高瓦斯礦井瓦斯抽采鉆孔定向鉆進(jìn)技術(shù)研究

瓦斯突出是煤礦面臨最嚴(yán)重的安全問題之一，隨著我國礦井開采深部逐漸加深，發(fā)生突出的礦井和煤層越來越多，同時(shí)我國煤礦復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和開采條件也是導(dǎo)致瓦斯事故多發(fā)的重要因素。因此，為了保證礦井的安全生產(chǎn)，減少瓦斯事故的發(fā)生，必須對瓦斯進(jìn)行防治。我國礦井常用頂板高位鉆孔防治瓦斯突出，雖然取得了一定的效果，但是該技術(shù)也存在巖巷施工周期長、成本高等缺點(diǎn)?，F(xiàn)在部門礦井已經(jīng)開始采用定向鉆進(jìn)技術(shù)來防治瓦斯，由于該技術(shù)采用長距離鉆進(jìn)的方式，施工周期短，并且抽放效果好，已經(jīng)開始在很多礦井得到了廣泛推廣，已逐步成為礦井防治瓦斯的主要技術(shù)手段。
　　 1 工作面概況
　　 2-104回采工作面位于一采區(qū)采區(qū)巷道前進(jìn)方向右翼，北部為礦井三條大巷，南部為設(shè)計(jì)的2-105 工作面。工作位位于+330水平，工作面標(biāo)高+285～+305，埋深+353～+485m。主采煤層為2#煤層，一般厚約5.2m，局部煤層厚度有變化，含0-2層夾矸，夾矸厚度約0.1m，對煤質(zhì)影響不大。工作面走向長度639m，傾向長度180m。工作面回采期間工作面絕對瓦斯涌出量約5.094m3/t，屬于高瓦斯礦井。因此，需要對工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)先抽采，避免瓦斯在裂隙、采空區(qū)等處積聚，減小由于瓦斯導(dǎo)致的安全事故，保障工作面的安全回采。
　　 2 定向鉆孔抽采原理
　　隨著工作面的回采，上覆巖層會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，受垂直應(yīng)力的影響巖層將出現(xiàn)斷裂移動(dòng)的現(xiàn)象，形成許多斷裂裂隙和離層裂隙，這些裂隙會(huì)導(dǎo)致瓦斯在煤層瓦斯流動(dòng)，也會(huì)為瓦斯積聚提供空間。工作面回采后頂板巖層會(huì)在采空區(qū)垮落，采空區(qū)四周覆巖下部存在裂隙發(fā)育區(qū)，也成為“O型圈”，而瓦斯主要在這部分進(jìn)行積聚，因此，防止工作面瓦斯超限應(yīng)當(dāng)在該區(qū)域進(jìn)行定向鉆孔瓦斯抽采。
　　工作面回采上覆巖層初次垮落后，煤層中賦存的解析后開始向采空區(qū)方向流動(dòng)，容易形成瓦斯積聚區(qū)。采用頂板定向鉆孔技術(shù)對積聚的瓦斯進(jìn)行預(yù)先抽采，切斷瓦斯流動(dòng)的通道，避免工作面瓦斯超限，保證工作面的安全回采。
　　 3定向鉆孔數(shù)值模擬
　　 3.1 模擬方案
　　在工作面頂板進(jìn)行定向鉆孔抽放瓦斯，利用上覆巖層裂隙作為瓦斯排放通道來抽采采空區(qū)積聚的瓦斯。為了研究2-104工作面采用高位鉆孔瓦斯抽采最優(yōu)的參數(shù)，采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔角度瓦斯抽采量進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　 3.2 模擬結(jié)果分析
　　根據(jù)工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔仰角和鉆孔夾角進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同角度瓦斯抽采情況，如表1所示。
