堅硬覆巖工作面采空區(qū)近場瓦斯抽采技術(shù)研究

張浩權(quán)

(河南平寶煤業(yè)有限公司，河南 平頂山 467000)

我國井工開采的高瓦斯、突出煤層中，95%屬于深埋低透煤層，瓦斯治理成本高、難度大[1-4]。首山一礦近年來主采的己15-17煤層為平頂山礦區(qū)具有代表性的深部煤與瓦斯突出煤層[5]。首山一礦為了解決煤層開采過程中的瓦斯難題，探索出了一面多巷的瓦斯治理路線，其中利用底板巖巷施工煤層穿層預(yù)抽鉆孔，高抽巷對采空區(qū)高位卸壓瓦斯進行抽采[6-9]。但是，采空區(qū)富集的高濃度瓦斯仍然在漏風流的裹挾下經(jīng)上隅角區(qū)域匯入回風流。上隅角風流的渦流效應(yīng)導致瓦斯持續(xù)積聚，突破限定值域的頻次仍未得到消除。因此，強化采空區(qū)瓦斯治理是首山一礦創(chuàng)建安全高效采煤模式的重要課題。

國內(nèi)外致力于煤礦安全的研究人員發(fā)表了大量關(guān)于采空區(qū)瓦斯抽采的研究成果。王春光[10]通過大同礦區(qū)低瓦斯賦存特厚煤層千萬噸綜放面采放煤活動對工作面瓦斯場的影響分析，認為高強度放煤活動引發(fā)瓦斯巨量釋放，放煤瓦斯團是上隅角瓦斯高值影響因素的關(guān)鍵構(gòu)成，并提出了針對性較強的低位頂板瓦斯巷抽采技術(shù)。孫珍平[11]在對采空區(qū)裂隙場特征與瓦斯富集特性的研究中發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)高位裂隙是高濃度瓦斯富集的關(guān)鍵區(qū)域，并提出了基于地面“L”型鉆井的大采高綜放工作面采空區(qū)遠場瓦斯抽采技術(shù)。杜春寧[12]通過對工作面瓦斯可視化重構(gòu)的研究，認為改變采空區(qū)瓦斯流場是改變采面瓦斯治理瓶頸的主要途徑，提出了低位長鉆孔抽采技術(shù)，研究其在不同布置參數(shù)和抽采參數(shù)下的抽采響應(yīng)特征。上述研究成果對煤礦瓦斯精準治理奠定了一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備，有利于煤炭行業(yè)科技人員的深化學習和借鑒。本文運用采空區(qū)裂隙“O”型圈理論，研究了基于低位頂板走向長鉆孔的堅硬覆巖工作面采空區(qū)近場瓦斯抽采技術(shù)。

1 工作面概況

首山一礦12110工作面開采煤層為己15煤層和己16-17的合層(己15-17煤層)。合層煤厚5.3m，傾角較為穩(wěn)定，平均為10°。煤層頂板覆巖巖性自下而上分布為：泥巖、大占砂巖(Sd)、泥巖和香炭砂巖(Sx)。工作面采用“一高、兩低、兩煤巷”的巷道布置模式：“一高”是指高抽巷，沿香炭砂巖(Sx)中部布置，巷道底板距煤層頂板23m；“兩低”是指機巷抽放巷和中間抽放巷，巷道底板距煤層底板12m；“兩煤巷”是指風巷和機巷，沿煤層頂板掘進。巷道布置如圖1所示。

圖1 12110工作面巷道布置

2 近場瓦斯抽采機理

2.1 采空區(qū)近場瓦斯庫的定義

根據(jù)12110工作面煤層的地質(zhì)鉆孔情況，工作面的老頂由12.4m厚的大占砂巖(Sd)和15.9m厚的香炭砂巖(Sx)構(gòu)成，其破斷特征直接決定了工作面的周期來壓步距。大占砂巖(Sd)和香炭砂巖(Sd)的巖性均較為堅硬，當處于低位的大占砂巖(Sd)破斷后，為香炭砂巖(Sd)的運動提供空間。因此，香炭砂巖(Sd)的垮落相對滯后，形成的裂隙場距工作面相對較遠，與其上部覆巖裂隙共同構(gòu)成了采空區(qū)“遠場”裂隙。香炭砂巖(Sd)下部巖層垮落形成的裂隙構(gòu)成了采空區(qū)“近場”裂隙。本文根據(jù)采空區(qū)裂隙場與瓦斯場的耦合規(guī)律，將采空區(qū)“近場”裂隙運移的瓦斯定義為“近場”瓦斯，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)近、遠場瓦斯位置關(guān)系

