提高頂板巖巷穿層瓦斯抽放效果技術措施

我國高瓦斯礦井煤層普遍具有低滲透率，一般在1×10-7～1×10-6μm2范圍內，這種特殊性導致我國從地面開發煤層瓦斯的難度很大。因此，我國煤層瓦斯開發生產目前大部分都是利用井下的采掘巷道，并盡可能利用煤層采動影響，通過打鉆孔和其他有效技術強化煤層的瓦斯抽采。隨著《防治煤與瓦斯突出規定》的頒布和執行，我國防治煤與瓦斯突出的技術重點轉移到區域防突措施。保護層開采是目前最有效的區域防突措施，但是絕大多數的突出礦井由于煤層沒有達到保護層開采所需的厚度或者煤層自燃發火嚴重等原因，不具備開采保護層的條件，只能采取預抽瓦斯的區域防突措施。然而，由于多數礦區煤層透氣性差、瓦斯含量高、地應力大、煤層成孔困難，造成本煤層瓦斯預抽效果差。如何提高本煤層瓦斯預抽效果，已成為單一煤層區域防突亟待解決的技術難題。

　　[關鍵詞]底板巖巷穿層；瓦斯抽放；技術措施

　　中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2019）04-0365-01

　　1 207工作面瓦斯抽放工藝及抽放效果分析

　　1.2 207工作面瓦斯抽采工藝

　　（1）首先在207工作面頂板布置一條瓦斯高抽巷，巷道長度為2200m，布置在頂板巖層中， 207工作面高抽巷位于工作面正上方，采用兩翼式瓦斯抽放。（2）207高抽巷施工完后，在高抽巷內開始布置抽放鉆場，巷道內每隔50m布置一個鉆場，每個鉆場內十個抽放鉆孔，其中兩幫距頂板1.5m處依次往上布置三個，間距為0.3m，頂板布置四個，間距為0.3m，兩幫鉆孔深度為22m，頂板鉆孔深度為17m。（3）鉆孔施工完后在每個鉆孔內安裝抽放管路，并采用編織袋纏PVC管注聚氨酯進行封孔，封孔長度為4m，封孔后將抽放管路對接瓦斯抽放設備對工作面煤體進行瓦斯預抽。高抽巷瓦斯預抽超前工作面50m。

　　1.2 207工作面瓦斯抽放效果

　　為監測高抽巷瓦斯抽放效果，瓦斯抽放期間在207高抽巷1#～10#鉆場中每個鉆孔另接一趟抽放管路并安裝流量計，對瓦斯抽采量進行監測。207工作面瓦斯抽放后，回采期間分別在工作面、上隅角、回風巷安裝瓦斯監測裝置，在前期六個月內通過對瓦斯抽放量、工作面瓦斯涌出量統計分析發現：前三個月內高抽巷平均瓦斯抽出量為1.43萬m3/月，煤層中瓦斯抽出率為33.5%，在后三個月內瓦斯抽出量1.12萬m3，煤層中瓦斯抽出率為22%，瓦斯抽放率相對較低。207工作面在前期六個月內回采時，工作面瓦斯控制未取得預期效果，上隅角瓦斯濃度范圍在0.9～1.5%之間，最大時達到2.0%，回風巷瓦斯濃度最大達到0.9%。

　　2煤層瓦斯抽采數值模型的建立

　　2.1固氣耦合數學模型

　　對于穿層鉆孔瓦斯抽采的固-氣動態耦合數學模型，作如下假設：1）煤體為均質各向同性體；2）瓦斯為理想氣體；3）含瓦斯煤體被單相的瓦斯所飽和；4）瓦斯抽采的固-氣耦合過程為等溫過程。

　　2.2幾何模型

　　嚴格意義上，煤體變形與瓦斯滲流的固氣動態耦合模型是一個復雜的三維數學模型，但考慮到三維模型的計算工作量大，本文采用平面二維模型求解。該模型實際上為平面瓦斯滲流場和煤巖體的平面變形場的耦合求解，且只能對其求數值解。從數學的角度，該模型是一個多物理場耦合的偏微分方程組（PDE），可采用相應的數值求解軟件，即COM-SOL-Multiphysics運用有限元分析方法FEM（FiniteElement Method）和偏微分方程組PDE（ParticalDifferential Equation）工具來進行數值求解。對于穿層鉆孔，假設煤層內沿煤層瓦斯鉆孔并垂直煤層傾向方向的每一個橫截面煤巖體的物理力學特征、瓦斯基本性質參數和圍巖應力狀態是一致的，則可取沿煤層工作面沿瓦斯鉆孔方向上的單位厚度剖面為平面計算模型。

