望云煤矿15103 工作面高位钻孔瓦斯抽采技术研究与应用

郝 煜 彪

（山西兰花科技创业股份有限公司望云煤矿分公司，山西 晋城048400）

1 工程概况

山西兰花煤炭实业有限公司望云煤矿主要开采3#、9#和15#煤层，15103 工作面开采15#煤层，煤层平均厚度为4.86m，平均含有2 层夹矸，夹矸层厚度为0.2m，煤层顶板岩层为石灰岩，底板岩层为砂质泥岩和黑色泥岩。根据矿井地质资料可知，15#煤层综采工作面的绝对瓦斯涌出量为5.88m3/min，故回采15#煤层时矿井属于高瓦斯矿井，另外煤层的透气性系数为0.052m2/（MPa2·d），钻孔瓦斯衰减系数为0.1101d-1，据此得出15#煤层属于较难抽采煤层。

根据15103 工作面的各项地质资料，进行瓦斯涌出量的预测分析，得出工作面回采期间采空区的瓦斯涌出量为8.16m3/min，占到工作面瓦斯涌出量的43%，这会致使工作面回采期间上隅角瓦斯含量易超限，故需对采空区瓦斯进行有效治理，现采用通过分析采空区瓦斯运移规律，通过设置高位钻孔有效治理采空区的瓦斯。

2 采空区瓦斯运移规律分析

现为分析15103 工作面采空区瓦斯运移规律，根据工作面地质资料，采用Fluent 数值模拟软件，建立采空区走向和倾斜长度分别为185m 和150m，设置模型中的垮落带和裂隙带的总体高度为45m，采空区选用多孔介质模型，并假设采空区内的气体不可压缩气体，设置气体的流动方式为稳态流动和等温的过程[1-3]，具体数值模拟模型示意图如图1 所示。

图1 数值模拟模型示意图

根据上述建立的采空区模型，现具体分析采空区在未进行抽采时采空区的瓦斯分布规律和采用高位钻孔（垂直高度32～65m）进行瓦斯抽采后的瓦斯分布规律。

1）未抽采时采空区瓦斯分布规律：根据数值模拟结果得出采空区未采取抽采措施时，此时采空区内的瓦斯浓度分布规律如图2 所示。

图2 采空区未进行抽采时瓦斯浓度分布规律

分析图2 可知，随着工作面回采作业的进行，工作面煤壁的瓦斯一部分随着风流流入回风巷内，另一部分瓦斯由于采空区漏风现象的存在，使得瓦斯向着采空区的深部运移，由于采空区的漏风现象是由进风侧向回风侧流动，进而致使采空区内的瓦斯也随着风流逐渐向回风侧移动，进而致使采空区回风侧的瓦斯浓度较高，尤其在回采工作面上隅角区域，瓦斯浓度较高，形成了瓦斯聚集区域，而在采空区进风侧瓦斯浓度相对较低；另外采空区的瓦斯浓度在工作面回采方向上呈现出倒台阶增大的现象，但其瓦斯降低现象不太明显。

2）高位钻孔抽采后采空区瓦斯分布规律：根据数值模拟结果能够得出高位钻孔抽采不同天数下采空区瓦斯分布规律，具体对高位钻孔抽采15d、25d和75d 时采空区瓦斯分布规律进行出图，具体如图3 所示。

分析图3 可知，当高位钻孔抽采至15d 时，此时采空区内的高瓦斯区域相较于未进行抽采作业时，其范围大幅减小，其中在靠近工作面附近的区域其瓦斯浓度出现明显降低的现象，此时高瓦斯区域占到采空区范围的2/3；当高位钻孔抽采至25d 时，此时高瓦斯分布区域进一步降低，此时高瓦斯区域占到采空区的1/3，工作面上隅角的瓦斯浓度降低至小于1%，满足矿井安全生产的要求；当高位钻孔抽采至75d 时，此时采空区内高瓦斯区域仅在深部位置处存在，且工作面上隅角的瓦斯含量处于小于0.8%的状态。基于上述分析可知，15103 工作面采用高位钻孔进行瓦斯抽采后，采空区内的瓦斯含量呈现出逐渐降低的现象，高位钻孔抽采后工作面上隅角的瓦斯含量能够保障工作面的安全回采，故基于此可知，高位钻孔能够有效解决工作面回采期间瓦斯易超限的问题。