2.2 近場瓦斯高效抽采區(qū)域

采空區(qū)在水平方向上不同區(qū)域的壓實程度不同，形成一個中間部分被壓實、四周相互連通的采動裂隙帶，形成采動裂隙“O”型圈的分布特征[13-15]。研究表明，“O”型圈區(qū)域為采空區(qū)瓦斯高效抽采范圍[16]。為了探討采空區(qū)近場瓦斯的高效抽采范圍，構(gòu)建采空區(qū)近場數(shù)值計算模型，根據(jù)本文對近場瓦斯的界定，結(jié)合工作面綜合地質(zhì)柱狀圖，采空區(qū)高度取25m。因此，模型尺寸：采空區(qū)走向長300m，傾向?qū)?40m，高為25m。根據(jù)工作面裂隙發(fā)育特征，“梯形臺”的卸壓角為：走向方向工作面和切眼側(cè)的卸壓角均為65°，傾向方向回風巷側(cè)和進風巷側(cè)的卸壓角分別為69°和70.5°。借鑒劉宏波[17]對采空區(qū)孔隙率分布的處理方式，構(gòu)建采空區(qū)覆巖應(yīng)力分布模型，如式(1)、式(2)。

σ0=γ·(D-z)

(1)

σ=[-0.02(x-l/2)2+a][-0.32(y-m/2)2+b]

[0.007(z-h)2+c]

(2)

式中，σ0為原巖應(yīng)力，MPa；σ為破碎巖石所承受的應(yīng)力，MPa；γ為采空區(qū)上覆巖層平均容重，取25kN/m3；D為己15-17煤層埋深，取750m；z為采空區(qū)在垂向上的高度，m；l為采空區(qū)走向長度，m；m為采空區(qū)傾向?qū)挾?，m；a、b、c為與巖性有關(guān)的待定系數(shù)，由于采空區(qū)覆巖為堅硬巖層，a、b、c分別取230、218、240。

運用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對煤層回采后采空區(qū)近場應(yīng)力和回采后采空區(qū)近場滲透率進行數(shù)值計算，如圖3所示。從圖3可以看出，當煤層開采后，采空區(qū)中央底部巖石均被壓實，應(yīng)力值最高，由中央到四周邊界應(yīng)力逐漸降低，滿足“O”型圈分布特征。采空區(qū)滲透率最小值處于中部區(qū)域的底部中心地帶，為應(yīng)力恢復、壓實的結(jié)果；最大值位于采空區(qū)四個角落，主要受煤墻的支承影響。由于采空區(qū)瓦斯?jié)B流速率與采空區(qū)滲透率呈正相關(guān)，加之漏風流的裹挾作用，近場瓦斯主要從采空區(qū)回風側(cè)匯入上隅角。因此，“O”型圈回風巷側(cè)區(qū)域是近場瓦斯高效抽采范圍。

圖3 煤層回采后采空區(qū)應(yīng)力和滲透率等值面

為了定量確定近場瓦斯高效抽采范圍，在采空區(qū)工作面?zhèn)冉厝蓚€點(20，12，8)和點(220，12，8)，兩點截線上的滲透率分布如圖4所示。從圖4可以看出，工作面傾向方向上，滲透率呈現(xiàn)出“快速減小—緩慢減小—緩慢增大—快速增大”的規(guī)律，采空區(qū)邊緣側(cè)的滲透率最大，最大為0.02m2；中部滲透率很小，說明采空區(qū)中部已壓實，裂隙不發(fā)育，壓實區(qū)域?qū)挾确秶s為180m；采空區(qū)回風巷側(cè)30m范圍內(nèi)采動裂隙發(fā)育最充分，滲透率較大，是采空區(qū)近場瓦斯的高效抽采區(qū)域。

圖4 滲透率分布曲線

3 采空區(qū)近場瓦斯抽采技術(shù)

3.1 低位頂板走向長鉆孔的布置

隨著定向鉆進技術(shù)與裝備的發(fā)展，定向長鉆孔在礦井瓦斯治理中得到了推廣應(yīng)用，其具有針對性強，有效孔段長，軌跡可控等優(yōu)點[18-20]。但是，長鉆孔在泥巖中的護孔難度較大，且由于長鉆孔施工中存在上下擺動區(qū)間。因此，大占砂巖(Sd)上中部是低位長鉆孔較為理想的施工層位，距煤層頂板12.5m。根據(jù)前文的研究結(jié)果，距采空區(qū)回風巷側(cè)30m范圍內(nèi)是近場瓦斯的高效抽采范圍。在該區(qū)域依次布置為1#—5#鉆孔，1號鉆孔距離垮落線的距離為5m，鉆孔水平距離為5m。鉆孔的孔徑均為203mm，長度為400m，如圖5所示。

圖5 低位走向長鉆孔與高抽巷位置(m)

為保證定向鉆孔的流量，定向鉆孔孔徑參數(shù)為：鉆孔鉆進孔徑為120mm，一次擴孔為153mm；二次擴孔孔徑為203mm。同時，由于鉆孔要隨煤層的起伏進行彎曲變化，要嚴格控制層位沿大占砂巖(Sd)施工，防止向上下越層。

