李村煤礦頂板定向長鉆孔瓦斯抽采參數優化研究

申海生，鄒 虎，劉 壘，趙春洲，王彥敏，曹良偉，田錦繡，田 瓏

(山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司 李村煤礦，山西 長治 046000)

隨著推進速度的加快，對高瓦斯綜采面采掘抽合理協調提出了更高的要求，也加劇了瓦斯抽采和快速開采之間的矛盾[1，2]。對于高瓦斯工作面，在頂板裂隙帶布置高抽巷治理采空區瓦斯具有較好的效果，但高抽巷掘進工期長、成本高，嚴重影響了工作面采掘接替[3，4]。隨著我國定向鉆進技術的發展和成熟，使用頂板定向長鉆孔代替高抽巷(簡稱“以孔代巷”)的相關技術在各大礦井開始普及[5，6]。但針對頂板定向長鉆孔抽采機理還有待進一步深度研究，關鍵參數的布置大多依賴工程經驗和現場試驗[7-9]，而明晰頂板定向長鉆孔抽采機理，合理協調關鍵布置參數直接影響著頂板定向長鉆孔的抽采效果。本文基于李村煤礦高瓦斯大采高的地質條件，分析了合理抽采范圍[10，11]，研究了不同抽采方式下瓦斯流場時空分布規律及抽采機理，確定了布置參數敏感性指標，優化了頂板定向長鉆孔布置參數。

1 合理抽采范圍分析

1.1 1305工作面基本情況

李村煤礦1305工作面開采3#煤層，該煤層賦存穩定，結構較簡單，煤厚變異較小。煤層總厚為5.1～5.8 m，平均厚度為5.4 m。煤層平均傾角為6°，直接頂為砂質泥巖、粉砂巖，厚度6.6 m，老頂為中粒砂巖，厚度為14.7 m。工作面長250 m，采用一次采全高開采，通風方式為U型通風。1305工作面煤巖柱狀圖如圖1所示。

圖1 1305工作面煤巖柱狀圖Fig.1 Geologic column of 1305 face

1.2 垂直三帶和水平三區位置

1.2.1 垂直三帶范圍

根據冒落帶和裂隙帶經驗公式，中硬巖性頂板冒落帶和裂隙帶高度分別為：

式中，H1為冒落帶高度，m；H2為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，m。

結合現場實踐，1305面采空區冒落帶和裂隙帶高度應為13 m和48 m左右。

1.2.2 水平三區范圍

頂板定向長鉆孔通常布置在裂隙發育，瓦斯積聚的頂板裂隙帶內，由于近回風巷側的高濃度瓦斯，確定頂板定向長鉆孔的合理位置，還需確定鉆孔相對于回風巷的平距。

根據“O”型圈理論，鉆孔的水平位置應布置在采空區傾向剖面的頂板覆巖卸壓角內側的離層區內，鉆孔距離回風巷幫的水平距離S應該滿足[12-14]：

式中，H為鉆孔布置垂直層位高度，m；α為開采煤層的傾角，(°)；β為裂隙邊界與開采邊界的連線與煤層的夾角，取67°；S為抽采鉆孔終孔點距回風巷水平距離，m；B為鉆孔距“O”型圈外邊界的距離，一般條件下，B取值范圍為0～34 m；θ為裂隙邊界與開采邊界的連線與煤層的夾角，(°)。

通過上述計算，最終確定，頂板定向長鉆孔距回風巷的平距應當在9～50 m之間。

2 瓦斯抽采機理及關鍵參數分析

2.1 不同抽采方式下瓦斯流場

考慮重力影響的采空區冒落巖石的空隙率滿足式(5)[15，16]。

φ(x，y)=1+

式中，ly為采空區傾向寬度，m；hd為直接頂厚度，m；H為采高或采放高，m；Kpb為直接頂破碎巖體殘余碎脹系數；l為基本頂破斷巖塊長度，m；σ0為單位壓應力，σ0=1 MPa；β1為回歸系數，冒落巖石為頁巖時β1=-0.0488，冒落巖石為泥巖時β1=-0.028，冒落巖石為砂巖時β1=0.0254；γ為冒落巖石容重，N/m3；α為煤層傾角，(°)。

多孔介質在線性流態條件下適用的計算粘性阻力損失系數的經驗公式，其公式為[17]：

式中，φ為多孔介質孔隙率；C為Kozeny-Carman常數，取4.8±0.3；S為多孔介質比表面積，取80～200。

以3個頂板定向長鉆孔布置在15 m層位、4個布置在25 m層位為例，模型走向長300 m，傾斜長250 m，高度為48 m。進風口設為速度入口，入口氣流為空氣，風速2.34 m/s，回風口設為自由出口；鉆孔抽采口設為壓力出口；模型內部各部分的交界處均設置為內部面，其余外部面均設置為壁面；采空區設為多孔介質區域并根據式(4)、式(5)對孔隙率、粘性阻力等進行UDF編譯；冒落帶和裂隙帶瓦斯含量分別設為1.2×10-7m3/min和2.05×10-8m3/min。

