大直径煤柱钻孔抽采工作面上隅角瓦斯技术研究

闫秀军

（山西焦煤西山煤电集团公司官地矿 ，山西 太原 030022）

官地矿针对采煤工作面上隅角瓦斯治理主要采用埋管抽采的方式，该方法会造成大量瓦斯抽放管路埋入采空区内，导致回采成本增高，且埋管抽采时钻孔易积水、堵塞，抽放系统稳定性差[1-4]。本文以36406 工作面为工程背景，采用大直径煤柱钻孔抽采技术替代埋管抽采，通过大直径钻孔抽采治理回采工作面采空区瓦斯，以有效降低上隅角区域瓦斯浓度，取得了良好效果。

1 工程概况

官地煤矿属高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为 92. 88 m3/min，相对瓦斯涌出量为 12. 73 m3/t。6#煤层均厚为2.8 m，平均倾角6°，煤层透气性系数在0. 57～2. 13 m2/MPa2·d。36406工作面位于北四新区，工作面布置位置如图1 所示。工作面绝对瓦斯涌出量为 8. 62 m3/min，工作面采用顺层钻孔+高位钻孔的方式进行本煤层及邻近层的瓦斯治理，采用采空区埋管抽采采空区瓦斯。为防止工作面回采期间出现上隅角区域瓦斯超限现象，针对采空区埋管抽采效果不理想的情况，拟研究采用大直径煤柱钻孔进行上隅角区域瓦斯抽采治理。

图1 36406 工作面平面图

2 采空区瓦斯运移规律

为掌握36406 工作面采空区内的瓦斯运移规律，根据工作面的赋存及开采条件，采用Fluent 数值模拟软件，建立数值模型进行模拟分析。模型中设置回采工作面的尺寸为长×宽×高=180 m×3.5 m×3 m，采空区的尺寸为长× 宽× 高=180 m×200 m×3 m，采空区模型采用多孔介质进行模拟，模型中根据采空区垮落带和裂隙带进行模拟[5-7]。根据煤层瓦斯赋存情况，设置煤层瓦斯压力梯度为1.69 MPa，工作面风流由进风巷进入，回风巷流出，设置进风配风量为710 m3/min。

数值模型的主要模拟方案为通过在煤柱布置直径为380 mm、孔深为20 m 的抽采钻孔，分别分析采空区在未采取抽采措施时、在距工作面15 m 布置一个抽采钻孔、在距工作面15 m、30 m 布置两个抽采钻孔、在距工作面15 m、30 m、45 m 布置三个抽采钻孔时采空区瓦斯的分布情况。具体模拟结果如图2。

图2 无抽采和大直径钻孔抽采时采空区瓦斯分布云图

分析图2 可知，在采空区未采取抽采措施时，随着采空区埋深的增大，采空区内的瓦斯浓度也在不断增大，采空区深部由于不受漏风风流影响，出现一定程度的瓦斯积聚；工作面回采期间，上隅角区域的瓦斯浓度基本在2%～5%的范围内，即回采期间上隅角区域瓦斯一直处于超限状态。因此，工作面回采期间必须对采空区瓦斯进行抽采作业。从图中能够看出，采空区采用大直径钻孔抽采后，当布置一处大直径抽采钻孔时，回采期间上隅角区域的瓦斯浓度出现了明显降低；当布置两处大直径抽采钻孔时，采空区内10～20 m 范围内的瓦斯浓度大幅下降，瓦斯浓度降低至3%～5%，上隅角瓦斯始终小于0.8%；当采用三处大直径钻孔抽采时，抽采区域瓦斯浓度进一步下降，上隅角区域瓦斯始终保持在0.7%以下，抽采效果显著。

