王煥斌

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

1 工程概況

高河能源有限公司W(wǎng)3311 進(jìn)風(fēng)順槽位于礦井北部，W3311 進(jìn)風(fēng)順槽I 段向西延伸2 255.4 m（平距），施工到位后轉(zhuǎn)向以180°方位角向南掘進(jìn)185.5 m（平距） 后再轉(zhuǎn)向以270°向西掘進(jìn)施工W3311 進(jìn)風(fēng)順槽Ⅱ段，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度465.6 m（平距）。該巷道沿3 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，根據(jù)現(xiàn)有三維勘探資料，巷道自東向西穿過(guò)西堡向斜區(qū)域、西堡背斜區(qū)域，巷道底板最高點(diǎn)預(yù)計(jì)標(biāo)高+485 m，最低點(diǎn)位于預(yù)計(jì)標(biāo)高為+393 m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差92 m。3 號(hào)煤層厚度為6.00 ～7.00 m，平均煤厚6.54 m，傾角2°～14°。煤層之上為泥巖偽頂，厚度0.54～1.9 m，灰黑色，厚層狀，均勻?qū)永?，?jiàn)大量植物化石。泥巖之上為粉砂巖—細(xì)砂巖泥巖直接頂，厚度0.90 ～1.46 m，灰色—深灰色，中厚層狀，波狀層理，小型交錯(cuò)層理發(fā)育，含云母碎片，見(jiàn)少量植物化石。砂巖之上為16.50 ～18.50 m 厚的細(xì)砂巖老頂，灰色，中厚層狀，成份以石英為主，長(zhǎng)石次之，含云母碎片，平行層理，泥質(zhì)膠結(jié)，分選中等。煤層之下為直接底泥巖—粉砂巖，厚為0.72 ～2.04 m，深灰色—黑色，中厚層狀，均勻?qū)永恚⌒徒诲e(cuò)層理發(fā)育，見(jiàn)大量植物化石。泥巖—粉砂巖之下為老底，為2.30 ～3.52 m 厚的中砂質(zhì)泥巖—細(xì)砂巖，灰色—灰黑色，成份以石英為主，長(zhǎng)石次之，波狀層理，含泥質(zhì)包體，見(jiàn)菱鐵質(zhì)結(jié)核。

W3311 進(jìn)風(fēng)順槽自東向西穿過(guò)西堡向斜區(qū)域、西堡背斜區(qū)域，向斜兩翼地層局部?jī)A角較大、張性裂隙越發(fā)育，煤層氣就越易逸散；掘進(jìn)至向斜裂隙發(fā)育區(qū)域，受斷層影響區(qū)，煤層破碎，易于瓦斯的釋放，易出瓦斯事故。W3311 進(jìn)風(fēng)順槽安裝4 臺(tái)FBDNo-7.5 型局部通風(fēng)機(jī)，采用φ1 000 mm 風(fēng)筒供風(fēng)，風(fēng)筒吊掛在巷道兩幫，按照高河能源2022年的《“一礦一策，一面一策”瓦斯治理方案》，W3311 進(jìn)風(fēng)順槽工作面屬于一級(jí)瓦斯管理區(qū)域，為降低掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛?、提高巷道掘進(jìn)效率，展開(kāi)超前預(yù)抽技術(shù)的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用。

2 抽采鉆孔參數(shù)模擬研究

2.1 建立數(shù)值模型

高瓦斯礦井煤層抽采率需高于30%。高河煤礦屬于高瓦斯礦井，因此應(yīng)將煤層內(nèi)瓦斯預(yù)抽率作為判定其有效抽采半徑界限的參考值，通過(guò)收集相關(guān)資料得到W3311 進(jìn)風(fēng)順槽附近煤層瓦斯參數(shù)，煤層內(nèi)原始瓦斯含量為10.5 m3/t，因此有效抽采半徑內(nèi)煤體瓦斯含量應(yīng)降至7.35 m3/t 以下。

鉆孔有效抽采半徑是進(jìn)行布置參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，為確定高河煤礦3 號(hào)煤層抽采條件下瓦斯運(yùn)移規(guī)律，利用COMSOL 軟件建立數(shù)值計(jì)算模型[1-2]，考慮到煤層內(nèi)瓦斯基本沿抽采孔徑匯集至抽采鉆孔內(nèi)，將瓦斯的流動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化為沿鉆孔徑向的二維平面問(wèn)題，在滲流方程的基礎(chǔ)上建立如圖1 所示的數(shù)值模型進(jìn)行求解，模型尺寸為寬、高40 m 的矩形，四周邊界為不滲流邊界條件，煤體的瓦斯參考參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 鉆孔合理參數(shù)確定

參考國(guó)內(nèi)類似條件下的相關(guān)研究成果[3]，常用的瓦斯抽采鉆孔直徑有75、94、113 mm，抽采負(fù)壓通常為10 ～20 MPa，抽采時(shí)間為30 ～180 d，因此進(jìn)行不同鉆孔直徑、不同抽采負(fù)壓（13、15、20 kPa） 條件下抽采效模擬，認(rèn)定煤層內(nèi)瓦斯含量降至7.84 m3/t 以下的區(qū)域?yàn)橛行С椴砂霃降母采w范圍，模擬得到有效抽采半徑隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical simulation results

