郝长胜，王浩天，贾廷贵

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

煤矿工作面瓦斯超限和上隅角瓦斯超限是威胁煤矿安全开采的重要因素。目前煤矿井下主要采用的瓦斯治理方法有埋管[1]、高抽巷[2]、常规高位钻孔[3]、顶板走向长钻孔抽采。

陈建等[4]将大直径长钻孔和致密小直径钻孔进行分析对比，当工作面邻近瓦斯涌出量大时钻孔直径越大瓦斯抽采效果越好；孙荣军等[5]通过对红岭煤矿瓦斯抽采技术进行研究，认为走向长钻孔相比于高抽巷控制范围较大、抽放瓦斯见效快、施工周期短，投入成本低；赵耀江等[6]使用UDEC软件模拟确定沙曲矿垮落带高度为10 m，裂隙带高度为32～40 m，确定了钻孔合理布置参数；姚尚文[7]通过现场试验表明，顶板走向长钻孔在距顶板垂直距离为 7～20 m，距回风巷道水平距离为5～25 m时瓦斯抽采效果较好；胡良平等[8]在新集二矿的试验结果表明，顶板走向长钻孔可达到与高抽巷接近的瓦斯抽采效果，但顶板走向长钻孔投资比高抽巷节约44.8%、工期缩短30%；毕建乙[9]在马堡煤矿应用顶板走向长钻孔技术，确定钻孔瓦斯抽采的有效时间为68 d；李彦明[10]通过实验表明，普通高位钻孔瓦斯抽采效果只有顶板走向长钻孔瓦斯抽采效果的一半；武旭东等[11]使用数值模拟软件对龙泉矿顶板走向长钻孔瓦斯抽采效果进行分析，确定钻孔间距为10 m时钻孔瓦斯抽采效果最佳；李宏等[12]通过研究认为，顶板走向长钻孔的瓦斯抽采效果与高抽巷相当，高抽巷相比顶板走向长钻孔其施工量少，施工成本低；程志恒等[13]利用3DEC软件模拟采空区顶板裂隙场演化过程，基于钻孔高效抽采长度和采空区裂隙发育情况反映顶板走向长钻孔的抽采效果；龚选平等[14]通过对卸压瓦斯分布规律研究表明，瓦斯在距回风巷25～55 m和距煤层顶板25～50 m 范围积聚；刘秀保等[15]利用瓦斯在横向和纵向运移的特点，提出以裂隙带抽采瓦斯为主、垮落带抽采瓦斯为辅的抽采方法。

针对寺河矿5309工作面顶板走向长钻孔布置情况，使用ICEM软件建立采空区瓦斯抽采模型，运用FLUENT模拟软件计算分析不同参数下的瓦斯抽采效果，以确定最佳抽采参数。

1 工作面概况

寺河矿5309工作面是大采高综采工作面，采用一次采全高机械化采煤方法。工作面倾斜长度为301.5 m，走向长度为972.9 m。煤层倾角平均为4°，煤层平均厚度为5.9 m。采煤期间绝对瓦斯涌出量为28.8 m3/min，相对瓦斯涌出量为3.54 m3/t。

5309工作面共设计4个高位钻场。每个钻场设置4个钻孔，分别施工至53092巷以南15、25、35、45 m处，高位钻孔设计施工垂距为煤层底板上方25 m区域。主管道的抽采瓦斯纯流量为3.47 m3/min，抽采瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)为17.14 %，上隅角瓦斯浓度为 0.59%。钻孔瓦斯抽采效果差，钻孔时常有损坏情况，上隅角瓦斯也常常超限，严重影响煤矿正常的安全生产。

2 顶板走向长钻孔参数确定

煤层开采后形成采空区，采空区垮落后由下向上依次形成垮落带、断裂带、弯曲带。采空区四周形成“O”形圈[12]，为采空区瓦斯的储存提供了空间。

2.1 覆岩“三带”高度计算

针对覆岩三带范围，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》提供的经验公式计算“三带”高度。寺河矿5309工作面平均煤层厚5.9 m，上覆岩层主要为中硬岩石，对垮落带和断裂带高度进行估计，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Hm为垮落带高度，m；Hl为断裂带高度，m；M为采高，m。

