抽采，即在開采煤層上方裂隙帶內(nèi)建立的瓦斯抽采通道。 劉洪永等［22］研究了離層斷裂帶裂隙發(fā)展規(guī)律，以高抽巷為主要手段，提出了瓦斯過渡流通道區(qū)人工導(dǎo)流的方法。 高建良等［23］建立了不同高抽巷抽采情況下的采空區(qū)模型，得到了采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律。 范尚崇等［24］、康建宏等［25］、肖峻峰等［26］通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)合的手段，對(duì)高抽巷合理布置層位進(jìn)行計(jì)算，建立初采時(shí)期覆巖裂隙發(fā)育模型，從而治理礦井瓦斯超限問題。 YANG 等［27］通過分析綜放保護(hù)層開采過程中工作面瓦斯涌出的原因，提出高抽巷與鉆孔相結(jié)合的瓦斯綜合抽采系統(tǒng)，將其應(yīng)用于工作面瓦斯的防治，并對(duì)回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)抽采系統(tǒng)的有效性。

試驗(yàn)礦井為高突礦井，單一抽采模式對(duì)高突礦井瓦斯治理作用有限，之前試驗(yàn)礦井主要采用高抽巷、瓦斯尾巷來抽排瓦斯。 瓦斯尾巷工程量較大、所需工程費(fèi)用較高、長(zhǎng)距離獨(dú)頭巖石巷道施工難度大。 最新《煤礦安全規(guī)程》取消瓦斯尾巷相關(guān)內(nèi)容，因此亟待找到一種新的有效替代瓦斯抽采方式。 針對(duì)礦井地質(zhì)條件、煤層瓦斯賦存特征，開展長(zhǎng)距離定向長(zhǎng)鉆孔與高抽巷協(xié)同抽采技術(shù)，對(duì)有效地控制綜采工作面瓦斯超限、保障礦井安全生產(chǎn)、減少工程量及工程費(fèi)用意義重大。 通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各瓦斯相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，分析高抽巷與定向長(zhǎng)鉆孔協(xié)同抽采與工作面隅角瓦斯?jié)舛汝P(guān)系，研究結(jié)果對(duì)我國高瓦斯煤礦的瓦斯災(zāi)害防治工作有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)原型概況

1.1 工作面概況

試驗(yàn)礦井主采太原組15 號(hào)煤，煤體酥松，易碎，堅(jiān)固性系數(shù)f＝0.38 ～2.00。 試驗(yàn)工作面平均煤厚5.2 m，可采儲(chǔ)量166.6 萬t。 采煤工藝為一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，截深0.8 m，全部垮落法管理頂板。 試驗(yàn)工作面煤體瓦斯抽采后殘余瓦斯含量為7.18 m3／t，不可解吸瓦斯含量2.53 m3／t。 回采過程使用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)供給新鮮風(fēng)流，并計(jì)劃采用高抽巷、定向長(zhǎng)鉆孔等多種抽采方式協(xié)同進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理工作，以降低工作面風(fēng)排瓦斯壓力。 試驗(yàn)綜采面有上鄰近煤層（如15上號(hào)、14 號(hào)、13 號(hào)等煤層）。 其中15上號(hào)煤層位于開采煤層上方1.2 m 處，平均煤厚0.22 m，厚度不穩(wěn)定；14 號(hào)煤層位于開采煤層上方8.1 m 處，煤厚為0.2～0.7 m，厚度不穩(wěn)定；13 號(hào)煤層位于開采煤層上方24.8 m 處，厚度為0.3～1 m，厚度不穩(wěn)定，均不可采。 根據(jù)實(shí)際本煤層、初次來壓和周期來壓采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，15 號(hào)煤層開采時(shí)鄰近層瓦斯涌出量占該煤層未預(yù)抽下瓦斯涌出總量的20%，模擬過程中具體將采空區(qū)遺煤、鄰近層、圍巖等瓦斯涌出量整合至多孔介質(zhì)源項(xiàng)中。

