于麗雅，張宗良

(1.山西能源學(xué)院 安全工程系，山西 晉中 030600；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

長久以來煤層瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的主要手段之一，國內(nèi)學(xué)者對瓦斯抽采的布孔模式技術(shù)與方法進行了深入的研究，認(rèn)為對抽采鉆孔參數(shù)的優(yōu)化是提高瓦斯抽采效率的途徑之一[1-5]，而對于高瓦斯厚煤層合理的鉆孔布置模式能夠?qū)崿F(xiàn)煤層瓦斯精準(zhǔn)和高效治理[6-9]。高永格等[1]認(rèn)為卸壓孔布置方式不合理不僅起不到很好的卸壓效果，反而可能導(dǎo)致煤巷掘進面局部應(yīng)力集中而不利于卸壓消突；王一帆[8]、薛彥平[9]、郝光生[10]、楊松[11]等開展了立體交叉鉆孔布置方式研究，采用立體交叉鉆孔布置方式的抽采效果要優(yōu)于平面交叉布孔和平行布孔布置方式，能進一步提高煤層透氣性，增加鉆孔單位時間瓦斯抽采量；徐青偉[12]、劉軍等[13]在煤礦瓦斯抽采過程中，利用 “三花眼”布孔方式縮短抽采鉆孔間距，有效消除了瓦斯空白帶。岳高偉[14]等研究表明相同抽采時間，鉆孔方位對有效抽采半徑影響明顯。崔寶庫[15]認(rèn)為“三角形”與“矩形”布置方式相比，傾斜方向瓦斯壓力分布相同，走向方向上瓦斯壓力分布更加均勻；同時也認(rèn)為在瓦斯參數(shù)優(yōu)化過程中抽采鉆孔直徑[16]越大卸壓效果越好；抽采鉆孔間距的合理布置[16-21]對高瓦斯低透氣性煤層提高瓦斯抽采非常有效。上述研究表明，不同布孔模式對瓦斯抽采的效果有較大影響，合理的布孔間距、布孔直徑、布孔分布等是影響抽采效果的關(guān)鍵因素。但針對司馬煤業(yè)3號煤層高瓦斯厚煤層的瓦斯抽采技術(shù)始終沒有得到徹底解決，限制了礦井瓦斯的高效抽采。

1 礦井概況

潞安集團司馬煤業(yè)屬于高瓦斯礦井，主采煤層為3號煤層，平均厚度6.60 m，煤層透氣性較差，平均為0.6814 m2/(MPa2·d)，介于難抽采至較難抽采。1207工作面其西部為未采區(qū)，東部為1206工作面，南部為采區(qū)邊界，北部為二采區(qū)三條采區(qū)大巷。該面可采長度1092 m，工作面走向長度220 m。采用綜采放頂煤開采，采高3 m，采放比1∶1.33，全部垮落法管理頂板，工作面日產(chǎn)量8637 t。工作面采用“U型+高抽巷”通風(fēng)方式。

1207風(fēng)巷、運巷本煤層瓦斯抽采鉆孔布置形式為上下雙排交錯孔(類似三花布置)，與1207切眼方向平行布置預(yù)抽鉆孔，每隔1.5 m布置一個鉆孔，如圖1所示，風(fēng)巷、運巷瓦斯抽采鉆孔上排鉆孔開口距離巷道底板4.92 m；下排鉆孔開口距離巷道底板1.68 m。1207所有鉆孔直徑為115 mm。1207風(fēng)巷鉆孔平均長度為161 m，1207運巷鉆孔平均長度為85 m。工作面抽采時間310 d，可解吸瓦斯含量分別下降大約為28.30%，計算工作面回采時工作面瓦斯?jié)舛瘸^1%，工作面瓦斯?jié)舛任茨苓_標(biāo)，不能保證工作面按時回采。因此，礦井迫切需要深入研究提高高瓦斯厚煤層抽采效率的新方法。

圖1 1207工作面原抽采鉆孔布置

2 高瓦斯厚煤層鉆孔布置模擬研究

2.1 模型的建立

2.1.1 初始模型

模型采用殘余瓦斯壓力來標(biāo)定有效抽采半徑，以瓦斯壓力降低近30%為達標(biāo)。3號煤層原始瓦斯壓力為P0=0.31 MPa，通過計算抽采達標(biāo)壓力定為0.22 MPa，抽采有效半徑即為瓦斯壓力降低到0.22 MPa內(nèi)的半徑范圍。

模擬采用多相流模擬軟件中的多孔介質(zhì)模塊和Darcy定律模塊，根據(jù)司馬礦實際瓦斯抽采過程中的鉆孔布置，設(shè)置響應(yīng)的變量和參數(shù)。建立二維計算模型，煤層模擬尺寸長度為16 m，高度為6.6 m，如圖2所示，在模型中部位置設(shè)計瓦斯抽采鉆孔，在圍壓設(shè)計上，底部邊界設(shè)定為固定約束，上部、左側(cè)和右側(cè)皆設(shè)置邊界載荷為8.25 MPa，設(shè)定模型邊界。模型滲透邊界：四周流量為零。煤層內(nèi)部原始瓦斯壓力設(shè)定為0.31 MPa，抽采鉆孔負(fù)壓在20～45 kPa之間變化，間隔為5 kPa。模擬抽采時間為360 d，時間步長設(shè)為6 d和10 d。

