【摘 要】
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瓦斯作为煤炭的伴生资源,在煤层开采过程中涌出严重威胁煤矿安全生产。现阶段,瓦斯抽采仍是煤矿瓦斯治理最有效的技术手段。与此同时,我国煤层瓦斯赋存具有“三高一低”的特点,导致开采过程中大量存在“采前难抽,采中瓦斯涌出大”的现象,因此,采动卸压瓦斯的高效抽采也一直是瓦斯灾害防治的重点。近年来,随着井下钻进技术的高速发展,采用大直径定向长钻孔替代传统高抽巷进行卸压瓦斯抽采已经成为提高采空区瓦斯抽采效率、降
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瓦斯作为煤炭的伴生资源,在煤层开采过程中涌出严重威胁煤矿安全生产。现阶段,瓦斯抽采仍是煤矿瓦斯治理最有效的技术手段。与此同时,我国煤层瓦斯赋存具有“三高一低”的特点,导致开采过程中大量存在“采前难抽,采中瓦斯涌出大”的现象,因此,采动卸压瓦斯的高效抽采也一直是瓦斯灾害防治的重点。近年来,随着井下钻进技术的高速发展,采用大直径定向长钻孔替代传统高抽巷进行卸压瓦斯抽采已经成为提高采空区瓦斯抽采效率、降低治理成本的有效途径之一,但在实际工程应用中仍存在“层位选择不合理”、“抽采效率低下”等问题。因此,本文结合吉宁矿2102大采高工作面实际开展大直径长钻孔抽采技术研究。通过对瓦斯浓度进行实测,结合工作面大采高综采回采方式和煤层瓦斯赋存条件,分析了工作面瓦斯涌出特征,确定了各瓦斯涌出源分布和涌出比例;采用3DEC数值模拟方法研究了采空区覆岩裂隙演化规律及分布特征;根据流体力学基本理论,构建了采空区瓦斯运移三维解算模型,并采用Fluent软件分析了采空区瓦斯运移规律;针对高位大直径定向长钻孔抽采技术特点,分析了不同抽采流量下单一高位钻孔布置层位对抽采效率和瓦斯治理效果的影响;在此基础上分析了同一垂高不同内错距离钻孔对最佳钻孔抽采效果的影响,并验证了双钻孔组合同时抽采时,抽采效果优于单钻孔抽采;分析了大直径钻孔组合替代高抽巷抽采的可行性。制定了2102工作面高、低位大直径长钻孔瓦斯抽采方案,在现场开展工程实践并对抽采效果进行了分析。研究结果显示,吉宁矿2102工作面采空区瓦斯涌出量为9.6m~3/min,约占工作面绝对瓦斯涌出量的53.57%;沿工作面倾向采空区覆岩垮落呈拱形,冒落带和裂隙带高度分别为12.17m和55.71m,在此高度范围内的覆岩演化宽度为8.84m～66.7m;Fluent模拟结果显示瓦斯主要在采空区上部裂隙带内大量积聚,并从回风侧涌出造成上隅角瓦斯超限（9.36%）;随着抽采纯量增加,各层位高位钻孔瓦斯抽采浓度和上隅角瓦斯浓度呈指数降低,同时高位钻孔的最佳布置层位垂直高度和内错距离逐渐减小;单一大直径高位钻孔抽采时,最佳钻孔为内错距离26m、垂直高度44m的钻孔z3-3,并在抽采流量增加至22.05m~3/min时达到高浓度瓦斯抽采浓度下限30%。布置大直径钻孔组合抽采时,同一垂高内错距离为10m钻孔z3-1对z3-3抽采浓度影响最小且z3-1、z3-3组合抽采优于z3-3单独抽采;当抽采流量从15m~3/min增至35m~3/min时,z3-1、z3-3组合抽采和z3-3单独抽采的瓦斯抽采纯量差值从0.79%增至1.41%,上隅角瓦斯浓度较z3-3单独抽采时低0.078%～0.117%;大直径钻孔组合瓦斯抽采纯量高于高抽巷抽采,随着抽采流量的增加,瓦斯抽采纯量差值从15m~3/min时的14.9%降低到35m~3/min时的14.5%,大直径钻孔组合的上隅角瓦斯浓度逐渐低于高抽巷并在抽采流量35m~3/min达到最小值1.196%。结合矿井原有的低位大直径钻孔,制定了针对2102工作面采空区的高、低位大直径钻孔抽采方案,工程实践表明:高位钻孔抽采总瓦斯纯量为6.184m~3/min（z3-1、z3-3平均浓度为30.37%、31.21%）,低位钻孔抽采瓦斯纯量为0.594m~3/min（平均浓度1.98%）,采空区瓦斯抽采率为70.6%,上隅角瓦斯浓度被控制在0.5%以下。本文研究证明了高、低位大直径定向长钻孔瓦斯抽采技术在采空区瓦斯治理中的可行性,对相似条件工作面瓦斯高效治理具有一定的借鉴意义。该论文有图54幅,表11个,参考文献72篇。
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