李強強

（山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

引言

鎮(zhèn)城底礦屬于低瓦斯礦井.近年來，隨著礦井采掘深度的不斷延伸，原煤開采時逐步出現(xiàn)高瓦斯區(qū)域，工作面回采后采空區(qū)上隅角瓦斯積聚嚴重，長期困擾礦井的安全生產(chǎn)。如何從源頭杜絕上隅角的瓦斯積聚及超限，成為研究重點。為解決28620 回采工作面上隅角瓦斯超限問題，提出大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯抽采技術(shù)。有效解決高瓦斯放頂煤工作面存在的瓦斯治理難題，保障了工作面安全高效回采[1]。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計生產(chǎn)能力為190 萬t。28620 工作面現(xiàn)主要開采太原組8#煤層，煤層平均厚度4.60 m，平均傾角4°。鎮(zhèn)城底礦井絕對瓦斯涌出量為265.35 m3/min，相對涌出量為26.85 m3/t。28620 工作面所開采的太原組8#煤層瓦斯含量為10 m3～16m3，相對瓦斯涌出量預計為9.53 m3/t，絕對瓦斯涌出量13.1 m3/min。

為從源頭解決回采工作面采空區(qū)上隅角的瓦斯積聚及超限問題，設(shè)計并提出大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯抽采技術(shù)方案，是通過臨近巷道向回風巷道定距離施加大直徑鉆孔，通過鉆孔與瓦斯抽采系統(tǒng)的連接，改變上隅角瓦斯流場特性，從而降低上隅角瓦斯?jié)舛龋_到瓦斯抽采的目的[2]。大直徑鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯示意圖，如圖1 所示。

圖1 大直徑鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯示意圖

2 數(shù)值模擬

鎮(zhèn)城底礦首先對鉆孔抽采上隅角瓦斯進行數(shù)值模擬研究，采用fluent 數(shù)值模擬軟件進行順層鉆孔瓦斯抽采模型的建立，模型的鉆孔直徑設(shè)定為90 mm，鉆孔長度為200 mm，對模型進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算精度同時降低計算時間，將鉆孔周邊進行細化分，在距離鉆孔較遠位置進行粗劃分，完成網(wǎng)格劃分后共計14 532 個節(jié)點及20 083 個網(wǎng)格單元。將模型設(shè)定為多孔介質(zhì)模型，對不同參數(shù)下的瓦斯抽放效果進行分析[3]。首先對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析，選定抽采負壓為-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa，不同負壓下鉆孔瓦斯流量，如圖2 所示。

圖2 不同負壓下鉆孔瓦斯流量圖

由圖2 可知，不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量隨時間的變化趨勢大致相同，隨著時間的增加，鉆孔內(nèi)部瓦斯流量逐步降低，當抽采負壓為-15 kPa 時，在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.073 m3/min，而當時間來到30 d時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.05 m3/min；當抽采負壓為-30 kPa 時，此時在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.073 m3/min，而當時間來到30 d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.051 m3/min；當抽采負壓為-45 kPa 時，此時在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.096 m3/min，而當時間來到30 d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.054 m3/min。可以看出隨著抽采負壓的增大，此時鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當抽采達到平穩(wěn)后，鉆孔內(nèi)部瓦斯流量相差不大，所以在保證鉆孔密封性的同時，盡量增大抽采負壓，考慮到當抽采負壓為-45 kPa時，此時密封要求難以達到，所以選定最佳抽采負壓為-30 kPa[5]。對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析，選定抽采負壓為-30 kPa，鉆孔直徑為90 mm、110 m、130 mm，不同鉆孔直徑下瓦斯流量，如圖3 所示。

