基于COMSOL的顶板定向长钻孔布置参数研究_姜周民.pdf

：收稿日期：作者简介：姜周民（），男，河北定州人，工程硕士，高级工程师，研究方向为煤矿安全，：。引用格式：姜周民 基于 的顶板定向长钻孔布置参数研究 煤炭工程，（）：基于 的顶板定向长钻孔布置参数研究姜周民（冀中能源股份有限公司东庞矿，河北 邢台）摘 要：为了研究顶板定向长钻孔的布孔参数，以东庞矿 工作面为工程背景，通过利用 数值模拟软件，建立了 种不同布置方式下顶板长钻孔的瓦斯抽采模型，根据模拟结果确定了“法向间距、水平间距”的钻孔布置方式。根据 工作面裂隙带高度设计了钻孔的布置参数，同时利用钻孔水平位置理论确定公式验证了布孔参数的可行性。现场应用结果表明，工作面回采过程中顶板定向长钻孔抽采存在稳定阶段和衰减阶段，在衰减阶段钻孔抽采效果降低、上隅角瓦斯浓度提高，分析其原因是由于钻孔高度降低，钻孔完整性遭到破坏导致的。从整体来看，在回采期间上隅角瓦斯浓度为 ，处于较低水平，说明顶板定向钻孔抽采效果较好，采用该布置方式有效解决了上隅角瓦斯浓度超限的问题。关键词：定向长钻孔；钻孔布置方式；钻孔布置参数；上隅角；抽采效果 中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，“”，：；回采工作面上隅角瓦斯浓度超限与采空区瓦斯涌出密切相关，是矿井生产过程中常见的问题之一。传统的上隅角瓦斯治理主要采用采空区埋管、高抽巷、高位钻孔等技术，但是单独采用采空区埋管、高位钻孔技术不能很好解决瓦斯超限问题；采用高抽巷技术需要在顶板掘出一条巷道，具有工程量大、经济成本高等问题。近年来，随着定向钻进技术的发展，采用顶板定向长钻孔替代高抽巷抽采采空区瓦斯技术逐渐在煤矿得到应用，并且针对该技术我国学者进行了大量研究，取得了一定的成果，但是也存在一些问题。李彦明等对定向长钻孔抽采上隅角瓦斯技术进行了分析，并根据煤层顶板的冒落带、裂隙带高度计算公式和现场实际情况确定了钻孔布置层位范围。第卷第期 煤 炭 工 程 ，魏宏超等成功将顶板定向长钻孔技术应用到现场，并阐明了钻孔的布置高度即钻孔应布置在裂隙带范围内。王勇，郝世俊，霍小泉等采用数值模拟的方法研究了采空区裂隙随工作面推进的演化规律，分析了顶板裂隙带发育高度，确定了顶板定向长钻孔的最佳布置层位。此部分研究只对顶板定向长钻孔的布置层位进行了研究，未说明钻孔布置的水平位置及钻孔的间距问题。王海东、贾晓亮等采用数值模拟方法研究了工作面开采时上覆岩层裂隙演化规律，确定了顶板裂隙带高度，并根据“”型圈理论确定了钻孔距回风巷的最远水平距离。张育磊等采用理论计算方法研究了顶板定向钻孔的布置层位，并根据顶板岩层卸压角及重新压实区范围推导出了钻孔水平布置范围计算公式。此部分研究同时考虑了钻孔布置的层位和水平范围，但是未说明钻孔布置间距的确定方法。综上所述，对于顶板定向长钻孔的研究只是确定了钻孔布置的层位和水平范围，即垂直方向上应布置在顶板裂隙带范围，水平方向上应布置在卸压范围内，钻孔间距的具体确定仍然依据经验。本文在前人研究的基础上，以东庞矿 工作面为研究对象，利用 数值模拟软件对不同钻孔布置方式下的抽采效果进行了研究，确定了合理的钻孔布置参数，并在现场进行了工业性试验，取得了良好的抽采效果。工程概况东庞矿 工作面主采 号煤层，设计倾斜平均长度 ，走向平均长度 。工作面内 号煤层沉积较稳定，结构复杂，由一层夹矸分为上下两层煤，上层煤平均厚度 ，下层煤平均厚度 ，总厚 ，平均 ，煤层平均倾角为。工作面老顶为细砂岩，厚 ；直接顶为粉砂岩，厚 ；直接底为细砂岩，厚 ；老底为粉砂岩，厚 。结 合 相 邻、工作面掘进期间瓦斯情况，工作面瓦斯含量约为 ，预计回采期间最大瓦斯涌出量为 ，瓦斯涌出量大，极易在上隅角积聚瓦斯。工作面岩层柱状图如图 所示。顶板定向长钻孔数值计算模型的建立 采空区及工作面气体流动控制方程 方程可用于描述饱和多孔介质快速流图 工作面岩层柱状图动，能够更为完整地表达瓦斯气体在裂隙带中的运移过程，因此使用 方程描述瓦斯在裂隙带中的运移：（）（）（）式中，为速度矢量，；为压力，；为粘性系数，（）；为流体密度，；为自定义外部体积力，；为孔隙率；为渗透率。方程适用于描述管道中的流体流动，管道内湍流或微风流均可通过此方程进行数值解算。