大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術及實踐

郝世俊，段會軍，莫海濤，彭 旭，彭 冬

大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術及實踐

郝世俊1,2，段會軍1,2，莫海濤1,2，彭 旭1,2，彭 冬2

(1. 煤炭科學研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對高強開采井田王家?guī)X煤礦綜放工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯積聚問題，基于巖層控制關鍵層理論，對頂板垮落走向與傾向采動裂隙發(fā)育進行研究。采用數(shù)值模擬的方法研究采空裂隙隨工作面推進的演化過程，分析頂板裂隙發(fā)育高度，確定大直徑高位定向長鉆孔最佳布孔層位及鉆孔結構，并進行工程實踐。結果表明，依據(jù)關鍵層理論計算及采動裂隙數(shù)值模擬預測層位布設大直徑高位定向長鉆孔，抽采效果較好，單孔最大抽采純量2.10 m3/min，最大抽采體積分數(shù)31.39%，4個定向長鉆孔累計抽采瓦斯純量28.99萬 m3，工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)最低下降至0.46%，瓦斯治理效果顯著，解決了上隅角瓦斯超限問題，保障了工作面的安全回采。

關鍵層理論；上隅角；大直徑高位定向長鉆孔；數(shù)值模擬；采動裂隙

隨著綜采放頂煤工藝、機械化開采技術等廣泛應用，煤炭生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，開采強度不斷增高，由此造成采空區(qū)面積大、采空區(qū)丟煤總量大等問題，導致綜放工作面瓦斯涌出量居高不下[1-2]。另一方面，工作面上隅角是采空區(qū)風流漏風匯集處，且風流在通過上隅角區(qū)域時風速較小，極易在局部形成紊流區(qū)和渦流區(qū)，形成上隅角瓦斯積聚，引發(fā)超限報警，直接影響工作面推進速度，制約生產(chǎn)[3]。針對常規(guī)開采工作面上隅角瓦斯治理，依據(jù)卸壓增透瓦斯抽采和抽采鉆孔周圍瓦斯流動的本構方程等理論[4-6]，采用回采前強化預抽、煤層增透、穿層鉆孔和吊掛風障擋風墻等治理措施，對上隅角瓦斯防治取得了一定效果。低瓦斯含量煤層在高開采強度下采前預抽效果不理想，采用煤層預裂工藝后也無明顯效果[7-8]。近年來，隨著煤礦井下定向鉆進技術的發(fā)展和完善，大直徑高位定向長鉆孔具有軌跡可控、抽采率高、覆蓋面廣等優(yōu)點，逐步成為上隅角瓦斯治理的重要技術手段[9-11]。

大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術的關鍵在于定向鉆孔軌跡層位的選取及確定，目前多采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中列出的公式計算“三帶”高度，確定定向長鉆孔層位，但該公式未考慮開采煤層頂板覆巖關鍵層的不同特性，造成裂隙帶選取參數(shù)與實際差異較大?；诖?，筆者以河東井田王家?guī)X煤礦瓦斯抽采為例，針對王家?guī)X煤礦頂板巖層地質(zhì)條件，采用關鍵層巖層控制理論，結合數(shù)值模擬方法，確定了大直徑高位定向長鉆孔軌跡參數(shù)，開展了抽采實踐，嘗試解決該煤礦綜放工作面瓦斯涌出量大和上隅角瓦斯積聚的生產(chǎn)難題。

1 工程背景

王家?guī)X煤礦位于華北板塊鄂爾多斯地塊河東區(qū)塊的南部邊緣。礦井采用平硐開拓，綜采放頂煤工藝，自然垮落頂板管理法。2號煤層322工作面位于123盤區(qū)東翼北部，走向長度3 307?m，傾向長度304.8?m。煤層平均厚度6.5?m。供風量2 200?m3/min，鑒定煤層原始瓦斯含量3.07~3.41?m3/t，煤層瓦斯含量低、透氣性差、較難抽采。工作面平均日割煤大于5?m，平均日產(chǎn)量大于12 000?t，高強度開采導致工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)達0.6%~0.8%，瓦斯超警戒現(xiàn)象時有發(fā)生。據(jù)分析高強度開采工作面的瓦斯主要來源是為綜采工作面膠帶及回風巷煤壁瓦斯長期自然解吸，工作面采煤機割落煤及放頂煤釋放涌出，采空區(qū)丟煤解吸及鄰近層瓦斯釋放[7-8]。風排瓦斯量樣本統(tǒng)計及研究表明，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面風排總量的40%~50%[12-13]，這是導致工作面上隅角瓦斯超限的主要因素。擬在工作面回風巷向采空區(qū)方向布設大直徑高位定向長鉆孔，抽采采空區(qū)瓦斯，解決上隅角區(qū)域瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。