圖2 二維計算模型

2.1.2 模型參數(shù)設(shè)置

在模擬過程中根據(jù)司馬煤業(yè)3號煤層具體情況確定各物理力學(xué)參數(shù)，具體見表1。

表1 模擬各物理力學(xué)參數(shù)

2.2 抽采鉆孔布置模式模擬分析

在模擬過程中，模擬如下條件下的鉆孔瓦斯抽采有效間距：①兩種瓦斯抽采鉆孔直徑，分別為113 mm和133 mm；②抽采負(fù)壓從20～45 kPa變化，增長幅度5 kPa；③有效抽采時間為360 d。

2.2.1 單孔模式

單孔模式下，瓦斯壓力云圖如圖3所示，不同抽采負(fù)壓下的有效抽采半徑變化如圖4所示，由圖3和圖4可以看出，在抽采鉆孔布置為單孔條件且鉆孔直徑不變條件下，瓦斯抽采有效半徑隨抽采負(fù)壓的增加而增加，同時隨抽采時間的延長而增加，具有很好的線性相關(guān)性；同時鉆孔直徑越大，鉆孔瓦斯抽采半徑略有增加，增幅約10%。

圖3 單孔計算瓦斯壓力云圖

圖4 “單孔模式”不同抽采負(fù)壓下的有效抽采半徑

2.2.2 雙孔模式

在雙孔模式下，瓦斯壓力云圖如圖5所示，不同抽采負(fù)壓下的有效間距如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，在113 mm和133 mm時，瓦斯抽采有效半徑隨抽采負(fù)壓的增加而增加，113 mm的抽采鉆孔有效間距從2.60 m增加到2.72 m，增長幅度約4.62%，133 mm的抽采鉆孔有效間距從2.72 m增加到2.80 m，增長2.94%。

圖5 雙孔計算瓦斯壓力云圖

圖6 “雙孔模式”不同抽采負(fù)壓下的有效間距

2.2.3 三花孔模式

三花孔模型中采用三角形布置鉆孔，模擬煤礦正在使用的雙排孔抽采布置方式。在該模型中，以單排孔的雙孔模型計算為基礎(chǔ)，采用單一變量法。“三花孔模式”下，瓦斯壓力云圖如圖7所示，不同抽采負(fù)壓下的有效間距如圖8所示。

圖7 三花孔計算瓦斯壓力云圖

圖8 “三花孔模式”不同抽采負(fù)壓下的有效間距

由圖7和圖8可以看出，鉆孔有效間距與抽采負(fù)壓成正線性關(guān)系。在三花布置中，鉆孔所組成的三角形為等邊三角形。113 mm的抽采鉆孔有效間距從2.84 m增加到2.90 m，增長幅度約2.11 %，133 mm的抽采鉆孔有效間距從2.92 m增加到2.98 m，增長2.11 %，但是相比雙孔模式，在孔徑和負(fù)壓相同的情況下，三花孔布置的有效間距提高9.23%，表明合理的鉆孔布置模式對提高鉆孔的抽采效果是有效的。

2.2.4 四花孔模式

四花鉆孔模型以三花鉆孔模型計算為基礎(chǔ)，采用單一變量法，參數(shù)同單排(雙排)模式?！八幕啄Ｊ健毕?，瓦斯壓力云圖如圖9所示，不同抽采負(fù)壓下的有效間距如圖10所示。

圖9 四花孔計算壓力云圖

圖10 “四花孔模式”不同抽采負(fù)壓下的有效間距

由圖9和圖10可以看出，鉆孔有效間距跟抽采負(fù)壓同樣呈線性相關(guān)性，但是比較相同孔徑的鉆孔有效間距，其與雙孔布置相近似，小于三花孔模式下的有效間距。

2.2.5 五花孔模式

五花鉆孔模型以三花、四花鉆孔模型計算為基礎(chǔ)，根據(jù)煤層厚度，鉆孔采用三層布置，層間鉆孔交替布置。五花孔模式”下，瓦斯壓力云圖如圖11所示，不同抽采負(fù)壓下的有效間距如圖12所示。

圖11 五花孔計算壓力云圖

圖12 “五花孔模式”不同抽采負(fù)壓下的有效間距

由圖11和圖12可以看出，鉆孔有效半徑隨抽采負(fù)壓的增加而增加，增幅不明顯。在進行五花孔模擬時，先通過多次的模擬計算，并結(jié)合橫向間距值，首先確定了三排鉆孔縱向之間的最佳間距值為2.3 m，上排鉆孔距離煤層頂板1 m，下排鉆孔距離煤層底板1 m。再進行橫向間距的模擬計算，最終得出了113 mm鉆孔的有效間距為3.20～3.26 m，133 mm鉆孔的有效間距為3.30～3.42 m。

