工作面卸压区瓦斯地面钻井抽采技术研究

李会金

（晋能控股煤业集团海天煤业，山西 晋城 048006）

引言

煤炭开采的扰动会破坏煤层中瓦斯的吸附平衡，煤炭破碎将产生数量众多的裂隙，从而大幅度增加煤体的暴露面积，渗透率大幅度提高，呈吸附状态的瓦斯从煤基质表面扩散到孔隙，孔隙中积存的瓦斯渗流到裂隙的路径大大缩短，煤体内部将瞬间涌出大量瓦斯。采动区上部积存大量瓦斯正是由于瓦斯的升浮特性造成的，如若瓦斯治理措施不当，极易造成瓦斯被压出到工作面，在风流的外力带动下，瓦斯在工作面上隅角三角区积存，给工作面安全生产带来巨大隐患。

为有效解决工作面采动区瓦斯异常涌出问题，岳城矿采用了普通钻机倾向钻孔、定向钻机走向长钻孔、高位钻场等多种瓦斯抽采措施来对采动区进行抽采，虽可一定程度缓解工作面瓦斯问题，但由于抽采量相对于工作面绝对瓦斯涌出量小的原因，工作面日产煤量受到极大限制。为此，岳城矿提出了采用地面采动井来抽采采动区瓦斯的思路，既能高效解决采动区瓦斯向工作面涌出的问题，又可在工作面回采完毕后连续不间断抽采采空区的瓦斯，实现瓦斯资源利用的最大化。

1 岳城煤矿工程概况

岳城煤矿隶属山西晋能控股煤业集团，是山西煤炭资源整合的首批改扩建矿井。2012年矿井绝对瓦斯涌出量为242.71 m3/min，相对瓦斯涌出量为77.69 m3/min，属于高瓦斯矿井。该矿采用分层开采技术开采3号煤，下分层工作面布置在上分层工作面采空区之下，服务巷道直接与采空区联通，开采煤层均厚6 m，全为优质无烟煤。矿井现开采的1308（下）工作面，见图1所示。经过上分层瓦斯抽放和采空区接抽之后，下分层煤体瓦斯含量约为4.36 m3/min，但下分层采空区瓦斯赋存量大，对工作面回采构成安全威胁。

图1 工作面通风系统及采动区地面钻井布置示意图

工作面回采前风量为1 030 m3/min，采用U型通风系统，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出总量的55%~65%。工作面回采前在上分层进行了高强度的瓦斯抽放作业，并进行了高位钻孔抽放和采空区接管抽放等采空区瓦斯治理措施。工作面回采前，回风巷日常瓦斯浓度达到0.65%~1.25%，回风巷瓦斯受气温作用极为显著，异常期间上隅角瓦斯浓度高达1.2%以上。

2 采空区瓦斯涌出及其特点

2.1 顶板裂隙分布

工作面回采后，采场上部顶板跨落，采场上覆岩层中存在多层坚硬岩层时，全部或局部对岩体活动起决定作用的岩层成为关键层[1]。当顶板关键层破断后，位于采空区中部的采动裂隙趋于压实，于是在采空区四周存在一个互相连通的采动裂隙发育区，也就是采动裂隙[2]。顶板煤岩体的裂隙构成瓦斯流动通道，大量采空区高浓度瓦斯富集在“O”形圈内（见下页图2）。煤矿开采期间，采空区随工作面的回采逐步增大，富集于“O”形圈内的高浓度瓦斯在采空区内自由运动，当邻近采空区裂隙发育范围布置工作面时，大量采空区瓦斯将通过裂隙直接涌入工作面顺槽巷道和工作面，导致回风巷瓦斯浓度大幅增加，甚至引起瓦斯超限。

