采空区瓦斯地面定向钻井抽采效果分析

2019-12-13郭向前胡胜勇刘应科康建宏

煤炭工程 2019年11期

郭向前，李超，，张奡，胡胜勇，刘应科，康建宏

(1.晋煤集团煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城 048000；2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048000；3.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024；4.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116)

煤炭是全世界最主要的能源之一，且长期占我国主要能源生产量和消耗量的70%以上[1]。我国90%以上煤矿的开采方式为地下井工开采，其中高瓦斯矿约占矿井总数的51%[2，3]。煤炭开采过程中瓦斯的大量涌出严重威胁了井下工作面生产安全，瓦斯气体直接排放的空气中还会造成温室效应、环境污染和能源的浪费[4]。地面定向钻井是一种新型高效的地面瓦斯抽采技术，能在工作面整个回采过程中有效抽采采空区瓦斯。可有效降低工作面瓦斯超限的威胁，并获得浓度较高、可直接利用的瓦斯资源。

工作面回采过程中，不断演化的采动裂隙场是采空区瓦斯渗流及赋存的基本条件，国内外学者针对采动裂隙场的演化、分布特征及其瓦斯运移开展了大量研究。刘天泉、钱鸣高、宋振骐[5-8]提出了采动影响下，上覆岩层移动的“横三区”和“竖三带”的理论。钱鸣高等[9]通过采用模型试验、图像分析、离散元模拟等方法，提出了长壁工作面上覆岩层的“O”形圈理论。李树刚等[10]通过采用物理相似模拟及数值模拟试验，提出了采动裂隙场的椭抛带及其瓦斯升浮-扩散-渗流综合控制模型。Palchik[11]研究了采动裂隙场的分布特征。袁亮等[12，13]运用数值计算等方法，提出了采动裂隙场内瓦斯运移的高位裂隙环形体模型。Yang等[14]采用相似模拟等方法，提出了覆岩采动裂隙的“∩”型高帽状特征。Wang等[15，16]利用数值模拟软件，研究了采动裂隙场演化及其瓦斯运移特征。上述研究为采空区裂隙场分布及其瓦斯渗流奠定了一定的理论基础，但仍难以运用于现场实践。本文通过研究地面定向钻井不同井位层位的瓦斯抽采效果，进一步研究了采动影响下采空区瓦斯渗流及其分布特征，对采空区瓦斯高效抽采具有指导意义。

1 矿井概况

寺河矿为高瓦斯矿井，该矿井田南北走向长约12km，东西倾斜宽约23km，面积约为230km2，煤炭储量约15亿t。全井田可采煤层共3层：3#、9#和15#煤层。其中主采煤层3#煤平均厚度为6.31m，可采储量2.1亿t。3#煤层的顶底板多为粉砂岩，少数为砂质泥岩或细砂岩。寺河矿3313工作面开采煤层为3#煤层，埋深约416m，煤层平均厚度为6.1m。工作面走向长度为1281.5m，倾向长度为301.5m。

2 地面定向钻井布置

地面定向钻井位于3313工作面，该地面定向钻井竖直轨迹如图1所示。由图1可知，地面定向钻井包括竖直段、弯曲段和水平段，选取其水平段作为考察段。地面定向钻井水平段位于煤层以上且长805m，其终点距工作面开切眼约138m。地面定向钻井的水平轨迹与工作面回风巷交叉，以考察不同的层位的抽采效果，其竖直轨迹倾斜向下，以考察不同的井位的抽采效果。水平段在水平方向上与回风巷的距离为13.5～48.7m，其在竖直方向上与煤层的距离为10.6～55.6m。

3 抽采效果分析

3.1 瓦斯富集区分布

目前采空区地面垂直钻井井位一般布置在与回风巷水平投影距离为20～70m范围的“O”形圈内，层位一般布置在煤层上方的裂隙带内。采空区内的瓦斯由于工作面后方上覆岩层的应力恢复和裂隙逐渐闭合而不能快速且大量地流入裂隙区域的顶部，大多数瓦斯会流入受采动影响而发育的裂隙中。因此，富集区可能存在于一个范围更小的区域内。

当工作面推过地面定向钻井终点约390m时，钻井开始抽采瓦斯。整个抽采期间瓦斯纯量和浓度变化如图2所示。由图2可知，当工作面推进到距开切眼约390m至600m时，瓦斯流量从1174m3/h急剧下降至476m3/h，瓦斯浓度则从90%下降至72%，平均瓦斯流量和浓度分别为906m3/h和74%。当工作面从距切眼约600m推进至810m时，考察井抽出的瓦斯浓度和流量最高，瓦斯流量和浓度分别从1285m3/h和85%下降至973m3/h和75%，平均瓦斯流量和浓度分别为1135m3/h和75.5%。当工作面推进到约810m至1046m的范围内时，整体瓦斯流量和浓度均最低，瓦斯流量和浓度整体呈现剧烈波动且平均分别仅为710m3/h和54.5%。因此，将具有最高瓦斯浓度和流量的井位和层位所对应的区域称为富集区。

图2 工作面推进过程中瓦斯纯量和浓度变化

富集区在上覆岩层中的具体位置可结合工作面推进距离和地面定向钻井轨迹在上覆岩层中的位置来精准确定。通过工作面推进距离与地面定向钻井轨迹的对应关系可得：富集区的水平边界范围为距回风巷42～54m，竖直边界范围为煤层以上距煤层35.3～47.3m。

此外，该矿采空区上覆岩层垮落带和裂隙带的高度可分别用经验公式(1)和(2)计算[17]：

(1)

(2)

式中，Hc和Hf分别为垮落带和裂隙带高度，m；M为开采煤层的厚度，m。

通过式(1)和式(2)可得，垮落带和裂隙带的高度范围分别为22.9～32.3m和60.6～83.6m，富集区层位位于裂隙带下部。基于此，将地面定向钻井的水平段或地面垂直钻井的底部布置在水平方向上距回风巷42～54m、竖直方向位于裂隙带下部，可获得最高的瓦斯抽采效果。

3.2 上隅角瓦斯浓度变化

工作面上隅角瓦斯浓度变化如图3所示。由图3可知，地面定向钻井抽采前，上隅角平均瓦斯浓度为1.06%。抽采后，上隅角平均瓦斯浓度降至0.60%。当抽采富集区内的瓦斯时，工作面上隅角瓦斯平均浓度最低(仅为0.50%)，与上述富集区瓦斯抽采效果相吻合。当抽采富集区的瓦斯时，抽采效率最高，工作面瓦斯浓度明显降低。