工作面及巷道可简化视为管道，因此采用 方程作为工作面、巷道中空气流动控制方程，：（）（）（）式中，为温度，。瓦斯随流场进行运移的同时，在速度场和压力场控制下进行扩散，不断解吸并汇入风流，使流场中各方位的瓦斯浓度产生差异，进而引起流场中混合气体各组分含量、混合气体密度等性质差异。在扩散运动未达到稳态前，瓦斯解吸浓度随时间和位置的变化关系服从 定律，表达式为，：（）式中，为瓦斯浓度，；为极坐标半径；为扩散系数；为时间，。研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期 数值模型及模拟方案确定 数值模型确定为了方便建模与计算，依据工程概况及相关研究对模型作出如下假设，：将工作面煤层简化为水平煤层；将工作面简化为长方体，工作面高度简化为；忽略弯曲下沉带内的瓦斯流动；顶板覆岩卸压角取。根据上述假设，模型高度需要根据顶板裂隙带高度确定。东庞矿 工作面顶板主要为粉砂岩，顶板岩性为中硬。对于中硬顶板，垮落带 和裂隙带高度 可用下式计算，：（）（）式中，为累计采厚，。工作面采厚为 ，根据公式计算可得垮落带高度为、裂隙带高度为，因此将模型高度简化为，建立数值模型，如图 所示。进回风巷断面尺寸为 ，工作面尺寸为 ，采空区尺寸为 。图 数值模型 模拟方案确定为了确定合理的顶板定向长钻孔布置参数（终孔间距），共模拟 种不同的方案，分别为：无抽采；钻孔法向间距 、水平间距 ；钻孔法向间距、水平间距；钻孔法向间距 、水平间距 ；钻孔法向间距 、水平间距 。各方案除钻孔布置方式不同外，其他均相同，为了简化模型，顶板定向钻孔的个数设置为 个，钻孔直径为。钻孔层位应布置在裂隙带范围内，根据计算结果，裂隙带高度范围为 ，因此模型中首个钻孔高度定为距煤层顶板 ，距回风巷煤壁 。各模拟方案钻孔布置参数如图 所示。图 各模拟方案钻孔布置（）顶板定向长钻孔数值模拟结果分析 无抽采条件下瓦斯浓度及流场分布规律无抽采条件下，采空区瓦斯浓度及流场分布规律如图 所示。从图（）可以看出，从工作面到采空区深部逐渐升高、从进风巷到回风巷逐渐升高；从图（）可以看出，采空区瓦斯主要向回风巷及回风巷附近的工作面流动。上隅角区域的瓦斯浓度处于较高水平，这是由于采空区遗煤解吸出来的瓦斯在漏风风流作用下从采空区带出，从而导致上隅角瓦斯浓度较高。不同钻孔布置方案瓦斯浓度及流场分布规律不同抽采条件下采空区瓦斯浓度分布如图 所示。从图 中可以看出，以上 种钻孔布置方案均能降低上隅角瓦斯浓度。其中方案、与方案、相比，上隅角区域瓦斯浓度降低范围明显减小，分析是由于顶板定向钻孔间距增加，导致钻孔有效抽采范围不能叠加，进而导致上隅角瓦斯浓度降低范围不如方案 与方案。方案 与方案 相比，上隅角瓦斯浓度降低范围相差不大，方案 略大于方案 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 图 无抽采条件下瓦斯浓度分布和瓦斯流动方向，但是方案 钻孔水平间距更大，当施工钻孔数量较多时，能够减少钻孔施工工程量。因此，从上隅角瓦斯浓度降低范围和钻孔施工工程量来分析，选择方案 效果较好。图 不同布置方案采空区瓦斯浓度分布不同抽采条件下采空区瓦斯流场分布规律如图 所示。从图 中可以看出，与无抽采条件下相比，瓦斯流动方向从采空区到回风巷转变为从采空区到顶板定向钻孔和回风巷，表明顶板定向长钻孔能够拦截采空区瓦斯流向回风巷，起到改变采空区瓦斯流场的作用。同时还可以看出，方案、与方案、相比，采空区瓦斯流向回风巷附近的较多，分析是由于钻孔间距增加导致钻孔之间出现控制缺失区域。方案 与方案 相比，采空区瓦斯流向顶板定向钻孔增多，表明方案 拦截瓦斯效果更好，分析是由于钻孔间距在水平方向的增加导致钻孔控制范围增加。因此，从拦截采空区瓦斯，改变采空区瓦斯流场的效果分析，应该选择方案 作为钻孔的布置方案。图 不同布置方案采空区瓦斯流场分布综合上述分析，确定 工作面顶板定向钻孔采用“法向间距、水平间距”的布置方式，能够在保证抽采效果的同时扩大钻孔间距，减少钻孔施工工程量。现场工业性试验 钻孔布置参数根据上述数值模拟分析结果，在 工作面施工顶板定向钻孔时，终孔间距采用“法向间距、水平间距”的布置方式。