特厚煤層綜放開采瓦斯運(yùn)儲區(qū)演化及定向鉆孔抽采技術(shù)

張文琦，張興文，孫劉詠，魏宗勇,3，雙海清,3，徐培耘，林海飛,3

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司，陜西 蒲城 715517；3.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

高瓦斯特厚煤層由于其瓦斯賦存量大，在回采過程中瓦斯易超限，尤其是上隅角區(qū)域瓦斯積聚頻繁發(fā)生，時常造成停工停產(chǎn)，更嚴(yán)重的還可能引發(fā)瓦斯爆炸等事故，給煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來極大的壓力[1]。定向長鉆孔技術(shù)因其在較長的生產(chǎn)周期內(nèi)可持續(xù)抽采瓦斯，因而成為目前礦井卸壓瓦斯防治的主要手段[2]。

煤層開采后，上覆巖層移動形成的裂隙場為卸壓瓦斯運(yùn)移提供了良好的通道，專家學(xué)者們對此進(jìn)行了大量研究。周宏偉[3]、栗東平[4]、馮錦艷[5]等利用分形維數(shù)和逾滲概率實現(xiàn)了對覆巖裂隙的定量表征；畢慧杰[6]、武旭東[7]等通過建立CFD數(shù)值模型研究了鉆孔布置層位對工作面瓦斯的控制效果；張勇等[8]研究了急傾斜綜放工作面上覆巖層的裂隙分布規(guī)律，將裂隙分為瓦斯孤立通道區(qū)、瓦斯過渡通道區(qū)和瓦斯網(wǎng)絡(luò)通道區(qū)；白建平等[9]通過相似模擬和數(shù)值模擬的手段發(fā)現(xiàn)裂隙帶呈三維環(huán)狀分布；李樹剛等[10]通過數(shù)值模擬和理論分析研究了傾斜煤層導(dǎo)流鉆孔的布置層位并對鉆孔的抽采情況進(jìn)行了具體分析；劉秀保等[11]提出“斷裂帶抽采為主、垮落帶抽采為輔”的分源抽采理念，并在馬堡礦成功應(yīng)用；張曉磊[12]、王小朋[13]、WANG W[14]、王勇[15]等根據(jù)頂板裂隙的發(fā)育規(guī)律，優(yōu)化了高位鉆孔的抽采位置。

上述針對覆巖裂隙演化和采空區(qū)瓦斯防治的研究已經(jīng)形成了豐碩的成果。筆者在已有研究的基礎(chǔ)上，通過物理相似模擬實驗，研究黃陵建新煤礦4203工作面采空區(qū)裂隙演化規(guī)律，利用二維核密度估計方法研究瓦斯運(yùn)移通道分布規(guī)律，得到了抽采鉆孔的合理布置層位，并在現(xiàn)場試驗工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗，獲得了良好的抽采效果。研究結(jié)果可為高瓦斯特厚煤層卸壓瓦斯靶向治理工程提供參考。

1 物理相似模擬實驗方案

1.1 工程概況

黃陵建新煤礦為高瓦斯礦井，4203綜放工作面位于42盤區(qū)西翼。該工作面開采4-2煤層，煤層賦存平緩，平均煤厚8.0 m，傾角為3°，采用走向長壁后退式綜采放頂煤回采工藝、全部垮落法控制頂板，割煤高度3.2 m，放煤高度4.8 m，采放比為1∶1.5。工作面設(shè)計走向長度3 013.0 m，傾向?qū)挾?14.5 m，底板標(biāo)高780～840 m。

由于4-2煤層采用放煤工藝，平均瓦斯含量為5.58 m3/t，受升浮效應(yīng)、遺煤和鄰近層卸壓等多方面因素影響，大量瓦斯在采后空間聚集，經(jīng)現(xiàn)場勘察，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總涌出量的40.8%，給安全回采帶來了極大風(fēng)險。

1.2 實驗方案

根據(jù)黃陵建新煤礦4203工作面巖層綜合柱狀圖，采用采動覆巖裂隙演化二維物理相似模擬平臺設(shè)計實驗，沿煤層走向搭建長、寬、高分別為2.0、0.2、1.1 m的模型，如圖1所示。模型材料采用河砂作為骨料，石膏及大白粉作為膠合劑。工作面巖石物理力學(xué)參數(shù)及其分布見表1～2。

