高瓦斯厚煤层本煤层预抽钻孔布置优化研究.pdf

78Vol.55,No.COALENGINEERING第55卷第7 期程炭煤doi:10.11799/ce202307013高瓦斯厚煤层本煤层预抽钻孔布置优化研究于丽雅，张宗良？（1.山西能源学院安全工程系，山西晋中030600；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221000)摘要：针对路安集团司马煤业高瓦斯厚煤层瓦斯抽采技术难题，探讨了不同钻孔布置模式下的瓦斯抽采效果，分析了钻孔参数对孔周裂隙扩展的影响规律，提出了适用司马煤业厚煤层的合理钻孔布置模式、钻孔布置间距、钻孔有效半径及瓦斯抽采的有效时间等关键技术参数。在此基础上，结合3 号煤层瓦斯赋存地质条件，进行了厚煤层瓦斯抽采钻孔布置设计，现场试验结果表明：将12 0 7 工作面回采巷道划分为三个瓦斯抽采段，执行“五花孔”与“三花孔”相结合的钻孔布置模式，钻孔数减少约3 0%，工作面首段抽采时间缩短为110 d，瓦斯抽采效率提高7 0%，极大缓解了采掘工作面抽采衔接过程中的时间紧张问题。关键词：高瓦斯厚煤层；钻孔布置模式；五花孔；钻孔间距；瓦斯抽采中图分类号：TD712*.6文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 7-0 0 7 8-0 6Optimization of drilling hole layout mode for high gas thick coal seamYU Liya,ZHANG Zongliang(1.Department of Safety engineering,Shanxi Institute of Energy,Jinzhong 030600,China;2.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221000,China)Abstract:Aiming at the technical difficulties of gas extraction in the thick seam with high gas content of Sima Coal IndustryCompany,the gas extraction effect under different drilling arrangement modes,and the influence of drilling parameters on crackexpansion were discussed.Then,key technical parameters were proposed such as reasonable drilling arrangement mode,drillingspacing,drilling radius and effective time of gas extraction suitable for the thick seam.On this basis,combining with thegeological conditions of gas occurrence in the No.3 coal seam,the layout pattern of gas extraction boreholes in thick coal seamswas designed.The mining roadway in 1207 working face was divided into three gas extraction sections,and the drilling layoutmode combining“five hole layout and“three hole layout was implemented.The number of boreholes was reduced by about30%,and the extraction time of the first section of the working face