工作面共施工 组顶板定向钻孔，钻孔布置如图 所示，以第 组钻孔为例，根据裂隙带高度范围 ，为了保障抽采效果，共设计了 个钻孔，钻孔布置参数见表，钻孔终孔间距及开口布置间距如图 所示，钻孔在钻场共布置两排，钻孔间距为 ，排间距为 。图 工作面顶板定向钻孔布置现有钻孔水平布置范围理论公式主要有以下两种：（）（）（）（）研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期 式中，为钻孔距回风巷煤壁的水平距离，；为钻孔高度，；为工作面长度，；为顶板覆岩卸压角，（）；为煤层倾角，（）；为钻孔距“”型圈外边界的距离，一般为 。表 钻场钻孔施工参数孔号开孔方位（）开孔倾角（）单孔孔深 终孔法距 终孔平距 图 钻孔终孔位置和开口布置（）钻场钻孔终孔最小高度为 ，最大高度为，代入上述公式可得钻孔距回风巷煤壁的最小水平距离分别为：、，最大水平距离分别为：、。现场设计钻孔距回风巷煤壁的最小水平距离为，最大水平距离为，可见无论采用那种计算方式，设计钻孔均处于裂隙带卸压范围内，说明了钻孔设计的可靠性。抽采效果分析在工作面回采期间，钻场距工作面不同距离时的抽采纯量如图 所示。从图 中可以看出，钻场钻孔在抽采过程中可以分为两个阶段：稳定阶段和衰减阶段。在稳定阶段瓦斯抽采纯量虽然有所波动，但基本处在 的水平，只有少数会小于 ；在钻场距工作面 时瓦斯抽采纯量开始出现明显的下降，即衰减阶段，且距工作面小于 后瓦斯抽采纯量处于较低水平，分析是由于钻孔高度降低，钻孔完整性遭到破坏导致的。图 钻场距工作面不同距离抽采纯量回采期间上隅角瓦斯浓度如图 所示。从图 中可以看出，上隅角瓦斯浓度的变化可以和钻孔抽采过程的两个阶段对应，在稳定阶段瓦斯浓度处在 左右；在衰减阶段，上隅角瓦斯浓度会有所提高。从整体来看，在回采期间上隅角瓦斯浓度处于较低水平，说明顶板定向钻孔抽采效果较好。图 上隅角瓦斯监测浓度曲线 结 论）通过总结论述现有对于顶板定向长钻孔的研究发现，顶板定向长钻孔布孔参数只是确定钻孔布置的层位和水平范围，即垂直方向上应布置在顶板裂隙带范围，水平方向上应布置在卸压范围内，钻孔间距的具体确定仍然依据经验。）采用 数值模拟软件建立了 种不同布置方式下顶板长钻孔的瓦斯抽采模型，通过对模拟结果进行分析，确定了“法向间距、水平间距”的钻孔布置方式。）依距 工作面顶板裂隙带范围，设计了 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 顶板定向长钻孔布孔参数，并利用顶板定向长钻孔水平位置确定范围理论公式对设计布孔参数进行了验证。）现场应用结果表明，回采过程中顶板定向钻孔抽采纯量存在稳定阶段和下降阶段，在下降阶段上隅角瓦斯浓度会有所提高。从整体来看，在回采期间上隅角瓦斯浓度处于 ，说明顶板定向钻孔抽采效果较好。参考文献：张利军，王志豪 远高位裂隙带长距离钻孔在高瓦斯矿井中的应用 煤炭工程，（）：张海权，王惠风，王向东 大直径高位钻孔代替高抽巷抽采瓦斯的研究 煤炭科学技术，（）：蔡文鹏，刘 健，孙东生，等 顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术的研究及应用 中国安全生产科学技术，（）：李 宏，马金魁 大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析 煤炭科学技术，（）：李彦明 基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究 煤炭科学技术，（）：魏宏超，杨慧林，王洪涛，等 大直径顶板定向钻孔在亭南煤矿上隅角瓦斯治理中的应用 煤炭工程，（）：王 勇，马金魁 顶板定向长钻孔“以孔代巷”抽采瓦斯技术研究 矿业安全与环保，（）：郝世俊，段会军，莫海涛，等 大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及实践 煤田地质与勘探，（）：霍小泉，袁增云，彭 勇 缓倾斜高瓦斯煤层工作面高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究 煤炭技术，（）：王海东 综采工作面顶板大直径走向长钻孔瓦斯抽采技术