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岳南煤业大直径钻孔上隅角瓦斯治理技术研究

2024-06-12 47 上传者：管理员

摘要：为有效降低岳南煤业工作面上隅角瓦斯体积分数，提出了大直径钻孔瓦斯抽采技术，通过数值模拟的方法确定出合理的钻孔直径为110 mm、抽采负压为-30 kPa、钻孔间距为5 m.现场应用结果表明，采用大直径钻孔瓦斯治理技术后，上隅角瓦斯体积分数明显降低，基本保持在0.2%以下，治理效果明显。

关键词：
上隅角
参数优化
大直径钻孔
岳南煤业
瓦斯抽采
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随着矿井采掘深度的不断增加，工作面瓦斯治理难度也愈发凸显，其中，上隅角瓦斯治理最为关键，其治理效果直接影响着工作面的正常回采[1,2]。目前，上隅角瓦斯的治理方法主要为高抽巷、采空区埋管抽采等，虽能在一定程度上降低瓦斯体积分数，但局限性较大。而大直径钻孔瓦斯抽采技术可利用相邻巷道，通过向回风巷施工大直径钻孔，低负压抽采上隅角积聚的瓦斯，进而降低上隅角瓦斯体积分数[3,4]。本文以岳南煤业工作面为工程背景，采用大直径钻孔瓦斯抽采技术对其上隅角瓦斯进行抽采治理，通过数值模拟的方法对钻孔布置参数进行优化，并进行现场工程实践。

1、工程背景

岳南煤业目前主采15号煤层，15号煤层垂向赋存于太原组一段中下部，煤层厚度2.50～4.51 m, 平均3.26 m, 属稳定全区可采煤层。煤层结构简单-复杂，一般含0～4层夹矸。顶板岩性为K2灰岩，底板岩性为泥岩、铝质泥岩、砂质泥岩。15号煤层采用综采一次采全高采煤方法。

15号煤层回采工作面长度为180 m.工作面巷道采用单“U”型布置，分别为回风巷、运输巷，工作面通风方式为“一进一回”。回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为9.01 m3/min, 采空区瓦斯涌出量为7.33 m3/min, 矿井最大绝对瓦斯涌出量为19.06 m3/min, 最大相对瓦斯涌出量为7.55 m3/t.

工作面采用全部垮落法管理顶板，采空区瓦斯涌出量较大，该区域的瓦斯在风压的作用下涌向回采工作面，将造成工作面上隅角瓦斯超限。因此，有必要对上隅角瓦斯进行治理，并对抽采钻孔的布置参数进行研究确定。

2、大直径钻孔抽采技术优势

大直径钻孔上隅角瓦斯治理技术是指在相邻巷道向工作面回风巷施加大直径钻孔，通过大直径钻孔的负压抽采，改变上隅角的风流特性，从而抽采积聚的瓦斯。该技术具有如下优势[5,6]:

1) 将工作面相邻的巷道作为其瓦斯治理巷，减少了矿井掘进工程量，并为瓦斯抽采提供了充足的时间，能够有效缓解采、掘、抽之间接替紧张的局面。

2) 钻孔倾角小，施工长度较短，相比于高抽巷及高位钻孔，其工程量更小，施工速度更快，便于管理，且能够早日投入使用。

3) 抽采过程与工作面回采工序间互不影响，能够实现平行作业，且可根据上隅角瓦斯体积分数的变化及时调整抽采量，能有效降低上隅角瓦斯体积分数。

3、大直径抽采钻孔数值模拟分析

采用fluent数值模拟软件建立大直径钻孔瓦斯抽采模型，模型中工作面及采空区的宽度均为180 m, 采空区长度为150 m, 工作面风速设置为2.6 m/s.对钻孔附近的网格进行精细划分，以多孔介质模型参数为基础，分析不同钻孔参数下的瓦斯抽采效果。

3.1 抽采负压分析

设置钻孔直径均为90 mm, 抽采负压分别为-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa.随着时间的延长，对不同抽采负压下的钻孔瓦斯流量进行统计分析，结果如图1所示。

图1 抽采负压对钻孔瓦斯流量的影响

由图1可知，不同抽采负压下的钻孔瓦斯流量均随着时间的延长而逐渐降低。当钻孔抽采负压为-15 kPa时，抽采初期(5 d)钻孔瓦斯流量为0.074 m3/min, 抽采30 d后的瓦斯流量为0.049 m3/min; 当钻孔抽采负压为-30 kPa时，抽采初期(5 d)钻孔瓦斯流量为0.084 m3/min, 抽采30 d后的瓦斯流量为0.053 m3/min, 相比-15 kPa抽采负压时分别增大了13.51%及8.16%;钻孔抽采负压为-45 kPa时，抽采初期(5 d)钻孔瓦斯流量为0.096 m3/min, 抽采30 d后的瓦斯流量为0.054 m3/min, 相比-15 kPa抽采负压时分别增大了29.73%及10.20%.

可以看出，随着抽采负压的增大，钻孔瓦斯流量也逐渐增大，但差异主要体现在抽采初期，抽采达到平衡状态时，-45 kPa与-30 kPa的抽采效果相差不大，且考虑到-45 kPa时钻孔封孔的密封性难以保证，因此确定合理的抽采负压为-30 kPa.

