類保護(hù)層抽采瓦斯機(jī)理及模式研究?

劉 曉馬 耕藺海曉

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454003; 2.河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司,河南省鄭州市,450046; 3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南省焦作市,454003)

類保護(hù)層抽采瓦斯機(jī)理及模式研究?

劉 曉1,3馬 耕1,2藺海曉1,3

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454003; 2.河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司,河南省鄭州市,450046; 3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南省焦作市,454003)

針對當(dāng)前我國軟煤層存在著鉆進(jìn)難、護(hù)孔難、增透難等問題,提出了在煤層頂/底板施工抽采鉆孔的類保護(hù)層抽采瓦斯方法。通過巖體加載試驗(yàn),研究了巖石的應(yīng)力—滲透率—時(shí)間之間的定性關(guān)系,分析了巖石的破裂壓力;探討了軟、硬煤層在類保護(hù)層開采模式下瓦斯的運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)理;構(gòu)建了類保護(hù)層鉆孔采前、采中、采后抽采模式。通過在鶴壁中泰礦業(yè)公司進(jìn)行類保護(hù)層單孔抽采試驗(yàn)并使用CYT技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化范圍探測,結(jié)果表明,類保護(hù)層抽采鉆孔單孔強(qiáng)化范圍可達(dá)1601 m2,在抽采計(jì)量的近5個(gè)月內(nèi),單孔抽采純量平均328 m3/d,最大661 m3/d。

類保護(hù)層 瓦斯抽采模式 破裂壓力 瓦斯運(yùn)移 滲透率

我國含煤巖系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)多樣、透氣性差,嚴(yán)重制約煤礦瓦斯的高效抽采。為突破低滲煤層的開采瓶頸,地面采用變排量、變粘度、變支撐劑類型和支撐劑粒徑等強(qiáng)化壓裂工藝,但除沁水盆地的原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤取得一定效果外,其余收效甚微。煤礦井下采用密集鉆孔、水力沖孔、水力割縫、水力擠出和深孔爆破、水力壓裂等技術(shù),抽采率也遠(yuǎn)低于美國、澳大利亞等主要產(chǎn)煤國。馮增朝研究認(rèn)為:煤層透氣性與瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯抽采量呈正相關(guān)關(guān)系,只有煤層卸壓,增加透氣性才能提高抽采率。保護(hù)層開采作為一項(xiàng)煤層增透的有效技術(shù)在煤層群開采中得到了推廣應(yīng)用。但單一低滲煤層無保護(hù)層開采不僅煤層透氣性低,而且以煤層瓦斯含量大、煤質(zhì)松軟、突出嚴(yán)重為主要特征,鉆孔施工過程中常發(fā)生噴孔、垮孔、卡鉆、抱鉆等現(xiàn)象,存在孔長難達(dá)標(biāo)、抽采壽命短、施工成本高、不易維護(hù)等問題。本文提出了類保護(hù)層瓦斯抽采模式,并從煤巖體受力加載試驗(yàn)、瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)理等方面闡明其可行性,構(gòu)建了類保護(hù)層鉆孔采前、采中、采后抽采模式,以期為提高鉆孔抽采效率提供借鑒。

1 類保護(hù)層抽采瓦斯機(jī)理

1.1 類保護(hù)層概述

類保護(hù)層瓦斯抽采模式主要是鄰近煤層的頂?shù)装鍘r層通過人工改造形成裂隙網(wǎng)絡(luò)與煤層溝通,轉(zhuǎn)化為瓦斯的高滲儲層,使煤層中賦存的瓦斯在降壓解吸后通過裂縫網(wǎng)絡(luò)快速運(yùn)移到類保護(hù)層中,再通過類保護(hù)層內(nèi)的鉆孔抽出。

