镇城底矿28620 工作面大直径钻孔瓦斯抽采技术研究

李强强

（山西焦煤西山煤电镇城底矿，山西 太原 030053）

引言

镇城底矿属于低瓦斯矿井.近年来，随着矿井采掘深度的不断延伸，原煤开采时逐步出现高瓦斯区域，工作面回采后采空区上隅角瓦斯积聚严重，长期困扰矿井的安全生产。如何从源头杜绝上隅角的瓦斯积聚及超限，成为研究重点。为解决28620 回采工作面上隅角瓦斯超限问题，提出大直径钻孔“以孔代巷”上隅角瓦斯抽采技术。有效解决高瓦斯放顶煤工作面存在的瓦斯治理难题，保障了工作面安全高效回采[1]。

1 矿井概况

镇城底矿位于山西省古交市西北处，矿井田占地面积约16.63 km2，矿井西北走向6.6 km，南北走向平均宽度约为3.6 km，镇城底矿年设计生产能力为190 万t。28620 工作面现主要开采太原组8#煤层，煤层平均厚度4.60 m，平均倾角4°。镇城底矿井绝对瓦斯涌出量为265.35 m3/min，相对涌出量为26.85 m3/t。28620 工作面所开采的太原组8#煤层瓦斯含量为10 m3～16m3，相对瓦斯涌出量预计为9.53 m3/t，绝对瓦斯涌出量13.1 m3/min。

为从源头解决回采工作面采空区上隅角的瓦斯积聚及超限问题，设计并提出大直径钻孔“以孔代巷”上隅角瓦斯抽采技术方案，是通过临近巷道向回风巷道定距离施加大直径钻孔，通过钻孔与瓦斯抽采系统的连接，改变上隅角瓦斯流场特性，从而降低上隅角瓦斯浓度，达到瓦斯抽采的目的[2]。大直径钻孔抽采采空区瓦斯示意图，如图1 所示。

图1 大直径钻孔抽采采空区瓦斯示意图

2 数值模拟

镇城底矿首先对钻孔抽采上隅角瓦斯进行数值模拟研究，采用fluent 数值模拟软件进行顺层钻孔瓦斯抽采模型的建立，模型的钻孔直径设定为90 mm，钻孔长度为200 mm，对模型进行网格划分，为了保证计算精度同时降低计算时间，将钻孔周边进行细化分，在距离钻孔较远位置进行粗划分，完成网格划分后共计14 532 个节点及20 083 个网格单元。将模型设定为多孔介质模型，对不同参数下的瓦斯抽放效果进行分析[3]。首先对不同抽采负压下钻孔瓦斯流量进行分析，选定抽采负压为-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa，不同负压下钻孔瓦斯流量，如图2 所示。

图2 不同负压下钻孔瓦斯流量图

由图2 可知，不同抽采负压下钻孔瓦斯流量随时间的变化趋势大致相同，随着时间的增加，钻孔内部瓦斯流量逐步降低，当抽采负压为-15 kPa 时，在第5 d 钻孔瓦斯流量为0.073 m3/min，而当时间来到30 d时，此时的钻孔瓦斯流量为0.05 m3/min；当抽采负压为-30 kPa 时，此时在第5 d 钻孔瓦斯流量为0.073 m3/min，而当时间来到30 d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.051 m3/min；当抽采负压为-45 kPa 时，此时在第5 d 钻孔瓦斯流量为0.096 m3/min，而当时间来到30 d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.054 m3/min。可以看出随着抽采负压的增大，此时钻孔内部瓦斯流量呈现逐步增大的趋势，当抽采达到平稳后，钻孔内部瓦斯流量相差不大，所以在保证钻孔密封性的同时，尽量增大抽采负压，考虑到当抽采负压为-45 kPa时，此时密封要求难以达到，所以选定最佳抽采负压为-30 kPa[5]。对不同钻孔直径下瓦斯流量进行分析，选定抽采负压为-30 kPa，钻孔直径为90 mm、110 m、130 mm，不同钻孔直径下瓦斯流量，如图3 所示。