圖1 物理相似模擬實驗裝置

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

表2 物理相似模擬模型巖層分布及其厚度

根據(jù)相似原理，模型幾何相似常數(shù)αl=1∶200，容重相似常數(shù)αγ=1∶1.5，應(yīng)力相似常數(shù)ασ=1∶300，時間相似常數(shù)αt=1∶14，未模擬巖層通過施加配重方式實現(xiàn)。待模型自然風(fēng)干后在表面刷白，以便觀察裂隙。

為避免邊界效應(yīng)的影響，模型兩邊各留設(shè)20 cm寬的煤柱，隨后開挖，并進(jìn)行拍照和測量，同時記錄巖層位移、裂隙產(chǎn)生和分布情況。在平面模型上橫縱兩個方向每隔10 cm布置1條測線，從上至下、從左至右測線編號分別為1#～10#，測線的交點即為測點。

2 瓦斯運(yùn)儲區(qū)演化規(guī)律

2.1 覆巖采動裂隙演化規(guī)律

煤層開挖過程中采場上覆巖層移動情況如圖2所示。

(a)工作面推進(jìn)至68 m (b)工作面推進(jìn)至138 m (c)工作面推進(jìn)至166 m

(d)工作面推進(jìn)至218 m (e)工作面推進(jìn)至268 m (f)工作面推進(jìn)至314 m

工作面推進(jìn)至38 m時直接頂垮落，且4-1煤層上部產(chǎn)生細(xì)小的離層裂隙；推進(jìn)至48 m時，出現(xiàn)初次來壓，垮落高度距煤層底板15 m；推進(jìn)至68 m時，發(fā)生第1次周期來壓，來壓步距為20 m，垮落高度為24 m；隨后，當(dāng)工作面每推進(jìn)20～30 m，就會出現(xiàn)一次周期來壓，裂隙高度隨即有明顯升高；直至推進(jìn)至314 m時，出現(xiàn)第11次周期來壓，上覆巖層裂隙發(fā)育趨于穩(wěn)定，實驗結(jié)束。

經(jīng)測算，平均周期來壓步距為24.2 m，開切眼側(cè)垮落角為56°，工作面?zhèn)瓤迓浣窃?4°～64°內(nèi)變化，如圖3所示。

圖3 不同推進(jìn)距離下垮落角

從圖2～3可知，模型38 m以下部位覆巖垮落形態(tài)表現(xiàn)為明顯的無序狀態(tài)，而在158 m以上部位的巖層出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。根據(jù)測點的垂直位移及裂隙特征分析可得垮落帶高度為38 m，裂隙帶高度為158 m，垮采比為4.75，裂采比為19.75。

已有文獻(xiàn)[16]研究顯示，垮落帶可進(jìn)一步被劃分為規(guī)則垮落帶和不規(guī)則垮落帶，其中規(guī)則垮落帶對采空區(qū)瓦斯抽采有重要意義[17]。由于直接頂無法完整填充回采區(qū)域，不規(guī)則垮落帶中的巖層碎脹最明顯，其高度計算公式如下：

H=Kpl∑h1

(1)

式中：H為不規(guī)則垮落帶高度，m；Kpl為煤層直接頂碎脹系數(shù)，一般為1.1～1.4;∑h1為下位直接頂厚度,m。

Kpl取1.3，∑h1取7.2 m,計算得到該工作面不規(guī)則垮落帶高度為9.4 m，規(guī)則垮落帶位于距煤層頂板高9.4～38.0 m區(qū)域。

第2測線與第8測線之間的離層量如圖4所示。由圖4可見：開采初期離層量呈現(xiàn)單峰形態(tài);隨著工作面的推進(jìn)，離層量逐漸轉(zhuǎn)化為雙峰形態(tài)，雙峰主要存在于采場的兩端，即100～150 m和250～300 m區(qū)域。雙峰的中部有較大范圍的平緩區(qū)，此處離層量與其他區(qū)域相比較小。該現(xiàn)象說明采空區(qū)離層裂隙的分布隨著工作面的推進(jìn)逐漸從中部集中變?yōu)橄騼啥思小?/p>