類保護(hù)層的形成是在距離煤層一定距離(≤5 m)的頂板或底板中施工措施鉆孔,采用水力壓裂、松動爆破等技術(shù)對鉆孔進(jìn)行強(qiáng)化,使其滲透率提高,溝通煤層,并在一定范圍內(nèi)形成裂隙縫網(wǎng),之后在強(qiáng)化影響區(qū)域內(nèi)施工抽采鉆孔,使煤層瓦斯能夠通過類保護(hù)層快速運(yùn)移產(chǎn)出到鉆孔中,提高了抽采效率。類保護(hù)層解決了煤層抽采鉆孔煤層鉆進(jìn)難、維護(hù)難等問題,縮短了煤層瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出的距離,延長了有效抽采時(shí)間,可服務(wù)于煤層掘進(jìn)、采前、采中、采后各階段,提高了鉆孔抽采效率,節(jié)約了開采成本。

1.2 巖體加載試驗(yàn)

我國煤層直接頂(底)多以砂、泥巖為主,且層厚不一。類保護(hù)層瓦斯抽采模式的關(guān)鍵在于層位的選取及類保護(hù)層在受力作用后其滲透率的變化情況,只有在受力后類保護(hù)層的滲透率提高,才能較好地溝通煤層,起到瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出高速通道的作用。本文使用RMT－l50B巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī),并結(jié)合自行設(shè)計(jì)的瓦斯?jié)B流裝置進(jìn)行研究,采集中砂巖做加卸載試驗(yàn)。軸壓－滲透率－時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 中砂巖壓縮壓力－滲透率－時(shí)間曲線

由圖1可知,當(dāng)砂巖結(jié)構(gòu)比較完整時(shí),在彈性階段,隨著壓力的升高,砂巖孔裂隙度減小,滲透率低(I區(qū));隨著軸壓增加,砂巖發(fā)生塑性變形,其內(nèi)部損傷發(fā)展演化,產(chǎn)生破裂,形成裂縫,滲透率迅速增大(Ⅱ區(qū)),但其最大值滯后于應(yīng)力最大峰值;持續(xù)壓縮,巖體逐漸被壓實(shí),巖體進(jìn)一步破碎、?；?發(fā)生裂隙閉合、孔裂隙度減小,滲透率迅速降低(Ⅲ區(qū))。此時(shí),進(jìn)行卸載實(shí)驗(yàn),隨著壓力減小,巖體內(nèi)部由于卸壓,同時(shí)孔裂隙度增加,滲透率逐漸增大(Ⅳ區(qū)),利于瓦斯解吸,當(dāng)壓力小于某一值時(shí),滲透率增大迅速(Ⅴ區(qū));如再次加載,隨著壓力增大,滲透率又迅速減小(Ⅵ區(qū)),趨于較小穩(wěn)定值。

煤層頂板受上覆巖層重力、構(gòu)造應(yīng)力等作用,在未開采前其所受應(yīng)力及滲透率均保持穩(wěn)定值。當(dāng)受應(yīng)力破壞,滲透率發(fā)生變化并較為敏感。由此,可以通過對巖層進(jìn)行人工改造使巖層滲透率發(fā)生變化。由試驗(yàn)可得,在壓力小于80 MPa時(shí),巖層滲透率對應(yīng)力并不敏感,但在實(shí)際生產(chǎn)中,由于裂縫等弱面發(fā)育,巖石抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度降低,為類保護(hù)層的改造提供了一定便利,發(fā)生塑性變形后,則應(yīng)控制壓力,以免巖層滲透率敏感閉合。

相關(guān)文獻(xiàn)運(yùn)用彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論建立煤巖體破裂模型如下:

式中:P——破裂壓力,MPa;

σ1——最大水平主應(yīng)力,MPa;

σ3——最小水平主應(yīng)力,MPa;

θ——目標(biāo)方向角,(°);

Rt——煤巖體抗拉強(qiáng)度,MPa。

學(xué)者對式(1)中水平主應(yīng)力進(jìn)行了較為廣泛的研究。E.T.Brown和E.Hoek對全球范圍內(nèi)地應(yīng)力、垂直應(yīng)力等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;景鋒、朱煥春等在研究國內(nèi)垂直應(yīng)力、地應(yīng)力的過程中對其與埋深的關(guān)系作了修正,得出式(2)和式(3),其修正結(jié)果對埋深1000 m以淺的工程實(shí)踐具有良好的指導(dǎo)作用,并用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,效果較好。

