高河煤矿高瓦斯煤巷超前预抽技术研究与应用

王焕斌

（山西高河能源有限公司，山西 长治 047100）

1 工程概况

高河能源有限公司W3311 进风顺槽位于矿井北部，W3311 进风顺槽I 段向西延伸2 255.4 m（平距），施工到位后转向以180°方位角向南掘进185.5 m（平距） 后再转向以270°向西掘进施工W3311 进风顺槽Ⅱ段，设计长度465.6 m（平距）。该巷道沿3 号煤层底板掘进，根据现有三维勘探资料，巷道自东向西穿过西堡向斜区域、西堡背斜区域，巷道底板最高点预计标高+485 m，最低点位于预计标高为+393 m，最高点和最低点高差92 m。3 号煤层厚度为6.00 ～7.00 m，平均煤厚6.54 m，倾角2°～14°。煤层之上为泥岩伪顶，厚度0.54～1.9 m，灰黑色，厚层状，均匀层理，见大量植物化石。泥岩之上为粉砂岩—细砂岩泥岩直接顶，厚度0.90 ～1.46 m，灰色—深灰色，中厚层状，波状层理，小型交错层理发育，含云母碎片，见少量植物化石。砂岩之上为16.50 ～18.50 m 厚的细砂岩老顶，灰色，中厚层状，成份以石英为主，长石次之，含云母碎片，平行层理，泥质胶结，分选中等。煤层之下为直接底泥岩—粉砂岩，厚为0.72 ～2.04 m，深灰色—黑色，中厚层状，均匀层理，小型交错层理发育，见大量植物化石。泥岩—粉砂岩之下为老底，为2.30 ～3.52 m 厚的中砂质泥岩—细砂岩，灰色—灰黑色，成份以石英为主，长石次之，波状层理，含泥质包体，见菱铁质结核。

W3311 进风顺槽自东向西穿过西堡向斜区域、西堡背斜区域，向斜两翼地层局部倾角较大、张性裂隙越发育，煤层气就越易逸散；掘进至向斜裂隙发育区域，受断层影响区，煤层破碎，易于瓦斯的释放，易出瓦斯事故。W3311 进风顺槽安装4 台FBDNo-7.5 型局部通风机，采用φ1 000 mm 风筒供风，风筒吊挂在巷道两帮，按照高河能源2022年的《“一矿一策，一面一策”瓦斯治理方案》，W3311 进风顺槽工作面属于一级瓦斯管理区域，为降低掘进工作面瓦斯浓度、提高巷道掘进效率，展开超前预抽技术的设计研究与应用。

2 抽采钻孔参数模拟研究

2.1 建立数值模型

高瓦斯矿井煤层抽采率需高于30%。高河煤矿属于高瓦斯矿井，因此应将煤层内瓦斯预抽率作为判定其有效抽采半径界限的参考值，通过收集相关资料得到W3311 进风顺槽附近煤层瓦斯参数，煤层内原始瓦斯含量为10.5 m3/t，因此有效抽采半径内煤体瓦斯含量应降至7.35 m3/t 以下。

钻孔有效抽采半径是进行布置参数设计的重要依据，为确定高河煤矿3 号煤层抽采条件下瓦斯运移规律，利用COMSOL 软件建立数值计算模型[1-2]，考虑到煤层内瓦斯基本沿抽采孔径汇集至抽采钻孔内，将瓦斯的流动过程简化为沿钻孔径向的二维平面问题，在渗流方程的基础上建立如图1 所示的数值模型进行求解，模型尺寸为宽、高40 m 的矩形，四周边界为不渗流边界条件，煤体的瓦斯参考参数进行设置。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 钻孔合理参数确定

参考国内类似条件下的相关研究成果[3]，常用的瓦斯抽采钻孔直径有75、94、113 mm，抽采负压通常为10 ～20 MPa，抽采时间为30 ～180 d，因此进行不同钻孔直径、不同抽采负压（13、15、20 kPa） 条件下抽采效模拟，认定煤层内瓦斯含量降至7.84 m3/t 以下的区域为有效抽采半径的覆盖范围，模拟得到有效抽采半径随时间变化曲线如图2所示。

