高瓦斯礦井瓦斯抽采鉆孔定向鉆進技術研究
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摘要：以2-104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行分析，得到“O型圈”區域為瓦斯主要積聚區。并采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔角度瓦斯抽采量進行數值模擬，得到鉆孔仰角為20°時抽采效果最優。對工作面鉆孔參數進行設計，并對不同鉆孔抽采效果進行分析，得到定向鉆孔抽采瓦斯大大降低了工作面瓦斯濃度。
關鍵詞：O型圈;定向鉆孔;仰角;瓦斯濃度
瓦斯突出是煤礦面臨最嚴重的安全問題之一，隨著我國礦井開采深部逐漸加深，發生突出的礦井和煤層越來越多，同時我國煤礦復雜的地質環境和開采條件也是導致瓦斯事故多發的重要因素。因此，為了保證礦井的安全生產，減少瓦斯事故的發生，必須對瓦斯進行防治。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，但是該技術也存在巖巷施工周期長、成本高等缺點。現在部門礦井已經開始采用定向鉆進技術來防治瓦斯，由于該技術采用長距離鉆進的方式，施工周期短，并且抽放效果好，已經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手段。
1 工作面概況
2-104回采工作面位于一采區采區巷道前進方向右翼，北部為礦井三條大巷，南部為設計的2-105 工作面。工作位位于+330水平，工作面標高+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行預先抽采，避免瓦斯在裂隙、采空區等處積聚，減小由于瓦斯導致的安全事故，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，上覆巖層會發生運動，受垂直應力的影響巖層將出現斷裂移動的現象，形成許多斷裂裂隙和離層裂隙，這些裂隙會導致瓦斯在煤層瓦斯流動，也會為瓦斯積聚提供空間。工作面回采后頂板巖層會在采空區垮落，采空區四周覆巖下部存在裂隙發育區，也成為“O型圈”，而瓦斯主要在這部分進行積聚，因此，防止工作面瓦斯超限應當在該區域進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方向流動，容易形成瓦斯積聚區。采用頂板定向鉆孔技術對積聚的瓦斯進行預先抽采，切斷瓦斯流動的通道，避免工作面瓦斯超限，保證工作面的安全回采。
3定向鉆孔數值模擬
3.1 模擬方案
在工作面頂板進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的參數，采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔角度瓦斯抽采量進行數值模擬。
3.2 模擬結果分析
根據工作面的實際地質條件，采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔仰角和鉆孔夾角進行數值模擬，得到不同角度瓦斯抽采情況，如表1所示。
由表1可知，當鉆孔仰角一定時，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離采空區發育裂隙越少，積聚的瓦斯量少，從而導致鉆孔抽采的瓦斯量少。當鉆孔傾角一定時，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，當其超過工作面裂隙帶范圍時，鉆孔抽放的氣體總量越少，但是由于瓦斯的密度小，瓦斯較空氣來說會積聚在靠上的位置，因此，會出現鉆孔抽放瓦斯純流量呈現先減少后增大的趨勢。根據模擬數據結果可知，定向鉆孔仰角采用20°時，抽采效果最優，能夠保證抽采純流量超過平均55%以上。
4 鉆孔布置參數
4.1 鉆孔設計
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，根據工作面的地質條件，在工作面回風巷共布置兩個鉆場，每個鉆場布置4個定向鉆孔，每個鉆孔布置具體參數如表2所示。
4.2 施工情況
采用ZYWL-6000DS千米定向鉆機對2-104工作面回風巷進行頂板高位定向鉆孔施工，根據設計的鉆孔參數共布置鉆孔8個。由于開孔孔徑為155mm，因此，采用“導向孔+分級擴孔”的施工方案。首先使用孔徑為96的導向孔進行定向鉆孔，然后在采用孔徑155的鉆頭進行擴孔，將孔徑擴充為155mm，從而實現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個定向鉆孔后，對抽采效果進行分析，得到工作面不同推進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個鉆場、8個定向鉆場后，布置位置為煤層頂板往上、煤柱側向內不同距離，得到每個定向鉆孔的瓦斯抽采濃度、混合流量和純流量。根據表中數據可以看出，工作面采用定向鉆孔進行瓦斯抽采，瓦斯抽采濃度最高達到了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的瓦斯解析量，避免瓦斯積聚而發生安全事故。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行分析，得到“O型圈”區域為瓦斯主要積聚區，因此，需要采用頂板定向鉆孔技術對瓦斯進行預先抽采，切斷瓦斯流動的通道，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行數值模擬，通過瓦斯抽采濃度、抽采混合流量、抽采瓦斯純流量判定當鉆孔仰角為20°時，抽采效果最優;
3在工作面2-104共布置8個定向鉆孔，對鉆孔參數進行設計，并對不同鉆孔抽采效果進行分析，得到定向鉆孔抽采瓦斯具有良好的降低瓦斯含量的效果。
參考文獻：
[1]賈明魁，李學臣，郭艷飛，李國棟.定向長鉆孔超前預抽煤層瓦斯區域治理技術[J].煤礦安全，2018（12）：68-71.
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