式中:H——埋深。

1.3 瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)理

1.3.1 類保護(hù)層鉆孔在硬煤層中瓦斯運(yùn)移情況

類保護(hù)層強(qiáng)化工藝中,硬煤層瓦斯的運(yùn)移可以總結(jié)為解吸—擴(kuò)散—兩級滲流。類保護(hù)層鉆孔在硬煤層中瓦斯運(yùn)移情況如圖2所示。在頂、底板類保護(hù)層強(qiáng)化后,隨抽采的進(jìn)行,煤儲層中壓力降低,當(dāng)降低至瓦斯臨界解吸壓力時(shí),瓦斯開始從煤儲層基質(zhì)表面解吸出來,然后由微孔隙擴(kuò)散到裂隙,由煤中裂隙滲流至類保護(hù)層中裂隙,硬煤中瓦斯運(yùn)移方式符合煤儲層中基質(zhì)孔－裂隙模型。最后再由類保護(hù)層裂隙以氣、水兩相流形式運(yùn)移至鉆孔后產(chǎn)出,為滲流,瓦斯流動符合達(dá)西定律。

圖2 類保護(hù)層鉆孔在硬煤層中瓦斯運(yùn)移示意圖

1.3.2 類保護(hù)層鉆孔在軟煤層中瓦斯運(yùn)移情況

類保護(hù)層強(qiáng)化工藝中,軟煤中瓦斯的運(yùn)移可以總結(jié)為解吸—兩級擴(kuò)散—滲流。類保護(hù)層鉆孔在軟煤層中瓦斯運(yùn)移情況如圖3所示。隨抽采解吸,煤儲層中壓力降低,當(dāng)降低至瓦斯臨界解吸壓力時(shí),瓦斯開始解吸,然后瓦斯由小直徑球形孔隙擴(kuò)散至大直徑球形孔隙,再由大直徑球形孔隙擴(kuò)散至類保護(hù)層,在類保護(hù)層中以氣、水兩相滲流形式運(yùn)移至鉆孔。軟煤中瓦斯運(yùn)移方式為大直徑球形孔隙及小直徑球形孔隙中瓦斯兩級擴(kuò)散模型。與煤儲層相比,類保護(hù)層(砂巖層)滲透率較大,瓦斯以滲流形式產(chǎn)出,符合達(dá)西定律。

圖3 類保護(hù)層鉆孔在軟煤層中瓦斯運(yùn)移示意圖

類保護(hù)層抽采瓦斯,縮短了煤基質(zhì)瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出的距離,實(shí)現(xiàn)了瓦斯的滲流,提高了抽采效率。

2 類保護(hù)層抽采瓦斯模式

通過在煤層的頂板或底板合適層位施工抽采鉆孔,形成對煤層的類保護(hù)層,實(shí)現(xiàn)對煤層的首次卸壓。對類保護(hù)層鉆孔選擇使用水力壓裂、松動爆破等強(qiáng)化技術(shù),開啟、延伸保護(hù)層與煤層之間的裂隙通道,實(shí)現(xiàn)煤層的再次卸壓,減小煤層瓦斯壓力啟動梯度,加快瓦斯解吸速度。類保護(hù)層鉆孔抽采模式如圖4所示。由于類保護(hù)層在巖層中施工,具有施工長度大、不易垮塌等優(yōu)點(diǎn),使用類保護(hù)層抽采鉆孔可實(shí)現(xiàn)煤層采前、采中、采后抽采,且可以同時(shí)掩護(hù)控制一個(gè)工作面的兩條巷道掘進(jìn)。

圖4 類保護(hù)層鉆孔抽采模式示意圖

(1)采前:頂、底板類保護(hù)層鉆孔通過自身鉆孔卸壓、施工裂隙及由水力壓裂、松動爆破等工藝將裂隙延伸,形成具有一定面積和抽采影響范圍的裂隙帶,增大瓦斯流出通道,提高瓦斯的抽采效率。