由式(1)计算得到工作面垮落带高度为10.4～14.8 m；根据式(2)、(3)计算断裂带高度为50.8～58.6 m。

2.2 走向长钻孔终孔距底板的垂直高度确定

走向长钻孔距底板垂直高度的选择直接影响着瓦斯抽采的效果。根据裂隙“三带”的分布和“O”形圈理论，断裂带是钻孔布置的最佳位置，其范围内裂隙发育丰富，其中存在的“O”形圈为瓦斯流动提供了空间，还可避免钻孔被破坏。钻孔终孔距离煤层底板的垂直高度Hz应该位于断裂带之中，其计算公式如下：

Hm

(4)

根据式(4)初步确定钻孔终孔距煤层底板的垂直高度为15～59 m。

2.3 走向长钻孔水平位置确定

根据“O”形圈理论，为了保证钻孔能够达到瓦斯抽采效果和上隅角瓦斯治理的目的，一般严格平行于工作面且靠近回风巷布置钻孔[16]。顶板走向长钻孔终孔距回风巷的水平距离计算公式如下[17]：

(5)

式中：HP为顶板走向长钻孔终孔距回风巷的水平距离，m；H1为抽采钻孔与工作面的垂直距离，m；H2为抽采钻孔距“O”形圈的外边界距离，一般取值范围为0～34 m；α为裂隙边界、开采边界的连线与煤层的夹角，取65°；θ为煤层倾角，取4°。

根据式(5)可以初步确定钻孔终孔距回风巷的水平距离为14～67 m。

2.4 走向长钻孔其他参数确定

钻孔间距和钻孔数量对钻孔瓦斯抽采效果有很大的影响，钻孔应合理布置在高瓦斯区域。钻孔间距和钻孔数量的确定与钻孔的有效抽采半径有关，钻孔间距过小，相邻2个钻孔抽采范围重叠，瓦斯抽采量下降；钻孔间距过大，距离回风巷一侧较远，瓦斯抽采量降低，瓦斯抽采效果变差。根据寺河矿5309工作面实际情况和试验确定钻孔在断裂带中的有效抽采半径为5 m，设置最佳钻孔间距为10 m，钻孔数量为4个。

3 走向长钻孔位置优化的数值模拟

3.1 数值模型的建立

将工作面和采空区简化为矩形模型，模型尺寸如表1所示。

表1 工作面采空区模型尺寸

垮落带高度为0～15 m，断裂带高度为15～59 m；钻孔直径设置为300 mm。运用ICEM软件建立工作面、采空区模型并划分网格，共划分为206 544个六边体网格，采空区数值模型网格如图1所示。

图1 采空区数值模型网格

3.2 边界条件设置

为了模拟寺河矿5309工作面和采空区的实际情况，需要对数值模型的边界条件进行设置，如表2所示。

表2 数值模型边界条件设置

假设采空区瓦斯在采空区各个区域均匀分布，瓦斯涌出量在单位体积内近似相等。瓦斯质量源项计算公式如下：

(6)

式中：Qv为模型瓦斯质量源项，kg/(m3·s);Qg为瓦斯涌出量，m3/s;ρg为瓦斯密度，kg/m3;V为涌出瓦斯体积，m3。

根据5309工作面采空区瓦斯涌出情况，通过式(6)计算工作面采空区瓦斯质量源项，结果如表3所示。

表3 工作面采空区瓦斯质量源项

采空区各个区域的裂隙发展都不相同，需要设置不同的孔隙率和黏性阻力系数来近似地表示采空区裂隙发展情况。采空区孔隙率和黏性阻力系数计算公式如下：

Kp(x,y)=Kp0+(Kpmax-Kp0)exp[-a1x(1-ea2a3min(y,1-y))]

(7)

(8)

(9)

式中：Kp为破胀系数；n为孔隙率；R为黏性阻力系数；Kp0为实稳定状态下的碎胀系数；Kpmax为采空区冒落煤岩自然堆积状态下的碎胀系数；a1、a2、a3分别为距离固面、工作面的衰减率和控制模型分布形态的调整数，取a1=-0.036 8，a2=-0.233，a3=0.268；x、y为距离壁面和工作面的等效距离；d为采空区遗煤的平均粒径，本研究中取15 mm。

根据工作面的实际情况，将孔隙率和黏性阻力系数计算公式(7)、(8)、(9)编译为UDF函数并且导入FLUENT软件中进行数值模拟。

3.3 走向长钻孔终孔不同参数模拟结果分析

3.3.1 抽采前工作面采空区瓦斯运移规律

采空区瓦斯未抽采前，新鲜风流通过进风巷流入工作面，带走工作面瓦斯流出回风巷。部分风流因工作面漏风而流入采空区，采空区瓦斯随风流涌入工作面回风巷，导致上隅角瓦斯超限。未抽采条件下采空区瓦斯浓度分布云图如图2所示。