通過關鍵層理論計算及數(shù)值模擬確定工作面頂板采動裂隙發(fā)育范圍，總結瓦斯富集規(guī)律，為大直徑高位定向長鉆孔層位選取提供理論依據(jù)。

2 采動裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析

煤層開采后頂板上覆巖層發(fā)生自下而上移動破壞，并發(fā)育至關鍵層下部，當層間的下沉變形量協(xié)調(diào)不一致時，上覆巖層開始發(fā)育離層裂隙[14]。關鍵層下部離層量隨著工作面推進距離的增加而不斷增大，當巖層破斷距離小于工作面推進距離，巖層發(fā)生破斷開始產(chǎn)生縱向穿層裂隙，導通覆巖離層裂隙，瓦斯運移滲流通道得以形成[15]。

據(jù)巖層控制關鍵層理論[16-17]，當開采煤層上部頂板有多層變形巖層時，最下部巖層即為關鍵層，因+1巖層形變小于第巖層，所以第巖層不承擔第+1巖層及上部巖層的載荷，則作為關鍵層的第+1巖層需符合剛度判別條件：

當+1巖層滿足剛度條件后，即可能為關鍵層，要確定第+1巖層作為關鍵層還需要滿足載荷的強度條件：

在一定的開采工況下，上覆巖層關鍵層破斷后的縱向裂隙存在一定的臨界值，其為確定上覆巖層導氣裂隙帶的導通發(fā)育高度，得出大直徑高位定向長鉆孔層位參數(shù)的重要依據(jù)，計算模型如圖1所示。

圖1 關鍵層破斷裂隙臨界高度模型

根據(jù)第層關鍵層破斷塊體回轉(zhuǎn)的幾何關系可知=，由此可知：

將式(4)代入式(5)：

式中：為關鍵層破斷裂隙貫通的臨界高度，m；為第層關鍵層破斷塊體長度，m；為第層關鍵層厚度，m；為第層關鍵層破斷裂隙貫通時的張開度，m；為第層關鍵層破斷塊體的回轉(zhuǎn)角，(°)；為第層關鍵層破斷裂隙的張開角，(°)；為第層關鍵層破斷塊體的回轉(zhuǎn)下沉量，m；為開采煤層采高，取6.5 m；p為第層關鍵層破斷后下部巖層綜合殘余碎脹系數(shù)，取1.1~1.15。

2號煤頂板主要巖層力學參數(shù)見表1，將表1中的數(shù)據(jù)代入式(1)—式(3)中可知，2號煤頂板以上73.44 m位置的粗粒砂巖(厚度15.60 m)是主關鍵層，將煤層采高和碎脹系數(shù)代入式(6)式中可計算出臨界高度為43.33~65 m。由此可知，破斷裂隙臨界高度小于主關鍵層高度，所以73.44 m即為采動裂隙帶發(fā)育高度。

表1 2號煤頂板巖層物理力學參數(shù)

3 覆巖采動裂隙數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)確定

依據(jù)礦井工作面的實際回采速度建立對應的數(shù)值模型。模型的走向長度選擇600?m進行開挖，模擬巖層垮落裂隙發(fā)育規(guī)律，兩端留出50?m的邊界煤柱。為了抵消邊界效應兩端再各加50?m，因此，模型長度選擇800?m。因高度邊界需達到充分擾動，巖層累積厚度取310?m。模型尺寸設置為800 m×310 m。模型底部和左右邊界都采用固定約束，底部邊界限定方向的速度和位移，左右邊界限定方向的速度和位移。為實現(xiàn)高效運算，并準確分析頂板上覆巖層的變形規(guī)律，首先在開切眼處開挖10?m，待數(shù)值模型計算平衡后再繼續(xù)開挖，每次開挖50?m直至計算平衡。

模型計算過程及結果如圖2所示。

圖2 工作面推進不同距離時覆巖應力分布

3.2 模擬結果分析

由圖2可以看出，當工作面開挖推進50?m時，工作面初次來壓，基本頂開始垮落。頂板出現(xiàn)了較大面積的破壞垮落，但垮落后的巖石并未將采空區(qū)完全充填，頂板巖層垮落高度約為12?m，裂隙帶最大高度約為42?m。當工作面推進至100?m時，上覆巖層大面積下沉，并在24?m處的采空區(qū)上方形成離層區(qū)。垮落高度約為19?m，裂隙帶最大高度為50?m左右。當工作面推采至300?m時，工作面歷經(jīng)數(shù)次周期來壓，塑性區(qū)大范圍發(fā)展，基本達模型頂界面。形成較穩(wěn)定的裂隙發(fā)育，裂隙帶發(fā)育上限為88?m左右，垮落帶高度為21?m左右，工作面采動充分。因此可以確定采動裂隙帶的上限值為88?m。