1.2 采空區(qū)裂隙分布規(guī)律

煤層開采過后，其上覆巖層在豎直方向上受應(yīng)力影響形成豎三帶：垮落帶、斷裂帶及彎曲下沉帶；水平方向形成橫三區(qū)：自然堆積區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)及重新壓實(shí)區(qū)。 根據(jù)橢拋帶理論及物理相似模擬試驗(yàn)［5-6］，內(nèi)外橢拋帶之間形成可供瓦斯儲(chǔ)集運(yùn)移的裂隙區(qū)域，可在不同層位布置相應(yīng)的抽采措施進(jìn)行瓦斯抽采。 而在礦井瓦斯抽采措施布置中，對(duì)于工作面瓦斯涌出量在10 m3／min 以內(nèi)的礦井可采用插管、埋管或高位鉆孔等單一抽采方式進(jìn)行抽采；而工作面瓦斯涌出量在10 ～20 m3／min 的礦井，常采用高位鉆孔為主，插管或埋管為輔的方式治理瓦斯；對(duì)于工作面瓦斯涌出量在20 m3／min 以上的高瓦斯礦井可采用以高抽巷為主的抽采方法，高抽巷具有抽采流量大、抽采率高等特點(diǎn)，一般布置于斷裂帶中，其抽采效果與布置層位及相應(yīng)抽采參數(shù)有關(guān)，可對(duì)采空區(qū)卸壓瓦斯及鄰近層瓦斯進(jìn)行強(qiáng)化抽采。 而定向長(zhǎng)鉆孔具有軌跡可調(diào)、強(qiáng)化抽采效果等特點(diǎn)，終孔位置位于垮落帶上部，斷裂帶下部，以防治隅角瓦斯超限，一般是用于多種抽采方式協(xié)同抽采時(shí)控制隅角瓦斯的一種技術(shù)手段［28］。

2 各抽采方式布置層位的確定

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)試驗(yàn)工作面的實(shí)際情況極為便于建立模型，在遵循客觀實(shí)際，并與礦井實(shí)際情況相符合的原則下，采用Fluent 的建模軟件Design Modeler 建立工作面、采空區(qū)模型。 模型中的采空區(qū)部分是多孔介質(zhì)空間，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、工作面以及高位長(zhǎng)鉆孔是流體空間。 多孔介質(zhì)按照采空區(qū)不同位置上覆巖層冒落、斷裂的規(guī)律，分為底部遺煤區(qū)、自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)、煤壁影響區(qū)及壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)［25］。 其中自然堆積區(qū)與載荷影響區(qū)孔隙率較高，其余部分孔隙率較低，具體區(qū)域孔隙率見表1。 模型中工作面長(zhǎng)度180 m，寬度4 m，高度5.2 m。 采空區(qū)設(shè)置傾向長(zhǎng)度180 m，走向長(zhǎng)度200 m，高度89.5 m。 煤層傾角為7°。 進(jìn)、回風(fēng)巷長(zhǎng)度30 m，寬度3.2 m，高度5.2 m。 采用Ansys 軟件中Mesh 建立計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)、回風(fēng)巷、工作面、高抽巷及抽采管路進(jìn)行網(wǎng)格加密，完成的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Model and grid generation

表1 不同區(qū)域相關(guān)參數(shù)值Table 1 Related parameter values of different regions

2.2 高抽巷布置層位模擬分析

2.2.1 高抽巷布置平距模擬分析

根據(jù)理論分析及數(shù)值計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)礦井以往高抽巷布置經(jīng)驗(yàn)，選取高抽巷水平投影距回風(fēng)巷20、25、30 m。 模擬過程中設(shè)置高抽采抽采負(fù)壓為3 kPa，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為3 m／s，回風(fēng)巷為自由出口。

高抽巷布置平距在很大程度上影響高抽巷瓦斯抽采效果。 通過FLUENT 軟件對(duì)不同平距條件下的高抽巷抽采效果進(jìn)行模擬，從而確定高抽巷最優(yōu)平距的布置位置，如圖2 和圖3 所示。