图2 未抽采条件下采空区瓦斯浓度分布云图

由图2可知，未抽采条件下采空区距工作面 100 m 处瓦斯浓度达到25%以上，采空区最深处瓦斯浓度达到80%以上，工作面回风巷上隅角出现了瓦斯超限。

3.3.2 距底板不同垂直高度处采空区钻孔瓦斯抽采效果

为模拟距底板不同垂直高度条件下采空区瓦斯抽采效果，设置4个直径为300 mm的钻孔，钻孔平行于回风巷布置，钻孔间距为10 m，其中第1个钻孔距回风巷水平距离为20 m，抽采负压设置为20 kPa，设置钻孔距底板的垂直高度Hz分别为28、33、38、43、48 m。监测钻孔的抽采瓦斯混合流量、瓦斯纯流量、瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度。

钻孔距底板不同垂直高度(垂距)条件下抽采后采空区瓦斯浓度分布云图如图3所示。

图3 钻孔不同垂距布置条件下采空区瓦斯浓度分布云图

由图3可以看出，采空区的瓦斯浓度随着垂距的不断增加呈现先减小后增大的现象。当垂距为 28 m 到38 m时采空区瓦斯浓度出现减小的趋势，钻孔处于断裂带下部，裂隙发育较好，被工作面漏风带走部分瓦斯；当垂距为38 m时，裂隙发育良好，瓦斯在此积聚，该距离为瓦斯抽采最佳垂距；当垂距为38 m到48 m时采空区瓦斯浓度出现上升趋势，由于裂隙发育较差，瓦斯储存空间变小，瓦斯抽采效果变差。

钻孔距底板不同垂距条件下瓦斯抽采流量及浓度曲线如图4所示。

(a)抽采瓦斯混合流量和瓦斯纯流量

由图4可知，随着垂距增加钻孔抽采瓦斯的混合流量逐渐减小，垂距的增加导致裂隙发育越来越差，抽采瓦斯的混合流量越小。从垂距为28 m时钻孔的总抽采瓦斯混合流量33.87 m3/min降到垂距为48 m时的22.00 m3/min。抽采瓦斯纯流量则出现先增大后减小的现象，在垂距较小时受到工作面漏风的影响钻孔抽采瓦斯纯流量较小，随着垂距的增加抽采瓦斯纯流量逐渐增加，当垂距为28 m到 38 m 时抽采瓦斯纯流量由11.54 m3/min增加到14.37 m3/min；当垂距过高时，裂隙发育较差，抽采瓦斯混合流量和抽采瓦斯纯流量同时减小;当垂距为38 m到48 m时抽采瓦斯纯流量由14.37 m3/min降到11.53 m3/min；当垂距为38 m时抽采瓦斯纯流量达到最大值14.37 m3/min。随着垂距的增加钻孔抽采瓦斯浓度由34.10%提高到52.40%，由于瓦斯上浮的原因垂距越高抽采瓦斯浓度越高；上隅角瓦斯浓度由0.20%提高到0.65%，垂距过低时钻孔易被损坏，垂距过高时离上隅角过远，上隅角瓦斯浓度快速增高。

经综合分析，确定高位走向长钻孔终孔垂距为38 m，当垂距为38 m时抽采瓦斯纯流量达到最大值，上隅角瓦斯浓度为0.25%，故垂距为38 m时瓦斯抽采效果达到最佳。

3.3.3 距回风巷不同水平距离处采空区钻孔瓦斯抽采效果

为模拟距回风巷不同水平距离条件下采空区瓦斯抽采效果，设置4个直径为300 mm的钻孔，钻孔垂距为38 m，抽采负压设置为20 kPa，钻孔平行于回风巷布置，钻孔间距为10 m，其中第1个钻孔距回风巷水平距离Hp为15、20、25、30 m。监测钻孔的抽采瓦斯混合流量、瓦斯纯流量、瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度。

钻孔距回风巷不同水平距离条件下抽采后采空区瓦斯浓度分布云图如图5所示。

图5 钻孔距回风巷不同水平距离条件下采空区瓦斯浓度分布云图

由图5可知，随着距回风巷越远采空区瓦斯浓度出现先减小后增大的趋势，在距离25 m处采空区瓦斯浓度达到最小值。表明水平距离为15 m到 25 m 时，由于距离回风巷较近，钻孔受工作面漏风和回风巷部分风流影响，瓦斯抽采效果较差；当水平距离为25 m到30 m时采空区瓦斯浓度又出现上升趋势，这时距离回风巷越远，钻孔的瓦斯抽采效果越差。

