综采工作面瓦斯抽采技术研究
2021-01-20石俊旗山西潞安工程有限公司山西长治046102
石俊旗(山西潞安工程有限公司, 山西 长治 046102)
1 前言
我国高瓦斯和突出矿井数量超过1 500座，多数为各地生产的主力矿井，瓦斯突出事故成为制约矿井安全生产的最严峻的问题[1-2]。虽然我国矿井对瓦斯进行了监控、防治，但一些小的隐患也可能会造成严重的事故[3]。因此，对于矿井来说，应当实时监测工作面瓦斯浓度，对于可能存在的安全隐患，及时对瓦斯进行抽采，降低工作面瓦斯浓度，避免发生瓦斯事故，造成人员的伤亡[4-6]。目前，多数矿井采用定向钻孔的措施抽放瓦斯，该方法不仅抽采率高，且施工简单，逐渐成为目前最常见有效的瓦斯抽采技术。
2 工作面概况
9105工作面北部为9号煤层三条大巷，东部为未开采9107工作面，西部为已回采的9103综采工作面，南部为井田边界。工作面主采9号煤层，煤厚1.6～1.92m，平均厚1.7m，倾角小于5。工作面区域地质条件相对复杂，附近发育有F730-5、F730-8、F730-10等5条断层。煤层顶板为砂质泥岩，底板为粉砂岩。9105工作面为高瓦斯工作面，为了保证工作面回采安全，需要对工作面瓦斯浓度进行监测，同时如出现瓦斯超限，及时进行抽采，降低瓦斯浓度，保证工作面回采安全。
3 定向钻孔抽采原理
工作面回采后上覆岩层断裂破碎，煤层中的瓦斯会在煤岩体裂隙中运移，也会在裂隙中积聚。当工作面顶板垮落后，采空区中的岩层间存在空隙，为瓦斯运移和集聚提供了空间，工作面瓦斯主要在该区域内积聚[7]。因此，为了避免工作面出现瓦斯突出，应采用定向钻孔措施对积聚的瓦斯进行抽采，其抽采原理如图1所示。
1—钻机；2—定向钻孔；3—顶板裂隙带；4—上隅角；5—冒落带；6—采空区
从图1中可以看出，通过钻机向顶板施工定向钻孔，抽采积聚在顶板裂隙带、上隅角、冒落带、采空区中积聚的瓦斯，通过抽采降低积聚的瓦斯浓度，避免瓦斯超限发生突出、爆炸等事故。通过顶板裂隙作为钻孔抽采瓦斯的通道，抽采工作面瓦斯浓度较高的上隅角和采空区区域瓦斯。
4 钻孔参数模拟
4.1 钻孔角度
采用FLUENT模拟9105工作面回采，采用定向钻孔抽采瓦斯时，不同仰角和倾角瓦斯的抽采量，以此确定定向钻孔最优的施工参数。根据模拟结果，得到不同角度定向钻孔瓦斯抽采结果，具体情况见表1。
表1 不同角度瓦斯抽采量
由表1可知，9105工作面采用定向钻孔抽采瓦斯后，不同角度瓦斯抽采量有较大差距。采用相同仰角抽采时，当倾角增加时，受工作面顶板钻孔在垂直方向逐渐远离采空区，岩层裂隙减小的因素，钻孔抽采的瓦斯抽采量逐渐减小。采用相同倾角抽采时，当仰角增加时，钻孔抽采的混合流量逐渐减少，纯流量受顶板岩层越往上受采用影响越小，岩层裂隙越少因素，钻孔抽采瓦斯纯流量先减小后增加，但是由于瓦斯密度相对于空气来说小，瓦斯主要在裂隙空间的下方游离，因此，纯流量增加的范围小。
根据FLUENT模拟结果可知，9105工作面采用定向钻孔抽采瓦斯时，仰角20°瓦斯抽采量效果好，瓦斯抽采纯流量大于55%。因此，采用仰角20°的定向钻孔在工作面顶板进行施工。
4.2 钻孔数量
采用FLUENT模拟9105工作面分别采用不同钻孔组时瓦斯抽采浓度，具体如图2所示。
图2 不同钻孔组瓦抽采浓度
由图2可知，9105工作面分别采用1～3组钻孔抽采瓦斯，钻孔数量越多，瓦斯抽采量越大，积聚在工作面中的瓦斯浓度就越低。从图中可知看出，当工作面采用2组定向钻孔进行抽采时，工作面采空区中瓦斯含量最低。当增加钻孔组，采用3组钻孔进行瓦斯抽采时，受钻孔离采空区的距离远影响，对工作面瓦斯抽采影响不大。采用2组和3组钻孔瓦斯抽采量相差不大，因此，9105工作面采用2组定向钻孔进行施工，抽采效果最优。
5 钻孔参数设计
根据FLUENT模拟结果，并结合9105工作面地质条件，采用定向钻孔在工作面顶板施工抽采瓦斯。工作面回采巷道布置2组定向钻场，每组布置4个钻孔，通过钻孔向顶板施工抽采工作面积聚的瓦斯。定向钻孔施工参数见表2。
表2 9105工作面钻孔参数
6 抽采效果检验
9105工作面采用定向钻孔抽采瓦斯，布置2组仰角20°钻孔施工后，工作面采空区瓦斯浓度明显减小。为了分析定向钻孔抽采瓦斯的效果，监测钻孔瓦斯抽采量，不同钻孔抽采量见表3。
表3 9105工作面钻孔瓦斯抽采量
由表3可知，9105工作面采用定向钻孔抽采瓦斯，通过在回风巷道煤柱侧顶板施工2组8个钻孔，对采空区瓦斯进行抽采，有效降低了瓦斯浓度，避免发生瓦斯突出、爆炸事故。根据瓦斯抽采后监测结果可知，定向钻孔抽采瓦斯浓度、混合流量及纯流量最大分别为5.25%、22.60m3/min、0.50m3/min。根据瓦斯抽采监测结果可知，定向钻孔抽采工作面瓦斯量大，能够将工作面瓦斯浓度降低至安全线以下，保证工作面安全回采。
7 结论
(1)以9105高瓦斯工作面为研究对象，分析了采用定向钻孔抽采瓦斯的原理，通过在顶板施工钻孔，将顶板岩层裂隙作为钻孔抽采瓦斯的通道，抽采工作面瓦斯浓度较高的上隅角和采空区区域瓦斯。
(2)采用FLUENT模拟定向钻孔不同倾角、仰角及钻孔数量时瓦斯抽采浓度，根据模拟结果可知，在回风巷道顶板布置2组仰角20°钻孔时，瓦斯抽采效果最优。并根据模拟结果，结合工作面地质条件，分别设计每个钻孔的施工参数。
(3)工作面采用定向钻孔抽采瓦斯，通过监测每个钻孔瓦斯抽采量验证抽采效果，根据监测结果可知，抽采瓦斯浓度、混合流量及纯流量最大分别为5.25%、22.60m3/min、0.50m3/min，定向钻孔抽采有效降低了工作面瓦斯浓度。