(2)采中:在煤層采掘過程中,由于采動卸壓,頂、底板巖層發(fā)生一定程度的變形,煤層原有應(yīng)力平衡遭到破壞,一定程度上擴(kuò)大了裂隙范圍,裂隙進(jìn)一步溝通、延伸,類保護(hù)層保護(hù)范圍擴(kuò)大,抽采效率提高。

(3)采后:根據(jù)回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律,煤層隨著工作面推進(jìn),在其周圍形成一個(gè)采動壓力場,在采動壓力場及其周圍形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,下部的冒落帶瓦斯?jié)舛容^低并含有大量工作面漏風(fēng),高濃度瓦斯主要集中于冒落帶頂部和裂隙帶中下部。因此,利用頂板類保護(hù)層可以抽采采空區(qū)瓦斯。

對煤層賦存條件復(fù)雜及異常區(qū)域,可在類保護(hù)層中補(bǔ)充施工穿層抽采鉆孔進(jìn)行采前、采中、采后抽采。

在采用底板抽采巷進(jìn)行瓦斯抽采的礦井,也可以布置相應(yīng)的底板類保護(hù)層抽采模式。總之,可以結(jié)合礦井的具體開采情況有針對性的采用類保護(hù)層鉆孔抽采模式進(jìn)行瓦斯抽采。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

鶴壁中泰礦業(yè)有限公司開采二1煤層,本文試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在33051工作面下巷道乳化液泵站對口上側(cè)5 m處鉆場內(nèi),該處煤層厚度8.2 m,埋深530～571 m。以煤層頂板砂巖作為類保護(hù)層,與煤層距離1 m高度平行煤層施工鉆孔,傾角為0°,孔長69 m,如圖5所示。施工完成后對鉆孔進(jìn)行測斜并下套管封孔,測試鉆孔自然流量趨近于0,孔口濃度0.18%,巷道濃度0.14%。

圖5 33051工作面類保護(hù)層鉆孔施工示意圖

用水力壓裂封隔器對類保護(hù)層鉆孔進(jìn)行封孔,封孔深度15 m,封孔長度1.8 m,考慮管路摩擦阻力損失,根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算得破裂壓力為24.5 MPa,實(shí)際破裂壓力26.3 MPa,(砂巖抗拉強(qiáng)度1.17 MPa),裂縫延伸壓力13.8 MPa,由水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的關(guān)系可知,水平應(yīng)力范圍在12.6～19.1 MPa之間,垂直應(yīng)力范圍在12.7～13.3 MPa之間,裂縫以垂直縫為主,輔以水平裂縫,類保護(hù)層和煤層得以溝通?？傆?jì)注入水量37 m3。

3.2 試驗(yàn)效果

采用CYT技術(shù)探測了類保護(hù)層鉆孔強(qiáng)化范圍為1601 m2,連續(xù)觀測計(jì)量了近5個(gè)月(后因礦井施工需要巷道封閉,無法測量)瓦斯抽采流量及抽采濃度。單孔抽采效果情況如圖6所示,強(qiáng)化抽采前后對比情況如表1所示。

圖6 33051工作面類保護(hù)層單孔抽采效果

表1 類保護(hù)層強(qiáng)化抽采對比

3.3 試驗(yàn)分析

(1)由圖6可以看出,類保護(hù)層鉆孔抽采過程瓦斯流量并沒明顯衰減,分析其原因:一是由于較大范圍內(nèi)提高了煤層的透氣性,瓦斯來源豐富;二是由于施工了類保護(hù)層抽采鉆孔,鉆孔長期保持暢通,縮短了煤基質(zhì)塊瓦斯解吸的運(yùn)移距離,后續(xù)解吸瓦斯能夠持續(xù)補(bǔ)給。

(2)鶴壁中泰礦業(yè)有限公司同區(qū)域百米煤孔起初日抽量為36～70 m3/d,2個(gè)月內(nèi),衰減系數(shù)為0.03～0.05,之后衰竭為0,多存在鉆孔的垮塌、堵孔等問題。類保護(hù)層日均抽采純量可達(dá)328 m3/d,抽采鉆孔服務(wù)壽命長,有效地控制了塌堵孔的發(fā)生。