根據(jù)圖2 分析可知，有效抽采半徑隨著時(shí)間延長(zhǎng)的增長(zhǎng)曲線并非直線型，在抽采時(shí)間達(dá)到90 d后，增長(zhǎng)曲線的斜率開(kāi)始逐漸減小，在抽采時(shí)間由120 d 繼續(xù)延長(zhǎng)至150 d 期間，有效抽采半徑增幅均很小，由此說(shuō)明抽采時(shí)間控制在120 d 內(nèi)較合理。抽采鉆孔直徑由73 mm 變?yōu)?4 mm，有效抽采半徑增長(zhǎng)曲線間的差值隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大，抽采時(shí)間在90 d 以上時(shí)，有效抽采半徑差值達(dá)到0.25 ～0.35 m，抽采鉆孔直徑由94 mm 變?yōu)?13 mm，有效抽采半徑增長(zhǎng)曲線比較接近，抽采時(shí)間90 d 以上時(shí)，抽采半徑差值僅為0.10 ～0.20 m，表明鉆孔直徑提升至113 mm 對(duì)于抽采效果的提升很微小，因此可確定最佳抽采鉆孔直徑為94 mm。圖2（d） 所示結(jié)果為鉆孔直徑94 mm、抽采120 d條件下有效抽采半徑隨著抽采負(fù)壓的變化曲線，可以看出，抽采負(fù)壓大于15 kPa 后，曲線基本呈水平狀態(tài)，由此說(shuō)明，抽采負(fù)壓為15 kPa 最合理。抽采120 d 有效抽采半徑分別為2.46 m，由此確定該條件下有效抽采半徑為2.4 m。

3 邊掘邊抽方案設(shè)計(jì)

根據(jù)瓦斯涌出源頭，采用邊掘邊抽工藝進(jìn)行瓦斯治理，在不影響巷道正常掘進(jìn)的情況下降低了掘進(jìn)工作面瓦斯的涌出量。參照類似條件下相關(guān)應(yīng)用實(shí)例[4]，設(shè)計(jì)W3311 進(jìn)風(fēng)順槽兩側(cè)煤壁中每間隔60 m 施工一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)寬4 m、深4 m、高3.2 m，與大巷高差為2.0 m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置6 個(gè)直徑94 mm 的抽采鉆孔，鉆孔孔深均為140 m，鉆孔終孔處間距為2 ～2.4 m，水平方向抽采范圍覆蓋寬度為10 ～14 m，垂直方向覆蓋高度為5 ～7 m，同側(cè)鉆場(chǎng)間距120 m，鉆場(chǎng)及鉆孔布置詳情如圖3 所示，抽采負(fù)壓為15 kPa。

圖3 鉆場(chǎng)布置示意Fig.3 Layout of drilling field

4 瓦斯抽采效果檢驗(yàn)

4.1 鉆孔抽采瓦斯參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

高河能源W3311 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面邊抽邊掘技術(shù)于2022 年11 月15 日開(kāi)始實(shí)施，每一組的抽采鉆孔匯流管處均按照由CJZ42 型瓦斯綜合參數(shù)測(cè)定儀，選取部分日期的測(cè)定數(shù)據(jù)，整理得到瓦斯流量和當(dāng)日抽采瓦斯量變化曲線如圖4 所示，分析可知，抽采初期鉆孔內(nèi)純瓦斯流量約為0.3 m3/min，之后純瓦斯流量逐漸增大并穩(wěn)定在0.44 m3/min 左右，每日瓦斯抽采量也由早期的450 m3左右增長(zhǎng)至670 m3左右，方案實(shí)施后抽采效果良好。

圖4 鉆孔抽采瓦斯參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of borehole gas extraction parameters

4.2 掘進(jìn)工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證邊掘邊抽方案對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛冉档偷男Ч?，高河能源W3311 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)期間進(jìn)行回風(fēng)流內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成如圖5 所示的曲線圖，圖5（a） 為每日監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛茸畲笾担瑘D5（b） 為每日監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛绕骄?，可以看出，在方案?shí)施前，掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中日監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.69%～0.73%，日監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛绕骄禐?.50%～0.53%，在邊掘邊抽方案實(shí)施后，日監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛茸畲笾到抵?.59%左右，降幅約為16.9%，日監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛绕骄到抵?.45%左右，降幅約為13.7%，綜上可知，邊掘邊抽方案可明顯提高煤層瓦斯預(yù)抽量，降低掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量和瓦斯?jié)舛?，降低瓦斯超限的頻率和可能性，更加保障煤礦工人的人身安全，提高了快速掘進(jìn)工作面的安全性。

圖5 掘進(jìn)工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of airflowgas concentration in heading face

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高河煤礦大斷面煤巷掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限問(wèn)題，提出采用邊掘邊抽技術(shù)進(jìn)行瓦斯治理，利用COMSOL 軟件進(jìn)行瓦斯抽采過(guò)程的模擬分析，得出抽采鉆孔的合理直徑為94 mm，最佳抽采負(fù)壓為15 kPa，抽采時(shí)間為120 d 時(shí)，有效抽采半徑為2.4 m。設(shè)計(jì)了瓦斯抽采鉆場(chǎng)及順層鉆孔布置方案，方案實(shí)施后，日瓦斯抽采量達(dá)到670 m3左右，掘進(jìn)工作面日瓦斯?jié)舛茸畲笾到档?6.9%，日瓦斯?jié)舛染到档?3.7%，有效降低了巷道內(nèi)瓦斯涌出量，實(shí)現(xiàn)了大斷面煤巷邊掘邊抽的高效掘進(jìn)。