高瓦斯煤層群水平井立體抽采模型探討

王向東，王 俊，李麗兵

(山西華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 柳林 033301)

近年來，隨著煤層氣井參與礦井瓦斯治理以來，礦井瓦斯治理出現(xiàn)了新的理念。但煤層氣開采與煤礦開采無法形成有效互補，甚至還會相互制約，造成安全隱患。本文以沙曲礦24307多分支水平對接井為例，探討新的瓦斯抽采模式。

1 概 況

沙曲煤礦井田總體呈單斜構(gòu)造，地層走向由北向南，由南北向漸變?yōu)楸蔽飨?，傾向由西漸變?yōu)槟衔鳎貙觾A角平緩，一般為3°～7°. 井田內(nèi)以寬緩的小型褶曲及陷落柱構(gòu)造為主，斷層稀少且斷距小，井田內(nèi)無巖漿侵入，井田地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬簡單型。其工作面布置方式均為傾斜長臂后退式開采。

目前，沙曲煤礦主采山西組4#煤層和5#煤層。其中4#煤層賦存于山西組下部，平均瓦斯含量11.06 m3/t，煤厚平均2.98 m. 北翼區(qū)域部分為3#、4#煤合并的厚煤地段，煤層多為4 m左右，最厚達6.05 m. 5#煤層上距4#煤層平均2.98 m，煤厚平均2.73 m，平均瓦斯含量12.08 m3/t. 3#煤距4#煤平均6.16 m，平均瓦斯含量12.55 m3/t，煤厚平均1.05 m. 2#煤距4#煤平均16.50 m，平均瓦斯含量10.65 m3/t，煤厚平均0.89 m. 24307工作面柱狀圖見圖1.

圖1 24307工作面柱狀圖

2 主采煤層多分支水平井抽采情況

2.1 工作面概況

沙曲煤礦24307工作面西以礦井軌道大巷為界、北至龍花垣村莊保護煤柱、東與地方煤礦相鄰、南為該礦井24306規(guī)劃工作面；24307工作面東西(傾向)長1 500 m，南北寬220 m. 該工作面為3#、4#煤層合并區(qū)，3#+4#煤層底板標高為+470～+600 m，煤層厚度3.2～4.5 m，平均厚度4.3 m，煤的堅固性系數(shù)為0.4，屬軟煤。

2.2 多分支水平井工程布置

沙曲煤礦24307多分支水平對接井工程，包括井下對接抽采孔和地面水平井兩部分(見圖2). 井下施工的XC01、XC02兩個對接瓦斯抽采鉆孔均布置在礦井北軌大巷的右?guī)?，地面多分支水平井共施?個主支、4個側(cè)分支(南1分支、南2分支、南3分支、北分支)。其中：DS01主支位于工作面瓦斯抽放巷與膠帶順槽之間，入煤后水平段長度為1 027 m，與XC01實現(xiàn)對接連通。DS02主支布置在工作面中軸位置，入煤后水平段長為1 056 m，與XC02實現(xiàn)對接連通；南1分支、南2分支、南3分支、北分支等4個側(cè)分支分布在DS02主支的兩側(cè)。主、分支煤層段累計長度2 670 m.

圖2 沙曲礦24307地面多分支水平對接井工程布置圖

沙曲煤礦24307多分支水平對接井工程采用三開三完的方式鉆井，分直井段、造斜段和水平段。其中，水平段是瓦斯治理的有效部分，最終與井下鉆孔進行對接，采用井下抽采系統(tǒng)進行抽采(見圖3).

圖3 多分支水平對接井工程布置剖面圖

2.3 抽采效果分析

2012年12月17日XC02孔開始抽采，2013年3月15日XC01孔開始抽采。截止2016年10月17日，累計連續(xù)抽采1 401天，累計抽采量達14 822 083 m3(標態(tài)純量，下同)，在穩(wěn)產(chǎn)期瓦斯?jié)舛染３衷?0%以上(產(chǎn)氣量曲線見圖4，圖5).