圖2 高抽巷不同平距條件下采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.2 Distribution of gas concentration in goaf under different horizontal distances of high drainage roadway

圖3 高抽巷不同平距條件下采空區(qū)底板瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.3 Gas concentration distribution of goaf floor under different horizontal distance in high drainage roadway

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)高抽巷與回風(fēng)巷平距20 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.86%～1.25%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.06%。 當(dāng)平距進(jìn)一步增加至25 m 時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.75%～1.15%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.95%。 當(dāng)平距為30 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.98%～1.35%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.17%。 如圖4 所示，當(dāng)平距為25 m 時(shí)，上隅角平均瓦斯?jié)舛茸畹?，說明此時(shí)高抽巷的平距抽采效果最佳。

圖4 高抽巷不同平距上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Average gas concentration at upper corner under different horizontal distance in high drainage roadway

2.2.2 高抽巷布置垂距模擬分析

選取高抽巷垂直位置分別距離15 號(hào)煤層頂板25、30、35 m 進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速及高抽巷抽采負(fù)壓保持不變，通過FLUENT 軟件對(duì)不同垂距條件下的高抽巷抽采效果進(jìn)行模擬，從而確定高抽巷的最優(yōu)垂距，如圖5 和圖6 所示。

圖5 高抽巷不同垂距采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Distribution of gas concentration in goaf under different vertical distances of high drainage roadway

圖6 高抽巷不同垂距采空區(qū)底板瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Gas concentration distribution of the floor of goaf under different vertical distance conditions of high pumping roadway

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)高抽巷距頂板垂距25 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.91%～1.25%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.08%。 當(dāng)垂距進(jìn)一步增加至30 m 時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.75%～1.15%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.95%。 當(dāng)垂距為35 m 時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在1.15%～1.55%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.35%。 如圖7 所示，當(dāng)垂距為30 m時(shí)，上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)最低，說明此時(shí)高抽巷的垂距抽采效果最佳。

圖7 高抽巷不同垂距上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Average gas concentration at uppercorner under different vertical distances in high drainage roadway

2.3 “孔-巷”協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔終孔布置層位模擬

2.3.1 “孔-巷”協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔終孔布置平距模擬

定向長(zhǎng)鉆孔在布置上主要遵循3 個(gè)原則：①要保證足夠高的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)與純量；②要著重解決上隅角瓦斯積聚問題；③盡可能保證鉆孔的穩(wěn)定性，提高有效抽采長(zhǎng)度。

通過FLUENT 軟件對(duì)定向長(zhǎng)鉆孔不同平距條件下的抽采效果進(jìn)行模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置平距為10，15 和20 m，根據(jù)模擬結(jié)果確定定向長(zhǎng)鉆孔的最優(yōu)平距，如圖8、圖9 所示。 模擬過程中高抽巷為最優(yōu)布置層位，設(shè)置高抽巷抽采負(fù)壓為3 kPa，長(zhǎng)鉆孔抽采負(fù)壓為16 kPa，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為3 m／s，回風(fēng)巷為自由出口。

圖8 協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔不同平距采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律Fig.8 Distribution law of gas concentration in goaf under cooperative drainage of long borehole with different horizontal distance

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)長(zhǎng)鉆孔距回風(fēng)巷平距10 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.41%～0.75%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.58%。 當(dāng)平距進(jìn)一步增加至15 m 時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.32%～0.65%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.49%。 當(dāng)平距為20 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.35%～0.66%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.51%。 如圖10 所示。 隨著平距的增加，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)先降低后增加，平距15 m 時(shí)，3 個(gè)鉆孔終孔均集中在內(nèi)外橢拋帶之間，因此抽采效果更好。

圖10 協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔不同平距上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.10 Coordinated extraction of average gas concentration in the upper corners of long boreholes with different horizontal distances

但在3 種平距下上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)均控制在1%以下，說明此時(shí)高位定向長(zhǎng)鉆孔的平距應(yīng)控制在10～20 m 以內(nèi)。

