采空區(qū)瓦斯地面定向鉆井抽采效果分析

郭向前，李 超，，張 奡，胡勝勇，劉應(yīng)科，康建宏

(1.晉煤集團(tuán)煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；3.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；4.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是全世界最主要的能源之一，且長期占我國主要能源生產(chǎn)量和消耗量的70%以上[1]。我國90%以上煤礦的開采方式為地下井工開采，其中高瓦斯礦約占礦井總數(shù)的51%[2，3]。煤炭開采過程中瓦斯的大量涌出嚴(yán)重威脅了井下工作面生產(chǎn)安全，瓦斯氣體直接排放的空氣中還會造成溫室效應(yīng)、環(huán)境污染和能源的浪費(fèi)[4]。地面定向鉆井是一種新型高效的地面瓦斯抽采技術(shù)，能在工作面整個回采過程中有效抽采采空區(qū)瓦斯?？捎行Ы档凸ぷ髅嫱咚钩薜耐{，并獲得濃度較高、可直接利用的瓦斯資源。

工作面回采過程中，不斷演化的采動裂隙場是采空區(qū)瓦斯?jié)B流及賦存的基本條件，國內(nèi)外學(xué)者針對采動裂隙場的演化、分布特征及其瓦斯運(yùn)移開展了大量研究。劉天泉、錢鳴高、宋振騏[5-8]提出了采動影響下，上覆巖層移動的“橫三區(qū)”和“豎三帶”的理論。錢鳴高等[9]通過采用模型試驗(yàn)、圖像分析、離散元模擬等方法，提出了長壁工作面上覆巖層的“O”形圈理論。李樹剛等[10]通過采用物理相似模擬及數(shù)值模擬試驗(yàn)，提出了采動裂隙場的橢拋帶及其瓦斯升浮-擴(kuò)散-滲流綜合控制模型。Palchik[11]研究了采動裂隙場的分布特征。袁亮等[12，13]運(yùn)用數(shù)值計算等方法，提出了采動裂隙場內(nèi)瓦斯運(yùn)移的高位裂隙環(huán)形體模型。Yang等[14]采用相似模擬等方法，提出了覆巖采動裂隙的“∩”型高帽狀特征。Wang等[15，16]利用數(shù)值模擬軟件，研究了采動裂隙場演化及其瓦斯運(yùn)移特征。上述研究為采空區(qū)裂隙場分布及其瓦斯?jié)B流奠定了一定的理論基礎(chǔ)，但仍難以運(yùn)用于現(xiàn)場實(shí)踐。本文通過研究地面定向鉆井不同井位層位的瓦斯抽采效果，進(jìn)一步研究了采動影響下采空區(qū)瓦斯?jié)B流及其分布特征，對采空區(qū)瓦斯高效抽采具有指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

寺河礦為高瓦斯礦井，該礦井田南北走向長約12km，東西傾斜寬約23km，面積約為230km2，煤炭儲量約15億t。全井田可采煤層共3層：3#、9#和15#煤層。其中主采煤層3#煤平均厚度為6.31m，可采儲量2.1億t。3#煤層的頂?shù)装宥酁榉凵皫r，少數(shù)為砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖。寺河礦3313工作面開采煤層為3#煤層，埋深約416m，煤層平均厚度為6.1m。工作面走向長度為1281.5m，傾向長度為301.5m。

2 地面定向鉆井布置

地面定向鉆井位于3313工作面，該地面定向鉆井豎直軌跡如圖1所示。由圖1可知，地面定向鉆井包括豎直段、彎曲段和水平段，選取其水平段作為考察段。地面定向鉆井水平段位于煤層以上且長805m，其終點(diǎn)距工作面開切眼約138m。地面定向鉆井的水平軌跡與工作面回風(fēng)巷交叉，以考察不同的層位的抽采效果，其豎直軌跡傾斜向下，以考察不同的井位的抽采效果。水平段在水平方向上與回風(fēng)巷的距離為13.5～48.7m，其在豎直方向上與煤層的距離為10.6～55.6m。

3 抽采效果分析

3.1 瓦斯富集區(qū)分布

目前采空區(qū)地面垂直鉆井井位一般布置在與回風(fēng)巷水平投影距離為20～70m范圍的“O”形圈內(nèi)，層位一般布置在煤層上方的裂隙帶內(nèi)。采空區(qū)內(nèi)的瓦斯由于工作面后方上覆巖層的應(yīng)力恢復(fù)和裂隙逐漸閉合而不能快速且大量地流入裂隙區(qū)域的頂部，大多數(shù)瓦斯會流入受采動影響而發(fā)育的裂隙中。因此，富集區(qū)可能存在于一個范圍更小的區(qū)域內(nèi)。

