大采高工作面高位瓦斯抽采钻孔布置优化研究

韩啸翔

【摘 要】 文章以塔山煤矿30515大采高工作面为研究对象，分析了高位钻孔抽采瓦斯可以切断瓦斯运移的通道，避免瓦斯在工作面采空区积聚。采用FLUENT分别模拟20～50m钻孔高度和1～4组钻孔数量瓦斯抽采效果，得到钻孔高度40m，每个钻场布置3个钻孔时，抽采效果最优。设计了每组钻孔最优抽采参数。并对每组不同钻孔高度抽采效果进行分析，得到定向钻孔瓦斯最高抽采浓度达到了41%，有效降低了工作面瓦斯浓度。

【关键词】 大采高;瓦斯抽采;高位钻孔;钻孔高度

【中图分类号】 TD712+.6 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0045-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

为了保证矿井的安全生产，需要对工作面瓦斯超限进行防治。布置高位抽采钻孔进行瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的最有效的手段之一，通过钻孔内的抽采负压，加速了瓦斯的流动，达到抽采采空区高部积聚的高浓度瓦斯的目的。因此，通过研究大采高工作面围岩破坏规律和分布特征，采用钻孔抽采瓦斯的防治技术，对瓦斯抽采参数进行合理优化，避免瓦斯超限发生安全事故。

1工作面概况

30515工作面位于塔山煤矿三盘区，标高1008.5m，工作面东部为实煤区，南部有3-5#煤层1045辅运、胶带、回风三条大巷，西部隔10m煤柱为30501工作面采空区，北部隔矿界（煤柱）与同煤白洞井田相邻。30515工作面内为3-5#煤层实体煤，平均厚度14.04m，平均倾角4°。工作面回采期间工作面绝对瓦斯涌出量约5.094m3/t，属于高瓦斯矿井。

2高位钻孔抽采原理

大采高工作面回采后，受垂直应力的影响，上覆岩层采动裂隙发育并产生下沉运动，这些裂隙的存在会使瓦斯在煤层中移动。随着工作面的继续回采，上覆岩层在采空区垮落，采空区中部的岩层裂隙被压实，而四周覆岩下部存在裂隙发育区，也成为“O型圈”，瓦斯主要在该区域积聚。为了避免瓦斯在该区域浓度超限，需要采用高位钻孔技术对瓦斯进行超前抽采。

煤层开采后，顶板岩层破坏下沉，形成了采动覆岩三带。大采高工作面煤层中的瓦斯解析后经裂隙向工作面采空区移动，在采空区裂隙处积聚，形成瓦斯积聚区。在工作面顶板采用高位钻孔抽放瓦斯，切断了瓦斯流动通道，避免瓦斯在采空区积聚发生瓦斯突出、爆炸等灾害，造成人员伤亡等安全事故。图1为大采高工作面高位钻孔瓦斯抽采技术示意图。

3高位钻孔参数优化

30515大采高工作面采用高位钻孔对瓦斯进行抽采，采用FLUENT软件分别模拟不同钻孔高度和钻孔数瓦斯抽采浓度，得到大采高工作面高位钻孔抽采瓦斯最优参数。

3.1钻孔高度最优参数

30515大采高工作面采用高位钻孔抽采瓦斯，采用FLUENT分别模拟20m、25m、30m、35m、40m、45m钻孔高度瓦斯抽采效果，得到工作面自2017年10月21日至2018年1月11日（共83天）回采期间高位钻孔抽采浓度参数，如图2所示。

由图2可知，30515工作面采用高位钻孔抽采瓦斯时，随着钻孔高度的增加，瓦斯抽采浓度呈现先增加后减小的趋势，在钻孔终孔高度为40m时，瓦斯抽采浓度最高。因此，通过模拟可知，在钻孔数量一定的情况下，钻孔终孔高度为40m时，高位钻孔抽采瓦斯效果最优。

3.2钻孔数量最优参数

30515大采高工作面采用高位钻孔超前抽采瓦斯，采用FLUENT分别模拟1～4组钻孔瓦斯抽采效果，得到工作面自2017年10月21日至2018年1月11日（共83天）回采期间高位钻孔抽采浓度参数，如图3所示。