2.3.2 “孔-巷”協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔終孔布置垂距模擬分析

通過FLUENT 軟件對(duì)不同垂距條件下的定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果進(jìn)行模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置垂距為11，16，21 m，根據(jù)模擬結(jié)果確定定向長(zhǎng)鉆孔的最優(yōu)垂距，如圖11 和圖12 所示。

圖11 協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔不同垂距采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律Fig.11 Distribution law ofgas concentration in goaf with different vertical distance of long borehole by collaborative drainage

圖12 協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔不同垂距采空區(qū)底板瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律Fig.12 Distribution law of floor gas concentration in goaf with different vertical distance of long borehole by collaborative drainage

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)長(zhǎng)鉆孔距頂板垂距11 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.40%～0.66%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.53%。 垂距進(jìn)一步增加至16 m 時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.32%～0.65%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.49%。 當(dāng)垂距為21 m 時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.35%～0.60%，隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.48%。 如圖13 所示，隨著垂距的增加，隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，這是由于瓦斯升浮作用使得大量游離瓦斯聚集在垮落帶頂部，長(zhǎng)鉆孔垂距增加，終孔位置則更靠近瓦斯富集區(qū)域，抽采效果改善，隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)得到控制，但3 種垂距下上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)均控制在1%以下，說明此時(shí)高位定向長(zhǎng)鉆孔的垂距應(yīng)控制在11 ～21 m，靠近垮落帶頂部，抽采效果更佳。

圖13 協(xié)同抽采長(zhǎng)鉆孔不同垂距上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.13 Collaborative drainage of average gas concentration in upper corner under different vertical distances of long boreholes

2.4 協(xié)同抽采合理布置層位確定

綜合分析“三帶”高度結(jié)果及數(shù)值模擬合理布置層位，并結(jié)合礦井實(shí)際條件，確定高抽巷距回風(fēng)巷的水平距離應(yīng)為25 m，距煤層頂板距離應(yīng)為30 m，此層位處于斷裂帶下部。 高位定向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷之間的平距10 ～20 m，與煤層頂板間距11 ～21 m。 此層位處于垮落帶上部，高抽巷之下，既保證鉆孔的穩(wěn)定性，又不與高抽巷相互干擾。 最終協(xié)同抽采各抽采方式布置參數(shù)見表2。

表2 協(xié)同抽采參數(shù)Table 2 Cooperative drainage parameters

3 不同抽采模式模擬結(jié)果對(duì)比

3.1 不同抽采模式瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

3.1.1 不同抽采模式工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖14 為不同抽采條件下工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況，在高抽巷單一抽采模式中，隨距進(jìn)風(fēng)巷距離增加，瓦斯體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯上升，在距進(jìn)風(fēng)巷0～60 m，受新鮮風(fēng)流影響瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0 ～0.18%，隨距離增長(zhǎng)，新鮮風(fēng)流作用減小，瓦斯體積分?jǐn)?shù)迅速提升，當(dāng)新鮮風(fēng)流對(duì)瓦斯稀釋作用與煤壁及采空區(qū)涌出瓦斯對(duì)風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)提升作用相持平時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)開始在一定范圍呈振蕩型變化，最終瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.71%～1.15%。

圖14 不同抽采模式下工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況Fig.14 Variation of gas concentration in working face under different drainage modes

在“孔-巷”協(xié)同抽采模式中，隨距進(jìn)風(fēng)巷距離增加，瓦斯體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯上升，與高抽巷單一抽采相同，同樣存在新鮮風(fēng)流影響段，相比于單一抽采模擬方式，在最優(yōu)布置層位條件下，協(xié)同抽采對(duì)上隅角瓦斯聚集有明顯的治理效果。 隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為0.71%。 這是因?yàn)槌椴摄@孔改變了采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)，靠近工作面?zhèn)鹊拇蟛糠指唧w積分?jǐn)?shù)瓦斯隨抽采鉆孔流出，隨漏風(fēng)風(fēng)流涌入工作面的瓦斯大幅度減少，使得隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在安全范圍內(nèi)。