根據現場實用情況，將高抽巷的布置設計為垂距15 m，平距28 m，斷面3 m×3 m，定向長鉆孔設計為3個頂板定向長鉆孔布置在15 m層位，4個布置在25 m層位，孔徑為203 mm，抽采負壓為-15 kPa，間距5 m，觀察不同抽采方式下采空區瓦斯流場分布與抽采效果，目的是較為直觀地對比二者的抽采效果，驗證“以孔代巷”的可行性，不同抽采方式下采空區瓦斯分布如圖2所示。

U型通風下，受新鮮風流漏風影響，進風側瓦斯濃度較低，回風巷側瓦斯濃度較高，采空區瓦斯被漏風帶入回風巷，導致上隅角瓦斯易超限。采用高抽巷進行抽采，采空區下方瓦斯被抽到高抽巷內，工作面后方出現一個瓦斯降低區域，有效的保障了工作面瓦斯濃度。采用頂板定向長鉆孔也達到了類似高抽巷的抽采效果，有效控制了上隅角瓦斯濃度，高抽巷和定向鉆孔抽采下采空區切面流場如圖3所示。

圖3 切面流場分布特征Fig.3 Section flow field distribution characteristics

進風側下隅角處為坐標原點(0，0，0)，取(245.4，-0.1，0.1)作為上隅角的參考點，U型通風下上隅角瓦斯平均濃度為1.16%，高抽巷和頂板定向長鉆孔抽采下工作面上隅角瓦斯濃度見表1。

表1 高抽巷及頂板定向長鉆孔抽采效果Table 1 Effect of high pumping roadway and roof directional long borehole pumping

根據上述分析，未采取抽采措施時，高瓦斯大采高U型工作面上隅角瓦斯濃度已經超過了0.8%，而相對于高抽巷，頂板定向長鉆孔抽采混量只有其1/2，抽采純量也較高抽巷稍低，但其瓦斯抽采濃度高，較高抽巷控制上隅角瓦斯濃度能力強。

2.2 抽采影響范圍分析

壓力梯度是氣體流動的主要原因，其直接關系著瓦斯抽采效果，將高抽巷和頂板定向長鉆孔均賦值25 kPa負壓，分析兩者壓力影響范圍，不同抽采方式下采空區壓力分布如圖4所示。

圖4 不同抽采方式下壓力分布Fig.4 Pressure distribution under different extraction methods

高抽巷高負壓區域較小，且負壓衰減很快，頂板定向長鉆孔由于其布置特點，高壓區比高抽巷大40%左右，且以高負壓區域為中心，形成了大范圍的低負壓區域，影響范圍更大。

2.3 頂板定向鉆孔關鍵布置參數分析

單一鉆孔在穩態滲流情況下的瓦斯抽采量如式(6)[19]。

式中，L為鉆孔有效抽采長度，m；K為頂板裂隙場滲透率，m2；p0為采空區內原始氣體壓力，Pa；p1為鉆孔內部抽采負壓，Pa；μ為瓦斯動力粘度，Pa·s；R0為頂板覆巖裂隙帶半徑，m；R1為鉆孔半徑，m。

根據式(6)分析，影響瓦斯抽采效果的主要效果有以下三個因素：

1)鉆孔層位。鉆孔布置在裂隙帶上部時可以抽到高濃度的瓦斯，但攔截效果不佳；布置在中下部則可以有效攔截涌向上隅角的瓦斯，但受冒落帶漏風影響較大，抽放瓦斯濃度較低。李村煤礦1305工作面覆巖砂巖層較多，煤層偏厚，致使覆巖跨落沉降后裂隙較為發育，層間垂直裂隙較一般情況下偏大，為保障上隅角瓦斯不超限，應在工作面上隅角附近即裂隙帶中下部布置數個裂隙帶抽采鉆孔。

2)鉆孔直徑。提高鉆孔直徑，瓦斯抽采量會隨之增加，提升鉆孔抽采效果。在理論分析和實踐考察中，隨著鉆孔直徑的增大，氣體的抽出總量會提升，但設備功耗也逐漸增大，應在現場已有鉆機設備和工藝技術的允許情況下，選擇合適直徑的鉆孔來抽采瓦斯。

3)抽采負壓。在實際生產過程中，合理的負壓有利于瓦斯抽采量的提升，但過大的抽采負壓不但造成抽采濃度降低，也會提升采空區遺煤自燃的風險。

3 頂板定向鉆孔布置參數優化

3.1 布置參數敏感性分析

影響裂隙帶鉆孔抽采效果的影響因素主要有鉆孔層位、直徑、個數、間距以及負壓，為了分析在多因素影響下的抽采效果評價，依據現場應用情況設計了16組正交實驗，因素水平見表2[20]。

表2 因素水平Table 2 Table of factor level

以上隅角瓦斯濃度為標準，所得結果如圖5所示。

圖5 上隅角瓦斯濃度分析結果Fig.5 Gas concentration analysis in upper corner

極差可以一定程度上反映影響因素對于上隅角瓦斯濃度指標的程度，由上圖可以初步分析得A1和B1對于上隅角濃度的影響可能較大，具體結果還需要進一步分析，上隅角瓦斯方差分析計算見表3。

