东曲煤矿大直径钻孔瓦斯抽采治理技术研究

韩建雄

（山西焦煤西山煤电东曲煤矿，山西 太原 030200）

瓦斯作为煤炭开采过程中产生的伴随产物，影响矿井安全生产[1]。合适的瓦斯治理方式可以带来巨大的效益[2-3]。东曲煤矿存在瓦斯抽采流量低、瓦斯抽采效率低等问题，影响矿井的生产运营效益与安全性，以28802 工作面为例，通过数值模拟与工程实例研究大直径钻孔解决回采工作面采空区瓦斯涌出量大和上隅角超限问题。

1 工程概况

东曲煤矿全矿井瓦斯绝对涌出量125.70 m3/min，相对涌出量14.90 m3/t；二氧化碳绝对涌出量23.68 m3/min，相对涌出量2.80 m3/t。煤体最大破坏类型为Ⅲ类，瓦斯放散初速度为15，煤的坚固性系数为0.34，瓦斯压力为1.12 MPa。东曲矿井田范围内煤层具有煤与瓦斯突出危险性，鉴定为突出煤层。

东曲矿28802-2 工作面是首个矸石充填面，回采工作面采用“U”型通风方式，工作面生产强度大，邻近层瓦斯涌出影响严重，造成采空区瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯的管理尤为困难。从瓦斯来源看，工作面瓦斯涌出量中采空区瓦斯所占比重越来越大，采空区瓦斯抽采难度加大。由于采空区瓦斯浓度低，采用普通钻孔抽采量小，效果不好。为了强化抽采效果，节约成本，引进大直径钻孔抽采技术，向采空区施工钻孔抽采采空区瓦斯，最终解决采空区瓦斯制约工作面安全生产的现状。

2 大直径钻孔数值模拟分析

为研究大直径钻孔对瓦斯抽采效果的影响，采用COMSOL 数值模拟软件不同直径钻孔的瓦斯抽采流动模型，如图1。在软件内建立5 m×5 m 的二维平面模型，忽略原位地应力对钻孔应力的影响，四周采用固支边界条件，采用达西渗流场表示瓦斯的流动状态，细化钻孔周边的圆形边界，对圆形边界取平均值进行瓦斯流量监测，监测时间为30 d。

图1 数值模拟模型

2.1 不同钻孔直径数值分析

为研究不同钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响，建立150 mm、250 mm、350 mm 共计3 种不同直径的钻孔模型，通过瓦斯流量进行监测，最终得到瓦斯流量与时间的演化曲线如图2。

图2 不同大直径钻孔瓦斯抽采流量图

如图2 所示，三种不同钻孔直径的瓦斯抽采效果均表现出近似于负指数形式的演化趋势。随着抽采时间的逐渐增加，瓦斯流量的变化率逐渐降低。350 mm 直径钻孔的初始抽采流量约为0.26 m3/min，瓦斯流量在0～18 d 时下降最快。当抽采时间达到20 d 左右时，抽采流量达到稳定状态。250 mm 直径钻孔的初始抽采流量约为0.22 m3/min，瓦斯流量在0～15 d 下降最快，但下降速率低于350 mm 直径钻孔。当抽采时间达到18 d 时，抽采流量达到稳定状态。150 mm 直径钻孔的初始抽采流量约为0.18 m3/min，瓦斯流量在0～12 d 时下降最快，但下降速度最慢。当抽采时间达到15 d 时，抽采流量达到稳定状态。综合分析可知，350 mm 大直径钻孔具有最好的瓦斯抽采效果。

2.2 不同抽采负压数值分析

为研究不同抽采负压对瓦斯抽采效果的影响，以350 mm 直径钻孔为研究对象，建立-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa 共计3 种不同抽采负压的钻孔模型，通过瓦斯流量进行监测，最终得到瓦斯流量与时间的演化曲线如图3。

图3 350 mm 大直径钻孔在不同抽采负压下瓦斯流量图

当抽采负压为-45 kPa 时，图3 中的方块形曲线与图2 中的方块形曲线相同。当抽采负压为-30 kPa 时，初始抽采流量约为0.225 m3/min，瓦斯流量在0～15 d 下降最快，下降速率小于-45 kPa 负压钻孔。当抽采时间达到20 d 左右时，瓦斯流量趋于稳定状态。-15 kPa 负压钻孔的曲线下降程度明显低于其余两种钻孔负压曲线，初始抽采流量约为0.18 m3/min，瓦斯流量在0～12 d 时下降最快，但下降速度最慢。当抽采时间达到15 d 时，抽采流量达到稳定状态。综合分析可知，-45 kPa 抽采负压具有最好的瓦斯抽采效果。