图3 不同钻孔直径下瓦斯流量图

由上图可知，不同钻孔直径下钻孔内部瓦斯流量随着时间的增大呈现逐步降低的趋势。在抽采初期，钻孔直径对于瓦斯抽采影响较大，当抽采时间来到20 d 时，此时的瓦斯流量与钻孔直径之间的影响关系减弱。当钻孔直径为90 mm 时，此时的第5 d 钻孔瓦斯流量为0.083 m3/min，而当时间来到30 d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.051 m3/min；当钻孔直径为110 mm时，此时的第5 d 钻孔瓦斯流量为0.099 m3/min，而当时间来到30d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.061m3/min；当钻孔直径为130 mm 时，此时的第5 d 钻孔瓦斯流量为0.12 m3/min，而当时间来到30 d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.063 m3/min。可以看出随着钻孔直径的增大，瓦斯抽采效果较佳，所以在条件允许下，尽量将钻孔增大，达到组钻孔瓦斯抽放效果[4]。

3 应用效果分析与评价

3.1 抽采效果分析

为验证大直径钻孔代替上隅角悬管抽采效果，镇城底矿在28620 工作面对大直径钻孔抽采瓦斯进行工业性试验，首先布置大功率EH260 钻机进行预抽孔设置，钻孔的直径选定130 mm，钻孔的间距设定为2 m，钻孔深度最大值为30 m，当钻孔深度达到30 m时，立即停止钻孔。在钻孔完成后进行套管下放，在钻成的钻孔内放入套管，避免出现钻孔塌陷等问题，对钻孔进行封堵，选定JD-WFK-2 型速膨胀封孔剂进封孔，保证钻孔气密性，设定抽采负压为-30 kPa，进行钻孔内部瓦斯抽采监测，大直径钻孔上隅角瓦斯抽采监测曲线，如图4 所示。

图4 大直径钻孔上隅角瓦斯抽采监测曲线

抽采管路内浓度、上隅角瓦斯浓度及瓦斯抽采量随时间变化趋势如图4 所示，当抽采管路内瓦斯浓度为0.1%左右时，此时随着28620 工作面的不断推进，使得空区范围逐步扩大，此时抽采管路内的瓦斯浓度呈现出增加的趋势，当抽采时间达到一定时间后，此时的抽采管管路内部瓦斯浓度维持在1.2%左右；上隅角的瓦斯抽采量初始时为0.1 m3/min 左右，随着工作面的推进上隅角瓦斯抽采量呈现快速增大的趋势，与抽采管管路在相同时间位置瓦斯抽采浓度达到平稳。此时抽采浓度维持在1 m3/min，可以看出，当使用大直径钻孔进行上隅角瓦斯抽采时，上隅角瓦斯浓度维持在0.2%，抽放效果较佳[5]。

3.2 社会与经济效益分析与评价

镇城底矿为对大直径钻孔上隅角瓦斯抽放的经济效益进行分析，按照抽采平均瓦斯量为2 000 m3/min进行计算，每年可抽采730 000 m3，同时抽采的瓦斯可以作为能源使用。掘进巷道1 m 需要成本5 000元，一条高抽巷需要投入资金230 万，同时需要每隔50 m设置瓦斯联络巷，所以成本将近300 万，而大直径钻孔施工时，每个钻孔需要4 000 元，100 个钻孔共计需要35 万，可以看出，选定大直径钻孔对上隅角瓦斯进行抽放共计可以节省280 万元，所以以孔代巷不仅可以有效解决上隅角瓦斯问题，同时在资金方面，大直径钻孔具有更大的优势。

4 结论

镇城底矿结合28620 工作面地质条件设计了大直径钻孔定向抽采上隅角技术替代沿空留巷Y 型通风技术，充分利用了抽采负压改变上隅角附近瓦斯流场，并在采空区上隅角处形成一个负压区，引导上隅角瓦斯向钻孔处运移，有效解决了瓦斯在上隅角因涡流而集聚超限难题，保证矿井工作面安全高效回采。为验证抽采效果，镇城底矿对不同抽采负压下钻孔瓦斯流量进行分析，发现随着抽采负压的增大，此时钻孔内部瓦斯流量呈现逐步增大的趋势，选定最佳抽采负压为-30 kPa。同时，对不同钻孔直径下瓦斯流量进行分析，看出随着钻孔直径的增大，瓦斯抽采效果较佳，所以在条件允许下，尽量将钻孔增大，达到组钻孔瓦斯抽放效果，本文选定最佳钻孔直径为130 mm。当使用大直径钻孔进行上隅角瓦斯抽采时，上隅角瓦斯浓度维持在0.2%，抽放效果较佳，保证工作面的安全回采。