高瓦斯矿井瓦斯抽采钻孔定向钻进技术研究

瓦斯突出是煤矿面临最严重的安全问题之一，随着我国矿井开采深部逐渐加深，发生突出的矿井和煤层越来越多，同时我国煤矿复杂的地质环境和开采条件也是导致瓦斯事故多发的重要因素。因此，为了保证矿井的安全生产，减少瓦斯事故的发生，必须对瓦斯进行防治。我国矿井常用顶板高位钻孔防治瓦斯突出，虽然取得了一定的效果，但是该技术也存在岩巷施工周期长、成本高等缺点。现在部门矿井已经开始采用定向钻进技术来防治瓦斯，由于该技术采用长距离钻进的方式，施工周期短，并且抽放效果好，已经开始在很多矿井得到了广泛推广，已逐步成为矿井防治瓦斯的主要技术手段。
　　 1 工作面概况
　　 2-104回采工作面位于一采区采区巷道前进方向右翼，北部为矿井三条大巷，南部为设计的2-105 工作面。工作位位于+330水平，工作面标高+285～+305，埋深+353～+485m。主采煤层为2#煤层，一般厚约5.2m，局部煤层厚度有变化，含0-2层夹矸，夹矸厚度约0.1m，对煤质影响不大。工作面走向长度639m，倾向长度180m。工作面回采期间工作面绝对瓦斯涌出量约5.094m3/t，属于高瓦斯矿井。因此，需要对工作面瓦斯进行预先抽采，避免瓦斯在裂隙、采空区等处积聚，减小由于瓦斯导致的安全事故，保障工作面的安全回采。
　　 2 定向钻孔抽采原理
　　随着工作面的回采，上覆岩层会发生运动，受垂直应力的影响岩层将出现断裂移动的现象，形成许多断裂裂隙和离层裂隙，这些裂隙会导致瓦斯在煤层瓦斯流动，也会为瓦斯积聚提供空间。工作面回采后顶板岩层会在采空区垮落，采空区四周覆岩下部存在裂隙发育区，也成为“O型圈”，而瓦斯主要在这部分进行积聚，因此，防止工作面瓦斯超限应当在该区域进行定向钻孔瓦斯抽采。
　　工作面回采上覆岩层初次垮落后，煤层中赋存的解析后开始向采空区方向流动，容易形成瓦斯积聚区。采用顶板定向钻孔技术对积聚的瓦斯进行预先抽采，切断瓦斯流动的通道，避免工作面瓦斯超限，保证工作面的安全回采。
　　 3定向钻孔数值模拟
　　 3.1 模拟方案
　　在工作面顶板进行定向钻孔抽放瓦斯，利用上覆岩层裂隙作为瓦斯排放通道来抽采采空区积聚的瓦斯。为了研究2-104工作面采用高位钻孔瓦斯抽采最优的参数，采用FLUENT模拟软件对不同钻孔角度瓦斯抽采量进行数值模拟。
　　 3.2 模拟结果分析
　　根据工作面的实际地质条件，采用FLUENT模拟软件对不同钻孔仰角和钻孔夹角进行数值模拟，得到不同角度瓦斯抽采情况，如表1所示。
　　由表1可知，当钻孔仰角一定时，随着倾角的增大，钻孔抽放瓦斯量呈减小的趋势。主要原因是由于布置在工作面顶板的钻孔，随着上覆岩层垂直方向越远离采空区发育裂隙越少，积聚的瓦斯量少，从而导致钻孔抽采的瓦斯量少。当钻孔倾角一定时，随着仰角的增大，钻孔抽放瓦斯混合流量呈减小的趋势，而纯流量呈现先减小后增加的趋势，但增加幅度小。钻孔布置位置沿垂直方向越靠上，当其超过工作面裂隙带范围时，钻孔抽放的气体总量越少，但是由于瓦斯的密度小，瓦斯较空气来说会积聚在靠上的位置，因此，会出现钻孔抽放瓦斯纯流量呈现先减少后增大的趋势。根据模拟数据结果可知，定向钻孔仰角采用20°时，抽采效果最优，能够保证抽采纯流量超过平均55%以上。
　　4 钻孔布置参数
　　4.1 钻孔设计
　　 2-104回采工作面采用顶板定向钻孔的方式抽采工作面积聚的瓦斯，根据工作面的地质条件，在工作面回风巷共布置两个钻场，每个钻场布置4个定向钻孔，每个钻孔布置具体参数如表2所示。
　　4.2 施工情况
　　采用ZYWL-6000DS千米定向钻机对2-104工作面回风巷进行顶板高位定向钻孔施工，根据设计的钻孔参数共布置钻孔8个。由于开孔孔径为155mm，因此，采用“导向孔+分级扩孔”的施工方案。首先使用孔径为96的导向孔进行定向钻孔，然后在采用孔径155的钻头进行扩孔，将孔径扩充为155mm，从而实现大直径顶板定向钻孔的目的。
　　5 定向钻孔抽采效果分析
　　 2-104回采工作面布置8个定向钻孔后，对抽采效果进行分析，得到工作面不同推进距离定向钻孔瓦斯存抽采量，得到抽采情况如表3所示。
　　由表3可知，在2-104回采工作面布置2个钻场、8个定向钻场后，布置位置为煤层顶板往上、煤柱侧向内不同距离，得到每个定向钻孔的瓦斯抽采浓度、混合流量和纯流量。根据表中数据可以看出，工作面采用定向钻孔进行瓦斯抽采，瓦斯抽采浓度最高达到了5.29%，抽采混合流量最高为22.26m3/min，抽采瓦斯纯流量为0.50m3/min。通过定向钻孔抽采，大大降低了工作面瓦斯含量，减少了工作面顶板裂隙内的瓦斯解析量，避免瓦斯积聚而发生安全事故。由表可知，定向钻孔抽采瓦斯具有良好的降低瓦斯含量的效果。
　　 6 结论
　　 12-104回采工作面为研究对象，对工作面瓦斯定向钻孔抽采原理进行分析，得到“O型圈”区域为瓦斯主要积聚区，因此，需要采用顶板定向钻孔技术对瓦斯进行预先抽采，切断瓦斯流动的通道，避免工作面瓦斯超限;
　　 2采用FLUENT模拟软件对不同钻孔角度瓦斯抽采量进行数值模拟，通过瓦斯抽采浓度、抽采混合流量、抽采瓦斯纯流量判定当钻孔仰角为20°时，抽采效果最优;
　　 3在工作面2-104共布置8个定向钻孔，对钻孔参数进行设计，并对不同钻孔抽采效果进行分析，得到定向钻孔抽采瓦斯具有良好的降低瓦斯含量的效果。