3.1.2 不同抽采模式采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖15 為不同抽采模式回風(fēng)側(cè)采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況，在不同抽采模式中，回風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)均隨距工作面距離增加而增大，瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體均呈現(xiàn)3 個(gè)變化區(qū)域，即快速提升區(qū)、穩(wěn)步增長(zhǎng)區(qū)及平衡穩(wěn)定區(qū)。 相比于高抽巷單一抽采，“孔-巷”協(xié)同抽采使得采空區(qū)整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低，且由于長(zhǎng)鉆孔布置在回風(fēng)側(cè)上部的垮落帶中，長(zhǎng)鉆孔對(duì)隅角瓦斯治理效果更為明顯。 表現(xiàn)為協(xié)同抽采后回風(fēng)側(cè)快速提升區(qū)跨度明顯增大，使得回風(fēng)側(cè)經(jīng)上隅角涌入工作面的瓦斯強(qiáng)度減緩，隅角瓦斯得到進(jìn)一步控制。

圖15 不同抽采模式下采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況Fig.15 Variation of gas concentration in goaf under different drainage modes

3.2 不同抽采模式采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)存在新風(fēng)和乏風(fēng)混合的循環(huán)風(fēng)流現(xiàn)象，新鮮風(fēng)流通過進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入工作面，而后經(jīng)隅角采空區(qū)。 在回風(fēng)側(cè)工作面風(fēng)流相對(duì)采空區(qū)的微小風(fēng)流引起的相對(duì)負(fù)壓造成采空區(qū)瓦斯經(jīng)上隅角涌入工作面，具體表現(xiàn)為工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)及工作面與回風(fēng)巷交匯處有明顯的渦流現(xiàn)象，造成局部風(fēng)速增大。

在高抽單一抽采模式中，由采空區(qū)矢量風(fēng)流圖可知：在瓦斯升浮作用及高抽抽采作用下，采空區(qū)裂隙帶高體積分?jǐn)?shù)瓦斯由高抽巷進(jìn)行強(qiáng)化抽采，垮落帶靠近工作面?zhèn)鹊耐咚褂捎诠ぷ髅婊仫L(fēng)側(cè)風(fēng)流造成的相對(duì)負(fù)壓影響，在上隅角造成大量聚集，使得隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過礦井安全生產(chǎn)要求。 如圖16 所示。 在“孔-巷”協(xié)同抽采模式中，采空區(qū)內(nèi)部微小風(fēng)流體現(xiàn)出更明顯的分層特性，如圖17所示。

圖16 高抽巷抽采條件下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律Fig.16 Law of air leakage in goaf under high pumping condition

圖17 協(xié)同抽采條件下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律Fig.17 Law of air leakage in goaf under the condition of collaborative extraction

通過對(duì)采空區(qū)整體風(fēng)速場(chǎng)與垮落帶風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行比較可明顯得出：在瓦斯升浮作用下，高抽巷抽采斷裂帶的高體積分?jǐn)?shù)瓦斯，長(zhǎng)鉆孔由于抽采孔徑較小，抽采主要集中在抽采口附近垮落帶靠近工作面?zhèn)鹊耐咚埂?在工作面風(fēng)速場(chǎng)中，進(jìn)風(fēng)側(cè)有較為明顯的新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)狀況，在距進(jìn)風(fēng)巷0 ～15 m，風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)現(xiàn)象逐步減小，在回風(fēng)側(cè)上隅角處存在采空區(qū)瓦斯涌入工作面的現(xiàn)象，在高抽巷單一抽采模式中，上隅角處易形成渦流，造成隅角瓦斯聚集，協(xié)同抽采較好解決這一問題，隅角渦流所引起的瓦斯聚集在長(zhǎng)鉆孔抽采下逐步消失。

