杜家沟矿20101 工作面底抽巷瓦斯抽采技术研究

赵红敏

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

在矿井采掘过程中，瓦斯问题一直是制约着煤矿安全生产的主要难题，对于厚煤层高瓦斯巷道来说，瓦斯超限问题尤为突出，其治理难度也十分复杂。近些年来，随着矿井采掘深度和开采规模的不断增加，浅埋煤层已逐步开采完毕，矿井开采的重点逐步向着大纵深方向发展，使得瓦斯含量及瓦斯的压力不断加大，所以对厚煤层瓦斯进行抽排对于矿井安全开采十分重要。

此前，徐星华[1]利用分源预测法对瓦斯来源进行预测，通过FLEUNT 软件对瓦斯的分布及扩散规律进行研究，提出利用专用巷道密闭大流量的治理方法，有效消除了放煤后溜通道的瓦斯超限问题。张东旭[2]针对高瓦斯煤巷掘进过程中的瓦斯超限难题，采取了“双挂耳”式钻场，并对巷道钻孔进行边钻边采，有效提高了瓦斯的抽采效率，实现了巷道高效掘进。本文以杜家沟矿20101 工作面为研究背景，利用数值模拟对底抽巷抽采效果进行研究分析，并给出最佳布置方案，为厚煤层矿井瓦斯抽采提供依据[3]。

1 矿井概况及数值模拟研究

杜家沟矿井田位于河津市清涧街道办杜家沟村西北约3 km 处，矿区总面积23.7 km2，年生产能力60 万t。20101 工作面现开采的2 号煤层属于单一低渗透性煤层，开采煤层厚度3.7 m，煤层具有瓦斯吸附性强、衰退快、抽放难的特点。其中20101 工作面煤层瓦斯含量约为11 m3/t，巷道瓦斯压力为0.9 MPa，在巷道进行开挖前需要将巷道内瓦斯含量降低至8 m3/t。20101 工作面的右侧为采空区，左侧为北风井东翼回风巷，工作面的顶板由泥岩和粉砂岩组成。目前瓦斯浓度按照其分布情况可分为涌出带、过渡带及滞留带，其中涌出带位于工作面切眼20 m 范围内，此时的瓦斯浓度（体积分数）大致在10%以下，在此区段内瓦斯运动速度较快，且多为层流；过渡带在开切眼20～50 m 的范围内，此时瓦斯浓度（体积分数）大致分布在10%～20%，在此区段内瓦斯多呈紊乱交错状态；滞留带位于距离开切眼50 m 以上处，此时的瓦斯浓度（体积分数）分布在20%～30%之间，在此阶段内瓦斯流动速度较低[4-5]。

底抽巷瓦斯抽采的原理：在底抽巷内部施工穿层钻孔，将钻孔打入煤层内部，对煤体进行卸压，此时由于钻孔的存在，使得钻孔周边的围岩应力出现重新分布，钻孔使得煤岩内部原生裂缝及人工裂缝增多，瓦斯通过裂缝沿着钻孔排出，以此达到瓦斯抽采消突的目的[6-7]。底板抽采预抽瓦斯示意图如1 所示。

图1 底板抽采预抽瓦斯示意图

在进行底抽巷位置选定时，因受较多因素影响，本文对不同垂距及不同岩性下底抽巷抽采方案进行对比分析。方案1 垂距12 m，布置于粉砂岩中；方案2 垂距15 m，布置于粉砂岩中；方案3 垂距20 m，布置于粉砂岩中。对三种方案进行分析，首先建立模型，结合20101 工作面的实际情况，建立长方体模型，模型的长×宽×高为100 m×100 m×20 m，完成模型建立后，根据实际地质情况对模型的力学参数进行设定，设定完成后对网格进行划分，网格划分后共有88 520 个单元格，完成划分后对模型的边界条件进行设置，固定模型四周的位移，同时对模型上端部施加覆岩自重13 MPa，模型选用摩尔库伦模型,其为本构模型，完成模型设定后对模型进行模拟计算[8]。不同底抽巷布置方案下巷道应力云图如2 所示。