圖4 不同推進(jìn)距離下離層量分布情況

圖4中，開切眼一側(cè)的峰值大于工作面?zhèn)鹊姆逯担尸F(xiàn)出左高右低的形態(tài)。這是由于開切眼側(cè)開采時間較長，裂隙發(fā)育充分，離層分布明顯,而在工作面一側(cè)，由于距開采時間較短，裂隙發(fā)育較開切眼側(cè)滯后。

2.2 瓦斯運(yùn)儲區(qū)演化形態(tài)

由于從相似模擬中得到的裂隙數(shù)據(jù)難以用直觀的公式進(jìn)行歸納，且傳統(tǒng)分析方法無法從二維角度對覆巖裂隙進(jìn)行整體分析，故引入核密度估計(KDE)方法。

核密度估計是統(tǒng)計學(xué)中的一種非參數(shù)檢驗的方法，該方法因無須提前假設(shè)數(shù)據(jù)集密度函數(shù)的形式而可以較為方便、準(zhǔn)確地評估數(shù)據(jù)[18]。該方法將每個數(shù)據(jù)點作為中心，通過計算一定觀測范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的密度來分析數(shù)據(jù)的分布態(tài)勢(距中心點較近的數(shù)據(jù)被賦予較高的權(quán)重，距中心點較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)則被賦予較低的權(quán)重)，計算得到的密度值為區(qū)域內(nèi)各點的加權(quán)平均值[19]。二維核密度估計如圖5所示。

圖5 二維核密度估計示意圖

二維核密度估計方法計算公式如下[20]：

(2)

式中：f為二維核密度；n為確定范圍內(nèi)點的個數(shù)；ωx和ωy為帶寬值；(x-Xi)2和(y-Yi)2為被估計點和點i中x與y向量的差值平方。

首先，將裂隙照片進(jìn)行二值化處理，獲得對比度較高、裂隙明顯的圖片；然后，利用Origin軟件將圖片進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，將裂隙線條轉(zhuǎn)換為點，獲得點的具體坐標(biāo)并進(jìn)行二維核密度計算，所得到的二維核密度估計情況如圖6所示。

(a)工作面推進(jìn)至68 m (b)工作面推進(jìn)至138 m (c)工作面推進(jìn)至166 m

(d)工作面推進(jìn)至218 m (e)工作面推進(jìn)至268 m (f)工作面推進(jìn)至314 m

由圖6可見：

1)在推進(jìn)距離較小的情況下，核密度圖為拱形，采場上方20 m處核密度估計值最大，該處離層裂隙發(fā)育密集，此時,瓦斯主要儲集于采場上部大范圍的離層空間內(nèi)。隨著工作面向前推進(jìn)，瓦斯運(yùn)儲區(qū)向上方及右方擴(kuò)展，此時，原來的離層空間被壓實，核密度估計值變小，新的離層空間出現(xiàn)在更高的層位。

2)當(dāng)推進(jìn)至138 m時，核密度估計圖呈梯形分布，其中深色區(qū)域出現(xiàn)在工作面及開切眼上方和梯形上方的大范圍離層內(nèi)。而巖層之間的破斷裂隙溝通了主要離層空間，便于瓦斯氣體在采空區(qū)內(nèi)運(yùn)移和儲集。

3)隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，梯形的下底形成了厚度較為均一的色帶，說明該處存在大量的裂隙且大部分位于在垮落帶內(nèi)。而在運(yùn)儲空間內(nèi)部，由于巖層被壓實，該處裂隙分布較少，故在核密度圖中呈現(xiàn)出一個面積較大的空洞區(qū)。

綜上可知，瓦斯運(yùn)儲區(qū)在推進(jìn)過程中不斷發(fā)育并逐漸穩(wěn)定，形態(tài)最終保持為上底短、下底長的梯形。在不同推進(jìn)距離下的核密度估計圖中，開切眼與工作面上方總保持著一個核密度估計值最大的區(qū)域，該區(qū)域裂隙密集，為瓦斯的運(yùn)移和富集提供了良好條件。