结合工作面特征，确定采空区采用大直径煤柱钻孔抽采期间钻孔布置间距为15 m，每次布置三处大直径钻孔同时进行抽采作业。

3 抽采方案及效果

3.1 上隅角瓦斯抽采方案

36406 工作面采用大直径煤柱钻孔进行上隅角的瓦斯治理作业，煤柱钻孔治理上隅角瓦斯技术主要是利用抽采负压来改变上隅角区域的瓦斯流场，通过抽采在上隅角区域形成一个负压区，进而使得上隅角区域的瓦斯向大直径钻孔处移动，最后进入矿井低负压瓦斯抽采系统，进而改变上隅角风流流场，避免瓦斯在上隅角区域积聚。根据采空区瓦斯运移规律的分析结果，设计在36406 工作面瓦斯治理巷布置煤柱钻孔进行采空区瓦斯的抽采，具体抽采方案如下：

（1）煤柱钻孔参数。钻孔由瓦斯治理巷向正巷方向施工，方位角定为90°（钻孔与煤壁顺时针方向的夹角），终孔位置为离36406 工作面正巷顶板300 mm 处，开孔位置：从36406 工作面瓦斯治理巷末端开始依次往瓦斯治理巷口施工，孔口离底板1.5 m，钻孔直径为380 mm，钻孔长度为20 m。具体大直径钻孔参数见表1。

表1 大直径钻孔参数表

大直径瓦斯抽采钻孔的布置方式如图3。

图3 36406 工作面煤柱钻孔布置平面图

（2）煤柱孔封孔及封堵工艺。① 封孔工艺。钻孔采用套筒+水泥砂浆封孔。钻孔成孔后，用钻机往钻孔里下325 mm 的套筒，套筒每根1 m。套筒与煤壁的间隙用水泥砂浆进行封孔，下完套筒之后的大孔径钻孔用Φ325 mm 的抽采软弯头和蝶阀带入低浓抽采系统中，蝶阀另一端连接350 mm 不锈钢瓦斯抽采管，350 mm 不锈钢瓦斯管与36406 工作面瓦斯治理巷最近的不锈钢瓦斯抽采管的350 mm三通进气口连接。② 封堵工艺。使用完毕的煤柱钻孔采用马丽散封堵剂对煤柱钻孔进行封堵，封堵深度为10 m，并对封堵完毕的煤柱钻孔进行检查，发现有漏气情况的进行重新封堵，直到封堵合格为止。

（3）在36406 工作面瓦斯治理巷敷设一趟直径为325 mm 的低浓瓦斯抽采管路，通过三通连接波纹管穿入380 mm煤柱钻孔进入采空区抽采瓦斯。巷道末端的前三组钻孔将带入采空区，随工作面的推进不断移动。工作面每推进15 m，在综采工作面检修班安排人员连接下一个煤柱钻孔，始终保持三组煤柱钻孔带抽采空区，以此类推。管路敷设如图4。

图4 煤柱抽采管路布置示意图

3.2 效果分析

矿井安装的低负压抽放泵站在正常工作时抽放总流量约为 854 m³/min，工作面上隅角低负压抽放流量约为110 m³/min。

大直径煤柱钻孔抽采方案应用后，在工作面回采期间进行抽采浓度及纯量的监测分析，并对工作面区域瓦斯浓度进行测试，结果见表2。

表2 大直径钻孔抽采数据及工作面瓦斯情况表

分析表2 可知，大直径钻孔抽采浓度及抽采纯量均较高，工作面回采期间，上隅角区域及回风巷内的瓦斯浓度分别保持在0.3%以下，抽采效果显著。

4 结论

（1）根据36406 工作面赋存情况，通过Fluent数值模拟软件进行采空区瓦斯运移规律的模拟分析，基于模拟结果确定采空区采用大直径煤柱钻孔抽采期间钻孔布置间距为15 m，每次布置三处大直径钻孔同时进行抽采作业。

（2）基于大直径煤柱钻孔抽采原理，具体设计抽采方案，确定钻孔直径、长度、角度、封孔及封堵工艺等参数。抽采方案应用后效果显著，有效解决了上隅角区域瓦斯易超限的问题。