從上述五種布孔模式的模擬結(jié)果綜合分析，在同孔徑和抽采負(fù)壓條件下，“三花孔模式”和“五花孔模式”對提高鉆孔的抽采效果最有效，實際使用過程中需結(jié)合煤層賦存條件、鉆孔施工成本及抽采效果綜合確定最優(yōu)抽采鉆孔布置模式。

2.3 鉆孔孔徑對瓦斯抽采效果的影響

為研究鉆孔直徑大小對裂隙擴展的影響，分別將抽采鉆孔直徑設(shè)置為95 mm，113 mm，133 mm進行模擬計算，為了分析比較不同鉆孔直徑對裂隙發(fā)育所產(chǎn)生的不同影響，將各個橢圓形的等值線云圖的長軸與短軸列于表中(見表2)，滲透率模擬云圖如圖13所示。

表2 不同鉆孔直徑下的影響范圍

圖13 鉆孔直徑對裂隙擴展影響的滲透率等值線

由表2和圖13可以看出，隨著鉆孔直徑的增加，抽采影響范圍也會小幅增加，表明隨著抽采鉆孔直徑的增加，裂隙發(fā)育有緩慢增加的趨勢。

3 工程應(yīng)用

司馬煤業(yè)1207回采工作面目前回采長度為1.092 km，工作面切眼長度220 m。采用綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板，工作面計劃產(chǎn)量為8637 t/d。工作面采用“U型+高抽巷”通風(fēng)方式。1207工作面回采期間，工作面瓦斯涌出量將越來越大，上隅角瓦斯超限將日趨嚴(yán)重，直接影響著礦井安全生產(chǎn)。未進行預(yù)抽時，相對瓦斯涌出量為6.31 m3/t，絕對瓦斯涌出量為37.85 m3/min。

3.1 瓦斯抽采鉆孔布置優(yōu)化方案

根據(jù)1207工作面的采掘接替計劃，結(jié)合回采巷道的掘進和工作面回采時的推進速度，以及瓦斯抽采有效系數(shù)，將其回采巷道抽采分為三段。根據(jù)1207工作面原始瓦斯含量6.4205 m3/t，當(dāng)抽采率達到30%時，工作面需要抽采時間大致分別為：110 d(首段)、210 d(中段)和310 d(末段)，具體劃分如圖14所示。

圖14 1207工作面回采巷道抽采劃分

1)風(fēng)巷首段采用五花布置：橫向鉆孔間距為1.15 m；縱向方面，上排鉆孔距離底板5.55 m，中排鉆孔距離底板3.35 m，底排鉆孔距離底板1.15 m。

2)風(fēng)巷中段采用五花布置：橫向鉆孔間距為2.45 m；縱向方面，上排鉆孔距離底板5.55 m，中排鉆孔距離底板3.30 m，底排鉆孔距離底板1.05 m。

3)風(fēng)巷末段采用三花布置：橫向鉆孔間距為2.00 m；縱向方面，上排鉆孔距離底板4.3 m，底排鉆孔距離底板2.3 m。具體鉆孔布置模式如圖15所示。

圖15 1207工作面三段鉆孔布置

根據(jù)模擬計算結(jié)果分析，在首段和中段采用抽采效率高的五花布置模式，末段采用三花布置模式，煤層原始瓦斯壓力和瓦斯含量可以在相應(yīng)的110 d(首段)、210 d(中段)和310 d(末段)內(nèi)降到達標(biāo)值(瓦斯壓力降低30%)。鉆孔縱橫向有效鉆孔布置間距見表3。抽采負(fù)壓為35 kPa、鉆孔直徑為133 mm、鉆孔平均長度為161 m。

表3 鉆孔縱橫向有效鉆孔布置間距

3.2 鉆孔布置優(yōu)化抽采效果分析

1207工作面回采巷道抽采鉆孔合理均勻地分布覆蓋煤層，抽采后風(fēng)巷末段巷道實測瓦斯參數(shù)見表4。風(fēng)巷中段、末段的殘余瓦斯含量下降大約為原始瓦斯含量的1/3；可解吸瓦斯含量和煤層瓦斯壓力下降約50%。

表4 風(fēng)巷末段抽采前后實測瓦斯參數(shù)

從表4可以看出，在采用新的抽采鉆孔布置模式后，在規(guī)定的時間內(nèi)風(fēng)巷末段瓦斯抽采率為30.64%，達到達標(biāo)值，可解吸瓦斯量降低14.01%，滿足1207工作面采掘接替的時間要求。

4 結(jié) 論

1)高瓦斯厚煤層本煤層預(yù)抽鉆孔應(yīng)優(yōu)先選用“三花孔”和“五花孔”布置模式，鉆孔直徑、鉆孔抽采負(fù)壓是影響瓦斯抽采效果的主要因素，實際鉆孔布置模式應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際綜合分析確定。

2)瓦斯抽采鉆孔布置優(yōu)化方案在司馬煤業(yè)1207工作面得到成功應(yīng)用，有效縮短抽采時間，提高瓦斯抽采效率，有效保障工作面在抽采一年時對整層煤達到有效抽采。