was shortened to 110 days,while the gas extraction efficiencywas increased by 70%,which greatly alleviated the time tension in the connection of mining and working face extraction.Keywords:high gas thick coal seam;drilling layout mode;five hole layout mode;distance between bores;gas extraction长久以来煤层瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的主要手段之一，国内学者对瓦斯抽采的布孔模式技术与方法进行了深入的研究，认为对抽采钻孔参数的优化是提高瓦斯抽采效率的途径之一1-5，而对于高瓦斯厚煤层合理的钻孔布置模式能够实现煤层瓦斯精准和高效治理6-9。高永格等 认为卸压孔布置方式不合理不仅起不到很好的卸压效果，反而可能导致煤巷掘进面局部应力集中而不利于卸压消突；王一帆8 、薛彦平9、郝光生10 、杨松 等开展了立体交叉钻孔布置方式研究，采用立体交叉钻孔布置方式的抽采效果要优于平面交叉布孔和平行布孔布置方式，能进一步提高煤层透气性，增加钻孔单位时间瓦斯抽采量；徐青伟12 、刘军等13 在煤矿瓦斯抽采过程中，利用“三花眼”布孔方式缩短抽采钻孔间距，有效消除了瓦斯空白带。岳高伟14等研究表明相同抽采时间，钻孔方位对有效抽采半径影响明显。崔宝库15 认为“三角形”与“矩形”布置方式相比，倾斜方向瓦斯压力分布相同，走向收稿日期：2 0 2 3-0 1-10作者简介：于丽雅（198 6 一），女，河北廊坊人，硕士，讲师，主要从事煤矿安全开采瓦斯防治工作，E-mail：t y u t y l 。引用格式：于丽雅，张宗良高瓦斯厚煤层本煤层预抽钻孔布置优化研究J煤炭工程，2 0 2 3，55（7）：7 8-8 3.792023年第7 期程炭煤生产技术方向上瓦斯压力分布更加均匀；同时也认为在瓦斯参数优化过程中抽采钻孔直径16 越大卸压效果越好；抽采钻孔间距的合理布置16-2 1 对高瓦斯低透气性煤层提高瓦斯抽采非常有效。上述研究表明，不同布孔模式对瓦斯抽采的效果有较大影响，合理的布孔间距、布孔直径、布孔分布等是影响抽采效果的关键因素。但针对司马煤业3 号煤层高瓦斯厚煤层的瓦斯抽采技术始终没有得到彻底解决，限制了矿井瓦斯的高效抽采。1石矿井概况璐安集团司马煤业属于高瓦斯矿井，主采煤层为3 号煤层，平均厚度6.6 0 m，煤层透气性较差，平均为0.6 8 14m/（M Pa d），介于难抽采至较难抽采。12 0 7 工作面其西部为未采区，东部为12 0 6 工作面，南部为采区边界，北部为二采区三条采区大巷。该面可采长度10 92 m，工作面走向长度2 2 0 m。采用综采放顶煤开采，采高3 m，采放比1：1.3 3，全部垮落法管理顶板，工作面日产量8 6 3 7 t。工作面采用“U型+高抽巷”通风方式。1207风巷、运巷本煤层瓦斯抽采钻孔布置形式为上下双排交错孔（类似三花布置），与12 0 7 切眼方向平行布置预抽钻孔，每隔1.5m布置一个钻孔，如图1所示，风巷、运巷瓦斯抽采钻孔上排钻孔开口距离巷道底板4.92 m；下排钻孔开口距离巷道底板1.6 8 m。12 0 7 所有钻孔直径为115mm。12 0 7 风巷钻孔平均长度为16 1m，12 0 7 运巷钻孔平均长度为8 5m。工作面抽采时间3 10 d，可解吸瓦斯含量分别下降大约为2 8.3 0%，计算工作面回采时工作面瓦斯浓度超过1%，工作面瓦斯浓度未能达标，不能保证工作面按时回采。因此，矿井迫切需要深人研究提高高瓦斯厚煤层抽采效率的新方法。3号煤层3m钻孔8468m图11207工作面原抽采钻孔布置2高瓦斯厚煤层钻孔布置模拟研究2.1模型的建立2.1.1初始模型模型采用残余瓦斯压力来标定有效抽采半径，以瓦斯压力降低近3 0%为达标。3 号煤层原始瓦斯压力为P。