當(dāng)工作面推過地面定向鉆井終點(diǎn)約390m時，鉆井開始抽采瓦斯。整個抽采期間瓦斯純量和濃度變化如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到距開切眼約390m至600m時，瓦斯流量從1174m3/h急劇下降至476m3/h，瓦斯?jié)舛葎t從90%下降至72%，平均瓦斯流量和濃度分別為906m3/h和74%。當(dāng)工作面從距切眼約600m推進(jìn)至810m時，考察井抽出的瓦斯?jié)舛群土髁孔罡?，瓦斯流量和濃度分別從1285m3/h和85%下降至973m3/h和75%，平均瓦斯流量和濃度分別為1135m3/h和75.5%。當(dāng)工作面推進(jìn)到約810m至1046m的范圍內(nèi)時，整體瓦斯流量和濃度均最低，瓦斯流量和濃度整體呈現(xiàn)劇烈波動且平均分別僅為710m3/h和54.5%。因此，將具有最高瓦斯?jié)舛群土髁康木缓蛯游凰鶎?yīng)的區(qū)域稱為富集區(qū)。

圖2 工作面推進(jìn)過程中瓦斯純量和濃度變化

富集區(qū)在上覆巖層中的具體位置可結(jié)合工作面推進(jìn)距離和地面定向鉆井軌跡在上覆巖層中的位置來精準(zhǔn)確定。通過工作面推進(jìn)距離與地面定向鉆井軌跡的對應(yīng)關(guān)系可得：富集區(qū)的水平邊界范圍為距回風(fēng)巷42～54m，豎直邊界范圍為煤層以上距煤層35.3～47.3m。

此外，該礦采空區(qū)上覆巖層垮落帶和裂隙帶的高度可分別用經(jīng)驗(yàn)公式(1)和(2)計算[17]：

(1)

(2)

式中，Hc和Hf分別為垮落帶和裂隙帶高度，m；M為開采煤層的厚度，m。

通過式(1)和式(2)可得，垮落帶和裂隙帶的高度范圍分別為22.9～32.3m和60.6～83.6m，富集區(qū)層位位于裂隙帶下部?；诖耍瑢⒌孛娑ㄏ蜚@井的水平段或地面垂直鉆井的底部布置在水平方向上距回風(fēng)巷42～54m、豎直方向位于裂隙帶下部，可獲得最高的瓦斯抽采效果。

3.2 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?/h3>

工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鐖D3所示。由圖3可知，地面定向鉆井抽采前，上隅角平均瓦斯?jié)舛葹?.06%。抽采后，上隅角平均瓦斯?jié)舛冉抵?.60%。當(dāng)抽采富集區(qū)內(nèi)的瓦斯時，工作面上隅角瓦斯平均濃度最低(僅為0.50%)，與上述富集區(qū)瓦斯抽采效果相吻合。當(dāng)抽采富集區(qū)的瓦斯時，抽采效率最高，工作面瓦斯?jié)舛让黠@降低。

圖3 工作面推進(jìn)過程中上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

4 結(jié) 論

通過監(jiān)測并分析回采過程中地面定向鉆井抽采采空區(qū)瓦斯的濃度和純流量隨工作面推進(jìn)距離的變化，研究了采空區(qū)瓦斯地面定向鉆井抽采效果。研究得到以下結(jié)論：

1)隨采煤工作面推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層內(nèi)存在瓦斯富集區(qū)，富集區(qū)內(nèi)的平均瓦斯流量和濃度最高，分別為1135m3/h和75.5%。

2)地面定向鉆井抽采后，上隅角平均瓦斯?jié)舛扔沙椴汕暗?.06%急劇降低至抽采后的0.60%。當(dāng)抽采富集區(qū)內(nèi)的瓦斯時，上隅角平均瓦斯?jié)舛茸畹?，僅為0.50%。

3)富集區(qū)的水平邊界范圍為距回風(fēng)巷42～54m，豎直邊界范圍為煤層以上距煤層35.3～47.3m。將地面定向鉆井的水平段或地面垂直鉆井的底部布置在水平方向上距回風(fēng)巷42～54m、豎直方向位于裂隙帶下部，可獲得較高的瓦斯抽采效果。