模擬結果表明，工作面穩(wěn)定開采，上覆巖層充分垮落后，垮落帶發(fā)育高度約為21?m，裂隙帶最大發(fā)育高度約為88?m。上文通過關鍵層理論計算的裂隙帶的發(fā)育高度為73.44?m，模型中巖層層理、虛擬節(jié)理為人為設置的與實際存在差距，因此，簡化后的模型數(shù)值模擬結果與理論計算存在一定的差異。

4 大直徑高位定向長鉆孔設計與施工

4.1 鉆孔設計

大直徑高位定向長鉆孔軌跡設計的關鍵為鉆孔層位確定，定向鉆孔軌跡需布設在裂隙帶層位中，才能抽采采空區(qū)高濃度瓦斯[18-19]。此外，現(xiàn)實礦井工作面頂板層位的選取還應綜合考慮頂板巖層的穩(wěn)定性，盡可能地避開破碎地層、斷層帶及泥巖等遇水易垮落坍塌地層。

依據(jù)上文計算及模擬得出的頂板巖層采動裂隙帶高度及322工作面頂板巖性來綜合確定鉆孔軌跡路徑，同時為了驗證理論結果及得出工程實踐經(jīng)驗，模擬計算得出裂隙帶發(fā)育高度為73.44~88?m，鉆孔需布設在裂隙帶中下部裂隙發(fā)育充分的層位才能抽出足量且高濃度瓦斯，鉆孔軌跡布設過低、過高都不利于采空區(qū)瓦斯的抽采。因此，將定向鉆孔分區(qū)布設，即高層位為40~50?m，低層位為20~30?m，進行全覆蓋抽采試驗。在橫向上，參考實踐經(jīng)驗，細化布置為距回風巷采高的兩倍至工作面傾向長度五分之一位置，即15~60?m的范圍內(nèi)[20]。

單個鉆場內(nèi)設計4個大直徑高位定向長鉆孔。考慮鉆孔軌跡的精確度及層位的實時調(diào)整，具體布設時偏差在±10?m以內(nèi)。設計參數(shù)見表2。

大直徑高位定向長鉆孔一級孔段下套管保護孔口，維持鉆孔穩(wěn)定及長期抽采。開孔鉆具組合為：?101?mmPDC鉆頭+?94?mm扶正器+ ?73?mm回轉(zhuǎn)鉆桿串?；剞D(zhuǎn)鉆進至2號煤層頂板穩(wěn)定基巖層6?m，開孔段選擇穩(wěn)定的煤壁并避開鉆場錨桿；一級孔段分2次擴孔至終孔孔徑?193?mm，隨后下入?168 mm×6? mm地質(zhì)套管至頂板基巖，采用灌注水泥砂漿凝固使套管穩(wěn)固在巖層段，注漿后在8?h內(nèi)分段補漿3次及以上，確保套管與孔壁被漿液全部填充，候凝后形成穩(wěn)定的水泥環(huán)，抽采時不發(fā)生漏氣及壓降現(xiàn)象。

表2 大直徑高位定向長鉆孔參數(shù)

二級孔段是瓦斯抽采的有效孔段。導向孔定向鉆進鉆具組合為：?101?mmPDC弧角鉆頭+?73?mm螺桿馬達+?73?mm無磁鋼鉆桿+探管+ ?73?mm無磁鋼鉆桿+?73?mm外平通纜鉆桿串。采用滑動鉆進方式鉆進至設計孔深成孔后，提出定向鉆具擴孔；導向擴孔鉆進鉆具組合為：?101?mm/?153?mmPDC擴孔鉆頭+?73?mm回轉(zhuǎn)鉆桿串。利用塔式擴孔鉆頭，采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝，擴孔鉆進至設計孔深，終孔孔徑?153?mm。

4.2 鉆孔施工

4個大直徑高位定向長鉆孔共歷時45?d完成，平均日進尺44.6 m/d，據(jù)統(tǒng)計排除停待、檢修、異常班組后，純鉆進時間為624 h，平均純鉆速為3.18 m/h。實鉆的平面軌跡和剖面軌跡如圖3所示。

圖3 大直徑高位定向長鉆孔實鉆軌跡

5 瓦斯抽采效果分析

5.1 大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采分析

大直徑高位定向長鉆孔累計抽采59 d，單孔平均瓦斯抽采純量0.92?m3/min，單孔最大瓦斯抽采純量2.10?m3/min，鉆場最大瓦斯抽采純量4.24?m3/min。平均抽采體積分數(shù)10.61%，其中最大抽采體積分數(shù)31.39%，累計抽采瓦斯純量28.99萬m3。抽采效果如圖4所示。