图2 工作面上部覆岩“O”形圈分布

随着工作面回采的推进，采空区岩层逐渐被压实而形成一个环形采动裂隙发育区，即采动裂隙“O”形圈，各种不同来源的瓦斯在“解吸-扩散-渗流”的梯度差作用下逐渐向“O”形圈处汇聚，形成裂隙带瓦斯富集区，该瓦斯富集区内聚存的瓦斯需在岩层被压实前抽采，以防被上覆岩层应力重新压实而由离层区变成重新压实区，避免大量瓦斯被压出涌入采掘空间[3]。基于上述原理，应提前布置钻孔针对性抽采裂隙带瓦斯富集区瓦斯，并在工作面回采推进影响到钻孔终孔点位置时及时联网抽采，高效抽采回采面采空区瓦斯，预防工作面瓦斯超限事故发生。

2.2 覆岩裂隙分布

煤层开采活动所造成的煤体原始支撑应力被消除，煤层顶板一定距离的上覆岩层会在重力作用下发生变形，主要呈现顶板发生横向离层位移和竖向垂直位移，在岩层位移作用下实现岩层内水平和垂直应力的重新分布[4]。横向离层位移和竖向垂直位移在顶板上覆岩层裂隙三带区内呈现不同的分布规律[5]，见图3。

图3 工作面顶板上覆岩层应力变化分带

冒落带是开采煤层采出后直接顶随即垮落并充填已采煤层的采掘空间，出现不连续、不规则的裂隙空间，是顶板上方破坏最严重的区域，裂隙和裂缝的大量存在促使彼此相互连通，工作面瓦斯向上运移会逐渐在垮落带内集聚[6]。在该区域内，横向离层裂隙和竖向破断裂隙彼此相互交叉，横向离层位移最先出现，并随着上覆岩层垮落量的增大，垮落的覆岩水平位移弯曲度超过其最大挠度，竖向垂直位移出现，并使上下离层位移贯通[7]。冒落带之上的裂隙带岩层受采动影响后会出现下倾位移，横向离层裂隙和竖向破断裂隙进一步形成，特别是在裂隙带的底部，大量的破断裂隙出现，产生的裂隙会比垮落带更为发育，大量瓦斯将在此处的裂隙空间内富集，老顶垮落会将大量裂隙带富集瓦斯带入工作面采掘空间[8]。裂隙带上部的弯曲下沉带受采动影响程度相对较弱，主要呈现横向离层位移，此区域的覆岩仅出现轻微的层间离层，竖向的垂直位移难以产生，此区域内的岩层瓦斯将在离层裂隙内集聚，由于缺少竖向破断裂隙使得各层的离层位移不能连通，很难向下运移影响工作面的瓦斯浓度[9]。

2.3 采动井抽采技术的优越性

采用采动井抽采，最直接的优势是利用地面的钻井导向定位功能，实现钻井布置的精准施工[1]。将地面钻井超前布置在工作面顶板上方，待工作面煤体采动破坏的影响，上覆岩层会产生破断裂隙，煤层瓦斯在升浮特性的影响下在裂隙带形成瓦斯富集区，见图4所示。采动井利用地面抽采泵的影响下，利用大直径的钻孔实现了实时抽采，及时将工作面上浮汇集的瓦斯及上覆岩层中赋存的瓦斯及时抽排出工作面，避免瓦斯在采动应力、顶板下沉时对工作面安全生产造成威胁[10]。

图4 采动井采中和采后连续抽采

采动井除实现采动期间的瓦斯治理外，可有效提供矿井的瓦斯利用率。工作面开采完毕后，采空区顶板裂隙会逐步趋于稳定，在形成稳定的破裂网状裂隙前及稳定形成后，仍可以利用采动井的有效负压，对老采空区的残存瓦斯实现能用尽用，既符合国家能源局倡导的《关于推进关闭煤矿瓦斯综合治理与利用的指导意见》的要求，实现了煤矿的绿色循环开采，又可在矿井进行先导性试验，以验证采动井抽采的可行性[11]。

