石港公司综采工作面高位钻孔抽采瓦斯技术

白砚国

（山西石港煤业有限责任公司山西左权032600）

1 工程概况

阳煤集团石港公司是瓦斯突出矿井。15210工作面的基本顶为中粒粉砂岩，厚度为2 m～3 m，底板为2.98 m的砂质泥岩。3#煤层平均厚度为2.64 m，倾角为2°～6°，平均4°，属近水平煤层，结构简单、赋存稳定，每层中含1～2层泥质夹矸，厚度为0.02 m～0.06 m，该煤层以亮煤为主。15210 工作面为综采工作面，绝对瓦斯涌出量为63.47 m3/min，该工作面采空区冒落带高度为0 m～10 m，裂隙带高度10 m～30 m。回采过程中瓦斯检测仪检测到工作面上隅角最高瓦斯浓度达到了13.1%，给煤矿安全生产造成了隐患。通过预抽降低煤层含气量，可保证工作面的安全回采并有效的控制瓦斯超限的问题。

2 瓦斯运移特征分析

2.1 数值模拟

为了探究回采工作面采空区瓦斯流动性与扩散性，建立瓦斯流动模型，通过Fluent软件对采空区瓦斯的移动与扩散进行数值模拟。巷道内的空气流动性与破碎区分别用Navier-Stokes 方程和Brinkman 方程表示，可以建立瓦斯在回采工作面的流动模型[1]，见图1。

图1 空气流动模型

2.2 模拟分析

在建立好的模型上，分别模拟抽采前后瓦斯的分布情况，探究顶板高位岩层钻孔抽采瓦斯的效果。

图2 瓦斯未抽采时的浓度分布

由图2a可以看出，采空区内高浓度瓦斯主要集聚在回风巷一侧，而在采空区的中间，瓦斯浓度则较低，瓦斯在工作面采空区分布为两边高，中间低的马鞍状。在采空区内，瓦斯会受到工作面进风的影响，浓度在回风一侧明显升高。由于工作面存在漏风的现象，所以在工作面附近的垮落带瓦斯浓度会低。沿着采空区到工作面方向，瓦斯浓度会逐渐降低。

由图2b 可知，在采空区内，瓦斯浓度主要在中部升高，且回风巷附近的浓度比进风侧浓度积聚明显。

为降低瓦斯浓度，提高瓦斯抽取率，决定选用高位岩层钻孔抽采采空区瓦斯，为探究方案是否可行，对其抽采效果进行数值模拟，通过抽采前后的模拟效果来对比探究抽采方案的可行性。

图3 瓦斯抽采后的浓度分布

由图3a 中可知，采空区的中部瓦斯浓度明显降低，这是由于此处正好为高位岩层钻孔处的终孔处，瓦斯被抽放，浓度大幅度的降低，同时在回风巷的一侧，瓦斯浓度虽然依旧较高，但对比抽采前浓度下降显著；工作面上隅角的浓度低于1%，抽采效果极佳。

由图3b看出，水平方向上，在采空区中部区域，瓦斯的总体浓度降低，分布会随着钻孔的终孔位置改变。

3 高位岩层钻孔抽采工作面采空区瓦斯

3.1 钻场的位置

基于现有装备与矿方实际情况，结合抽采经验与理论计算，决定每隔100 m布置一个高位钻场，选择在15210工作面回风巷进行高位钻场施工，在距切眼100 m处布置第一个高位钻场，钻场规格设计为宽×高×深=5 m×3 m×6 m。由于煤层顶板为泥岩（泥岩受水膨胀率较高，会使得围岩出现较大变形），因此为防止钻场及钻孔受围岩变形影响导致难以达成预定效果，决定在煤层顶板高1.5 m左右处进行钻场作业，此时已高出顶板泥岩位置1.3 m，可以消除泥岩受水膨胀对其的影响。同时考虑钻场在巷道的施工量，将钻场设计在回风巷道侧30 m，通过联络巷相连，联络巷的倾角在30°左右，利于施工。钻孔布置如图4所示。

图4 工作面钻场布置方案示意

高位钻场联络巷设计为：15210 工作面高位钻场联络巷，为矩形断面，宽×高为3×3 m，截面面积9 m2。每个联络巷设计长度30 m，共设计9 个。联络巷垂直于回风顺槽倾角为30°上坡掘进，掘进到距离煤层顶板1.5 m处开始施工高位岩石钻场。

3.2 确定钻孔的终孔位置

由于瓦斯的密度比空气小，因此容易在采空区上方聚积，且大部分瓦斯存在于围岩裂隙之中。为了尽可能的抽采瓦斯，需要将钻孔的终端布置在围岩裂隙多的地方，所以钻孔主要布置在围岩破碎区。查阅相关文献并结合理论计算[3]可以得出，工作面采空区上方破裂区高度为16.55 m，所以最终决定在距15210工作面顶板3 m～60 m 进行终孔布置，为了提高抽采效果，将钻终孔位置布置在距煤层顶板3 m～15 m、15 m～30 m、30 m～60 m，可以对破碎带内瓦斯进行全方位的抽采，完成瓦斯抽采作业。

3.3 钻孔布置与封孔

(1)钻孔布置

基于上述钻场位置与钻孔终孔位置，确定钻孔分三排布置，共设计30 个，钻孔间距为0.5 m，排距设计为0.6 m。每个钻孔设计为φ 113 mm×150 m，由上文确定需要布置9个钻场，所以钻孔数量设计为270个。

(2)钻孔封孔方式

为了更好的对高位钻孔封孔，根据矿方地质情况，决定封孔材料选用聚氨酯，孔口管为φ 90 mm 的PVC管，每根之间通过管扣相连，同时为了保证抽采效果，长度设计为10 m，在PVC管四周通过纤维或者棉麻布配合聚氨酯进行封孔。

图5 封孔示意图

3.4 高位岩石钻场及联络巷通风管理

在进行高位岩石钻孔施工期内，采用FBDNo.6.3/11 型矿用压入式隔爆型轴流的局部通风机对施工区域内通风，通风机风量设计370 m3/min～260 m3/min。在施工期间，局部通风机布置在轨道大巷内，经15210工作面回风顺槽连接至高位钻场内。若施工过程中发现局部通风机无法布置在轨道大巷内，则一次串联通风布置在15210工作面回风顺槽钻场口处。钻孔施工连管结束后须在联络巷口设置一道防风密闭墙。

3.5 实际应用效果

矿方在治理期间对15210工作面不同地点的瓦斯浓度进行了观测，共持续了60 天，将数据进行整理分析后得到了图6瓦斯浓度曲线图。

由图6可知，曲线瓦斯浓度峰值为0.6%左右，在允许浓度范围之内，表明所采取措施有效的解决了15210 工作面的瓦斯问题，而且观察三条曲线中工作面瓦斯浓度在抽采后有了明显的降低，整体稳定在0.4%，上隅角瓦斯浓度整体上稳定在0.5%左右，而回风巷瓦斯浓度整体稳定在0.3%～0.4%之间，为煤矿安全提供了保障。

4 结语

应用Fluent 软件建立回采工作面瓦斯抽采模型，对抽采前后工作面瓦斯浓度分布状况的对比，分析工作面在未抽采时采空区瓦斯分布特征，得出受采动影响，大量瓦斯积聚在采空区上部，使工作面采空区瓦斯浓度升高，造成安全隐患。采用高位高位钻孔来抽采采空区瓦斯，治理期间对瓦斯浓度进行检测，瓦斯浓度降低到安全范围内，保证了综采工作面安全生产。