　　3提高瓦斯抽放效果技術措施

　　對207高抽巷瓦斯抽放率及瓦斯抽放后工作面上隅角及回風巷瓦斯濃度監測分析，207工作面采用高抽巷對上覆煤體進行瓦斯預抽效果不明顯，通過進一步研究，從現場管理、封孔工藝改進、技術創新等幾方面提出了提高高抽巷瓦斯抽放效果的技術措施。（1）加大鉆孔孔徑，合理布置鉆孔。通過增大鉆孔孔徑從源頭上提高瓦斯抽放率，可將鉆孔孔徑增加至94mm，同時高抽巷穿層鉆孔布置必須規范，確保每一組鉆孔在橫向必須成排、縱向必須成列，鉆孔排間距及孔間距為0.3m。（2）封孔工藝技術改進。瓦斯抽放鉆孔封孔工藝是瓦斯抽采工作中重要的環節，封孔好壞直接影響著瓦斯抽放效果，207高抽巷抽放鉆孔采用編織袋纏PVC管注聚氨酯封孔方法效果相對較差，且封孔長度為4.0m，在抽采期間瓦斯抽采率在35%以下，因此決定對原封孔技術進行改進，采用特制馮安特-布袋-聚氯乙烯管三組合封孔技術并將原鉆孔封孔長度增加至10m，封孔管徑由25mm提高到40mm。（3）創新應用“集氣箱”。207高抽瓦斯抽放期間主要通過在兩根2寸管體上焊接若干個三通接頭與各個鉆孔相連接，由于巷道經常有頂板淋水現象，一旦存在積水很容易造成管路堵塞影響瓦斯抽放效果。為解決這一問題，通過技術創新研制了抽放鉆場“集氣箱”，可將抽采期間煤塵、瓦斯、積水進行分離，有效解決瓦斯在抽放過程中因積水、煤塵堵塞管路從而降低瓦斯抽放效果的難題。（4）加強鉆場管理。鉆孔施工、封孔以及瓦斯抽放過程中必須加強鉆場管理，特別是在瓦斯預抽期間，要加強對鉆場附近地質條件預測預報，確定每一個鉆場與其附近可能存在的地質構造關系，合理確定鉆場及鉆孔位置。在進行鉆孔施工時必須提前定線并保證定線質量，保證底抽巷腰線位置準確無誤，鉆孔布置時各項參數符合設計要求。

　　4結論

　　根據亭南煤礦207工作面頂板巖巷穿層鉆孔瓦斯抽采的固-氣耦合數學模型的數值解算結果，得出不同穿層鉆孔工況條件下的瓦斯抽采效果，研究結果如下。1）當鉆孔間距為2.5m時，鉆孔兩點連線中點上的瓦斯壓力下降至0.74MPa之下；鉆孔間距越大，鉆孔連線中心點上瓦斯壓力越大，且瓦斯壓力增大的幅度隨鉆孔間距的增大不斷減緩；鉆孔間距越小，鉆孔連線中心點上瓦斯壓力越小，且瓦斯壓力減小的幅度隨鉆孔間距的減小不斷加劇。因此，在抽采時間一定的條件下，鉆孔間距對瓦斯抽采效果起關鍵影響作用。根據數值模擬結果，在不采取其他煤層增透措施的情況下，亭南煤礦207工作面穿層鉆孔的合理布置間距為2～2.5m，其穿層鉆孔的抽采時間不少于180d。2）不同鉆孔直徑、抽采負壓條件下穿層鉆孔抽采效果的數值模擬結果表明，鉆孔直徑和抽采負壓對抽采區域瓦斯壓力分布的影響不大，因此相對地增大穿層鉆孔直徑、抽采負壓對瓦斯抽采效果的影響不明顯。