=0.3 1M Pa，通过计算抽采达标压力定为0.22MPa，抽采有效半径即为瓦斯压力降低到0.22MPa内的半径范围。模拟采用多相流模拟软件中的多孔介质模块和Darcy定律模块，根据司马矿实际瓦斯抽采过程中的钻孔布置，设置响应的变量和参数。建立二维计算模型，煤层模拟尺寸长度为16 m，高度为6.6 m，如图2 所示，在模型中部位置设计瓦斯抽采钻孔，在围压设计上，底部边界设定为固定约束，上部、左侧和右侧皆设置边界载荷为8.2 5MPa，设定模型边界。模型渗透边界：四周流量为零。煤层内部原始瓦斯压力设定为0.3 1MPa，抽采钻孔负压在2 0 45kPa之间变化，间隔为5kPa。模拟抽采时间为360d，时间步长设为6 d和10 d。0,=0 x=8.25MPa上、下、左、右：n(,)=0初始条件：P。=0.3 M Pa图2二维计算模型2.1.2模型参数设置在模拟过程中根据司马煤业3 号煤层具体情况确定各物理力学参数，具体见表1。表1模拟各物理力学参数物理力学参数数值瓦斯密度/(kgm3)0.716瓦斯动力粘度/(Pa：s）1.0810-5流体压缩率/Pa-11.394210-5煤体密度/(kgm=3)1470初始孔隙率0.0318泊松比0.33初始渗透率0.90710-15杨氏模量/MPa30002.2抽采钻孔布置模式模拟分析在模拟过程中，模拟如下条件下的钻孔瓦斯抽采有效间距：两种瓦斯抽采钻孔直径，分别为113mm和13 3 mm；抽采负压从2 0 45kPa变化，增长幅度5kPa;有效抽采时间为3 6 0 d。2.2.1单孔模式单孔模式下，瓦斯压力云图如图3 所示，不同802023年第7 期程生产技术炭煤抽采负压下的有效抽采半径变化如图4所示，由图3和图4可以看出，在抽采钻孔布置为单孔条件且钻孔直径不变条件下，瓦斯抽采有效半径随抽采负压的增加而增加，同时随抽采时间的延长而增加，具有很好的线性相关性；同时钻孔直径越大，钻孔瓦斯抽采半径略有增加，增幅约10%。瓦斯压力/x10Pa5.53.113.04.52.53.52.01.52.51.01.50.500.5-0.454681012长度/m图3单孔计算瓦斯压力云图1.0抽采三个月抽采六个月抽采一年0.80.60.40.2015253545抽采负压/kPa(a)113 mm单孔模型1.0抽采三个月一一抽采六个月+抽采一年0.80.60.40.2015253545抽采负压/kPa(b)133mm单孔模型图4“单孔模式”不同抽采负压下的有效抽采半径2.2.2双孔模式在双孔模式下，瓦斯压力云图如图5所示，不同抽采负压下的有效间距如图6 所示。由图5和图6可以看出，在113 mm和13 3 mm时，瓦斯抽采有效半径随抽采负压的增加而增加，113 mm的抽采钻孔有效间距从2.6 0 m增加到2.7 2 m，增长幅度约4.62%，13 3 m m 的抽采钻孔有效间距从2.7 2 m增加到2.8 0 m，增长2.9 4%2.2.3三花孔模式三花孔模型中采用三角形布置钻孔，模拟煤矿正在使用的双排孔抽采布置方式。在该模型中，以单排孔的双孔模型计算为基础，采用单一变量法。“三花孔模式”下，瓦斯压力云图如图7 所示，不同抽采负压下的有效间距如图8 所示。瓦斯压力/10 5Pa63.153.02.5432.01.521.00.5100-0.254681012长度/m图5双孔计算瓦斯压力云图2.802.752.702.652.60+113mm钻孔2.55133mm钻孔2.50202530354045抽采负压/kPa图6“双孔模式”不同抽采负压下的有效间距瓦斯压力/x105Pa3.163.052.543212.01.51.00.500-0.335791113长度/m图7三花孔计算瓦斯压力云图3.002.952.902.85113mm钻孔一13 3 mm钻孔2.80202530354045抽采负压/kPa图8“三花孔模式”不同抽采负压下的有效间距由图7 和图8 可以看出，钻孔有效间距与抽采负压成正线性关系。在三花布置中，钻孔所组成的三角形为等边三角形。