3 大直径钻孔应用技术与分析评价

28802-2 工作面采用“U”型通风系统，皮带顺槽进风，轨道顺槽回风。工作面配风量3206 m3/min，预计实配风量3500 m3/min；工作面相对瓦斯涌出量13.28 m3/t，绝对瓦斯涌出量30 m3/min。工作面采用矸石回填技术，矸石回填率能达到60%～80%。为了保证工作面顺利回采，瓦斯抽采采用低位裂隙带钻孔+采空区钻孔综合抽采技术。

3.1 低位裂隙带钻孔

3.1.1 钻孔施工方法

由28802-2 回风措施巷每隔3 m 垂直施工一个钻孔进入28802-2 工作面采空区内进行瓦斯抽采。

3.1.2 钻孔施工设计

钻孔从28802-2 回风措施巷正前后退14 m 处开始施工左帮的低位裂隙带钻孔。

由于该工作面采用矸石回填技术，矸石回填率能达到60%～80%之间，工作面冒落带在5～20 m 之间，为了更好地治理冒落带内的瓦斯，因此钻孔终孔高度分别取8 m、12 m、16 m，由此计算出钻孔倾角为13°、19°、24°。

3.2 采空区钻孔

3.2.1 钻孔施工方法

由28802-2 回风措施巷每隔1 m 施工一个垂直煤壁钻孔进入28802 工作面采空区内进行瓦斯抽采。

3.2.2 钻孔施工设计

钻孔从28802-2 回风措施巷正前后退14 m 处开始施工左帮的采空区钻孔。

钻孔角度：根据+860 m 水平八采区8#煤底板等高线变化确定采空区钻孔角度为6°～7°。

钻孔间距：钻孔间距为1 m，垂直煤壁施工。

钻孔深度：由于28802-2 工作面与28802-1 工作面保护煤柱为20 m，计算得钻孔长度为21 m。

钻孔孔径：为了提高采空区抽采效果，根据钻机性能和施工技术条件，钻孔孔径取153 mm（二次扩孔）。

钻孔数量：由于只施工该工作面走向可采长度前100 m，28802-2 工作面采空区钻孔共设计施工100 个钻孔，合计进尺2100 m。

28802-2 工作面低位裂隙带及采空区钻孔均使用ZDY-4000LP 型钻机。该型号钻机能够满足350 mm 大直径钻孔的施工要求。

3.3 钻孔施工要求

施工过程中严格按设计参数施工，严禁随意改变设计参数。每个钻孔开孔时，一定要缓慢施工，确保钻头进入煤体内时，钻孔倾角、方位角不会改变。当钻孔由于地质条件等因素未能达到设计深度时，钻机需向上一个成孔方向移动0.5 m，重新调整角度进行补打，确保钻孔深度达到设计要求。钻孔施工地点下风侧10 m 内必须设置瓦斯传感器与一氧化碳传感器，按规定调校探头，确保灵敏、可靠。

3.4 瓦斯抽采监测

为检验350 mm 大直径钻孔瓦斯抽采的治理效果，对东曲煤矿28802-2 工作面的瓦斯抽采工程进行数据监测，监测的主要内容包括上隅角抽采管道内的瓦斯浓度、上隅角瓦斯抽采流量、上隅角瓦斯浓度。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 型速膨胀封孔剂进行封孔，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。通过30 d 的集中监测，最终得到监测数据随抽采时间的演化数据如图4。

图4 350 mm 大直径钻孔上隅角瓦斯抽采监测图

由图4 可知，随着 28802-2 工作面的不断推进，采空区范围逐步扩大，上隅角抽采管道内的瓦斯浓度在第0～10 天呈现出增加的趋势，在第10～17 天达到最高值约为1.35%，在第17 天后开始发生明显下降，在第30 天时下降至1.1%；上隅角瓦斯抽采流量在第0～12 天时逐渐上升，最高值约为0.28 m3/min，在17-30 d 逐渐下降，最终下降至0.25 m3/min。工作面上隅角的瓦斯浓度始终维持在0.05%左右的范围内，上隅角瓦斯浓度稳定在较低水平，不会对工作面的安全生产产生威胁，验证了350 mm 大直径钻孔具有良好的瓦斯抽采与治理作用。

4 结语

1）针对上隅角瓦斯超限问题，运用数值模拟软件建立不同直径钻孔模型，获得不同直径钻孔的瓦斯抽采流量随时间的变化规律，最终得出350 mm 大直径钻孔瓦斯抽采效果最好。

2）以350 mm 大直径钻孔为基础，建立不同的抽采负压模型，获得不同抽采负压钻孔的瓦斯抽采流量随时间的变化规律，最终得出-45 kPa 负压具有良好的抽采效果。

3）以东曲煤矿28802-2 工作面为例进行大直径钻孔瓦斯抽采治理效果监测，工作面上隅角的瓦斯浓度始终维持在0.05%左右的范围内，反映了大直径钻孔具有良好的瓦斯治理效果。