高 宏，楊宏偉，錢志良

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

目前國內煤礦末采階段的工作面在經過前期的抽采之后，煤體的裂隙發(fā)育較為明顯，且表現為酥軟、粘聚力降低等特點，頂板冒落和片幫時有發(fā)生，瓦斯涌出異常，加劇了U型通風工作面上隅角瓦斯的涌出。U型通風回采工作面的瓦斯治理主要采用風排瓦斯和高位鉆孔抽采的方法，由于高位鉆孔的工藝參數以及鉆場布置的不合理，鉆場間距及接替時間不明確，抽放負壓不匹配，易造成U型通風采煤工作面上隅角瓦斯超限，瓦斯抽采效率低，影響了工作面回采效率。因此有必要對末采階段工作面高位鉆孔的工藝參數進行優(yōu)化研究。國內外目前在末采階段對工作面高位鉆孔優(yōu)化主要有實驗類比法和理論計算法的方法，蔡文鵬等利用理論計算了裂隙帶高度，確定了合理的高位鉆場參數[1]。陳法喜等利用工程實踐類比的方法，分別對高位鉆孔的終孔層位、鉆孔數量、高位鉆孔長度及抽放負壓進行了優(yōu)化[2]。李家彪通過RFPA軟件模擬了綜采工作面采空區(qū)的“三帶”發(fā)育高度，從而優(yōu)化了高位鉆孔參數[3]。以上方法也在一定程度上優(yōu)化了高位鉆孔，但是僅使用工程類比和理論計算的方法略顯單一，不能直觀的看到高位鉆孔抽采的效果?；诖耍趯δ┎呻A段回采工作面高位鉆孔優(yōu)化方面，提出利用理論計算和數值模擬相結合的方法，對礦井末采階段XV1306回采工作面頂板走向高位鉆孔進行了優(yōu)化，有效提高了瓦斯抽采效率，降低了上隅角瓦斯?jié)舛?，瓦斯治理效果顯著。

1 高位鉆孔優(yōu)化理論計算

1.1 鉆孔的有效利用率及有效長度

高位鉆孔的利用率和有效長度決定著其抽采效果的優(yōu)劣，將高位鉆孔布置在裂隙帶中，最大限度地發(fā)揮其作用，從而抽采出高濃度高純量的瓦斯[3，4]。有效利用率的計算見式(1)。

按三角形相似比鉆孔有效效率為：

式中，Hk為高位鉆孔的孔隙垂高，m；Hm為采空區(qū)冒落帶高度，m。

高位鉆孔的有效長度：以XV1306工作面第五組鉆場1#高位鉆孔為例，鉆孔總長度Lk取108m，鉆孔的仰角為9°，通過式(1)計算可得出ρ=0.46。有效長度Ly約為70m。

1.2 鉆場合理間距和數量

通過計算得出鉆孔的有效長度，能夠保障鉆孔的高效率不間斷抽采，提高鉆場中高位鉆孔的抽采效率，鉆孔和鉆孔之間實現了有效長度的搭接[5]，鉆場間距確定示意圖如圖1所示。

圖1 鉆場間距確定示意圖

則相鄰鉆場之間的間距為：

Ls=Lycosα

(2)

式中，Ls為相鄰鉆場之間的間距，m；Ly為高位鉆孔有效長度，m；α為高位鉆孔的仰角，(°)。

鉆場間距的合理布置，對于保證高位鉆孔是否能夠實現不間斷抽采有著至關重要的作用。若要實現不間斷抽采，必須使當前鉆場的鉆孔的終孔點與上個鉆場的鉆孔的終孔點能夠實現接續(xù)，這樣才能保證不間斷的高濃度抽采。

從1306綜放工作面試驗考察情況來看，當回采工作面推進到13m左右時，高濃度的瓦斯開始被抽出；當回采工作面推進到32m左右時，高濃度的瓦斯持續(xù)被抽出且瓦斯抽采純量持續(xù)增大。當回采工作面推進到70～80m左右時，瓦斯抽采量和抽采純量大幅度降低。