3.2 抽采負壓的試驗確定

2#頂板低位長鉆孔于2021年8月26日進入采空區(qū)，進行聯(lián)網(wǎng)抽采試驗，抽采數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6可以看出，抽采負壓對2#孔濃度起弱化作用，對2#孔純量起強化作用。當抽采負壓為25kPa時，單孔抽采濃度維持在20%左右，純流量維持在1.75m3/min左右；當抽采負壓由25kPa逐漸下降至15kPa時，單孔抽采濃度由20%逐漸提高至60%左右，純流量從1.75m3/min下降至1.5m3/min；當抽采負壓由15kPa逐漸下降至5kPa時，單孔抽采濃度由60%逐漸提高至80%左右，純流量從1.5m3/min下降至0.6m3/min。根據(jù)2#鉆孔數(shù)據(jù)的考察結(jié)果，負壓為15kPa時，能夠綜合兼顧濃度和純量。

圖6 負壓影響下2#孔濃度和純量演化曲線

4 應(yīng)用效果

4.1 抽采數(shù)據(jù)考察

12110工作面1#—5#頂板低位長鉆孔于2021年11月25日完成施工，并于11月30日全部聯(lián)網(wǎng)抽采。為了考察低位長鉆孔的抽采效果，統(tǒng)計了1#—5#鉆孔在2021年11月30日至2021年12月31日期間的抽采數(shù)據(jù)，計算單孔混合量、純流量的平均值，計算出單孔濃度的平均值，如圖7所示。

圖7 1#—5#孔抽采數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線

從圖7可以看出，在整體上呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。1#—5#孔抽采的瓦斯總純量為8.3m3/min，其中，2#孔濃度的平均值最高，為65%，抽采純量的平均值最大，為2m3/min；5#孔抽采濃度不及2#孔的一半，僅為30%，單孔純流量同樣最低，為1.5m3/min。低位長鉆孔在整體上出現(xiàn)上述特征的主要原因為：采空區(qū)近場瓦斯在壓差的作用下向回風側(cè)運移；另外，1#鉆孔距離采空區(qū)垮落線較近，受采空區(qū)邊緣不規(guī)則垮落的影響最大。

4.2 試驗效果考察

為了考察基于低位頂板走向長鉆孔的采空區(qū)近場瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用效果，根據(jù)12110工作面回采期間采空區(qū)主要治理措施的不同，將采空區(qū)治理劃分為“高抽巷抽采”、“高抽巷+插管抽采”和“高抽巷+插管+低位頂板走向長鉆孔”等三個階段。統(tǒng)計三個階段上隅角瓦斯數(shù)據(jù)，如圖8所示，從圖8可以看出，

圖8 不同措施下上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

1)在階段1(高抽巷階段)，工作面主要采用高抽巷抽采采空區(qū)遠場裂隙富集瓦斯。上隅角風流瓦斯?jié)舛鹊木禐?.6%，高值突破安全值域上限的頻率較高。

2)在階段2(高抽巷+插管抽采階段)，工作面主要采用高抽巷抽采采空區(qū)遠場裂隙瓦斯和上隅角插管抽采采空區(qū)回風側(cè)瓦斯。上隅角風流瓦斯?jié)舛鹊木涤?.6%降至0.5%，但是瓦斯高值突破安全值域上限的頻率較高的問題仍未徹底解決。

3)在階段3(高抽巷+插管+低位長鉆孔抽-截協(xié)同階段)，工作面主要采用高抽巷抽采遠場裂隙富集瓦斯、上隅角插管抽采采空區(qū)回風側(cè)瓦斯和1#—5#長鉆孔抽采近場裂隙富集瓦斯。上隅角風流瓦斯?jié)舛鹊木涤?.5%降至0.4%，同時波動性降低，確保了工作面的安全回采。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)采空區(qū)裂隙發(fā)育特征的模擬研究，得出了采空區(qū)應(yīng)力、滲透率滿足“O”型圈分布特征，確定了采空區(qū)回風巷側(cè)30m范圍內(nèi)是采空區(qū)近場瓦斯的高效抽采區(qū)域。

2)提高低位長鉆孔的抽采負壓對鉆孔濃度起弱化作用，對鉆孔純量起強化作用。通過在12110工作面的試驗，負壓為15kPa時，低位長鉆孔的強化抽采綜合效果能夠達到最佳。鉆孔的水平位置不同時，采空區(qū)漏風流和邊緣不規(guī)則垮落對低位長鉆孔的抽采數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

3)低位頂板走向長鉆孔抽采的瓦斯總純量為8.3m3/min，在與高抽巷和上隅角插管的共同抽采下，工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀哳l率突破上限的問題得到徹底解決。