图3 高位钻孔不同抽采天数下采空区瓦斯分布云图

3 高位钻孔抽采方案

3.1 抽采方案设计

根据15103 工作面的具体地质条件，结合上述数值模拟结果，将高位钻孔布置在工作面回风顺槽内，具体高位钻孔的各项参数如下：

1）钻孔水平距离：高位钻孔与回风顺槽之间的距离，可通过下式确定[4-5]：

式中:L 为高位钻孔距回风巷的水平投影距离，m；α 为顶板岩层的泄压角，取61°；H 为高位钻孔距煤层的垂直高度，m；根据15103 工作面的地质条件可知，工作面上覆岩层裂隙带的发育高度为32.8～65m，为确保高位钻孔的抽采效果，需将钻孔的终孔位置布置于裂隙带内，故根据式（1）能够计算得出L 的取值范围为18.22～36.67m，最终确定高位钻孔与回风顺槽之间的水力内错距应大于27.45m。

2）钻孔间距：根据矿井地质资料可知，15#煤层的瓦斯有效抽采半径为2m，本次高位钻孔的孔径为94m，相较于普通钻孔而言，其孔径较大[6]，故综合确定本次高位钻孔的孔间距为5m。

3）开孔位置：本次高位钻孔布置在工作面回风顺槽内，设置钻场排距为30m，每个钻场内布置7 个高位钻孔，具体钻场内部各个钻孔的开孔参数如表1所示。

表1 高位钻孔开孔参数表

4）封孔工艺：本次高位钻孔采用囊袋式带压注浆封孔工艺，设置封孔长度为8m，封孔作业的具体步骤如下：第一步先下放抽采管路与封孔装置；第二步进行注浆，浆液采用普通硅酸盐加水泥，膨胀剂：水泥比例为1:7.6；并按照水灰比为1:1.5 的比例进行搅拌，最终通过注浆泵将浆液注入到钻孔封孔端，形成8m 的封孔深度；第三步为注浆结束后，待浆液凝固24h 后，即可连接抽采管路进行抽采作业，具体抽采钻孔的封孔结构如图4 所示。

图4 高位钻孔封孔结构示意图

具体15103 工作面高位钻孔布置形式如图5 所示。

图5 15103 工作面高位钻孔布置形式示意图

3.2 效果分析

15103 工作面高位钻孔抽采期间，为验证瓦斯抽采效果，在15103 工作面回采期间，在未进行高位钻孔抽采前和进行高位钻孔瓦斯抽采后分别对工作面回风巷和上隅角的瓦斯浓度进行长期监测，根据监测结果能够得出如图6 所示曲线。

图6 回采期间回风巷及上隅角瓦斯浓度曲线图

分析图6 可知，在工作面未采用高位钻孔进行瓦斯抽采期间，上隅角和回风巷内最大的瓦斯浓度分别为1.4%和1.0%，工作面回采期间长出现瓦斯超限的现象；当工作面采用高位钻孔抽采后，工作面回采期间上隅角的瓦斯浓度基本稳定在0.2～0.68%的范围内，回风巷内的瓦斯浓度基本稳定在0.25～0.8%的范围内，无瓦斯超限现象出现。据此分析可知，高位钻孔有效解决了工作面上隅角瓦斯易超限的问题，确保了工作面的安全回采。

4 结 论

根据15103 工作面的地质条件，通过数值模拟软件分析了采空区未采用抽采和采用高位钻孔抽采措施后的瓦斯分布规律图，得出工作面采用高位钻孔进行瓦斯抽采后，采空区内的瓦斯含量呈现出逐渐降低的现象，上隅角瓦斯大幅降低；结合数值模拟结果，具体进行工作面高位钻孔参数的设计，通过高位钻孔抽采前后工作面区域瓦斯浓度的监测结果得出，高位钻孔解决了上隅角瓦斯易超限的问题，确保了工作面的安全回采。