寺河矿W2303掘进工作面穿层钻孔瓦斯抽采技术研究及应用_焦军.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1工程概况 山西晋城煤业集团寺河矿为高瓦斯突出矿井， 矿 井单巷掘进时的绝对瓦斯涌出量为 2.8m3/min。工作 面二氧化碳绝对涌出量为 0.02～0.06m3/min。W2303 工作面瓦斯抽放采取底板岩巷施工穿层钻孔对煤巷 掘进瓦斯治理， W23032 瓦斯抽放措施巷设计总长度 约 979.6m， 巷道断面为三心圆拱形， 巷道拱基线以上 净高 1.2m， 拱基线以下高 2.7m， 净宽 5.0m， 净断面 19.074m2。现为保障 W2303 工作面掘进作业是不会 出现瓦斯超限现象，利用底抽钻孔解决煤层条件不 好， 瓦斯较大区域， 通过密集钻孔覆盖从而达到降低 瓦斯的目的， 为工作面掘进提供保障。 2抽采钻孔参数模拟分析 在煤巷掘进作业时， 采用穿层钻孔对煤层的瓦斯 进行预抽作业时， 为有效保障穿层钻孔的瓦斯抽采范 围和效果， 一般会施工多个钻孔， 且各个钻孔的倾角 也会存在差异， 现为保障抽采效果， 采用 COMSOL 数 值模拟软件对穿层钻孔抽采半径与钻孔倾角之间的 关系进行研究， 并对比割缝钻孔与普通钻孔之间抽采 半径的差异。 现根据 W2303 工作面的具体地质条件，在上覆 岩层上施加 10MPa 的压力，对四周的边界约束其水 平方向位移， 固定底板边界， 并设计煤层的初始瓦斯 压力为 2.0MPa， 穿层钻孔的抽采负压为 15kpa， 分别 对穿层钻孔未 15、 30、45、 60、75、 90、 120和 145下， 预抽 90d 后钻孔在 X、 Y方向上的抽 采达标区域宽度及抽采达标区域的半径，具体不同钻 孔倾角下钻孔抽采达标区域宽度及半径如图 1 所示。 图 1不同穿层钻孔倾角下预抽 90d 时抽采达标区域 及宽度图 寺河矿 W2303 掘进工作面穿层钻孔瓦斯抽采技术研究及应用 焦军 （晋煤集团寺河矿 ， 山西 晋城 048200 ） 摘要 为有效保障 W2303 工作面掘进作业时的安全， 确定采用底抽钻孔对煤层的瓦斯进行预抽作 业， 采用数值模拟方法研究确定了穿层钻孔的倾角合理范围为 15～50或 120～160， 割缝钻孔 能够有效提升瓦斯抽采效果，基于数值模拟结果对瓦斯抽采方案的各项参数进行具体设计。结果表 明 水割缝作业能够有效提升瓦斯抽采效率， 瓦斯预抽作业完成后， 进风巷在掘进期间瓦斯涌出量始 终保持在 700m3/d， 穿层钻孔的预抽作业有效的保障了巷道掘进期间无瓦斯超限现象。 关键词 掘进工作面 ； 瓦斯抽采 ； 穿层钻孔 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0148- 03 Research and Application of Drilling Gas Drainage Technology in W2303 Tunneling Face of Sihe Mine JIAO Jun （JinchengCoal Group Sihe Mine , Shanxi Jincheng 048200 ） Abstract In order toeffectivelyguarantee the safetyofthe W2303 workingface excavation work, it is determined that the gas in the coal seam is pre- extracted bythe bottom drilling, and the numerical simulation is used to determine that the inclination angle ofthe drilling hole is 15～50 or 120. ～160, the slotted drilling can effectively improve the gas drainage effect, and based on the numerical simulation re- sults, the parameters of the gas drainage scheme are specifically