石俊旗(山西潞安工程有限公司, 山西 長(zhǎng)治 046102)

1 前言

我國(guó)高瓦斯和突出礦井?dāng)?shù)量超過(guò)1 500座，多數(shù)為各地生產(chǎn)的主力礦井，瓦斯突出事故成為制約礦井安全生產(chǎn)的最嚴(yán)峻的問(wèn)題[1-2]。雖然我國(guó)礦井對(duì)瓦斯進(jìn)行了監(jiān)控、防治，但一些小的隱患也可能會(huì)造成嚴(yán)重的事故[3]。因此，對(duì)于礦井來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面瓦斯?jié)舛?，?duì)于可能存在的安全隱患，及時(shí)對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，降低工作面瓦斯?jié)舛?，避免發(fā)生瓦斯事故，造成人員的傷亡[4-6]。目前，多數(shù)礦井采用定向鉆孔的措施抽放瓦斯，該方法不僅抽采率高，且施工簡(jiǎn)單，逐漸成為目前最常見(jiàn)有效的瓦斯抽采技術(shù)。

2 工作面概況

9105工作面北部為9號(hào)煤層三條大巷，東部為未開(kāi)采9107工作面，西部為已回采的9103綜采工作面，南部為井田邊界。工作面主采9號(hào)煤層，煤厚1.6～1.92m，平均厚1.7m，傾角小于5。工作面區(qū)域地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，附近發(fā)育有F730-5、F730-8、F730-10等5條斷層。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖。9105工作面為高瓦斯工作面，為了保證工作面回采安全，需要對(duì)工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)如出現(xiàn)瓦斯超限，及時(shí)進(jìn)行抽采，降低瓦斯?jié)舛?，保證工作面回采安全。

3 定向鉆孔抽采原理

工作面回采后上覆巖層斷裂破碎，煤層中的瓦斯會(huì)在煤巖體裂隙中運(yùn)移，也會(huì)在裂隙中積聚。當(dāng)工作面頂板垮落后，采空區(qū)中的巖層間存在空隙，為瓦斯運(yùn)移和集聚提供了空間，工作面瓦斯主要在該區(qū)域內(nèi)積聚[7]。因此，為了避免工作面出現(xiàn)瓦斯突出，應(yīng)采用定向鉆孔措施對(duì)積聚的瓦斯進(jìn)行抽采，其抽采原理如圖1所示。

1—鉆機(jī)；2—定向鉆孔；3—頂板裂隙帶；4—上隅角；5—冒落帶；6—采空區(qū)

從圖1中可以看出，通過(guò)鉆機(jī)向頂板施工定向鉆孔，抽采積聚在頂板裂隙帶、上隅角、冒落帶、采空區(qū)中積聚的瓦斯，通過(guò)抽采降低積聚的瓦斯?jié)舛?，避免瓦斯超限發(fā)生突出、爆炸等事故。通過(guò)頂板裂隙作為鉆孔抽采瓦斯的通道，抽采工作面瓦斯?jié)舛容^高的上隅角和采空區(qū)區(qū)域瓦斯。

4 鉆孔參數(shù)模擬

4.1 鉆孔角度

采用FLUENT模擬9105工作面回采，采用定向鉆孔抽采瓦斯時(shí)，不同仰角和傾角瓦斯的抽采量，以此確定定向鉆孔最優(yōu)的施工參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果，得到不同角度定向鉆孔瓦斯抽采結(jié)果，具體情況見(jiàn)表1。

表1 不同角度瓦斯抽采量

由表1可知，9105工作面采用定向鉆孔抽采瓦斯后，不同角度瓦斯抽采量有較大差距。采用相同仰角抽采時(shí)，當(dāng)傾角增加時(shí)，受工作面頂板鉆孔在垂直方向逐漸遠(yuǎn)離采空區(qū)，巖層裂隙減小的因素，鉆孔抽采的瓦斯抽采量逐漸減小。采用相同傾角抽采時(shí)，當(dāng)仰角增加時(shí)，鉆孔抽采的混合流量逐漸減少，純流量受頂板巖層越往上受采用影響越小，巖層裂隙越少因素，鉆孔抽采瓦斯純流量先減小后增加，但是由于瓦斯密度相對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)小，瓦斯主要在裂隙空間的下方游離，因此，純流量增加的范圍小。

