大直径钻孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理技术研究

李栋龙

（太原市宏宇煤炭技术咨询有限公司，山西 太原 030000）

随着矿井采掘年限和开采深度的不断增加，开采深度及开采难度均呈增大趋势。在煤层开采过程中，由于工程扰动，使得工作面极易出现矿井灾害，所以如何解决限制矿井开采的难题成为了学者重要的研究课题。瓦斯灾害作为矿井常见问题一直困扰着矿井的正常开采，瓦斯问题一旦出现将会造成极为严重的安全事故，所以及时将瓦斯进行抽采关系这矿井的安全生产。采空区的瓦斯是回采工作面瓦斯的重要组成部分，上隅角的瓦斯治理是矿井生产的重中之重[1]，目前我国对采空区上隅角瓦斯治理的技术主要有高位钻孔抽采、埋管抽采等，上述方法虽然能够一定程度上解决瓦斯问题，但均存在一定的局限性[2]，所以本文以曹家山矿80103工作面为工程背景，采用大直径钻孔瓦斯抽采技术，以孔代巷对工作面采空区上隅角瓦斯进行抽采，有效降低了工作面上隅角瓦斯浓度，为矿井安全生产做出一定的贡献与借鉴。

1 矿井概况

曹家山矿位于山西吕梁柳林县城东南7km处曹家山村一带，井田面积8.45km2，设计年生产能力90×104t，可采煤层共有开采4#、8#、10#煤层，80103工作面现主要开采8#煤层，煤层平均厚度5.9m，平均倾角4°，正常生产期间矿井绝对瓦斯涌出量为15.08m3/min，相对瓦斯涌出量为7.71m3/t，采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为8.50m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.27m3/min，测定为高瓦斯矿井。

大直径钻孔上隅角瓦斯抽采技术，是通过临近巷道向回风巷道定距离施加大直径钻孔，通过钻孔与瓦斯抽采系统的连接，改变上隅角瓦斯流场特性，从而降低上隅角瓦斯浓度，达到瓦斯抽采的目的。

2 数值模拟研究

首先对钻孔抽采上隅角瓦斯进行数值模拟研究，采用fluent 数值模拟软件进行顺层钻孔瓦斯抽采模型的建立，模型的钻孔直径设定为90mm，钻孔长度为200mm，对模型进行网格划分，为了保证计算精度同时降低计算时间，将钻孔周边进行细化分，在距离钻孔较远位置进行粗划分，完成网格划分后共计14532个节点及20083个网格单元。将模型设定为多孔介质模型，对不同参数下的瓦斯抽放效果进行分析[3]。

首先对不同抽采负压下钻孔瓦斯流量进行分析，选定抽采负压为-15kPa、-30kPa、-45kPa，不同负压下钻孔瓦斯流量如图1所示。

从图1可以看出，不同抽采负压下钻孔瓦斯流量随时间的变化趋势大致相同，随着时间的增加，钻孔内部瓦斯流量逐步降低，当抽采负压为-15kPa 时，在第5d 钻孔瓦斯流量为0.073m3/min，而当时间来到30d时，此时的钻孔瓦斯流量为0.05m3/min；当抽采负压为-30kPa时，此时在第5d钻孔瓦斯流量为0.053m3/min，而当时间来到30d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.051m3/min；当抽采负压为-45kPa时，此时在第5d钻孔瓦斯流量为0.096m3/min，而当时间来到30d时，此时的钻孔瓦斯流量为0.054m3/min。可以看出随着抽采负压的增大，此时钻孔内部瓦斯流量呈现逐步增大的趋势，当抽采达到平稳后，钻孔内部瓦斯流量相差不大，所以在保证钻孔密封性的同时，尽量增大抽采负压，考虑到当抽采负压为-45kPa 时，此时密封要求难以达到，所以选定最佳抽采负压为-30kPa。

