祥升煤业15506 工作面顺层长钻孔抽采技术研究与应用

2022-03-11赵贤月

煤矿现代化 2022年2期

赵贤月

（山西寿阳潞阳祥升煤业有限责任公司, 山西寿阳 045400）

1 工程概况

潞阳祥升煤业15506 工作面井下位于五采区东翼，工作面西部为工业广场保护煤柱，东部为矿界保护煤柱，南部为河底村村庄保护煤柱，北部为15505工作面，工作面走向长695 m，切眼斜长187 m，开采15 号下煤层，煤层平均厚度4.3 m，平均倾角为3°，煤层顶板岩层为泥岩和粉砂岩，底板岩层为砂质泥岩和泥岩，工作面采用综放开采，采高为3 m，放煤步距为0.8 m。

根据矿井地质资料可知，15506 工作面回采前实测瓦斯含量为3.501 3 m3/t，可解析瓦斯含量为2.044 8 m3/t；煤尘具有爆炸危险性，煤层自燃等级为Ⅲ级，属不易自燃煤层。工作面采用“一进一回”的通风系统，工作面回采的瓦斯治理采用本煤层采前预抽+边采边抽+抽采巷封闭抽采相结合的抽采方案。为保障本煤层钻孔采前预抽效果，特进行抽采参数和抽采方案的分析研究。

2 抽采钻孔参数模拟分析

顺层长钻孔在对本煤层进行抽采作业时，瓦斯在抽采钻孔中为径向流动，现为有效分析本煤层抽采作业时，抽采负压、钻孔直径和抽放时间对抽采效果的影响程度，采用Fluent 数值模拟软件建立瓦斯抽采模型，根据祥升煤业15506 工作面的具体地质条件，建立长×宽×高= 200 m×30 m×10 m，设置模型中钻孔长度为200 m，钻孔直径为90 mm，模型中将抽采钻孔布置在模型的中央位置，设置钻孔的封孔长度为5 m，模型在进行网格划分时，对瓦斯抽采钻孔区域进行加密处理[1-2]，具体数值模型如图（1a），模型参数设置完毕后，进行抽采钻孔的开挖，在钻孔开挖完成后通过计算得出钻孔周边瓦斯压力分布云图如图1（b）。

图1 数值模型及抽采钻孔周边瓦斯压力分布云图

本次数值模拟主要分析抽采负压、钻孔直径和抽放时间对抽采效果的影响程度，模拟时采用单因素分析法，即保持其他影响因素相同，只改变研究因素，根据相关研究成果及工程实践结果[3-4]，对比分析抽采负压为-15、-30、-45 kPa 时瓦斯抽采效果，抽采钻孔直径为90、110、130 mm 时抽采效果，抽采时间为5、15、30 d 时瓦斯抽采效果。

1）抽采负压：采用Fluent 数值模拟软件进行抽采负压影响效果的模拟分析时，设置煤层的渗透率为1.7×10-4m2/MPa·d，设置煤层中的瓦斯压力为0.98 MPa，模型中瓦斯抽采钻孔的直径为90 mm，长度为200 m，基于数值模拟结果能够得出抽采钻孔在不同抽采负压下钻孔瓦斯流量如图2 所示。

图2 不同抽放负压下钻孔瓦斯抽采流量曲线图

分析图2 可知，瓦斯抽采钻孔的抽放负压整体对抽采钻孔抽放半径的影响较小，但在钻孔抽采的初期，抽放负压对抽采流量具有较大的影响，随着抽采时间的增长，抽采流量会逐渐趋于稳定。据此可知，在瓦斯抽采初期，可通过提高抽采负压来增大瓦斯抽放量，但考虑到抽采管路的气密性和设备功率的问题，抽采中后期通过提高负压对提升抽采流量的效果较差，结合目前众多相关理论研究结论和工程实践结果[5-6]，确定合理的抽放负压在-15～-30 kPa。

2）钻孔直径：在分析瓦斯抽采钻孔对瓦斯抽采流量的影响时，设置煤层的渗透率为1.7×10-4m2/MPa·d，设置煤层中的瓦斯压力为0.98 MPa，模型中抽采负压设置为-30 kPa，根据数值模拟结果能够得出不同抽采钻孔直径下瓦斯流量曲线如图3所示。