圖4 瓦斯抽采量累計曲線圖

圖5 日抽采量變化曲線圖

因DS02包含4個分支，抽采量較大，其設(shè)計的主要目的是抽采24307綜采工作面的瓦斯；DS01沒有分支，且孔內(nèi)疑似塌方，造成抽采量曲線變化不規(guī)律，其設(shè)計主要目的是解決兩側(cè)巷道掘進過程的煤與瓦斯突出和瓦斯涌出量大的問題。在實際掘進作業(yè)中，該巷道一次掘進1 000 m無需抽采，掘進時巷道瓦斯涌出量3.2 m3/min左右，達到預(yù)期目標。

按照寬300 m，長1 100 m的有效范圍進行計算，不考慮鄰近層煤巖體和有效范圍以外煤體的瓦斯?jié)B流，瓦斯抽采率達到69.4%，殘余瓦斯含量為4.5 m3/t. 具體煤層瓦斯參數(shù)見表1.

表1 24307煤層瓦斯參數(shù)表

由此可知，多分支水平井可以從根本上解決高瓦斯礦井的瓦斯問題。再輔以其它措施，可以達到高瓦斯突出礦井在低瓦斯狀態(tài)下生產(chǎn)的目標。

從時間上看，在抽采時間達到700天后，抽采量衰竭嚴重，按XC01孔的抽采情況來看，700天后的抽采意義很小，前700天抽采率已經(jīng)達到48.7%，剩余瓦斯含量約5.67 m3/t. 因此，抽采時間安排兩年左右是比較合理的。從工程布置來看，施工工期一般為60～90天(兩次對接)。因此，按照兩年半的時間銜接煤礦生產(chǎn)是比較合理的。

3 下鄰近層多分支水平井抽采探討

24307工作面下鄰近層為5#煤層，層間距小，瓦斯含量大，在工作面回采時容易形成大量瓦斯通過采空區(qū)進入回采工作面，是工作面回采期間瓦斯涌出的主要來源之一。按照上文提到的有效范圍進行計算，則5#煤層貯藏了1 746萬m3瓦斯。如果僅在工作面回采時才進行瓦斯治理對通風(fēng)形成的壓力太大，而且容易造成工作面上隅角瓦斯積聚。而傳統(tǒng)的瓦斯治理方法又無法有效治理下鄰近層瓦斯。因此，建議采取地面多分支水平井的方式。

5#煤層井眼布置一個主支，左右各兩個分支，主支長度1 100 m，分支長度270～300 m，均勻分布于回采工作面內(nèi)(見圖6).

圖6 下鄰近層多分支水平井設(shè)計圖

由圖6可以看出，下鄰近層多分支水平井的布置優(yōu)于本煤層DS02井的效果，因兩個煤層透氣性系數(shù)相近，抽采數(shù)據(jù)采用DS02井抽采數(shù)據(jù)，有效范圍寬度250 m，不考慮上下鄰近層和周邊煤層的瓦斯?jié)B流，預(yù)計700天的抽采時間可以達到56.2%，殘余瓦斯含量可以降到5.29 m3/t. 在工作面回采過程中可以較大降低下鄰近層瓦斯對采空區(qū)的威脅。

另外，在本煤層工作面采掘期間，下鄰近層多分支水平井可以繼續(xù)抽采，在繼續(xù)抽采瓦斯的同時可牽制下鄰近層及其下覆煤巖層的瓦斯流向，減少瓦斯向本煤層采空區(qū)涌出。

4 上鄰近層水平井抽采探討

根據(jù)沙曲礦綜采工作面瓦斯涌出量分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，上鄰近層鉆孔占比約40%，風(fēng)排瓦斯占比約40%，本煤層抽采約占5%，采空區(qū)插管抽放約占15%.

根據(jù)綜采工作面瓦斯的運移規(guī)律，進入采空區(qū)的上下鄰近層瓦斯和落煤釋放的瓦斯首先向采空區(qū)冒落帶和裂隙帶流動，該區(qū)域無法容納的瓦斯則涌入工作面和采空區(qū)，因工作面通風(fēng)形成的效應(yīng)，工作面上隅角容易形成瓦斯積聚，在風(fēng)排瓦斯和采空區(qū)插管抽放都達到極限之后，上隅角瓦斯就會迅速積聚造成瓦斯超限，影響礦井安全生產(chǎn)。

因此，為了減少涌入工作面的瓦斯量，首先要從上鄰近層入手，而井下鉆孔無法有效地對上鄰近層的煤層瓦斯進行抽采，只能在工作面回采時抽采涌入采空區(qū)和裂隙帶的瓦斯。井下鉆孔還有有效長度短，鉆孔之間的銜接等問題。

鑒于以上因素，在上鄰近層施工水平井抽采煤層瓦斯和采空區(qū)瓦斯，效果優(yōu)于井下鉆孔的抽采效果。

根據(jù)采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，采空區(qū)瓦斯向回風(fēng)一側(cè)的采空區(qū)積聚，因此將鉆孔布置在靠近回風(fēng)一側(cè)投影距離巷道20 m的上鄰近層。2#煤層距離4#煤層頂板16.5 m，位于裂隙帶范圍內(nèi)，屬于適合抽采區(qū)域。因此，將上鄰近層設(shè)計在2#煤層，投影位置見圖7.

