矿井末采期工作面高位钻孔优化技术研究

高 宏，杨宏伟，钱志良

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

目前国内煤矿末采阶段的工作面在经过前期的抽采之后，煤体的裂隙发育较为明显，且表现为酥软、粘聚力降低等特点，顶板冒落和片帮时有发生，瓦斯涌出异常，加剧了U型通风工作面上隅角瓦斯的涌出。U型通风回采工作面的瓦斯治理主要采用风排瓦斯和高位钻孔抽采的方法，由于高位钻孔的工艺参数以及钻场布置的不合理，钻场间距及接替时间不明确，抽放负压不匹配，易造成U型通风采煤工作面上隅角瓦斯超限，瓦斯抽采效率低，影响了工作面回采效率。因此有必要对末采阶段工作面高位钻孔的工艺参数进行优化研究。国内外目前在末采阶段对工作面高位钻孔优化主要有实验类比法和理论计算法的方法，蔡文鹏等利用理论计算了裂隙带高度，确定了合理的高位钻场参数[1]。陈法喜等利用工程实践类比的方法，分别对高位钻孔的终孔层位、钻孔数量、高位钻孔长度及抽放负压进行了优化[2]。李家彪通过RFPA软件模拟了综采工作面采空区的“三带”发育高度，从而优化了高位钻孔参数[3]。以上方法也在一定程度上优化了高位钻孔，但是仅使用工程类比和理论计算的方法略显单一，不能直观的看到高位钻孔抽采的效果。基于此，在对末采阶段回采工作面高位钻孔优化方面，提出利用理论计算和数值模拟相结合的方法，对矿井末采阶段XV1306回采工作面顶板走向高位钻孔进行了优化，有效提高了瓦斯抽采效率，降低了上隅角瓦斯浓度，瓦斯治理效果显著。

1 高位钻孔优化理论计算

1.1 钻孔的有效利用率及有效长度

高位钻孔的利用率和有效长度决定着其抽采效果的优劣，将高位钻孔布置在裂隙带中，最大限度地发挥其作用，从而抽采出高浓度高纯量的瓦斯[3，4]。有效利用率的计算见式(1)。

按三角形相似比钻孔有效效率为：

式中，Hk为高位钻孔的孔隙垂高，m；Hm为采空区冒落带高度，m。

高位钻孔的有效长度：以XV1306工作面第五组钻场1#高位钻孔为例，钻孔总长度Lk取108m，钻孔的仰角为9°，通过式(1)计算可得出ρ=0.46。有效长度Ly约为70m。

1.2 钻场合理间距和数量

通过计算得出钻孔的有效长度，能够保障钻孔的高效率不间断抽采，提高钻场中高位钻孔的抽采效率，钻孔和钻孔之间实现了有效长度的搭接[5]，钻场间距确定示意图如图1所示。

图1 钻场间距确定示意图

则相邻钻场之间的间距为：

Ls=Lycosα

(2)

式中，Ls为相邻钻场之间的间距，m；Ly为高位钻孔有效长度，m；α为高位钻孔的仰角，(°)。

钻场间距的合理布置，对于保证高位钻孔是否能够实现不间断抽采有着至关重要的作用。若要实现不间断抽采，必须使当前钻场的钻孔的终孔点与上个钻场的钻孔的终孔点能够实现接续，这样才能保证不间断的高浓度抽采。

从1306综放工作面试验考察情况来看，当回采工作面推进到13m左右时，高浓度的瓦斯开始被抽出；当回采工作面推进到32m左右时，高浓度的瓦斯持续被抽出且瓦斯抽采纯量持续增大。当回采工作面推进到70～80m左右时，瓦斯抽采量和抽采纯量大幅度降低。

通过分析可知，钻场抽采出高浓度瓦斯的有效间距为70～80m，根据矿井的实际情况，钻场间距选取为50～60m。

普通高位钻场内施工的钻孔的个数受以下几个参数的影响：高位钻场合计抽放的瓦斯量、孔径、抽采瓦斯浓度[6]，具体计算过程见式(3)。

式中，N为高位钻孔的个数，个；Q为钻场合计抽采的瓦斯纯量，m3/min；D为高位钻孔直径，mm；V为瓦斯气体流动速度，m/s；C为瓦斯管路抽采浓度，%。

根据邻近工作面瓦斯涌出结果分析可知，1306回采工作面最大瓦斯涌出量为11.8m3/min，风排量为4.8m3/min，由高位钻孔抽采的瓦斯为6m3/min。考虑到高位钻孔瓦斯的涌出受复杂地质因素的影响，高位钻孔抽采的瓦斯纯量定为7m3/min。其中，钻孔直径为94mm，瓦斯气体流动速度为9m/s，瓦斯管路抽采浓度为7%，高位钻场中钻孔的个数按照式(3)计算得：N≈5.34个。

考虑到瓦斯涌出的不均衡性和异常性[7]，因此，每个钻场设计布置8个抽放钻孔，若瓦斯涌出量较大，建议布置12个钻孔。

2 高位钻孔优化COMSOL数值模拟

2.1 基本模型的建立

模型的长度和宽度均设置为30m，高为5m。将高位钻孔周围2m的网格加密处理，高位钻孔周边的网格加宽处理，这样既能保证模拟计算过程的精密又能保证计算时间不至于过长。含瓦斯煤模拟具体参数见表1。