钻孔距回风巷不同水平距离条件下抽采后瓦斯流量及瓦斯浓度曲线如图6所示。

(a)抽采瓦斯混合流量和纯流量

由图6可知，随着钻孔距回风巷水平距离越远，钻孔抽采瓦斯的总混合流量基本不变，分别为28.37、29.62、29.18、28.74 m3/min，表明同一水平距离的裂隙发展都基本相近，所以抽采瓦斯混合流量基本相同。钻孔抽采的瓦斯纯流量随着水平距离的增加出现先增大后减小的趋势，抽采瓦斯纯流量由水平距离为15 m到25 m时，其增加了1.48 m3/min，表明15 m到25 m时受回风巷风流的影响，抽采瓦斯纯流量减小；随着水平距离增加，从25 m到30 m时抽采瓦斯纯流量减少了1.27 m3/min，表明采空区瓦斯浓度降低，抽采瓦斯纯流量减小。水平距离为15 m到25 m时上隅角瓦斯浓度缓慢减小，在水平距离为15、20、25 m时上隅角瓦斯浓度分别为0.25%、0.23%、0.20%，表明水平距离的变化对上隅角瓦斯浓度的影响较小，但是水平距离为30 m时抽采位置离上隅角较远，导致上隅角瓦斯浓度升高，达到了0.35%。

4 现场验证

在寺河矿5309工作面设计4个高位钻场，共计16个钻孔。4个钻场从里向外依次为：53093/92巷9#联络巷、53093/92巷5#联络巷、53093/92巷1#联络巷、53093巷带式输送机头绕道。每个钻场分别设置4个钻孔，孔深为420 m，分别施工至53092巷以南25、35、45、55 m处，高位钻孔设计施工垂距为煤层底板上方38 m区域。5309工作面顶板走向长钻孔平面布置如图7所示。

图7 5309工作面顶板走向长钻孔平面布置图

对寺河矿5309工作面钻孔抽采情况进行监测，监测时间30 d，每两天监测1次主管道的抽采瓦斯纯流量和瓦斯浓度。通过现场实践，得到钻孔优化前后抽采瓦斯纯流量、瓦斯浓度曲线，如图8、图9 所示。

图8 钻孔优化前后抽采瓦斯纯流量曲线

图9 钻孔优化前后抽采瓦斯浓度曲线

由图8可知，钻孔优化前最大抽采瓦斯纯流量约为6.50 m3/min，最小抽采瓦斯纯流量为0.07 m3/min，平均抽采瓦斯纯流量为3.47 m3/min；钻孔优化后最大抽采瓦斯纯流量为9.80 m3/min，最小抽采瓦斯纯流量为6.07 m3/min，平均抽采瓦斯纯流量为7.98 m3/min。

由图9可知，钻孔优化前最大抽采瓦斯浓度为27.10%，最小抽采瓦斯浓度为2.50%，平均抽采瓦斯浓度为17.14%；钻孔优化后最大抽采瓦斯浓度为56.50%，最小抽采瓦斯浓度为39.20%，平均抽采瓦斯浓度为46.10%。

对优化后工作面瓦斯浓度进行监测，在工作面每隔20 m设置1个监测点，将监测值与模拟瓦斯浓度值进行对比，得到工作面瓦斯浓度变化曲线，如图10 所示。

图10 工作面瓦斯浓度变化曲线

由图10可知，瓦斯浓度实测结果和模拟结果基本吻合。上隅角瓦斯浓度降低到了0.20%，达到治理瓦斯的目的。

5 结论

1)根据寺河矿5309工作面具体情况，通过计算初步确定钻孔终孔距底板的垂距为15～59 m；4个钻孔距离回风巷水平距离14～67 m且与工作面平行布置。采用数值模拟方法分析确定钻孔垂距为 38 m，与回风巷水平距离为25 m处顶板走向长钻孔的瓦斯抽采效果最佳。

2)现场验证表明，钻孔的平均抽采瓦斯纯流量由3.47 m3/min提高到了7.98 m3/min；钻孔的平均抽采瓦斯浓度由17.14%提高到了46.10%；上隅角瓦斯浓度降低到了0.20%。

3)通过数值模拟和现场实践表明，优化后的顶板走向长钻孔可以提高瓦斯抽采效率，实现降低上隅角瓦斯浓度的目的。