(3)在偽頂或直接頂為水敏性泥巖發(fā)育區(qū)域存在泥巖遇水膨脹閉合可能的情況下,該工藝不可直接使用。

4 結(jié)論

(1)采集煤層頂、底板砂巖進(jìn)行了軸壓—滲透率—時(shí)間試驗(yàn),認(rèn)為砂巖滲透率對應(yīng)力較為敏感,能夠通過強(qiáng)化改造煤層頂?shù)装迳皫r實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯的抽采,減少瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出通道距離,可由頂?shù)装辶严犊p網(wǎng)快速產(chǎn)出;認(rèn)為硬煤瓦斯產(chǎn)出為解吸—擴(kuò)散—兩級滲流,軟煤瓦斯產(chǎn)出為解吸—兩級擴(kuò)散—滲流。

(2)研究了類保護(hù)層瓦斯抽采模式,實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯的采前、采中、采后抽采,減少了鉆孔工程量及施工難度,延長了抽采鉆孔的有效壽命,提高了抽采效率;通過實(shí)例,驗(yàn)證了類保護(hù)層抽采的可行性,為相似巷道采掘部署條件下的瓦斯抽采提供了借鑒。

(3)類保護(hù)層強(qiáng)化鉆孔裂縫的開啟、延伸規(guī)律及形態(tài)有待于進(jìn)一步研究,其布置模式及強(qiáng)化方式尚需優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

我國首套視頻識別智能煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)投入運(yùn)行

日前,國內(nèi)首套基于視頻識別的智能運(yùn)輸系統(tǒng)在神華神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦試運(yùn)行成功。該套系統(tǒng)由神東區(qū)域自動化項(xiàng)目組聯(lián)合西安華光公司共同研發(fā)。系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)視頻識別技術(shù),借助高清攝像頭識別出帶式輸送機(jī)所載煤量的大小,將各個(gè)卸料點(diǎn)的煤量信息加以綜合分析,通過邏輯判斷最終得出帶式輸送機(jī)的理論運(yùn)行速度,并反饋給變頻器進(jìn)行調(diào)速。它主要解決了井下變頻帶式輸送機(jī)無法自動調(diào)速的難題,使帶式輸送機(jī)能夠根據(jù)綜、連采工作面實(shí)際煤量的大小自動調(diào)節(jié)自身的運(yùn)行速度,從而達(dá)到降低運(yùn)行能耗、減少轉(zhuǎn)動件磨損的目的。

該套系統(tǒng)在哈拉溝煤礦104主運(yùn)帶式輸送機(jī)試運(yùn)行1周以來,成功將帶式輸送機(jī)的平均運(yùn)行速度降低10%左右,能夠很好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

Research on gas drainage mechanism and mode of similar protective layer

Liu Xiao1,3,Ma Geng1,2,Lin Haixiao1,3
(1．School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003,China; 2．Henan Energy and Chemical Engineering Group Co．,Ltd．,Zhengzhou,Henan 450046,China; 3．Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo,Henan 454003,China)

In view of the current problems of difficulties in drilling,borehole supporting and the enhancement of permeability in soft coal seams in our country,the gas drainage of similar protective layer during the construction of coal seam roof and floor was proposed．Through the loading test of rock mass,the quantitative relationship of rock stress-permeability-time was studied,the fracture pressure of rock was analyzed,the gas migration and emission mechanism during the similar protective layer mining for soft or hard coal were discussed,and the gas drainage modes before,during and after drainage were established．The gas drainage from a single borehole in similar protective layer was tested in Hebi Zhongtai Mining Company and the CYT technique was adopted to strengthen the detection range．The results show that the strengthening range of single borehole is up to 1601 m2,the average amount of gas drainage is 328 m3/d,and the maximum amount is up to 661 m3/d in the past 5 months．

similar protective layer,gas drainage mode,fracture pressure,gas migration, permeability

TD712.6

A

劉曉(1981－),男,河北懷安人,講師,博士研究生,主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測及治理、煤層氣勘探開發(fā)方面的研究教學(xué)工作。

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A440320),2014年度安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)科技項(xiàng)目(henan－066－2013AQ),河南理工大學(xué)青年骨干教師資助