由图3可知，30515工作面采用高位钻孔抽采瓦斯时，随着钻孔数量的增加，工作面采空区内瓦斯浓度逐渐降低，采空区深部瓦斯在抽采负压的作用下被抽走，不易形成高浓度瓦斯积聚。当钻孔数量增加到3组时，采空区上隅角瓦斯浓度最低，抽采效果达到最优。随着钻孔数量的继续增加，由于距离采空区上隅角的距离较远，对上隅角瓦斯浓度抽采效果不明显。因此，通过模拟可知，在钻孔高度一定的情况下，钻孔数量为3组时，高位钻孔抽采瓦斯效果最优。若因产量增加、瓦斯赋存异常等引起采空区瓦斯涌出量变化，可考虑适当增加高位钻孔数量。

4高位钻孔瓦斯抽采最优参数

根据模拟结果和工作面地质条件，在30515大采高工作面运输巷布置高位钻孔抽采瓦斯，共布置31个钻场。距工作面切眼100m处开始布置首个钻场，钻场深度、宽度和高度分别为3m、3m、3.2m。布置首个钻场后沿着工作面运输巷回采方向每隔50m依次布置钻场，直至距30515大采高工作面联络巷10m处停止布置。每个钻场布置3个钻孔，钻孔参数如表1所示，钻孔布置示意图如图4所示。

钻孔开孔用Φ155mm无芯钻头钻进8m后，下入Φ146×6.5mm套管7.5m，然后用注浆泵注入水泥浆液固定套管，套管上口焊高压法兰盘。注浆采用32.5R普通硅酸盐水泥，浆液配比为0.5∶1，施工过程中可根据注浆压力及注浆量适当进行调整，注浆压力不小于3MPa。

套管下好并注浆固孔后，采用Φ113mm无芯钻头钻进至终孔，终孔后下入Φ89mm镀锌铁管，防止塌孔堵塞，铁管上均匀、大量地钻小孔，小孔直径Φ10mm，套管按照1.5m一根，用直通连接。孔口处用法兰封堵，法兰上焊接Φ89mm镀锌铁管，法兰内侧铁管套丝，便于和孔内花管对接，法兰外侧铁管安好阀门，花管下放到孔底后用堵牌将钻孔封闭，以防止孔内瓦斯外溢。

5瓦斯抽采效果分析

30515大采高工作面采用高位钻孔超前抽放瓦斯后，对瓦斯抽采效果进行检验，得到工作面每个钻场3组不同钻孔高度瓦斯抽采量，如表2所示。

由表3可知，采用高位钻孔进行瓦斯抽采后，瓦斯最高抽采浓度达到了41%，最高混合流量为22.60m3/min，纯流量为0.29m3/min。由此可知，工作面采用高位钻孔对瓦斯进行抽采后，切断了瓦斯积聚的线路，避免了瓦斯在采空区积聚，降低了采空区瓦斯浓度，避免了发生瓦斯突出、爆炸等安全事故。

6结论

（1）以30515大采高工作面为研究对象，对工作面高位钻孔瓦斯抽采原理进行分析，采用高位钻孔抽采瓦斯切断了瓦斯运移的通道，避免了瓦斯在工作面采空区积聚。

（2）采用FLUENT分别模拟20～50m钻孔高度和1～4组钻孔数量瓦斯抽采效果，根据模拟结果可知，钻孔高度为40m，每组钻场布置3个钻孔时，抽采效果最优。工作面共布置钻场31个，每个钻场布置3个钻孔，并设计了每组钻孔最优抽采参数。

（3）工作面采用高位钻孔超前抽采瓦斯后，对不同钻孔高度瓦斯抽采效果进行检验，根据检验结果可知，瓦斯最高抽采浓度达到了41%，最高混合流量为22.60m3/min，纯流量为0.29m3/min，大大降低了工作面瓦斯浓度，避免了发生瓦斯突出、爆炸等安全事故。

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