图1 不同负压下钻孔瓦斯流量图

对不同钻孔直径下瓦斯流量进行分析，选定抽采负压为-30kPa，钻孔直径为90mm、110m、130mm，不同钻孔直径下瓦斯流量如图2所示。

图2 不同钻孔直径下瓦斯流量图

从图2可以看出，不同钻孔直径下钻孔内部瓦斯流量随着时间的增大呈现逐步降低的趋势。在抽采初期，钻孔直径对于瓦斯抽采影响较大，当抽采时间来到20d时，此时的瓦斯流量与钻孔直径之间的影响关系减弱。当钻孔直径为90mm 时，此时的第5d 钻孔瓦斯流量为0.083m3/min，而当时间来到30d时，此时的钻孔瓦斯流量为0.051m3/min；当钻孔直径为110mm 时，此时的第5d 钻孔瓦斯流量为0.099m3/min，而当时间来到30d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.061m3/min；当钻孔直径为130mm时，此时的第5d钻孔瓦斯流量为0.12m3/min，而当时间来到30d 时，此时的钻孔瓦斯流量为0.063m3/min。可以看出随着钻孔直径的增大，瓦斯抽采效果较佳，所以在条件允许下，尽量将钻孔增大，达到组钻孔瓦斯抽放效果[4]。

3 试验效果分析

为验证大直径钻孔代替上隅角悬管抽采效果，曹家山矿在80103 工作面对大直径钻孔抽采瓦斯进行工业性试验，首先布置大功率EH260 钻机进行预抽孔设置，钻孔的直径选定130mm，钻孔的间距设定为2m，钻孔深度最大值为30m，当钻孔深度达到30m时，立即停止钻孔。在钻孔完成后进行套管下放，在钻成的钻孔内放入套管，避免出现钻孔塌陷等问题，对钻孔进行封堵，选定JD-WFK-2 型速膨胀封孔剂进封孔，保证钻孔气密性，设定抽采负压为-30kPa，进行钻孔内部瓦斯抽采监测，大直径钻孔上隅角瓦斯抽采监测曲线如图3所示。

图3 大直径钻孔上隅角瓦斯抽采监测曲线

抽采管路内浓度、上隅角瓦斯浓度及瓦斯抽采量随时间变化趋势如图3所示，当抽采管路内瓦斯浓度为0.1%左右时，此时随着80103工作面的不断推进，使得空区范围逐步扩大，此时抽采管路内的瓦斯浓度呈现出增加的趋势，当抽采时间达到一定时间后，此时的抽采管管路内部瓦斯浓度维持在1.2%左右；上隅角的瓦斯抽采量初始时为0.1m3/min左右，随着工作面的推进上隅角瓦斯抽采量呈现快速增大的趋势，与抽采管管路在相同时间位置瓦斯抽采浓度达到平稳[9]。此时抽采浓度维持在1m3/min，可以看出，当使用大直径钻孔进行上隅角瓦斯抽采时，上隅角瓦斯浓度维持在0.2%，抽放效果较佳。

对大直径钻孔上隅角瓦斯抽放的经济效益进行分析，按照抽采平均瓦斯量为2000m3/min 进行计算，每年可抽采730000m3，同时抽采的瓦斯可以作为能源使用。掘进巷道1m需要成本5000元，一条高抽巷需要投入资金230 万元，同时需要每隔50m设置瓦斯联络巷，所以成本将近300 万元，而大直径钻孔施工时，每个钻孔需要4000 元，100 个钻孔共计需要40 万元，可以看出，选定大直径钻孔对上隅角瓦斯进行抽放共计可以节省260万元，所以以孔代巷不仅可以有效解决上隅角瓦斯问题，同时在资金方面，大直径钻孔具有更大的优势[5]。

4 结论

（1）为验证抽采效果，曹家山矿对不同抽采负压下钻孔瓦斯流量进行分析，发现随着抽采负压的增大，此时钻孔内部瓦斯流量呈现逐步增大的趋势，选定最佳抽采负压为-30kPa。

（2）对不同钻孔直径下瓦斯流量进行分析，看出随着钻孔直径的增大，瓦斯抽采效果较佳，所以在条件允许下，尽量将钻孔增大，达到组钻孔瓦斯抽放效果，本文选定最佳钻孔直径为130mm。

（3）当使用大直径钻孔进行上隅角瓦斯抽采时，上隅角瓦斯浓度维持在0.2%，抽放效果较佳。同时通过对比经济效益验证了大直径钻孔瓦斯抽采的优越性。