从图2 可以看出，在回采及地应力的作用下，底抽巷的两帮位置出现一定的应力集中现象，且随着垂距的增加，巷道围岩的垂直应力值呈现增大的趋势。当垂距为12 m 时，此时的垂直应力最大值为20.48 MPa；当垂距为15 m 时，此时的巷道垂直应力最大值为22.11 MPa，此时较垂距12 m 应力值增加了1.63 MPa；当垂距为20 m 时，此时的巷道垂直应力最大值为26.27 MPa，此时较垂距15 m 应力值增加了5.79 MPa。同时随着垂距的增大，巷道两帮的应力集中范围有一定的减小，所以底抽巷距离煤层越近，受到掘进的影响越大。根据对比分析，最终选定底抽巷的布置位置为垂距12 m，并布置于粉砂岩之中，此时的巷道施工成本最低且巷道的围岩应力良好，有利于煤层瓦斯的抽排[9]。

图2 不同底抽巷布置方案下巷道应力（Pa）云图

对底抽巷钻孔影响直径进行分析，选定抽采负压为15 kPa，抽采的直径为94 mm，抽采天数分别选择30 d、60 d、90 d、120 d、150 d，抽采有效半径随瓦斯抽采时间变化曲线如图3-1 所示，在一定抽采天数下不同负压抽采有效半径变化曲线如图3-2 所示。

图3 抽采参数对有效抽采半径的影响

从图3 可以看出，当钻孔直径和抽采负压一定时，此时随着抽采时间的增加，底抽巷钻孔抽采有效半径呈现逐步增大的趋势，当抽采时间为30 d 时，此时的钻孔有效抽采半径为0.97 m，当抽采天数增大至60 d 时，此时钻孔有效抽采半径为1.23 m，当抽采天数增大至150 d 时，此时的巷道抽采有效半径为4 m。同时对比不同抽采负压下的钻孔抽采有效半径发现，随着负压的增大，抽采有效半径变化近似于平直线，所以负压对钻孔抽采有效半径的影响较小。因此，在进行现场实践时可以充分利用模拟结果进行设计[10]。

2 现场实践研究

根据模拟研究进行现场实践，选定杜家沟矿20101 工作面的回风顺槽进行验证研究，底抽巷布置按照模拟选定的方案进行设置，在底抽巷进行钻孔，钻孔直径选定为94 mm，抽采的负压选定为15 kPa，分别设定11 个钻孔对第5 至11 个钻孔进行水力冲孔，完成冲孔后进行瓦斯抽采，瓦斯抽采曲线如图4 所示。

图4 瓦斯抽采曲线

从图4 可以看出，经过水力冲孔后瓦斯抽采的浓度及瓦斯纯量均有了明显的增加，前四个钻孔抽采的瓦斯浓度（体积分数）均值为44.8%，抽采的纯流均值为0.18 m3/min，而经过冲孔后瓦斯抽采的浓度均值为75%以上，瓦斯抽采的纯流均值为0.33 m3/min，由此得出经过冲孔后钻孔瓦斯抽采浓度较未经水力冲孔提升了30%，而抽采纯量同样提升了15 m3/min，所以底抽巷水力冲孔效果明显，抽采效果极佳。

3 结论

1）通过数值模拟对不同底抽巷布置方案下巷道应力云图进行分析，确定了当垂距为12 m、底抽巷布置于粉砂岩中时，此时的垂直应力最大值最小，此时的垂直应力最大值为20.48 MPa。

2）利用数值模拟软件，分析抽采参数对有效抽采半径的影响，发现随着抽采时间的增加，底抽巷钻孔抽采有效半径呈现逐步增大的趋势，而随着抽采负压的增大，钻孔抽采有效半径几乎不变。

3）利用模拟计算结果对杜家沟矿20101 工作面进行底抽巷布置，并对钻孔冲孔前后瓦斯抽采曲线进行分析发现，底抽巷钻孔经过水力冲孔后抽采效率有了明显的提升，抽采效果极佳。