3.2 钻孔直径分析

设置钻孔抽采负压为-30 kPa, 钻孔孔径分别为90 mm、110 mm及130 mm, 不同钻孔直径下瓦斯的抽采效果如图2所示。

图2 钻孔直径对钻孔瓦斯流量的影响

由图2可知，随着时间的延长，不同直径钻孔的瓦斯抽采流量也逐渐降低。抽采初期，不同孔径间的瓦斯抽采流量差异较大；抽采20 d后，钻孔瓦斯流量的差异逐渐减小。当钻孔直径为90 mm时，抽采初期(5 d)钻孔瓦斯流量为0.084 m3/min, 抽采30 d后的瓦斯流量为0.057 m3/min; 当钻孔直径为110 mm时，抽采初期(5 d)钻孔瓦斯流量为0.108 m3/min, 抽采30 d后的瓦斯流量为0.063 m3/min, 相比90 mm钻孔直径时分别增大了28.57%及10.53%,增幅较大；当钻孔直径为130 mm时，抽采初期(5 d)钻孔瓦斯流量为0.120 m3/min, 抽采30 d后的瓦斯流量为0.065 m3/min, 相比110 mm钻孔直径时分别增大了11.11%及3.17%,二者相差不大。由此可见，当钻孔直径小于110 mm时，增大钻孔直径可大幅提高瓦斯抽采效果，当钻孔直径超过110 mm后，继续增大直径对提高瓦斯抽采效果的影响不再明显，因此确定合理的钻孔直径为110 mm.

3.3 钻孔间距分析

统一钻孔直径为110 mm, 抽采负压为-30 kPa, 钻孔间距分别为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m及7 m, 统计分析不同钻孔间距下上隅角的瓦斯最终体积分数，并绘制曲线如图3所示。

图3 不同钻孔间距下上隅角瓦斯体积分数

由图3可知，当钻孔间距由2 m增加到5 m时，上隅角瓦斯体积分数缓慢增加，变化不明显，均保持在0.15%以内。当钻孔间距超过5 m时，上隅角瓦斯体积分数急剧升高，6 m及7 m钻孔间距下的上隅角瓦斯体积分数分别达到了0.32%和0.60%.由此可知，当钻孔间距较小时，相邻钻孔间的抽采负压区可相互叠加，可以有效抽采上隅角瓦斯；而当钻孔间距较大时，相邻钻孔间出现无负压区域，导致瓦斯在此区域滞留，进而引起上隅角瓦斯体积分数升高。但过小的钻孔间距会使得工程量及经济成本增加，因此，在综合考虑施工及抽采效果的基础上，确定合理的钻孔间距为5 m.

4、现场实践分析

4.1 钻孔布置

选取15号煤层的回采工作面，利用其相邻的巷道作为其瓦斯治理巷，并在瓦斯治理巷内向工作面回风巷施工大直径钻孔，钻孔均垂直于煤壁施工，终孔位置在工作面回风巷顶板上方0.3 m处，钻孔倾角为5°～8°,钻孔直径为110 mm, 间距为5 m, 抽采负压为-30 kPa, 具体布置如图4所示。每个钻孔钻进结束后应放入套管，防止钻孔孔壁塌陷，并采用水泥砂浆进行封孔处理。

图4 大直径瓦斯抽采钻孔布置示意

4.2 瓦斯抽采效果分析

对抽采瓦斯管路中的瓦斯体积分数、瓦斯抽采量及上隅角实时瓦斯体积分数进行监测，结果如图5所示。

图5 瓦斯抽采监测数据

由图5可知，抽采管路内初期瓦斯体积分数为0.1%,随着工作面的推进，采空区范围扩大，抽采管路内的瓦斯体积分数也随之增大，并在1.2%上下浮动；上隅角瓦斯抽采量初期在0.1 m3/min左右，随着工作面的推进，瓦斯抽采量快速增加，并逐渐稳定在0.8～1.0 m3/min之间；在未采用大直径钻孔瓦斯治理技术前，工作面上隅角瓦斯体积分数在0.9%～1.3%之间，并偶尔超限，采用设计的大直径钻孔抽采技术后，上隅角瓦斯体积分数基本保持在0.2%以下，治理效果良好，保证了工作面的安全高效生产。

5、结语

1) 通过fluent数值模拟软件建立模型，分析了大直径钻孔不同钻孔直径、抽采负压及钻孔间距对瓦斯抽采效果的影响，确定出合理的钻孔直径为110 mm, 抽采负压为-30 kPa, 钻孔间距为5 m.

2) 现场应用结果表明，15号煤层工作面治理前的上隅角瓦斯体积分数在0.9%～1.3%之间，并偶尔超限，采用大直径钻孔瓦斯治理技术后，上隅角瓦斯体积分数明显降低，基本保持在0.2%以下，治理效果明显。

3) 大直径钻孔抽采瓦斯治理技术可与工作面回采平行作业，且准备时间短，具有良好的经济效益。

参考文献:

[1]樊中恩,张聪华,张小龙,等.采空区瓦斯大直径钻孔抽采技术在马兰矿的应用研究[J].山西煤炭,2022,42(3):96-101.

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[3]郑文贤,王凯,李全中,等.大直径钻孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理参数优化及应用[J].中国矿业,2021,30(9):145-149.

[4]闫秀军.大直径煤柱钻孔抽采工作面上隅角瓦斯技术研究[J].山东煤炭科技,2022,40(6):93-95.

[5]于艳飞,高建峰.大直径钻孔瓦斯抽采技术在高瓦斯矿井中的应用[J].山东煤炭科技,2022,40(1):118-121.

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