designed. The results show that the water cutting operation can effectively improve the gas drainage efficiency. After the gas pre- draining operation is completed, the gas emission during the tunneling is always maintained at 700m3/d, and the pre- drainage operation of the layer drilling is effective. There was no gas overrun during the roadway excavation. Key words Tunnelingface ; gas drainage ; drillingthrough holes 148 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 通过具体分析图 1 可知， 当抽采天数相同的条件 下， 随着钻孔倾角的增大穿层钻孔的抽采有效半径会 出现先逐渐增大后减小的总体趋势，在钻孔倾角为 90时， 此时钻孔的抽采半径最小， 出现这种现象即 表明钻孔与主应力的夹角及钻孔的过煤长度为影响 钻孔抽采效果的主要因素，随着钻孔长度的增大， 煤 体与主应力的夹角及其暴露面积均会逐渐增大， 此时 钻孔在径向方向上受到的破坏程度会增高， 进而使得 钻孔周围煤体的卸压程度会增大； 当钻孔的倾角在小 于 75或者大于 90时，此时钻孔在垂直倾向方向 上的卸压区域会相对小于钻孔在平行倾斜方向上的 卸压区域， 另外钻孔在小于 60时， 在 X 方向上的抽 采达标半径较大， 基于此分析确定确定穿层钻孔的倾 角合理范围为 15～50或 120～160， 具体钻孔 倾角在 30及 60时残余瓦斯压力分布的云图如图 2 所示。 a30b60 图 2钻孔倾角 30和 60下钻孔周围残余瓦斯分布云图 为研究割缝钻孔与普通钻孔之间的差异， 在普通 钻孔的基础上， 设置割缝槽的高度为 0.25m， 半径为 1m，并具体对比钻孔倾角在 15、 60、 90及 120下两种钻孔的瓦斯抽采半径的达标区域，具体 两种抽采钻孔抽采半径达标区域的对比曲线图如图 3 所示。 图 3普通钻孔与割缝钻孔达标区域对比曲线图 通过具体分析图 3 可知， 普通钻孔与割缝钻孔在 抽采的影响半径之间的变化曲线存在着一定的差异， 随着钻孔倾角的增大， 普通钻孔的抽采达标范围出现 先增大后减小的趋势， 且普通钻孔最小和最大的抽采 达标区域分别为 0.8m 和 2.5m， 而割缝孔的抽采达标 范围会随着钻孔倾角的增大出现先增大后减小的趋 势，且割缝孔的达标范围最小及最大分别为 4.8m和 5.25m，另外能够看出钻孔倾角在 15～120变化 时， 普通钻孔及割缝钻孔抽采影响半径的变化幅度分 别为 233.3和 12.5；基于上述分析可知割缝钻孔 能够有效的提升钻孔抽采的达标区域， 且有效降低钻 孔受到倾角变化的影响[1-2]， 割缝钻孔的角度变化即是 通过钻孔中圆盘角度的变化， 且钻孔的瓦斯抽采效果 会随着主应力方向与圆盘方向夹角的减小而逐渐得 到提升。 3瓦斯抽采方案及效果分析 3.1抽采方案设计 根据 W2303 工作面的瓦斯赋存情况及地质条 件， 基于上述数值模拟结果能够得割缝钻孔和普通钻 孔的最大有效抽采半径分别为 4.5m 和 2.5m， 根据模 拟结果，确定钻孔倾角尽量在 15～50或 120 ～160的范围， 抽采作业时先打设普通钻孔进行一个 月的抽采作业， 随后再进行割缝钻孔的施工。 具体穿层钻孔的抽采方案为 1 ） 穿层钻孔分为三次进行递进施工， 12 个钻孔 为 1 组，各组钻孔之间的间距为 6m，其中 3、 7 和 10 瓦斯抽采钻孔未割缝钻孔， 其余钻孔均为普通钻 孔， 具体普通钻孔及割缝钻孔的各项参数见表 1。 2 ）在进行抽采作业时，先进行普通钻孔的施工 作业， 其中普通钻孔 11 和 12 钻孔会有效隔断下帮 的瓦斯向巷道内聚集， 1 和 2 钻孔能够有效的隔断 上帮瓦斯向巷道内聚集， 其余的不同钻孔的瓦斯抽采 作业， 能够有效的降低煤层的瓦斯压力及含量， 进而 能有效的防止水力割缝钻孔在施工过程中出现喷孔 现象； 3 ）普通钻孔进行一个月的抽采作业完成后， 进 行水力割缝 3、 7 和 10 钻孔的施工作业， 钻孔施工 完毕后再进行割缝钻孔的瓦斯抽采作业[3-4]。 （a ）钻孔投影图（b） 开孔位置展开图 图 4W23032 瓦斯抽放措施巷瓦斯抽采钻孔布置示意图 W23032 瓦斯抽放措施巷内钻孔布置的平面投 149 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 影图及开孔位置的展开图如图 4 所示。 表 1 普通钻孔与割缝钻孔各项参数表 3.2抽采效果分析 1 ） 割缝钻孔抽采效果。 为有效验证割缝钻孔的瓦 斯抽采效果， 通过对割缝区域钻孔瓦斯抽采期间进行 监测， 分别对割缝前后钻孔内的瓦斯浓度变化情况进 行分析， 具体如图 5 所示。 图 5钻孔割缝区域钻孔浓度的变化曲线图 通过具体分析图 5 可知，在进行水力割缝作业 后， 在割缝钻孔的周围煤层的卸压透气性出现明显增 大， 煤体内部瓦斯涌出的通道在逐渐增大， 其中对于 处于割缝钻孔周围的 62的钻孔内部的瓦斯浓度出 现明显的增大趋势，在割缝作业完成 2 周和 3 周时， 分别有 67和 50普通钻孔的瓦斯浓度高于割缝 前， 在割缝作业完成 6 周后， 此时一半钻孔内的瓦斯 浓度处于割缝前的 80以上，在水力割缝作业完成 后 15 周内，综合分析可知钻孔内瓦斯浓度为割缝前 浓度 60 以上的比例占到 60，据此可知水力割缝 作业对穿层钻孔提高瓦斯抽采量及提高抽采效率效 果显著。 2 ） 掘进头瓦斯涌出量分析。在 W2303 工作面的 进风巷掘进期间， 为了验证底板穿层钻孔的瓦斯抽采 效果， 通过对巷道掘进头及巷道外口位置处的瓦斯涌 出量进行有效监测，能够得出 W2303 工作面进风巷 在掘进期间掘进头的瓦斯涌出量及巷道瓦外口的日 瓦斯涌出量如图 6 所示。 （a ）掘进头（b）巷道外口 图 6进风巷掘进头及外口日瓦斯涌出量分布图 通过具体分析可知图 6 可知，在 W2303 工作面 进风巷的掘进期间， 通过对比图 6a与b能够看出， 其掘进期间的瓦斯涌出量与未掘进之前的变化量相 对较小， 巷道外口的瓦斯涌出量随着掘进作业的进行 逐渐增大， 出现这种现象的主要原因为掘进作业后新 暴露煤壁瓦斯的涌出量会导致巷道外口的瓦斯涌出 量增大，且在巷道掘进作业时 20～30d 时掘进作业因 某些原因停工，此时 W2303 工作面进行巷的瓦斯含 量出现减小的趋势， 基于此可知， 在进风巷掘进期间 巷道的瓦斯涌出量较小； 基于上述分析可知进风巷在 掘进期间瓦斯涌出量相对较小， 且瓦斯涌出量始终保 持在 700m3/d， 基于此可知 W2303 工作面底板巷穿层 钻孔瓦斯抽采技术的效果较为显著。 4结论 通过分析 W2303 工作面的瓦斯赋存及地质条 件， 确定采用底抽钻孔的方式保障工作面掘进作业的 顺利进行， 根据数值模拟结果可知， 穿层钻孔的倾角 合理范围为 15～50或 120～160， 割缝钻孔对瓦 斯抽采效果的影响效果显著， 结合工作面具体情况对 瓦斯抽采方案进行具体设计， 基于瓦斯抽采监测数据 得出水力割缝作业有效的提高了穿层钻孔的瓦斯抽 采量和抽采效率， 巷道掘进期间瓦斯涌出量始终保持 在 700m3/d， 保障了巷道掘进作业的安全。 参考文献 [1] 马合意.基于 SF_6 快速高效测定穿层钻孔抽采半径研究 [J].煤炭技术,2019,380591- 93. [2] 豆旭谦,金新,童碧,王力,魏宏超.淮南矿区硬岩穿层钻孔 钻进方法对比试验研究 [J]. 煤炭科学技术,2018,4611 151- 156. 作者简介 焦军 （1983-） ， 男， 山西省晋城市人， 2011 年 7 月毕业于 河南理工大学采矿工程专业， 助理工程师， 研究方向 煤矿瓦 斯治理。（收稿日期 2019- 6- 27） 钻孔类型钻孔编号钻孔深度/m穿煤层长度/m钻孔水平角/ 普通钻孔 1437.553 242.17.352 433.96.046 533.15.945 629.65.340 825.84.733 925.14.632 1120.13.713 1219.83.610 割缝钻孔 337.56.649 729.65.340 1022.44.124 150 ChaoXing