表3 方差分析計算Table 3 Analysis of variance calculation table

表4 方差分析Table 4 Anova table

每個影響因素的均方和V等于該因素平方和S除以該因素相應的自由度，F比為對應因素的均方和與誤差均方和的比值。F的比值越大，其相應的因素對試驗的影響程度越高，故能根據F比的大小排列出因素的主次程度。

針對因素A1層位、因素B1孔徑、因素C1個數、因素D1間距、因素E1負壓來說，對上隅角瓦斯濃度影響程度最大的是鉆孔層位，其次是鉆孔直徑，接下來是鉆孔負壓，然后是鉆孔個數，影響程度最小的是鉆孔間距。因此在進行頂板定向鉆孔參數設計時應先重點關注鉆孔層位、鉆孔直徑和鉆孔負壓等參數，然后再優化鉆孔個數和鉆孔間距等參數。

3.2 布置參數優化

在靠近回風巷側的高位環形裂隙帶中，從下至上將裂隙帶分為13～20 m，20～30 m，30～40 m三個范圍，通過離回風巷的距離分為兩組，再兩兩組合，形成9組試驗，以3×15 m，4×25 m為例，其布置如圖6所示?？紤]到布孔方式的多樣性，設置1#鉆孔層位為15 m，2#—7#鉆孔層位依次增加2 m，鉆孔間距依次增加5 m，作為第10組試驗，除布置層位外，負壓、孔徑、間距等參數均保持一致。結果以工作面上隅角瓦斯濃度為指標。

圖6 鉆孔層位優化布置方式Fig.6 Optimal layout of borehole position

不同參數下上隅角瓦斯濃度變化如圖7所示，由圖7優化結果如下：

圖7 不同參數下上隅角瓦斯濃度變化Fig.7 Change of gas concentration in upper corner under different parameters

1)鉆孔層位優化：根據上述結果分析，方案2、4、6效果較好。李村煤礦的條件更適合采用方案2，即將鉆孔兩排布置，從左到右分別布置在15 m和25 m層位。通過15 m層位鉆孔攔截涌向上隅角的瓦斯，通過25 m層位鉆孔抽采高濃度瓦斯。

2)鉆孔直徑優化：基于現場千米鉆機型號和打鉆能力，設計了120、150、203、300 mm四組試驗，鉆孔層位布置在15 m和25 m層位，其余參數均保持一致，結果表明：在技術經濟條件允許的情況下，采用較大孔徑能有效提高抽采效果。

3)基于現場試驗，選擇10、15、20、25、30 kPa五個梯度來進行試驗，根據李村煤礦的條件，采用20～25 kPa較為合適。同理，考慮經濟條件，鉆孔個數選擇6個較優，鉆孔間距對抽采效果應該較小，選擇5 m較好。當煤層瓦斯含量、工作面推進速度等參數變化時，抽采負壓、鉆孔個數和間距等參數也可以相應變化以達到較好的抽采效果。

4 經濟技術分析

1)抽采效果上，采用頂板定向長鉆孔在抽采混量和純量上較高抽巷有所差異，控制上隅角瓦斯濃度能力較好，可以有效抽采采空區瓦斯，保障工作面安全高效開采，抽采效果對比分析見表5。

2)在施工成本上，施工8個120 mm鉆孔較高抽巷同比節省費用39.7%，施工6個203 mm鉆孔較高抽巷同比節約35.4%，有效提高了經濟效益。

3)施工進度方面，按1000 m計算，施工1000 m高抽巷需要300 d，6～7個頂板定向長鉆孔共計需要130 d左右，施工時間可減少57%，保證了工作面正?；夭?。

5 結 論

1)頂板定向長鉆孔應該布置在瓦斯富集的頂板裂隙帶中下部和離層區內，頂板定向長鉆孔和高抽巷都能有效抽出采空區瓦斯，合理控制上隅角瓦斯濃度，在一定條件下，頂板定向鉆孔雖抽采混量和抽采純量較高抽巷少，但控制上隅角瓦斯濃度能力稍強。

2)影響頂板定向鉆孔抽采效果的主要因素為布置層位、鉆孔直徑和抽采負壓，次要因素為鉆孔個數和鉆孔間距。其中，抽采效果敏感性為“層位>孔徑>負壓”，以上隅角瓦斯濃度為指標，李村礦應當將鉆孔布置為15 m層位3個和25 m層位3個，鉆孔孔徑為203 mm，負壓20～25 kPa較好，鉆孔間距為5 m。

3)在日產8000 t左右的條件下，采用頂板定向鉆孔可以有效縮短施工時間和成本，解決了工作面采掘接替困難的局面，同時保障工作面安全生產。但工作面推進速度增加時，頂板定向鉆孔瓦斯濃度明顯較高，關于高抽巷和頂板定向鉆孔的使用界限問題上，還需結合煤層瓦斯含量和推進速度等條件進行進一步的分析。