113 mm的抽采钻孔有效间距从2.8 4m增加到2.90 m，增长幅度约2.11%，133mm的抽采钻孔有效间距从2.92 m增加到2.98m，增长2.11%，但是相比双孔模式，在孔径812023年第7 期程炭生产技术煤和负压相同的情况下，三花孔布置的有效间距提高9.23%，表明合理的钻孔布置模式对提高钻孔的抽采效果是有效的。2.2.4四花孔模式四花钻孔模型以三花钻孔模型计算为基础，采用单一变量法，参数同单排（双排）模式。“四花孔模式”下，瓦斯压力云图如图9所示，不同抽采负压下的有效间距如图10 所示。瓦斯压力/10 5Pa3.163.052.54322.01.51.00.5100-0.335791113长度/m图9四花孔计算压力云图2.742.72/2.702.682.662.64113mm钻孔2.62133mm钻孔2.60202530354045抽采负压/kPa图10“四花孔模式”不同抽采负压下的有效间距由图9和图10 可以看出，钻孔有效间距跟抽采负压同样呈线性相关性，但是比较相同孔径的钻孔有效间距，其与双孔布置相近似，小于三花孔模式下的有效间距2.2.5五花孔模式五花钻孔模型以三花、四花钻孔模型计算为基础，根据煤层厚度，钻孔采用三层布置，层间钻孔交替布置。五花孔模式”下，瓦斯压力云图如图11所示，不同抽采负压下的有效间距如图12 所示由图11和图12 可以看出，钻孔有效半径随抽采负压的增加而增加，增幅不明显。在进行五花孔模拟时，先通过多次的模拟计算，并结合横向间距值，首先确定了三排钻孔纵向之间的最佳间距值为2.3m，上排钻孔距离煤层顶板1m，下排钻孔距离煤层底板1m。再进行横向间距的模拟计算，最终得出了113 mm钻孔的有效间距为3.2 0 3.2 6 m，133mm钻孔的有效间距为3.3 0 3.42 m。从上述五种布孔模式的模拟结果综合分析，在瓦斯压力/10 MPa3.163.052.54322.01.51.00.51002468101214-0.35长度/m图11五花孔计算压力云图3.53.43.33.23.1+113mm钻孔+133mm钻孔3203040抽采负压/kPa图12“五花孔模式”不同抽采负压下的有效间距同孔径和抽采负压条件下，“三花孔模式”和“五花孔模式”对提高钻孔的抽采效果最有效，实际使用过程中需结合煤层赋存条件、钻孔施工成本及抽采效果综合确定最优抽采钻孔布置模式。2.3钻孔孔径对瓦斯抽采效果的影响为研究钻孔直径大小对裂隙扩展的影响，分别将抽采钻孔直径设置为95mm，113 m m，13 3 m m进行模拟计算，为了分析比较不同钻孔直径对裂隙发育所产生的不同影响，将各个椭圆形的等值线云图的长轴与短轴列于表中（见表2），渗透率模拟云图如图13 所示。表2不同钻孔直径下的影响范围类别属性95mm113 mm133 mm孔隙率7.707.787.86长轴长度/m渗透率7.027.107.18孔隙率5.645.826.02短轴长度/m渗透率4.704.824.94由表2 和图13 可以看出，随着钻孔直径的增加，抽采影响范围也会小幅增加，表明随着抽采钻孔直径的增加，裂隙发育有缓慢增加的趋势3工程应用司马煤业12 0 7 回采工作面目前回采长度为1.092km，工作面切眼长度2 2 0 m。采用综采放顶煤开采，全部跨落法管理顶板，工作面计划产量为8637d。工作面采用“U型+高抽巷”通风方式。822023年第7 期程炭煤生产技术渗透率/x10-151.0050.9940.9730.950.932-0.911=0.894681012长度/m(a)直径95mm渗透率/x10-151.005.50.994.50.973.50.952.50.931.50.910.50.8935791113长度/m(b)直径113 mm渗透率/10-155.51.000.994.50.973.50.952.50.931.50.910.5三10.8935791113长度/m(c)直径13 3 mm图13钻孔直径对裂隙扩展影响的渗透率等值线1207工作面回采期间，工作面瓦斯涌出量将越来越大，上隅角瓦斯超限将日趋严重，直接影响着矿井安全生产。未进行预抽时，相对瓦斯涌出量为6.31m/t，绝对瓦斯涌出量为3 7.8 5m/min。3.1瓦斯抽采钻孔布置优化方案根据12 0 7 工作面的采掘接替计划，结合回采巷道的掘进和工作面回采时的推进速度，以及瓦斯抽采有效系数，将其回采巷道抽采分为三段。