根據(jù)FLUENT模擬結(jié)果可知，9105工作面采用定向鉆孔抽采瓦斯時(shí)，仰角20°瓦斯抽采量效果好，瓦斯抽采純流量大于55%。因此，采用仰角20°的定向鉆孔在工作面頂板進(jìn)行施工。

4.2 鉆孔數(shù)量

采用FLUENT模擬9105工作面分別采用不同鉆孔組時(shí)瓦斯抽采濃度，具體如圖2所示。

圖2 不同鉆孔組瓦抽采濃度

由圖2可知，9105工作面分別采用1～3組鉆孔抽采瓦斯，鉆孔數(shù)量越多，瓦斯抽采量越大，積聚在工作面中的瓦斯?jié)舛染驮降?。從圖中可知看出，當(dāng)工作面采用2組定向鉆孔進(jìn)行抽采時(shí)，工作面采空區(qū)中瓦斯含量最低。當(dāng)增加鉆孔組，采用3組鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，受鉆孔離采空區(qū)的距離遠(yuǎn)影響，對(duì)工作面瓦斯抽采影響不大。采用2組和3組鉆孔瓦斯抽采量相差不大，因此，9105工作面采用2組定向鉆孔進(jìn)行施工，抽采效果最優(yōu)。

5 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)FLUENT模擬結(jié)果，并結(jié)合9105工作面地質(zhì)條件，采用定向鉆孔在工作面頂板施工抽采瓦斯。工作面回采巷道布置2組定向鉆場(chǎng)，每組布置4個(gè)鉆孔，通過(guò)鉆孔向頂板施工抽采工作面積聚的瓦斯。定向鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 9105工作面鉆孔參數(shù)

6 抽采效果檢驗(yàn)

9105工作面采用定向鉆孔抽采瓦斯，布置2組仰角20°鉆孔施工后，工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@減小。為了分析定向鉆孔抽采瓦斯的效果，監(jiān)測(cè)鉆孔瓦斯抽采量，不同鉆孔抽采量見(jiàn)表3。

表3 9105工作面鉆孔瓦斯抽采量

由表3可知，9105工作面采用定向鉆孔抽采瓦斯，通過(guò)在回風(fēng)巷道煤柱側(cè)頂板施工2組8個(gè)鉆孔，對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，有效降低了瓦斯?jié)舛龋苊獍l(fā)生瓦斯突出、爆炸事故。根據(jù)瓦斯抽采后監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?、混合流量及純流量最大分別為5.25%、22.60m3/min、0.50m3/min。根據(jù)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，定向鉆孔抽采工作面瓦斯量大，能夠?qū)⒐ぷ髅嫱咚節(jié)舛冉档椭涟踩€以下，保證工作面安全回采。

7 結(jié)論

(1)以9105高瓦斯工作面為研究對(duì)象，分析了采用定向鉆孔抽采瓦斯的原理，通過(guò)在頂板施工鉆孔，將頂板巖層裂隙作為鉆孔抽采瓦斯的通道，抽采工作面瓦斯?jié)舛容^高的上隅角和采空區(qū)區(qū)域瓦斯。

(2)采用FLUENT模擬定向鉆孔不同傾角、仰角及鉆孔數(shù)量時(shí)瓦斯抽采濃度，根據(jù)模擬結(jié)果可知，在回風(fēng)巷道頂板布置2組仰角20°鉆孔時(shí)，瓦斯抽采效果最優(yōu)。并根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合工作面地質(zhì)條件，分別設(shè)計(jì)每個(gè)鉆孔的施工參數(shù)。

(3)工作面采用定向鉆孔抽采瓦斯，通過(guò)監(jiān)測(cè)每個(gè)鉆孔瓦斯抽采量驗(yàn)證抽采效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，抽采瓦斯?jié)舛取⒒旌狭髁考凹兞髁孔畲蠓謩e為5.25%、22.60m3/min、0.50m3/min，定向鉆孔抽采有效降低了工作面瓦斯?jié)舛取?/p>