　　由表1可知，當(dāng)鉆孔仰角一定時(shí)，隨著傾角的增大，鉆孔抽放瓦斯量呈減小的趨勢。主要原因是由于布置在工作面頂板的鉆孔，隨著上覆巖層垂直方向越遠(yuǎn)離采空區(qū)發(fā)育裂隙越少，積聚的瓦斯量少，從而導(dǎo)致鉆孔抽采的瓦斯量少。當(dāng)鉆孔傾角一定時(shí)，隨著仰角的增大，鉆孔抽放瓦斯混合流量呈減小的趨勢，而純流量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，但增加幅度小。鉆孔布置位置沿垂直方向越靠上，當(dāng)其超過工作面裂隙帶范圍時(shí)，鉆孔抽放的氣體總量越少，但是由于瓦斯的密度小，瓦斯較空氣來說會(huì)積聚在靠上的位置，因此，會(huì)出現(xiàn)鉆孔抽放瓦斯純流量呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果可知，定向鉆孔仰角采用20°時(shí)，抽采效果最優(yōu)，能夠保證抽采純流量超過平均55%以上。
　　4 鉆孔布置參數(shù)
　　4.1 鉆孔設(shè)計(jì)
　　 2-104回采工作面采用頂板定向鉆孔的方式抽采工作面積聚的瓦斯，根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，在工作面回風(fēng)巷共布置兩個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場布置4個(gè)定向鉆孔，每個(gè)鉆孔布置具體參數(shù)如表2所示。
　　4.2 施工情況
　　采用ZYWL-6000DS千米定向鉆機(jī)對2-104工作面回風(fēng)巷進(jìn)行頂板高位定向鉆孔施工，根據(jù)設(shè)計(jì)的鉆孔參數(shù)共布置鉆孔8個(gè)。由于開孔孔徑為155mm，因此，采用“導(dǎo)向孔+分級擴(kuò)孔”的施工方案。首先使用孔徑為96的導(dǎo)向孔進(jìn)行定向鉆孔，然后在采用孔徑155的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，將孔徑擴(kuò)充為155mm，從而實(shí)現(xiàn)大直徑頂板定向鉆孔的目的。
　　5 定向鉆孔抽采效果分析
　　 2-104回采工作面布置8個(gè)定向鉆孔后，對抽采效果進(jìn)行分析，得到工作面不同推進(jìn)距離定向鉆孔瓦斯存抽采量，得到抽采情況如表3所示。
　　由表3可知，在2-104回采工作面布置2個(gè)鉆場、8個(gè)定向鉆場后，布置位置為煤層頂板往上、煤柱側(cè)向內(nèi)不同距離，得到每個(gè)定向鉆孔的瓦斯抽采濃度、混合流量和純流量。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，工作面采用定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采濃度最高達(dá)到了5.29%，抽采混合流量最高為22.26m3/min，抽采瓦斯純流量為0.50m3/min。通過定向鉆孔抽采，大大降低了工作面瓦斯含量，減少了工作面頂板裂隙內(nèi)的瓦斯解析量，避免瓦斯積聚而發(fā)生安全事故。由表可知，定向鉆孔抽采瓦斯具有良好的降低瓦斯含量的效果。
　　 6 結(jié)論
　　 12-104回采工作面為研究對象，對工作面瓦斯定向鉆孔抽采原理進(jìn)行分析，得到“O型圈”區(qū)域?yàn)橥咚怪饕e聚區(qū)，因此，需要采用頂板定向鉆孔技術(shù)對瓦斯進(jìn)行預(yù)先抽采，切斷瓦斯流動(dòng)的通道，避免工作面瓦斯超限;
　　 2采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔角度瓦斯抽采量進(jìn)行數(shù)值模擬，通過瓦斯抽采濃度、抽采混合流量、抽采瓦斯純流量判定當(dāng)鉆孔仰角為20°時(shí)，抽采效果最優(yōu);
　　 3在工作面2-104共布置8個(gè)定向鉆孔，對鉆孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對不同鉆孔抽采效果進(jìn)行分析，得到定向鉆孔抽采瓦斯具有良好的降低瓦斯含量的效果。