2.3 卸壓瓦斯高效抽采區(qū)確定

以工作面裂隙發(fā)育穩(wěn)定時的狀態(tài)為例，對推進(jìn)至314 m時的核密度估計結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)過圖像數(shù)字化處理共得到919個數(shù)值點。

用自然裂點分級(NBC)方法將所有的點進(jìn)行分級，使各組組內(nèi)差異最小、組間差異最大。該方法的計算公式如下[21]：

(3)

該方法可用R(方差擬合)值評價分組效果，R值越接近于1則表示分組程度越好，越接近于0則分組程度越差。R的計算公式如下：

(4)

通過計算分組，將所有數(shù)據(jù)點分為3個等級，其R值為0.85，得到了較好的擬合結(jié)果。核密度估值計算及分級結(jié)果見表3。

表3 核密度估計值分級結(jié)果

通過對比，核密度估計圖分級如下：

1)梯形的中部區(qū)域內(nèi)存在大片的空洞區(qū)及Ⅰ級區(qū)，核密度估計值在整個圖形內(nèi)最小。而在梯形下部，存在Ⅰ級和Ⅱ級區(qū)域，且Ⅱ級區(qū)域分布呈現(xiàn)出明顯的周期性特征。

2)梯形兩腰有明顯的深色帶，主要為Ⅱ級和Ⅲ級區(qū)域，說明該處存在大量的破斷裂隙與離層裂隙。但在梯形兩腰對比中發(fā)現(xiàn)，左側(cè)核密度估計值大多分布在Ⅱ級區(qū)域，右側(cè)上部出現(xiàn)了少部分Ⅰ級區(qū)域，這一現(xiàn)象與離層量的統(tǒng)計過程中出現(xiàn)的“左高右低”結(jié)果相一致。

3)與此同時，在開切眼及工作面上方距煤層底板10～40 m區(qū)域集中出現(xiàn)了Ⅲ級區(qū)域，該區(qū)域由于存在較大離層空間且破斷裂隙豐富，核密度估計值較大，此區(qū)域?qū)游慌c上述分析中的“規(guī)則垮落帶”區(qū)域重合。

根據(jù)核密度估計分級結(jié)果，可將運(yùn)儲區(qū)抽象為如圖7所示的圖形。而在規(guī)則垮落帶處，由于裂隙豐富且受工作面風(fēng)流影響減弱，瓦斯可在該區(qū)域形成一個臨時的儲集空間。

β—相似模擬實驗中測量得到的垮落角；l—運(yùn)儲區(qū)的寬度；h—運(yùn)儲區(qū)的垂高。

設(shè)計鉆孔時不僅要考慮抽采高濃度瓦斯，提高瓦斯抽采率，也要加強(qiáng)對上隅角瓦斯?jié)舛鹊目刂啤Ｔ趯嶋H現(xiàn)場，對于特厚煤層，鉆孔層位過高會對上隅角的控制稍顯不足。

通過以上分析，將鉆孔布置在瓦斯臨時儲集區(qū)內(nèi)，該區(qū)域可作為鉆孔布置的優(yōu)選層位，如圖8所示。具體位置為距煤層頂板高10～40 m，距回風(fēng)巷5～40 m。

圖8 瓦斯抽采優(yōu)選層位

3 定向鉆孔抽采實踐

3.1 鉆孔設(shè)計與施工

在優(yōu)選的抽采層位布置定向長鉆孔，每組鉆孔共4個，具體設(shè)計參數(shù)如表4所示。

表4 鉆孔設(shè)計參數(shù)

在回風(fēng)巷一鉆場組織施工，鉆孔直徑為120 mm。由于3#及4#鉆孔在施工過程中遇到斷層，塌孔嚴(yán)重，未能施工成功，故最終只成功施工2個鉆孔，其主要施工參數(shù)如表5所示,施工軌跡見圖9。

表5 鉆孔實際施工參數(shù)

圖9 鉆孔施工軌跡

3.2 定向鉆孔瓦斯抽采效果

鉆孔施工完成后，1#與2#鉆孔分別在距工作面329、311 m時開始抽采，抽采負(fù)壓10 kPa。該鉆場在距工作面72 m時停止抽采。鉆孔每日抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)及抽采瓦斯流量見圖10、圖11。

