顶板走向长钻孔瓦斯抽采效果的数值模拟分析

柴少楠

（晋能控股煤业集团大西煤矿，山西 阳城 048105）

瓦斯是煤矿安全生产的重要威胁源，在实际生产针对工作面瓦斯超限的问题可采用矿井通风和瓦斯抽采的方式进行解决。从实践表明，在开采初期采用瓦斯抽采方式解决瓦斯超限问题的效果远不如在开采中采用瓦斯抽采。近年来，随着钻孔设备的不断改进及其相关关键技术的支撑，在顶板走向采用长钻孔的方式得到广泛应用[1]。该方式与传统的高抽巷抽采瓦斯具有成本低、施工周期短以及支护简单的优势。本文重点开展顶板走向长钻孔瓦斯抽采技术的工程应用。

1 工程概况

为提升顶板长走向钻孔瓦斯抽采技术的应用效果，重点对所应用的工作面的基本情况及瓦斯的涌出及运移规律进行研究。

1.1 工作面概况

以山西焦煤下属的一座煤矿为例开展研究，该煤矿预计煤炭储量可达2 亿t。目前，该工作面由三个煤层同时开采。在2017 年对该煤矿的瓦斯等级进行了重新的鉴定，经探测可知该煤矿瓦斯的相对涌出量为21.67 m3/t，瓦斯的绝对涌出量为55.10 m3/min。

具体以该煤矿的9 号综采工作面为开展研究。9号综采工作面煤层的厚度范围为1.3～1.8 m，煤层平均厚度为1.5 m；工作面煤层的平均倾角为6°，煤层倾角范围为2°-12°。9 号综采工作面的走向长度约为1.2 km，其中倾斜工作面的长度约160 m。9号综采工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 9 号综采工作面顶底板情况

目前，9 号综采工作面所采用的通风方式为U型通风，其中，进风巷为材料巷，回风巷为运输巷。经测量，材料进风巷的风量约为1 190 m3/min，运输回风巷的风量约为11 560 m3/min。

1.2 工作面瓦斯涌出及运移规律分析

从理论上讲，综采工作面瓦斯的涌出量包括有邻近层、采空区层以及所属实际煤层。对于9 号综采工作面而言，其工作面实际瓦斯涌出量仅包含本煤层和采空区所涌出的瓦斯量。经测量，本煤层实际瓦斯涌出量为7.35 m3/min；采空区瓦斯涌出量为7.24 m3/min。即，9 号综采工作面的瓦斯总涌出量为14.56 m3/min。因此，需重点对本煤层和采空区的瓦斯进行抽采。

由于瓦斯的密度仅为空气的一半，采空区的瓦斯从岩层和煤层中析出后将会不断上浮至工作面上方并产生积聚现象[2]。同时，采空区的瓦斯由高浓度区域扩散至低浓度区域，最终达到了整个区域瓦斯浓度稳定。

2 顶板走向长钻孔瓦斯抽采的数值模拟研究

结合工作面瓦斯的运移规律可知，大部分瓦斯将会聚集在裂隙带中。因此，为保证最终瓦斯的抽采效果主要对工作面裂隙带的瓦斯进行抽采。此外，对于顶板走向长钻孔瓦斯抽采工艺而言，顶板长钻孔的终孔位置将直接决定瓦斯抽采的效果。综合9 号综采工作面的地质条件和瓦斯分布情况，将顶板长钻孔布置于裂隙带偏下的位置为最佳。同时，初步确定顶板长钻孔的高度位置应为距离工作面底板8～30 m的范围之内；终钻孔的位置应距离回风巷水平距离6～55 m 的范围之内。为缩小上述最佳钻孔的布置范围，本节将采用数值模拟手段对参数进行优化。