圖4 大直徑高位定向長鉆孔抽采效果曲線

4個定向鉆孔平均抽采體積分數(shù)分別為19.13%、13.53%、4.98%、4.81%，平均抽采純量分別為1.43?、1.13?、0.35、0.31??m3/min。整體抽采趨勢為先逐步上升后逐步下降。4月10日至5月22日，定向鉆孔進入穩(wěn)定抽采階段。在該階段，1號孔抽采體積分數(shù)在20%左右波動，抽采純量基本在1.8~2.1?m3/min之間，2號孔抽采體積分數(shù)12.5%~ 17.2%，抽采純量1.09~1.53?m3/min，3號、4號孔抽采純量在0.4?m3/min上下。自5月23日開始，鉆孔進入抽采末期，抽采位置都在穿層段，抽采層位不斷降低，鉆孔抽采濃度及瓦斯純量在迅速衰減。從圖4中可以看出鉆孔層位宜布置在垂直層距為45?m左右，水平錯距為40~50?m的層位抽采效果最佳。

5.2 工作面上隅角瓦斯?jié)舛确治?/h3>

抽采初期，由于大直徑高位定向長鉆孔抽采瓦斯純量較低，維持在2.34~2.96 m3/min，導致工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)在0.83%~0.94%高位震蕩，臨近超限值。隨著大直徑高位定向長鉆孔抽采效果不斷提升并穩(wěn)定在3.45~4.22 m3/min區(qū)間運行，上隅角瓦斯?jié)舛乳_始逐步下行。至5月25日，上隅角瓦斯平均體積分數(shù)0.65%，最低降至0.46%，下降幅度明顯，如圖5所示。

圖5 鉆孔抽采純量與上隅角瓦斯?jié)舛惹€

6 結論

a. 采用巖層控制關鍵層理論計算和覆巖移動裂隙數(shù)值模擬得出煤層頂板裂隙帶發(fā)育高度上限范圍為73.44~88 m，為優(yōu)化設計大直徑高位定向長鉆孔軌跡參數(shù)和選擇確定抽采方案提供了數(shù)據(jù)支撐并經(jīng)王家?guī)X煤礦瓦斯抽采實踐證明可行。

b. 在王家?guī)X煤礦綜放工作面抽采應用表明，大直徑高位定向長鉆孔抽采上隅角瓦斯持續(xù)時間長，抽采瓦斯純量穩(wěn)定，工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)由最高0.94%下降至最低0.46%，有效地解決了綜放工作面上隅角瓦斯超限難題。

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Gas drainage technology and practice analysis of large diameter high position directional long borehole

HAO Shijun1,2, DUAN Huijun1,2, MO Haitao1,2, PENG Xu1,2,PENG Dong2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the problem of large gas emission and gas accumulation in the upper corner of the fully mechanized caving face in Wangjialing coal mine of high-strength mining field. Based on the theory of key strata controlled by strata, the roof caving trend and the development of inclined mining fissures are studied. At the same time, the numerical simulation method is used to study the evolution process of the goaf fracture with the working face push mining, analyze the development height of the roof fracture, determine the best hole arrangement layer and structure of the high-level directional drilling, and carry out engineering practice. The results show that the high-level directional drilling is effective according to the theoretical calculation and numerical simulation. The maximum extraction purity of one hole is 2.10 m3/min, and the maximum extraction concentration of one hole is 31.39%. The total amount of gas extracted by high-level directional drilling is 289 900 m3. The lowest gas concentration in the upper corner of the working face is 0.46%. The gas control effect of the working face is remarkable.

key strata theory; in upper corner; large diameter high position directional long borehole; numerical simulation; mining cracks

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TD265

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.032

1001-1986(2020)06-0243-06

2020-10-29；

2020-11-09

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0808202)；國家科技重大專項課題(2016ZX05045-003)

National Key R & D Program of China(2018YFC0808202)；National Science and Technology Major Program of China(2016ZX05045-003)

郝世俊，1970年生，男，內(nèi)蒙古涼城人，博士，研究員，博士生導師，從事煤礦區(qū)定向鉆探工藝研究與開發(fā)工作. E-mail：haoshijun@cctegxian.com

郝世俊，段會軍，莫海濤，等. 大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術及實踐[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：243–248.

HAO Shijun，DUAN Huijun，MO Haitao，et al. Gas drainage technology and practice analysis of large diameter high position directional long borehole[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：243–248.

(責任編輯 聶愛蘭)