图2 数值模拟结果Fig.2 Numerical simulation results

根据图2 分析可知，有效抽采半径随着时间延长的增长曲线并非直线型，在抽采时间达到90 d后，增长曲线的斜率开始逐渐减小，在抽采时间由120 d 继续延长至150 d 期间，有效抽采半径增幅均很小，由此说明抽采时间控制在120 d 内较合理。抽采钻孔直径由73 mm 变为94 mm，有效抽采半径增长曲线间的差值随着时间延长逐渐增大，抽采时间在90 d 以上时，有效抽采半径差值达到0.25 ～0.35 m，抽采钻孔直径由94 mm 变为113 mm，有效抽采半径增长曲线比较接近，抽采时间90 d 以上时，抽采半径差值仅为0.10 ～0.20 m，表明钻孔直径提升至113 mm 对于抽采效果的提升很微小，因此可确定最佳抽采钻孔直径为94 mm。图2（d） 所示结果为钻孔直径94 mm、抽采120 d条件下有效抽采半径随着抽采负压的变化曲线，可以看出，抽采负压大于15 kPa 后，曲线基本呈水平状态，由此说明，抽采负压为15 kPa 最合理。抽采120 d 有效抽采半径分别为2.46 m，由此确定该条件下有效抽采半径为2.4 m。

3 边掘边抽方案设计

根据瓦斯涌出源头，采用边掘边抽工艺进行瓦斯治理，在不影响巷道正常掘进的情况下降低了掘进工作面瓦斯的涌出量。参照类似条件下相关应用实例[4]，设计W3311 进风顺槽两侧煤壁中每间隔60 m 施工一个钻场，钻场宽4 m、深4 m、高3.2 m，与大巷高差为2.0 m，每个钻场布置6 个直径94 mm 的抽采钻孔，钻孔孔深均为140 m，钻孔终孔处间距为2 ～2.4 m，水平方向抽采范围覆盖宽度为10 ～14 m，垂直方向覆盖高度为5 ～7 m，同侧钻场间距120 m，钻场及钻孔布置详情如图3 所示，抽采负压为15 kPa。

图3 钻场布置示意Fig.3 Layout of drilling field

4 瓦斯抽采效果检验

4.1 钻孔抽采瓦斯参数监测结果

高河能源W3311 进风顺槽掘进工作面边抽边掘技术于2022 年11 月15 日开始实施，每一组的抽采钻孔汇流管处均按照由CJZ42 型瓦斯综合参数测定仪，选取部分日期的测定数据，整理得到瓦斯流量和当日抽采瓦斯量变化曲线如图4 所示，分析可知，抽采初期钻孔内纯瓦斯流量约为0.3 m3/min，之后纯瓦斯流量逐渐增大并稳定在0.44 m3/min 左右，每日瓦斯抽采量也由早期的450 m3左右增长至670 m3左右，方案实施后抽采效果良好。

图4 钻孔抽采瓦斯参数监测结果Fig.4 Monitoring results of borehole gas extraction parameters

4.2 掘进工作面风流瓦斯浓度监测结果

为了验证边掘边抽方案对掘进工作面瓦斯浓度降低的效果，高河能源W3311 进风顺槽掘进期间进行回风流内瓦斯浓度监测，将监测数据绘制成如图5 所示的曲线图，图5（a） 为每日监测到的瓦斯浓度最大值，图5（b） 为每日监测到的瓦斯浓度平均值，可以看出，在方案实施前，掘进工作面回风流中日监测瓦斯浓度最大值为0.69%～0.73%，日监测瓦斯浓度平均值为0.50%～0.53%，在边掘边抽方案实施后，日监测瓦斯浓度最大值降至0.59%左右，降幅约为16.9%，日监测瓦斯浓度平均值降至0.45%左右，降幅约为13.7%，综上可知，边掘边抽方案可明显提高煤层瓦斯预抽量，降低掘进工作面瓦斯涌出量和瓦斯浓度，降低瓦斯超限的频率和可能性，更加保障煤矿工人的人身安全，提高了快速掘进工作面的安全性。

图5 掘进工作面风流瓦斯浓度监测结果Fig.5 Monitoring results of airflowgas concentration in heading face

5 结 语

针对高河煤矿大断面煤巷掘进期间瓦斯浓度经常超限问题，提出采用边掘边抽技术进行瓦斯治理，利用COMSOL 软件进行瓦斯抽采过程的模拟分析，得出抽采钻孔的合理直径为94 mm，最佳抽采负压为15 kPa，抽采时间为120 d 时，有效抽采半径为2.4 m。设计了瓦斯抽采钻场及顺层钻孔布置方案，方案实施后，日瓦斯抽采量达到670 m3左右，掘进工作面日瓦斯浓度最大值降低16.9%，日瓦斯浓度均值降低13.7%，有效降低了巷道内瓦斯涌出量，实现了大断面煤巷边掘边抽的高效掘进。