根据1207工作面原始瓦斯含量6.42 0 5m/t，当抽采率达到3 0%时，工作面需要抽采时间大致分别为：110 d（首段）、2 10 d（中段）和3 10 d（末段），具体划分如图14所示。采空区段(110 d)(210d)(310 d)图141207工作面回采巷道抽采划分1）风巷首段采用五花布置：横向钻孔间距为1.15m；纵向方面，上排钻孔距离底板5.55m，中排钻孔距离底板3.3 5m，底排钻孔距离底板1.15m。2）风巷中段采用五花布置：横向钻孔间距为2.45m；纵向方面，上排钻孔距离底板5.55m，中排钻孔距离底板3.3 0 m，底排钻孔距离底板1.0 5m。3）风巷末段采用三花布置：横向钻孔间距为2.00m；纵向方面，上排钻孔距离底板4.3 m，底排钻孔距离底板2.3 m。具体钻孔布置模式如图15所示。号煤层12 0 7 工作面31.15m钻孔煤层三(a）首段五花孔布置钻孔2.45m煤层1555三(b)中段五花孔布置3号煤层12 0 7 工作面12.0mm钻孔U99煤层(c)末段三花孔布置图151207工作面三段钻孔布置根据模拟计算结果分析，在首段和中段采用抽采效率高的五花布置模式，末段采用三花布置模式，煤层原始瓦斯压力和瓦斯含量可以在相应的110 d（首段）、2 10 d（中段）和3 10 d（末段）内降到达标值（瓦斯压力降低3 0%）。钻孔纵横向有效钻孔布置间距见表3。抽采负压为3 5kPa、钻孔直径为133mm、钻孔平均长度为16 1m。表3钻孔纵横向有效钻孔布置间距巷道分段抽采时间/d横向有效钻孔间距值/m纵向间排距/m抽采首段1101.152.20抽采中段2102.452.25抽采末段3102.002.003.2钻孔布置优化抽采效果分析1207工作面回采巷道抽采钻孔合理均匀地分布覆盖煤层，抽采后风巷末段巷道实测瓦斯参数见表4。风巷中段、末段的残余瓦斯含量下降大约为原始83张宝优）（责任编辑瓦其2023年第7 期程炭煤生产技术所含量的1/3；可解吸瓦斯含量和煤层瓦斯压力下降约50%表4风巷末段抽采前后实测瓦斯参数原始瓦斯含量残余瓦斯含量抽采率原始可解吸瓦斯含量可解吸瓦斯含量降低率类别/(m.tl)/(m.t)/%/(m3.t)/(m3.t)/%优化前6.42055.491614.464.29892.798634.89优化后6.42054.453230.644.29892.196448.90从表4可以看出，在采用新的抽采钻孔布置模式后，在规定的时间内风巷末段瓦斯抽采率为30.64%，达到达标值，可解吸瓦斯量降低14.0 1%，满足12 0 7 工作面采掘接替的时间要求。4结论1）高瓦斯厚煤层本煤层预抽钻孔应优先选用“三花孔”和“五花孔”布置模式，钻孔直径、钻孔抽采负压是影响瓦斯抽采效果的主要因素，实际钻孔布置模式应结合现场实际综合分析确定。2）瓦斯抽采钻孔布置优化方案在司马煤业1207工作面得到成功应用，有效缩短抽采时间，提高瓦斯抽采效率，有效保障工作面在抽采一年时对整层煤达到有效抽采参考文献：1高永格，靳志新，孟晓强，等钻孔孔径及布置方式对煤巷卸压效果的影响J煤炭技术，2 0 17，36(1）：138-140.2李飞，薛彦平，赵凯凯，等。煤层大直径钻孔瓦斯治理技术研究与应用J煤炭工程，2 0 2 1，53（3）：8 4-8 8.3宋晋云有效提高煤矿瓦斯抽采效果途径的分析与探讨J当代化工研究，2 0 2 2，10 8（7：13-15.4焦振营.顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果分析J.能源与环保，2 0 19，41(11)：40-42，46.5王一琦，杨雷，范超军高瓦斯厚煤层顺层钻孔有效抽采区及参数优化研究J煤矿安全，2 0 2 2，53(10)：2 12-2 2 1.6林海飞，季鹏飞，孔祥国，等顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践J煤炭学报，2 0 2 2，47(3）：12 2 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