通過分析可知，鉆場抽采出高濃度瓦斯的有效間距為70～80m，根據礦井的實際情況，鉆場間距選取為50～60m。

普通高位鉆場內施工的鉆孔的個數受以下幾個參數的影響：高位鉆場合計抽放的瓦斯量、孔徑、抽采瓦斯?jié)舛萚6]，具體計算過程見式(3)。

式中，N為高位鉆孔的個數，個；Q為鉆場合計抽采的瓦斯純量，m3/min；D為高位鉆孔直徑，mm；V為瓦斯氣體流動速度，m/s；C為瓦斯管路抽采濃度，%。

根據鄰近工作面瓦斯涌出結果分析可知，1306回采工作面最大瓦斯涌出量為11.8m3/min，風排量為4.8m3/min，由高位鉆孔抽采的瓦斯為6m3/min。考慮到高位鉆孔瓦斯的涌出受復雜地質因素的影響，高位鉆孔抽采的瓦斯純量定為7m3/min。其中，鉆孔直徑為94mm，瓦斯氣體流動速度為9m/s，瓦斯管路抽采濃度為7%，高位鉆場中鉆孔的個數按照式(3)計算得：N≈5.34個。

考慮到瓦斯涌出的不均衡性和異常性[7]，因此，每個鉆場設計布置8個抽放鉆孔，若瓦斯涌出量較大，建議布置12個鉆孔。

2 高位鉆孔優(yōu)化COMSOL數值模擬

2.1 基本模型的建立

模型的長度和寬度均設置為30m，高為5m。將高位鉆孔周圍2m的網格加密處理，高位鉆孔周邊的網格加寬處理，這樣既能保證模擬計算過程的精密又能保證計算時間不至于過長。含瓦斯煤模擬具體參數見表1。

表1 含瓦斯煤模擬參數

2.2 不同抽采時間對鉆孔抽采的影響

不同抽采時間下(1d、3d、5d、7d、9d)，高位鉆孔周邊瓦斯壓力切片如圖2所示。分析圖2可知，距離抽采鉆孔越近，其瓦斯壓力變化越明顯。

圖2 瓦斯壓力切片圖

高位鉆孔瓦斯壓力隨時間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著高位鉆孔抽采時間的增加，鉆孔周邊的瓦斯壓力逐漸變小。在抽采的初始階段，瓦斯流場和瓦斯流動通道還未形成，隨著抽采的逐步進行，煤層逐步卸壓，瓦斯?jié)B流的通道被打開，瓦斯壓力越來越低，最終的瓦斯流場形成以瓦斯鉆孔中心位置瓦斯壓力最低，逐步向圓周擴散增大。鉆孔經過5d的抽采后，鉆孔周邊的流狀鉆孔已初步形成，鉆孔受抽采的影響，影響范圍逐步擴大。由圖3可以看出，當鉆孔抽采1d時，瓦斯壓力變化不是很明顯，但當鉆孔抽采9d后，瓦斯壓力由之前的0.22MPa降低到0.05MPa，并趨于穩(wěn)定。隨著抽采的進行，煤體中的瓦斯流場逐步趨于穩(wěn)定。

圖3 高位鉆孔周邊區(qū)域瓦斯壓力隨時間變化曲線

通過對XV1306工作面高位鉆孔的抽采效果進行統計，抽采有效影響半徑隨時間的變化曲線如圖4所示。若僅考慮抽采時間對抽采效果的影響，則抽采有效影響半徑隨時間的增加呈增大的趨勢，但隨著抽采時間的增大，有效影響半徑后期增大幅度有所降低，具體的函數關系符合冪指數，如式(5)。

R=0.0178t0.8089

(5)

圖4 鉆孔有效影響半徑隨抽采時間的變化曲線

當其它參數一定時，隨著抽采時間的增加，抽采效果逐漸提高，有效抽采影響半徑逐漸增大，但增大的幅度逐漸減小，抽采時間和抽采影響半徑符合冪指數關系[8]。

由于抽采前期，原始瓦斯壓力和孔外大氣壓力之間存在較大的壓差，造成煤層孔隙間的瓦斯流速和滲透率較大，因此有效影響半徑隨抽采時間的增加呈逐步上升的趨勢，后期由于壓差的降低，造成有效影響半徑的增加幅度開始趨于平緩。