分析图3 可知，当瓦斯抽采钻孔直径为90 mm时，百米钻孔的最大瓦斯抽采量为0.083 m3/min；抽采钻孔直径为110 mm 时，百米钻孔的最大瓦斯抽采量为0.098 m3/min；抽采钻孔直径为130 mm 时，百米钻孔的最大瓦斯抽采量为0.12 m3/min；基于此数据可知，钻孔瓦斯抽采量随着钻孔直径的增大而不断增大，即表明在现场施工条件许可时，可尽量增大抽采直径，以提高瓦斯抽采效果。

图3 不同抽采直径下钻孔抽采瓦斯流量曲线图

3）抽放时间：采用数值模拟进行抽放时间对瓦斯抽采效果的分析时，设置煤层的渗透率为1.7×10-4m2/MPa·d，设置煤层中的瓦斯压力为0.98 MPa，模型中抽采负压设置为-30 kPa，钻孔直径90 mm，钻孔长度为200 m，根据数值模拟结果能够得出不同抽采钻孔直径下瓦斯流量曲线如图4 所示。

图4 不同抽放时间钻孔抽放半径及抽放流量曲线图

分析图4 可知，钻孔瓦斯抽采效果对钻孔抽放半径及抽放流量的影响较大，当钻孔的抽放时间由5 d 增大为30 d 时，此时钻孔抽放半径由原来的0.8 m 增大为2.5 m，但钻孔抽采的瓦斯流量却随着抽采时间的增大而逐渐减小，瓦斯抽采流量由初期的0.96 m3/min 降低至0.39 m3/min，且进一步随着抽采时间的增长，钻孔抽采流量逐渐趋于一个稳定值。

综合上述分析可知，本煤层钻孔抽采时，抽采负压对抽放具有较大的影响，而对抽采流量的影响程度不大，抽采钻孔的直径和抽采时间对本煤层钻孔的抽放半径和抽放量具有较大的影响。

3 顺层长钻孔抽采方案及效果

3.1 抽采方案

根据15506 工作面的瓦斯赋存特征，结合上述抽采钻孔参数模拟分析结果，确定采用大直径长钻孔进行本煤层瓦斯预抽，15506 工作面采用长钻孔递进式抽采，从工作面内已掘的回采巷道内通过大功率钻机向工作面内施工本煤层顺层长钻孔，长钻孔覆盖工作面及下一个未掘巷道轮廓线的15 m 范围，通过预抽作业实现本煤层瓦斯抽采达标和下一个回采顺槽消突的目的。本煤层钻孔布置方式如下：

1）抽采钻孔布置位置：本煤层大直径顺层长钻孔布置在15506 工作面停采线以里，钻孔采用EH260 型钻机进行打设，抽采钻孔在工作面单侧布孔，钻孔深度施工至待掘顺槽区域，15506 回风顺槽西帮15 m 以外，抽采钻孔深度最大不超过300 m。

2）钻孔参数：瓦斯抽采钻孔直径为127 mm，钻孔间距为2 m，具体工作面瓦斯抽采钻孔布置见图5，设置抽采钻孔的封孔深度为17 m，工作面的封孔长度为8 m，封孔段为9～17 m，封孔作业时的封孔注浆压力为2.0～2.5 MPa，具体工作面内瓦斯抽采钻孔的钻孔深度和下筛管的长度数据见图6。

图5 15506 工作面顺层长钻孔布置位置示意图

图6 工作面内抽采钻孔深度及下筛管长度曲线图

3）抽采参数：顺层长钻孔抽采时，抽采负压设置为-30 kPa，抽采时间最少为25 d，瓦斯抽采作业时，设置10 个抽采钻孔为一组，通过高压管实现联接，通过单孔安装观测嘴和球阀进行钻孔抽采浓度和抽采负压的测定，每100 m 为一个抽采评价单元。

3.2 效果分析

15506 工作面采用顺层长钻孔进行瓦斯抽采期间，通过抽采钻孔上的监测设施进行长钻孔瓦斯抽采数据的统计分析，具体抽采情况数据见表1。

表1 本煤层瓦斯抽采统计表

分析表1 可知，15506 工作面采用顺层长钻孔进行抽采作业时，瓦斯抽采浓度在67.9～80.1 的范围内，抽采纯量在5.4～5.8 m3/min 的范围内，平均单孔日抽采瓦斯量为219.3 m3；另外通过效果检验可知，工作面大直径长钻孔预抽区域，抽采方案实施后，煤层内的瓦斯含量降幅达34.28 %，这即表明大直径长钻孔瓦斯抽采效果显著。