圖3 不同鉆孔直徑下瓦斯流量圖

由上圖可知，不同鉆孔直徑下鉆孔內(nèi)部瓦斯流量隨著時間的增大呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。在抽采初期，鉆孔直徑對于瓦斯抽采影響較大，當抽采時間來到20 d 時，此時的瓦斯流量與鉆孔直徑之間的影響關(guān)系減弱。當鉆孔直徑為90 mm 時，此時的第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.083 m3/min，而當時間來到30 d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.051 m3/min；當鉆孔直徑為110 mm時，此時的第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.099 m3/min，而當時間來到30d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.061m3/min；當鉆孔直徑為130 mm 時，此時的第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.12 m3/min，而當時間來到30 d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.063 m3/min?？梢钥闯鲭S著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達到組鉆孔瓦斯抽放效果[4]。

3 應(yīng)用效果分析與評價

3.1 抽采效果分析

為驗證大直徑鉆孔代替上隅角懸管抽采效果，鎮(zhèn)城底礦在28620 工作面對大直徑鉆孔抽采瓦斯進行工業(yè)性試驗，首先布置大功率EH260 鉆機進行預抽孔設(shè)置，鉆孔的直徑選定130 mm，鉆孔的間距設(shè)定為2 m，鉆孔深度最大值為30 m，當鉆孔深度達到30 m時，立即停止鉆孔。在鉆孔完成后進行套管下放，在鉆成的鉆孔內(nèi)放入套管，避免出現(xiàn)鉆孔塌陷等問題，對鉆孔進行封堵，選定JD-WFK-2 型速膨脹封孔劑進封孔，保證鉆孔氣密性，設(shè)定抽采負壓為-30 kPa，進行鉆孔內(nèi)部瓦斯抽采監(jiān)測，大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測曲線，如圖4 所示。

圖4 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測曲線

抽采管路內(nèi)濃度、上隅角瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪侩S時間變化趨勢如圖4 所示，當抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.1%左右時，此時隨著28620 工作面的不斷推進，使得空區(qū)范圍逐步擴大，此時抽采管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增加的趨勢，當抽采時間達到一定時間后，此時的抽采管管路內(nèi)部瓦斯?jié)舛染S持在1.2%左右；上隅角的瓦斯抽采量初始時為0.1 m3/min 左右，隨著工作面的推進上隅角瓦斯抽采量呈現(xiàn)快速增大的趨勢，與抽采管管路在相同時間位置瓦斯抽采濃度達到平穩(wěn)。此時抽采濃度維持在1 m3/min，可以看出，當使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%，抽放效果較佳[5]。

3.2 社會與經(jīng)濟效益分析與評價

鎮(zhèn)城底礦為對大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽放的經(jīng)濟效益進行分析，按照抽采平均瓦斯量為2 000 m3/min進行計算，每年可抽采730 000 m3，同時抽采的瓦斯可以作為能源使用。掘進巷道1 m 需要成本5 000元，一條高抽巷需要投入資金230 萬，同時需要每隔50 m設(shè)置瓦斯聯(lián)絡(luò)巷，所以成本將近300 萬，而大直徑鉆孔施工時，每個鉆孔需要4 000 元，100 個鉆孔共計需要35 萬，可以看出，選定大直徑鉆孔對上隅角瓦斯進行抽放共計可以節(jié)省280 萬元，所以以孔代巷不僅可以有效解決上隅角瓦斯問題，同時在資金方面，大直徑鉆孔具有更大的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

鎮(zhèn)城底礦結(jié)合28620 工作面地質(zhì)條件設(shè)計了大直徑鉆孔定向抽采上隅角技術(shù)替代沿空留巷Y 型通風技術(shù)，充分利用了抽采負壓改變上隅角附近瓦斯流場，并在采空區(qū)上隅角處形成一個負壓區(qū)，引導上隅角瓦斯向鉆孔處運移，有效解決了瓦斯在上隅角因渦流而集聚超限難題，保證礦井工作面安全高效回采。為驗證抽采效果，鎮(zhèn)城底礦對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著抽采負壓的增大，此時鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，選定最佳抽采負壓為-30 kPa。同時，對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析，看出隨著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達到組鉆孔瓦斯抽放效果，本文選定最佳鉆孔直徑為130 mm。當使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%，抽放效果較佳，保證工作面的安全回采。