穿层钻孔预抽瓦斯技术研究与应用

陈建杰

(新疆焦煤(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830025)

穿层钻孔预抽瓦斯技术研究与应用

陈建杰

(新疆焦煤(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830025)

通过测定气煤公司一号井A2煤层瓦斯基本参数及透气性系数等参数,采用数值模型分析的方式为A2煤层实施有效和经济的穿层钻孔预抽措施设计提供理论和技术支持;对比A2煤层预抽前后煤层瓦斯压力和可解吸瓦斯含量的降低程度,即预抽效果的考察,进一步考察和评价穿层钻孔预抽消突措施的可行性和有效性。

穿层钻孔 瓦斯抽采 数学模型 效果考察

区域瓦斯治理能够更有效地进行消突和防突，由区域治理代替局部瓦斯治理，由接触式向非接触式、由局部预测预报向区域性安全评价转换，是解决一切问题的关键[1]。用穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯的区域防突措施，就是能够同时对一个区段煤层范围的瓦斯进行非接触式预抽，这种方式能较好发挥区域防突措施的作用。

1 工作面区域概况

阜康气煤公司一号井11A201工作面为矿井首个工作面。工作面走向长度600m，倾斜长度100m，工作面标高+589～+632m。A2煤层厚度10.0m～12.0m，平均10.73m，含夹矸0～3层，结构简单—复杂。工作面区域探测主要断层2条，最大落差分别为8m、18m。

对该区域进行了瓦斯基本参数测定，测定项目包括煤层瓦斯压力、吸附常数、坚固性系数、放散初速度、透气性系数等。测定结果见表1。

图1 单孔瓦斯压力云图

图2 钻孔周围瓦斯流动图

2 区域消突机理与措施

就目前的技术状况看，区域防突措施只有开采保护层和预抽煤层瓦斯两大类。阜康气煤一号井11A201工作面主要煤层包括A2、A3和A4煤层，其中A2和A3煤层间距32.97m、A3和A4煤层间距3.61m。经在该区域进行瓦斯压力测定，A3、A4煤层瓦斯压力分别达到1.6MPa和1.7MPa，且钻孔施工期间喷孔现象严重。因此，气煤一号井选择采用预抽煤层瓦斯措施。

底板抽采巷穿层钻孔条带区域预抽是通过向突出煤层巷道及其两侧一定范围内打大量的密集钻孔使煤体区域卸压，同时抽采瓦斯释放其潜能，然后再经过较长时间的预抽煤层瓦斯使瓦斯压力与瓦斯含量进一步降低，并由此引起煤层的收缩变形、地应力下降、透气系数增高、地应力与瓦斯压力梯度减小和煤的普氏系数增加等变化，从而达到消除在煤巷掘进过程中突出危险性目的[2]。阜康气煤一号井底板瓦斯抽采巷布置在A2煤层底板15～20m处，位于工作面顺槽下侧垂向10m。

图3 钻孔间距计算示意图

图4 抽采参数图

3 穿层钻孔布置

提高瓦斯抽放率是制约瓦斯抽采的关键技术环节。根据气煤一号井煤层赋存条件、瓦斯参数测定结果及底板抽采巷与煤层相对位置，采用多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Multiphysics)对钻孔布置，特别是孔底间距设置进行数值模型分析[3]。COMSOL是一个专业有限元数值分析软件包，是专为描述和模拟各种物理现象而开发的基于偏微分方程的多物理场模型仿真计算的有限元分析软件包。利用COMSOL中无限制多物理场和基于偏微分方程的表达式可将力学分析与流场耦合起来[4]。

表1 试验区域参数测定结果

表2 残余瓦斯参数测定结果

在底板抽采巷向A2煤层施工115mm钻孔，根据煤层赋存参数计算单个钻孔抽采模型如图1、2所示。

经数值模型分析计算，抽采时间为每个钻孔的抽采影响范围都可以看成一个圆形，其半径即确定的抽采影响半径(R)。为了在提高钻孔抽采效率的同时保障无预抽空白区域，以相邻3个钻孔抽采效果为例，如图3所示。当SABC最小时，在相邻3个钻孔相交排列的情况下，可抽采面积S最大(即抽采效率最优)。其中：

联立式(1)和式(2)，可得：

以数值模型分析得出的抽采影响半径为依据，按钻孔沿倾向布置控制巷道位置以及其上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m控制底板抽采巷控制范围，钻场间距为

4 瓦斯抽采效果考察

在穿层钻孔预抽瓦斯实施期间计量瓦斯抽采浓度及抽采量，并在实施计量一段时间后，在底板抽采巷向穿层钻孔预抽控制范围内施工检验孔测定抽采后煤层瓦斯压力和瓦斯含量。

4.1 抽采参数考察

底板穿层钻孔预抽初期瓦斯浓度为50%，在抽采优良周期2～3个月内保持在35%左右，抽采周期后瓦斯浓度下降保持在15%。抽采参数统计如图4所示。

4.2 区域措施效果检验

在底板抽采巷距离工作面停采线50m、200m、450m处分别布置钻孔测定预抽区域残余瓦斯压力和可解吸瓦斯含量(见表2)。残余瓦斯含量最大值为0.57MPa，可解吸瓦斯含量最大值为5.35m3/t。

通过对预抽后相关参数的测定，穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施达到了消突目标。

4.3 掘进期间瓦斯涌出情况

11A201工作面掘进期间采用局部防突措施进行煤巷掘进局部预测，预测指标基本无超限现象，根据数值模型分析和计算得出的穿层钻孔合理间距能有效的实现预抽工作。掘进期间工作面瓦斯涌出量为1.5～2.4m3/min。

5 结语

(1)底板穿层抽采钻孔使预抽区域的煤层应力分布状态发生变化，瓦斯含量降低，瓦斯压力减小，消除了发生突出的原动力。(2)通过数值模型分析结合计算得出抽采钻孔间距，按照网格化的布置方式提出钻孔布置方案，有效的提高抽采效率。(3)经预抽效果考察，残余瓦斯压力和抽采后可解吸瓦斯含量均有明显的下降，达到了消突效果。

[1]秦法秋,秦刚伟.突出煤层底板抽放巷区域消突技术实践探讨[J].煤炭科学技术,2010,(1)：225-227.

[2] 张明杰,滑俊杰,华敬涛.单一煤层底板巷穿层钻孔预抽煤巷瓦斯条带区域防突技术[J].煤矿安全,2011,(6)：30-32.

[3]徐涛,宋力.真实破裂过程分析软件与多物理场耦合软件结构力学模块对比研究[J].大连大学学报,2007,(12)：66-71.

[4]杨天鸿、唐春安、朱万成,岩石破裂过程渗流与应力耦合分析[J].岩土工程学报,2001,23(4)：489～493.

陈建杰(1969—),男,四川中江人,高级工程师,主要从事煤矿安全生产技术管理工作。