王焕斌
(山西高河能源有限公司,山西 长治 047100)
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。
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
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。
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
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
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
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。