2.3 高位鉆孔合理的抽采負壓分析

瓦斯抽采負壓為18kPa、25kPa和30kPa時，煤體中高位鉆孔的瓦斯壓力的變化曲線如圖5所示。通過圖5可知，增大瓦斯抽采負壓對于瓦斯壓力的影響甚微，因此單純靠提高負壓來提高高位鉆孔瓦斯抽采效率成效不明顯。

圖5 不同抽采負壓下的瓦斯壓力分布圖

由圖5可以看出：在靠近鉆孔的地方，煤層內的瓦斯壓力下降的幅度很大。抽放負壓越大，抽采量越大，但當負壓到一定程度后，抽采效果就不會明顯增加，有時反而會使抽采純量降低。高位鉆孔內負壓抽采影響范圍僅限于鉆孔周邊區(qū)域，對于鉆孔負壓抽采有效影響范圍以外的區(qū)域，負壓對其影響很小。

結合15#煤層XV1306工作面鉆場的實際情況，通過分析抽采負壓對移動泵抽采效果的影響，對瓦斯抽放移動泵的負壓、抽放距離進行效果分析評價，得出XV1306工作面高位鉆場鉆孔抽放負壓為15～22.4kPa時，抽放效果最佳。

3 高位鉆孔優(yōu)化及抽采效果評價

3.1 鉆場內高位鉆孔數量的確定

受15#煤層XV1306回采工作面地質構造的影響，瓦斯涌出呈現出不規(guī)律性，高位鉆孔在施工過程中偶爾也會遇到塌孔發(fā)生，因此每個高位鉆場施工的鉆孔個數暫定8個，當瓦斯涌出較大時，鉆孔個數調整為12個，鉆場之間的間距定為60m。

3.2 優(yōu)化后高位鉆孔參數的確定

經收集資料可知，15#煤層裂隙帶高度為14.4～59.29m，將高位鉆孔終孔位置布置在裂隙帶的中下部，有利于抽放瓦斯，高位鉆孔的垂直高度最終定在6～26m，仰角3°～13°，偏角4°～13°。普通鉆場優(yōu)化后的高位鉆孔鉆孔具體參數見表2。

表2 普通鉆場優(yōu)化后的高位鉆孔鉆孔具體參數

3.3 優(yōu)化后的高位鉆孔抽采純量評價

經過現場數據統計分析得知，優(yōu)化后的XV1306工作面普通鉆場單個高位鉆孔的抽采純量平均值由0.72m3/min提高到了0.94m3/min，抽采純量提高了30.6%。

4 結 論

1)通過理論計算，得出高位鉆孔的有效長度約為70m，鉆場間距以50～60m較為合理，每個鉆場設計布置8個抽放鉆孔，瓦斯涌出量較大時，高位鉆場鉆孔增加至12個。

2)通過COMSOL數值模擬，得出高位鉆孔的瓦斯壓力隨著抽采時間的增大而呈現出降低的趨勢，后期趨于穩(wěn)定。有效影響半徑隨抽采時間的增加呈逐步上升趨勢，后期的增加幅度開始趨于平緩。抽采量隨抽采負壓的增大而增大，增大到一定程度后，抽采量開始趨于穩(wěn)定。通過分析礦井15#煤層XV1306工作面鉆場抽采效果的實際情況，得出末采階段XV1306工作面高位鉆場鉆孔抽放負壓為15～22.4kPa時，抽放效果最佳。

3)采用理論計算和數值模擬對高位鉆孔進行優(yōu)化，高位鉆場中鉆孔的間距按照0.5m布置，高位鉆孔的垂高最終定在煤層頂板6～26m之間，末采階段XV1306工作面普通鉆場單個高位鉆孔的抽采純量平均值由0.72m3/min提高到了0.94m3/min，抽采純量提高了30.6%，在一定程度上降低了上隅角瓦斯?jié)舛?，提高了瓦斯抽采效率，瓦斯治理效果顯著。