3 采动井施工

3.1 井身设计

从开采工作面所在位置的地表施工大孔径抽放钻孔，并安设套管防止钻孔受采动影响变形；采动井终孔位置位于回采工作面开采煤层上部，终孔80 m范围埋设筛管，覆盖整个垮落带。采空区抽放井的井身按照三开设计，一开使用Φ311.15 mm钻头，钻进基岩下10 m，下入Φ244.5 mm的表层套管，固井水泥返高至地表；二开使用Φ215.9 mm钻头，钻过3号煤顶板上的40 m处，下入Φ177.8 mm的地质套管，固井水泥返高至地表；三开使用Φ152.4 mm钻头，钻至3号煤层（采空区）底板或视现场瓦斯涌出情况决定最终止深，裸眼完井。提升抽采泵的能力，选用2BE1253型直联真空泵，电机功率75 kW，额定排气量达到40.8 m3/min。具体设计及实物见图5所示。

图5 地面采动井现场图

3.2 井位布置

钻井布置尽量靠近采面回风巷一侧处于0.2~0.4 L（L为工作面长度）区域内，保证上隅角附近处于钻井的裂隙带抽采覆盖区域，提高采空区瓦斯治理效果，见图6。布置的主要原则，即通过地面采动井的高效抽采，拦截“O”形圈裂隙带富集区的瓦斯向采掘空间运移，其抽采影响范围会直接影响到工作面上隅角的瓦斯浓度，避免工作面出现瓦斯超限事故。

图6 采动区地面井布置区域

经过现场踏勘和对地层条件分析，最终确定采动井的具体井位，距回风侧42 m，距停采线161 m，距切眼侧89 m，井位坐标如表1所示。

表1 井位基本数据

4 采动井抽采效果

4.1 治理效果

1311（上）采面于2019年4月17日正常揭露YCCD-13井，揭露后正常投运，截止到7月22日累计抽放95 d，平均抽放浓度55%，平均抽放纯量5.8 m3/min，平均日抽放量0.84万m3，累计抽放瓦斯80余万m3，如图7所示。

图7 地面钻井采动井抽采变化曲线

YCCD-13井的成功投运主要在以下三个方面的效果尤为显著。一是增强了井筒套管的抵抗能力，套管未发生弯曲变形。截止到7月22日累计抽采95 d，在采面回采推过钻井50~100 m的采动影响严重区域依然维持了正常抽采。目前采面已经回采结束，钻井仍然正常运行。二是YCCD-13井投运后有效解决了采面上隅角和回风流的瓦斯异常涌出问题，保证了采面的安全回采，如表2所示。

表2 地面井抽采后工作面瓦斯变化

三是将抽采出的瓦斯进行集输利用，变废为宝。采动井投运后抽采浓度一直维持在50%以上，通过就地建设集输系统，直接并入管网利用，截止到7月22日累计增加效益9.6万元。

4.2 推广应用

随着采动井在岳城矿区的有效使用，工作面在采动井200 m半径范围内回采时，工作面瓦斯浓度平稳地保持在0.35%左右，对回采工作面采空区瓦斯治理起到了至关重要的作用，因此，根据岳城矿单个3号煤工作面（倾向长度180 m，走向长度1 000 m），按照抽采半径200 m，则每个工作面设计布置2口采动井，即可满足工作面回采过程中采空区瓦斯的有效治理，为岳城矿上分层工作面坚持实施U型通风系统提供了可靠的保障。

5 结论

1）试验证明，施工采动井直达采动裂隙带进行采空区瓦斯抽采技术可行，且突破了井下封堵和抽放采空区瓦斯技术的局限。

2）实施采动井抽放可大量抽采采空区瓦斯，实现煤矿采煤、采气综合发展。

3）采动井大能力抽放可有效改变采动裂隙带瓦斯流动方向，进而引导采空区瓦斯流场的改变，达到抑制采空区瓦斯向回风巷涌出的目的。