圖10 定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?/p>

圖11 定向鉆孔抽采瓦斯流量

由圖10可知，1#鉆孔在較短時間內(nèi)抽采獲得了高濃度的瓦斯氣體，最大抽采瓦斯?jié)舛葹?4.6%。這是該鉆孔最先接入抽采管路，布置層位又恰好處于卸壓區(qū)域，一開始就抽采得到了高濃度瓦斯。隨著2#鉆孔接入抽采系統(tǒng)，1#鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯下降。隨后，當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔爬坡階段，抽采層位逐漸降低，該鉆孔抽采瓦斯?jié)舛冗M(jìn)一步下降。

2#鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛茸兓尸F(xiàn)出由低到高再降低的過程。該鉆孔由于施工距離較短，前期裂隙未發(fā)育至此，故抽采瓦斯?jié)舛容^低。當(dāng)距工作面266 m時，進(jìn)入裂隙區(qū)，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到10%。隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔瓦斯?jié)舛戎饾u升高，在距工作面213 m 時達(dá)到最高，瓦斯?jié)舛葹?6.8%。當(dāng)鉆場距工作面162 m時，抽采瓦斯?jié)舛冉档椭?5.0%左右，隨后進(jìn)入低濃度階段。該鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了25.6%，最高濃度為86.8%。

由圖11可知，1#鉆孔抽采瓦斯流量保持在6.0～12.0 m3/min，平均流量為8.6 m3/min。1#鉆孔由于位于規(guī)則垮落帶，氣體流動性較強(qiáng)，抽采流量穩(wěn)定。2#鉆孔隨著鉆場與工作面不斷靠近，抽采瓦斯流量逐漸變大，最大值為11.0 m3/min，平均為7.8 m3/min。

對鉆孔及鉆場抽采瓦斯總量進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計，結(jié)果如圖12所示。

圖12 抽采瓦斯量監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果

由圖12可見，在37 d抽采周期內(nèi)，共抽得瓦斯224 960 m3，2個鉆孔分別抽得162 406、62 554 m3。瓦斯抽采量呈現(xiàn)有效抽采和抽采衰竭2個階段:有效抽采階段內(nèi),抽采瓦斯?jié)舛容^高、抽采瓦斯量較大，最高日抽采量達(dá)到了12 597 m3;而在抽采衰竭階段，鉆孔內(nèi)混入了大量從工作面進(jìn)入的新鮮氣流，抽采量出現(xiàn)下降。為保證瓦斯防治效果，需配合下一鉆場的搭接以提高抽采量。

對4203工作面上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，在未布置定向長鉆孔前，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.46%以上;布置定向長鉆孔并且所有鉆孔均正常抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛让黠@下降,至停抽時，僅有4 d超過0.40%，其中最大為0.44%，尤其在抽采中后期，上隅角瓦斯?jié)舛任闯^0.35%。試驗期間，上隅角未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，保障了工作面的生產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

1)黃陵建新煤礦4203試驗工作面初次來壓步距為48.0 m，平均周期來壓步距為24.2 m，開切眼側(cè)垮落角為56°，工作面垮落角為54°～64°。不規(guī)則垮落帶高度為9.4 m，規(guī)則垮落帶高度為38.0 m，裂隙帶高度為158.0 m，垮采比為4.75，裂采比為19.75，整體離層量呈開切眼側(cè)高、工作面?zhèn)鹊偷膬煞逍螒B(tài)。

2)利用二維核密度估計和自然裂點法研究了采空區(qū)瓦斯運(yùn)儲區(qū)分布情況，工作面上方瓦斯運(yùn)儲區(qū)呈動態(tài)的梯形分布，規(guī)則垮落帶處存在瓦斯臨時儲集空間，該區(qū)域為試驗工作面的最優(yōu)抽采層位，具體位置為距煤層頂板高10～40 m，距回風(fēng)巷內(nèi)5～40 m。

3)在試驗工作面布置2個定向長鉆孔，在整個抽采周期內(nèi)，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到了86.8%，平均值為25.6%，平均抽采瓦斯流量為8.6 m3/min，共抽得瓦斯224 960 m3，上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯下降，最大為0.44%，保障了回采工作面的安全高效生產(chǎn)。