4 精準(zhǔn)抽采效果驗(yàn)證

4.1 精準(zhǔn)抽采體系現(xiàn)場(chǎng)布置

試驗(yàn)工作面高抽巷實(shí)際施工布置如圖18 所示，在5 月1 日至12 月31 日之間。 試驗(yàn)工作面由716 m推進(jìn)至1 333 m，由于現(xiàn)場(chǎng)煤層地質(zhì)情況的復(fù)雜性以及實(shí)際施工條件的局限性，高抽巷垂距存在一定變化區(qū)間，但基本達(dá)到設(shè)計(jì)高度并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。 井下定向長(zhǎng)鉆孔施工采用VLD-1000 型深孔定向千米鉆機(jī)及其配套的DDMS 鉆進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。 該鉆機(jī)具有技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作省力、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 主要用于煤礦井下地質(zhì)勘探孔、抽放瓦斯孔、注水孔等鉆孔施工。 可通過調(diào)節(jié)鉆機(jī)角度實(shí)現(xiàn)減小煤層抽放空白區(qū)等問題，且具有定向鉆進(jìn)功能，能提高鉆孔覆蓋率和鉆孔有限進(jìn)尺，提高瓦斯抽采率。

圖18 精準(zhǔn)抽采體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.18 Field application of precision extraction system

4.2 協(xié)同精準(zhǔn)抽采效果

根據(jù)優(yōu)化后的布置參數(shù)對(duì)各抽采方式進(jìn)行施工，選取抽采純量及隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為考察指標(biāo)，在工作面回采期間，對(duì)高抽巷及定向長(zhǎng)鉆孔的抽采純量從5 月1 日至12 月31 日（共244 d）進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：高抽巷平均抽采純量為64.79 m3／min，占瓦斯涌出量的79.91%，定向長(zhǎng)鉆孔平均抽采純量為9.68 m3／min，占瓦斯涌出量的11.6%。如圖19a 所示。 圖19b 為回采期間上隅角及回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化情況，圖中紅線為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的上隅角、回風(fēng)巷及尾巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)的上限1%。 由圖可知，通過應(yīng)用立體協(xié)同抽采技術(shù)、采取了有效的瓦斯控制技術(shù)措施，保證上隅角、回風(fēng)巷最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)均控制在1%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)綜采工作面安全高效生產(chǎn)。 建立針對(duì)試驗(yàn)工作面采空區(qū)卸壓瓦斯立體抽采體系，將高抽巷布置在裂隙帶下部，高位定向長(zhǎng)鉆孔布置垮落帶頂部，高抽巷以下的區(qū)域，進(jìn)行試驗(yàn)工作面瓦斯防治有效可行。

圖19 協(xié)同抽采效果考察指標(biāo)Fig.19 Evaluation index of cooperative pumping effect

5 結(jié) 論

1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定合理布置層位為：高抽巷距回風(fēng)巷的水平距離應(yīng)為25 m，距煤層頂板距離應(yīng)為30 m；高位定向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷之間的平距10～20 m，與煤層頂板間距11～21 m。

2）相比于單一抽采，協(xié)同抽采中長(zhǎng)鉆孔布置在回風(fēng)側(cè)上部的垮落帶中，回風(fēng)側(cè)穩(wěn)步增長(zhǎng)區(qū)跨度明顯增大，使得回風(fēng)側(cè)經(jīng)上隅角涌入工作面的瓦斯強(qiáng)度降低，隅角瓦斯得到進(jìn)一步控制。

3）在協(xié)同抽采條件下，采空區(qū)內(nèi)部微小風(fēng)流體現(xiàn)出更明顯的分層特性，在瓦斯升浮作用下，高抽巷抽采斷裂帶及垮落帶遠(yuǎn)離工作面?zhèn)鹊母唧w積分?jǐn)?shù)瓦斯，長(zhǎng)鉆孔由于抽采孔徑較小，抽采主要集中在抽采口附近垮落帶靠近工作面?zhèn)鹊耐咚埂?/p>

4）在工作面回采期間，高抽巷平均抽采純量為64.79 m3／min，占瓦斯涌出量的79.91%，定向長(zhǎng)鉆孔平均抽采純量為9.68 m3／min，占瓦斯涌出量的11.6%。 在協(xié)同抽采的實(shí)施條件下，上隅角、回風(fēng)巷最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)均控制在1%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)工作面的安全高效生產(chǎn)。