李雅庄矿2-616综采工作面瓦斯抽采技术研究

葛宏伟

(霍州煤电集团公司 李雅庄煤矿，山西 霍州 031400)

1 工程概况

霍州煤电集团李雅庄矿位于卧龙垣村东北部，地表大部为黄土覆盖，为低山区丘陵地带。2-616工作面位于六采区中部前进方向的左翼，其右侧为2-612回采工作面，再往右紧邻F12正断层保安煤柱，左侧紧邻F10正断层。2-616工作面开采煤层为1号和2号合并区域，厚度为3.3 m，煤层间存在少量的夹矸，属近水平煤层，平均倾角为8°，煤层顶底板特征见表1。工作面绝对瓦斯涌出量为44 m3/min，属于高瓦斯矿井，必须进行瓦斯抽采。

表1 1、2号煤层顶底板岩层特征

2 顶板走向长钻孔瓦斯抽采数值模拟研究

2.1 顶板长钻孔孔位确定

由于钻孔布置高度不同，瓦斯抽采效率不同[1-2]，因此需要确定钻孔在顶板上覆岩层的最佳层位，即钻孔终孔层位与煤层顶板的垂高：

Hm

(1)

式中：Hm是冒落带高度，m；Hl是裂隙带高度，m。

根据矿井现有资料可知冒落带高度Hm为8 m，裂隙带高度Hl为30 m。由式(1)可判别钻孔距离煤层顶板高度H范围为8～30 m。

根据采空区覆岩采动裂隙“O”型圈理论[3]，布置钻孔时需要将钻孔布置在“O”型圈中，与此同时终孔位置到回风巷帮的距离S可以按照式(2)计算：

S=[H-(B+Hcotθ)tanα]sinα+(B+Hcotθ)/cosα

(2)

式中：H为抽采钻孔层位与工作面顶板的垂直高度，m；B为抽采孔距离“O”型圈的外边界距离，一般取0～34 m；α为煤层倾角，8°；θ为顶板覆岩卸压夹角，65°。

将2-616工作面相关参数带入，根据上式计算可得钻孔终孔位置距回风巷距离为6～55 m。

由于无法确定钻孔距离煤层顶板高度H的具体值，则钻孔位置距离回风巷帮距离S也无法确定。根据式(1)、(2)估算的钻孔布置范围较大，因此需要对钻孔高度H进一步研究，进而确定终孔位置。

2.2 数值模拟分析

为了确定钻孔高度H以及终孔位置距离回风巷帮距离S，采用数值模拟的方法对钻孔参数进行分析。结合2-616工作面的地质资料，采用ICEM软件建立三维数值模型，见图1。在模型中在回风巷巷帮布置钻孔，每个钻孔相隔8 m，负压10 kPa进行抽采，建立模型后采用Fluent软件进行数值后处理。

在钻孔负压10 kPa，钻孔水平间距8 m的基础上，分别模拟钻孔与煤层顶板垂高为9 m、12 m、15 m、18 m、21 m不同情况下采空区瓦斯浓度分布情况，模拟结果见图 2。

图1 顶板长钻孔抽采模型

图2 钻孔不同层位瓦斯分布

由图2可以看出，瓦斯浓度随着钻孔与煤层顶板间距的增加而呈现先减后增的现象。这是由于在采空区顶板垂直方向上，在裂隙带中下部裂隙发育较好，瓦斯容易在中下部聚集，当钻孔位于裂隙带中下部时，钻孔比较容易抽出大量瓦斯。在裂隙带上部，裂隙发育较差，透气性较差，因此当钻孔距离煤层顶板距离较大时，瓦斯抽采量下降，所以瓦斯浓度呈现出先减小后增加的现象。根据图2可以看出在距离煤层顶板15 m左右呈现出最小值，由此确定长钻孔距离工作面顶板的距离应该在15 m左右达到最优。将长钻孔距离顶板高度带入公式(2)计算可得钻孔与回风巷巷帮的水平距离为10 m，在现场施工时可根据现场施工时进行调整。

3 综采工作面工程应用

3.1 顶板长钻孔现场应用

结合矿井地质资料和其他相似矿井布置的长钻孔设计[4-6]，在2-616工作面回风巷布置钻场，其尺寸为：长8 m×宽3.6 m×高2.5 m，每个钻场布置4个顶板长距离钻孔，钻孔终孔间距为8 m，钻孔终孔与煤层顶板垂距为15 m。随着工作面的推进，在钻孔衔接处会造成瓦斯浓度的增加，因此顶板各钻场间长钻孔有20 m的重叠区域。顶板定向钻孔布置如图3所示。钻孔施工参数如表2所示。

图3 顶板长孔布置

表2 2-616工作面回风巷钻场施工参数

将钻机调至相应的开孔方位，然后进行现场挂线确定，或者采用罗盘进行测量。开孔主要分为两次，首先采用D96 mmPDC钻头+连接手+D73 mm通缆钻头回转钻进，第二次采用D113 mm PDC 扩孔钻头+连接手+D73 mm通缆钻杆回转钻进扩孔，施工完成采用聚氨酯进行压风注浆封孔。

3.2 顶板长钻孔抽采效果分析

通过对2-616工作面抽采前后回风巷中瓦斯浓度进行为期一个月的统计，结果见图4。

由图4可知，未采取长钻孔瓦斯抽采措施时，回风巷中瓦斯浓度平均值在0.9%左右，采用长钻孔抽采技术后瓦斯浓度降至0.45%左右。由此可见长钻孔抽采瓦斯可以有效降低2-616工作面瓦斯浓度。

4 结 语

1) 采用Fluent软件进行数值模拟，对2-616工作面钻孔布置层次进行分析得出钻孔布置距离煤层顶板高度在15 m时达到最优效果。

2) 根据数值模拟结果，施工钻孔布置在距离煤层顶板15 m的距离，在2-616工作面采用长钻孔抽采瓦斯后，回风巷中瓦斯浓度由0.9%降低至0.5%，由此可见长钻孔明显降低了工作面中的瓦斯浓度。

图4 回风巷瓦斯浓度