圖7 上鄰近層多分支水平井設(shè)計圖

該鉆孔無需施工分支，其作用是充當裂隙帶鉆孔，在工程完工后首先抽采2#煤層瓦斯，工作面回采期間抽采采空區(qū)瓦斯，防止瓦斯向上隅角積聚；在工作面回采完成后，可以控制抽放采空區(qū)瓦斯，防止采空區(qū)密閉瓦斯超限，同時控制采空區(qū)避免發(fā)火。此鉆孔可以長期利用實現(xiàn)效果最大化。

5 立體抽采整體效果預(yù)測

根據(jù)以上內(nèi)容分析，本抽采模式分為以下3個階段：

5.1 本煤層抽采階段

本階段各個水平井抽采本煤層瓦斯，是最主要階段，也是瓦斯采出量最多的階段。第一階段經(jīng)過700天抽采煤層剩余瓦斯含量按煤層自上至下分別為：6.05 m3/t、5.67 m3/t、5.29 m3/t，綜合抽采率達到49.5%，基本實現(xiàn)抽采達標。

5.2 回采中抽采階段

本階段為相互配合階段，4#煤層鉆孔的作用已經(jīng)非常有限，加入少量負壓牽制一下落煤瓦斯的流向即可。下鄰近層鉆孔此時不僅要抽采因開采擾動解吸的瓦斯，還要牽制下鄰近層的瓦斯流向，以減少涌入采空區(qū)的瓦斯。上鄰近層鉆孔作為本階段的關(guān)鍵，主要抽采涌入采空區(qū)的瓦斯，并且增加采空區(qū)瓦斯出路，使采空區(qū)形成一個穩(wěn)定的氣流，防止上隅角瓦斯積聚。

5.3 回采后抽采階段

本階段為后續(xù)利用階段，回采后工作面已經(jīng)密閉，但是采空區(qū)瓦斯會不斷積聚，又因礦井采用負壓通風(fēng)，采空區(qū)瓦斯會緩慢涌入采區(qū)巷道，造成回風(fēng)瓦斯?jié)舛壬吆兔荛]附近瓦斯超限。因此，回采后可根據(jù)采空區(qū)瓦斯涌出情況調(diào)整抽采，確保安全生產(chǎn)。

此外，如果工作面瓦斯涌出量大，仍然不能確保上隅角不積聚瓦斯，可在回風(fēng)巷布置一條瓦斯抽采管路，插入采空區(qū)進行埋管抽采。

6 存在的問題

1) 有一定的局限性，其水平段沿傾向向下布置最為適宜，沿走向效果可能會有影響，如果沿傾向向上布置抽采效果則會降低。

2) 水平段長度1 100 m，如果中部發(fā)生塌方，則會對后部的抽采造成很大影響，下設(shè)篩管可解決此問題。

7 結(jié) 論

24307工作面采用多分支水平鉆孔抽采后，在掘進期間最大掘進速度為230 m/月，而常規(guī)鉆孔抽采最大掘進速度為100 m/月，為此采用多分支水平井可有效緩解沙曲礦抽采掘銜接緊張的問題。

通過對沙曲礦井24307工作面區(qū)域采用多分支水平對接鉆孔進行區(qū)域治理，認為高瓦斯煤層群水平井立體抽采可以作為高瓦斯突出礦井區(qū)域瓦斯治理的新方法，在同類礦井均可以應(yīng)用。應(yīng)用多分支水平井井下對接技術(shù)，噸煤瓦斯治理成本低、投資少、施工周期短，瓦斯抽采濃度高，可以實現(xiàn)瓦斯超前治理，形成礦井立體抽采的新格局，進一步完善瓦斯區(qū)域治理方法，為煤礦安全生產(chǎn)提供有力保障。