2.1 模型的搭建

基于ICEM 软件对工作面的三维几何模型进行搭建，并对所搭建的模型结合工作面的实际情况进行参数设置；根据工作面实际情况设定的边界条件如下：

1）设定工作面进风巷的风速为2.6 m/s；

2）结合现场压力的实测值，设定工作面回风巷的出口压力为-165 Pa；

所搭建的数值模拟模型如图2 所示：

图2 综采工作面瓦斯抽采数值模拟模型

2.2 顶板走向长钻孔瓦斯抽采参数的优化

顶板走向长钻孔瓦斯抽采参数包括有钻孔位置的确定（垂直和水平距离）以及抽采负压，具体对上述三项参数进行优化确定。

2.2.1 钻孔垂直距离的优化

在前期研究的基础上，分别对钻孔距离底板间距为9 m、12 m、15 m、18 m 以及21 m 的情况下工作面的瓦斯分布情况进行对比。其中，对应的钻孔抽采负压为10 kPa，钻孔距离回风巷的水平距离为8 m。经数值模拟分析，得出钻孔的不同垂直距离对应的工作面瓦斯上隅角的瓦斯浓度和瓦斯抽采纯量如表2 所示。

表2 钻孔不同垂直距离的数值模拟结果

如表2 所示，随着钻孔抽采垂直距离的增加，工作面上隅角瓦斯浓度增加；同时，当钻孔垂直距离为18 m 和21 m 时上隅角的瓦斯浓度已经超过《煤炭安全规程》所规定的瓦斯安全阈值[3]。而且，当垂直距离为15 m 时对应的瓦斯抽采纯量最大，为5.78 m3/min。因此，综上所述确定钻孔距离底板的最佳参数为15 m。

2.2.2 钻孔水平距离的优化

在前期研究的基础上，分别对钻孔距离回风巷水平间距为6 m、8 m、10 m 以及12 m 的情况下工作面的瓦斯分布情况进行对比。其中，对应的钻孔抽采负压为10 kPa，钻孔距离底板的垂直距离为15 m。经数值模拟分析，得出钻孔的不同水平离对应的工作面瓦斯上隅角的瓦斯浓度和瓦斯抽采纯量如表3所示。

表3 钻孔不同水平距离的数值模拟结果

如表3 所示，随着钻孔抽采水平距离的增加，工作面上隅角瓦斯浓度增加；同时，当钻孔水平距离为12 m 时上隅角的瓦斯浓度已经超过《煤炭安全规程》所规定的瓦斯安全阈值。而且，当水平距离为8 m 时对应的瓦斯抽采纯量最大，为5.79 m3/min。因此，综上所述确定钻孔距离回风巷的最佳参数为8 m。

2.2.3 抽采负压参数的优化

在前期研究的基础上，分别对抽采负压为7 kPa、10 kPa、13 kPa、16 kPa 以及19 kPa 的情况下工作面的瓦斯分布情况进行对比。其中，对应的钻孔的水平距离为8 m，钻孔距离底板的垂直距离为15 m。经数值模拟分析，得出钻孔的不同水平离对应的工作面瓦斯上隅角的瓦斯浓度和瓦斯抽采纯量如表4 所示。

表4 不同抽采负压的数值模拟结果

如表4 所示，随着抽采负压的增加对应的工作面上隅角瓦斯浓度减小，瓦斯抽采纯量增加。即，仅考虑抽采效果抽采负压越高越好。但是，进一步分析表4 可知，当13 kPa 继续增大时，瓦斯抽采纯量增加不明显；同时，抽采负压越高与可能导致工作面漏风及安全性降低[4]。因此，综合考虑最终确定瓦斯抽采负压为13 kPa。

3 结语

瓦斯是影响工作面安全生产的主要威胁之一。本文针对瓦斯抽采技术中的顶板走向长钻孔瓦斯抽采参数进行优化，并分别得出9 号综采工作面的最佳抽采参数，并总结如下：

1）9 号综采工作面的瓦斯由本煤层和采空区所析出的瓦斯组成；

2）顶板走向长钻孔瓦斯抽采钻孔的垂直最佳距离为15 m，水平最佳距离为8 m，抽采负压最佳为13 kPa。