表1 含瓦斯煤模拟参数

2.2 不同抽采时间对钻孔抽采的影响

不同抽采时间下(1d、3d、5d、7d、9d)，高位钻孔周边瓦斯压力切片如图2所示。分析图2可知，距离抽采钻孔越近，其瓦斯压力变化越明显。

图2 瓦斯压力切片图

高位钻孔瓦斯压力随时间的变化曲线如图3所示。由图3可知，随着高位钻孔抽采时间的增加，钻孔周边的瓦斯压力逐渐变小。在抽采的初始阶段，瓦斯流场和瓦斯流动通道还未形成，随着抽采的逐步进行，煤层逐步卸压，瓦斯渗流的通道被打开，瓦斯压力越来越低，最终的瓦斯流场形成以瓦斯钻孔中心位置瓦斯压力最低，逐步向圆周扩散增大。钻孔经过5d的抽采后，钻孔周边的流状钻孔已初步形成，钻孔受抽采的影响，影响范围逐步扩大。由图3可以看出，当钻孔抽采1d时，瓦斯压力变化不是很明显，但当钻孔抽采9d后，瓦斯压力由之前的0.22MPa降低到0.05MPa，并趋于稳定。随着抽采的进行，煤体中的瓦斯流场逐步趋于稳定。

图3 高位钻孔周边区域瓦斯压力随时间变化曲线

通过对XV1306工作面高位钻孔的抽采效果进行统计，抽采有效影响半径随时间的变化曲线如图4所示。若仅考虑抽采时间对抽采效果的影响，则抽采有效影响半径随时间的增加呈增大的趋势，但随着抽采时间的增大，有效影响半径后期增大幅度有所降低，具体的函数关系符合幂指数，如式(5)。

R=0.0178t0.8089

(5)

图4 钻孔有效影响半径随抽采时间的变化曲线

当其它参数一定时，随着抽采时间的增加，抽采效果逐渐提高，有效抽采影响半径逐渐增大，但增大的幅度逐渐减小，抽采时间和抽采影响半径符合幂指数关系[8]。

由于抽采前期，原始瓦斯压力和孔外大气压力之间存在较大的压差，造成煤层孔隙间的瓦斯流速和渗透率较大，因此有效影响半径随抽采时间的增加呈逐步上升的趋势，后期由于压差的降低，造成有效影响半径的增加幅度开始趋于平缓。

2.3 高位钻孔合理的抽采负压分析

瓦斯抽采负压为18kPa、25kPa和30kPa时，煤体中高位钻孔的瓦斯压力的变化曲线如图5所示。通过图5可知，增大瓦斯抽采负压对于瓦斯压力的影响甚微，因此单纯靠提高负压来提高高位钻孔瓦斯抽采效率成效不明显。

图5 不同抽采负压下的瓦斯压力分布图

由图5可以看出：在靠近钻孔的地方，煤层内的瓦斯压力下降的幅度很大。抽放负压越大，抽采量越大，但当负压到一定程度后，抽采效果就不会明显增加，有时反而会使抽采纯量降低。高位钻孔内负压抽采影响范围仅限于钻孔周边区域，对于钻孔负压抽采有效影响范围以外的区域，负压对其影响很小。

结合15#煤层XV1306工作面钻场的实际情况，通过分析抽采负压对移动泵抽采效果的影响，对瓦斯抽放移动泵的负压、抽放距离进行效果分析评价，得出XV1306工作面高位钻场钻孔抽放负压为15～22.4kPa时，抽放效果最佳。

3 高位钻孔优化及抽采效果评价

3.1 钻场内高位钻孔数量的确定

受15#煤层XV1306回采工作面地质构造的影响，瓦斯涌出呈现出不规律性，高位钻孔在施工过程中偶尔也会遇到塌孔发生，因此每个高位钻场施工的钻孔个数暂定8个，当瓦斯涌出较大时，钻孔个数调整为12个，钻场之间的间距定为60m。

3.2 优化后高位钻孔参数的确定

经收集资料可知，15#煤层裂隙带高度为14.4～59.29m，将高位钻孔终孔位置布置在裂隙带的中下部，有利于抽放瓦斯，高位钻孔的垂直高度最终定在6～26m，仰角3°～13°，偏角4°～13°。普通钻场优化后的高位钻孔钻孔具体参数见表2。

表2 普通钻场优化后的高位钻孔钻孔具体参数

3.3 优化后的高位钻孔抽采纯量评价

经过现场数据统计分析得知，优化后的XV1306工作面普通钻场单个高位钻孔的抽采纯量平均值由0.72m3/min提高到了0.94m3/min，抽采纯量提高了30.6%。

4 结 论

1)通过理论计算，得出高位钻孔的有效长度约为70m，钻场间距以50～60m较为合理，每个钻场设计布置8个抽放钻孔，瓦斯涌出量较大时，高位钻场钻孔增加至12个。

2)通过COMSOL数值模拟，得出高位钻孔的瓦斯压力随着抽采时间的增大而呈现出降低的趋势，后期趋于稳定。有效影响半径随抽采时间的增加呈逐步上升趋势，后期的增加幅度开始趋于平缓。抽采量随抽采负压的增大而增大，增大到一定程度后，抽采量开始趋于稳定。通过分析矿井15#煤层XV1306工作面钻场抽采效果的实际情况，得出末采阶段XV1306工作面高位钻场钻孔抽放负压为15～22.4kPa时，抽放效果最佳。

3)采用理论计算和数值模拟对高位钻孔进行优化，高位钻场中钻孔的间距按照0.5m布置，高位钻孔的垂高最终定在煤层顶板6～26m之间，末采阶段XV1306工作面普通钻场单个高位钻孔的抽采纯量平均值由0.72m3/min提高到了0.94m3/min，抽采纯量提高了30.6%，在一定程度上降低了上隅角瓦斯浓度，提高了瓦斯抽采效率，瓦斯治理效果显著。