刘向兵

（山西煤炭运销集团阳城大西煤业有限公司，山西 阳城 048105）

1 矿井概况

大西矿位于阳城县芹池镇大西村，矿井区域为单斜构造，井田面积4.5km2，倾角较小，主采煤层为3号煤，煤层平均厚度3.17m，设计生产能力为60万t/a，现开采的3#煤，煤层瓦斯含量在6.81m3/t左右，瓦斯压力达到0.43MPa，矿井瓦斯相对涌出量为20.25m3/t，绝对瓦斯涌出量达到22.11m3/min，属高瓦斯矿井。3#煤层不易自燃，且无爆炸危险性，采用综合机械化一次采全高的采煤方法。顶板为较硬的细砂岩和部分泥岩，底板为细粒砂岩，煤质为中—高变质的无烟煤，煤层裂隙发育较完全，具备本煤层顺层钻孔抽采的必要条件，如图1为本次试验的工作面平面示意图，3201工作面走向长660m，倾向长180m，根据瓦斯治理的需求在3021工作面回风顺槽布置有若干顺层钻孔。

图1 3021工作面平面示意图

2 顺层钻孔封孔参数模拟

2.1 模型的建立

根据大西矿的现场条件，为了满足3021工作面的顺层钻孔封孔参数的工程需求，将布置顺层钻孔的煤层模型简化为一个长为30m、宽为3m的矩形平面，煤层瓦斯原始压力设置为0.43MPa，顺层钻孔的直径设置为120mm。模型左右两侧的边界条件设置为滚轴，底部边界固定，上部施加应力，上部与右侧流量设置为零；而钻孔周围的压力设为恒定，煤层裂隙瓦斯压力与孔壁瓦斯压力取相同值。模型具体参数见表1。

表1 数值模型参数

为了掌握顺层钻孔封孔长度和深度对瓦斯抽采效率的影响，依据大西矿前期研究知，当顺槽形成后，在距离煤壁壁面7.86m处时煤层应力集中程度达到最大。基于此，对不同封孔参数下的抽采效果进行建模分析，其中，模型1与模型2在封孔长度和深度一致，模型1封孔长度在应力集中前，而模型2封孔长度在应力集中之后。模型3～模型6从距孔口0.5m处实施封孔，而模型7、8是在避开卸压区域后开始实施封孔。各模型详细封孔参数方案见表2。

表2 数值模拟方案

2.2 封孔深度的模拟

为了掌握3021工作面回风顺槽顺层钻孔的封孔深度对钻孔抽采效率的影响，通过模型1与模型2对比分析封孔深度在最大应力集中点前后时煤层瓦斯抽采效果。如图2为两种封孔情况下钻孔周围煤层瓦斯含量随钻孔抽采时间的变化规律。

图2 煤层瓦斯含量随抽采时间的变化规律

从图2可以看出：

（1）随着抽采时间的延长煤层瓦斯含量都呈逐渐减小的趋势，且在钻孔抽采初期，瓦斯含量减小的梯度较大，随着时间的推移，瓦斯含量减小的趋势越来越平缓，这种变化趋势已在现场测试中得到了验证，符合顺层钻孔抽采瓦斯的规律。

（2）在顺层钻孔抽采阶段，模型1煤层瓦斯抽采效率明显高于模型2，在相同的抽采时间下，封孔深度为7m时，煤层瓦斯含量下降量更大。这是由于模型2的封孔位置错过了应力集中最大点，有效封孔长度在变短，钻孔在此位置更容易发生裂隙破坏，导致此处易发生漏气现象，影响钻孔的抽采效率。

（3）在钻孔抽采后期，煤层瓦斯压力在不断降低，使得钻孔和周围煤体之间的压力差逐渐减小，当煤层瓦斯压力降到井下顺槽内大气压力之下时，顺槽内的空气会通过煤层裂隙通道进入钻孔中，降低了钻孔抽采煤层瓦斯的效果。

2.3 封孔长度的模拟

钻孔的封孔长度对瓦斯的抽采效率同样起着关键作用。如图2模拟了模型3～8抽采60d时钻孔周围煤体瓦斯压力分布规律。

模型3～6钻孔从孔口0.5m处实施封孔，从图中可以看出随着封孔长度的延深，煤层瓦斯压力减小程度越小，受抽采负压影响程度也在不断衰减。同时，为了更加直观展示这6种封孔模式下的抽采效果，如图3所示，绘制了监测点A(x=7.8，y=0.6)处煤层瓦斯压力随着抽采时间的变化曲线。

图3 抽采60d后基质瓦斯压力分布图

图4 监测点A处不同抽采时间下瓦斯压力变化图

由图4可以看出：

（1）模型5、6中瓦斯压力变化斜率最小，说明受抽采钻孔的负压影响程度低，这说明当钻孔封孔长度穿过应力集中区甚至到达原始应力区时，这些区域周围的卸压瓦斯受封孔的影响很难在抽采负压的作用下沿着管路抽出，只能靠煤体自身的裂隙进行自然排放，瓦斯压力降低速率减小；

（2）纵观6个模型中煤层瓦斯压力的变化趋势，在相同抽采时间内，模型3瓦斯压力降低幅度最大，模型4次之，而模型7与8压降效果明显偏差，这说明在对顺层钻孔进行密封时，密封最合适的位置为煤层卸压区域内，若这部分区域未采取有效封堵，在钻孔抽采负压下，顺槽内的空气会沿着裂隙向钻孔内转移，严重制约了顺层钻孔抽采煤层中的瓦斯。

3 现场方案

3.1 现场钻孔布置

在3021工作面回风顺槽垂直煤壁施工12个顺层钻孔，钻孔深度均为85m左右，抽采负压不低于13kPa。钻孔布置如图5所示，部分钻孔具体参数见表3。

图5 试验钻孔布置示意图

表3 试验钻孔施工参数

3.2 瓦斯抽采效果分析

钻孔施工完成后，确保无塌孔现象，排除钻孔里的煤屑。然后将钻孔封孔并通过瓦斯集气装置将各个顺层钻孔并入抽采管网中，在现场持续监测钻孔瓦斯浓度，各个钻孔抽采瓦斯浓度如图6所示。

图6 瓦斯浓度随抽采时间的演化规律

从图中可以看出，随着抽采时间的延长瓦斯浓度逐渐递减，2号钻孔瓦斯浓度平均值在35.8%，而1号钻孔瓦斯浓度平均值在19.7%，3号钻孔瓦斯浓度平均值在33.7%。这充分说明钻孔孔深为85m时，封孔深度在7.5m时，效果最佳，即将钻孔的卸压区段进行密封而应力集中区保持钻孔的原始状态。如此，在抽采负压下顺槽内的空气不会向钻孔内流入，而且在应力集中的影响下，钻孔周围煤体又得到卸压，压力集中和释放的过程中必然导致煤层瓦斯由吸附状态解吸为游离态，加速了煤层瓦斯的解吸和排放。

4 结论

（1）基于顺层钻孔抽采瓦斯的原理，通过数值模拟研究表明，本煤层顺层钻孔封孔时要考虑煤层压力区域的范围，即封孔的最佳区段为位于煤层卸压区和达到应力集中最大点的这段区间，若封孔长度太短，导致空气进入钻孔中；若封孔长度太长，煤层中卸压瓦斯不易通过裂隙流入抽采钻孔中。

（2）结合现场试验表明，3021工作面回风顺槽顺层钻孔最佳封孔深度为7.5m，即对卸压区域进行密封。

（3）通过现场煤层条件，优化后的顺层钻孔封孔参数可以有力地保障瓦斯抽采的可靠性。