長距離定向鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)應(yīng)用研究

申利軍

(長治三元中能煤業(yè)股份有限公司,山西 長治 046000)

1 工程概況

山西省某礦3號煤層3210綜采工作面位于一水平二采區(qū),工作面走向長571 m,傾向長231 m,煤層均厚3.41 m;瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜,巷向西北0～198 m、233.3～495 m處于瓦斯突出危險區(qū),切巷向西北0～198 m、233.3～495 m也處于瓦斯突出危險區(qū),該面存在較大瓦斯異常隱患,為保障3210回風(fēng)巷掘進(jìn)期間的施工安全,進(jìn)行長距離鉆孔預(yù)抽技術(shù)的應(yīng)用研究。

2 長距離定向鉆孔關(guān)鍵參數(shù)研究分析

該礦3號煤層二采區(qū)煤層瓦斯含量較高,局部區(qū)域存在煤與瓦斯突出危險性,3210回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜,設(shè)計采用長距離定向鉆孔預(yù)抽技術(shù)進(jìn)行消突,為了使設(shè)計的預(yù)抽方案更加合理有效,借助計算機(jī)模擬軟件對瓦斯抽采過程進(jìn)行模擬研究。

2.1 建立數(shù)值模型

COMSOL是一款以有限元原理為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬軟件[1]。由于實際工程中物理場環(huán)境及各種影響因素是非常復(fù)雜的,采用有限元軟件可通過對實際情況簡化求得近似解。該軟件本身具有CAD繪圖功能,將長距離鉆孔抽采簡化為沿鉆孔徑向的二維模型,采用COMSOL-Multiphysics 軟件構(gòu)建二維幾何模型,然后進(jìn)行物理參數(shù)定義:煤層孔隙率為0.04,彈性模量為2.632×109Pa,初始瓦斯壓力1.33 MPa,煤層密度為1.35×103kg/m3,滲透率2.43×10-15m2,瓦斯動力粘度系數(shù)為1.118 7×10-5Pa·s.應(yīng)用軟件自帶的網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格單元劃分,所建模型寬20 m、高3.4 m,將長鉆孔布置在模型中央,鉆孔附近網(wǎng)格劃分密度較大,所建模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型示意

2.2 鉆孔直徑對抽采效果的影響

抽采鉆孔施工后,將破壞周圍一定范圍內(nèi)煤體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),煤體內(nèi)裂隙、裂縫發(fā)育,導(dǎo)致煤層透氣性系數(shù)增大,鉆孔直徑越大影響的范圍越大,瓦斯抽采量也增大。目前,常用的3種鉆孔直徑為65 mm、75 mm、96 mm[2],設(shè)計抽采負(fù)壓為25 kPa,抽采時間120 d.瓦斯壓力分布數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。僅抽采鉆孔直徑發(fā)生變化時,隨著鉆孔直徑的增大,抽采引起瓦斯壓力降低的范圍逐漸增大,鉆孔直徑為96 mm時,距鉆孔中心相同位置處瓦斯壓力降低幅度明顯大于75 mm和65 mm鉆孔,直徑96 mm鉆孔抽采效果最佳。

圖2 鉆孔直徑對抽采效果影響

2.3 抽采時間對抽采效果的模擬分析

對于瓦斯突出煤層而言,抽采前期瓦斯壓力大、解析快,鉆孔瓦斯流量大,隨著抽采時間的延長,瓦斯流量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系趨勢衰減,后期的抽采效果明顯降低,繼續(xù)抽采對于煤礦經(jīng)濟(jì)和采掘速度均造成不利影響。鉆孔直徑96 mm、負(fù)壓25 kPa條件下,得到瓦斯壓力分布(如圖3所示)。

圖3 不同抽采時間模擬結(jié)果

根據(jù)圖3所示結(jié)果分析可知,抽采時間對于煤層內(nèi)瓦斯壓力降低的范圍具有顯著影響。隨著抽采時間的增大,瓦斯壓力下降的范圍顯著增大,但是瓦斯壓力下降的幅度隨著與鉆孔中心距離的增大而減小,這說明距離鉆孔越近,瓦斯壓力梯度越大,瓦斯解析、抽采速度越快。參照以往研究成果,當(dāng)煤層內(nèi)瓦斯壓力下降至0.74 MPa以下,再繼續(xù)抽采下去的意義不大,因此將0.74 MPa作為有效抽采范圍的判別標(biāo)準(zhǔn)。以距離鉆孔中心5 m處的煤體為例,抽采90 d、120 d時,瓦斯壓力分別為0.783 MPa、0.731 MPa,抽采90 d時,有效抽采半徑達(dá)到5.0 m以上,繼續(xù)抽采時瓦斯壓力下降速率逐漸減小,繼續(xù)抽采的意義不大,因此抽采時間為90～120 d較為合理。

3 區(qū)域消突長鉆孔抽采瓦斯方案設(shè)計

結(jié)合前文數(shù)值模擬研究及理論分析結(jié)果,并參照類似工程地質(zhì)條件下的研究結(jié)果[2-4],負(fù)壓越大瓦斯抽采速度越快,但是同樣使鉆孔的塌孔、噴孔的可能性及成本增大,結(jié)合該礦瓦斯抽采現(xiàn)狀,設(shè)計抽采負(fù)壓為25 kPa,3210回風(fēng)巷定向鉆孔現(xiàn)場試驗采用96 mm的鉆孔,抽采時間為120 d,預(yù)計有效抽采半徑不小于5 m.本次距離定向鉆孔的目標(biāo)層位為3號煤層,為了方便向3210回風(fēng)巷施工區(qū)域進(jìn)行梳狀定向鉆孔施工,在二采區(qū)行人通道實體煤幫布置鉆場,鉆場進(jìn)深5.0 m、寬9.0 m,鉆場布置在3號煤層底板下方5～10 m,定向鉆孔開孔位于鉆場中部,鉆孔間水平間距0.8 m,共布置14個水平鉆孔,鉆場及開孔布置詳情如圖4所示。定向鉆孔采用二開式孔身結(jié)構(gòu),開孔采用直徑96 mm的鉆頭,一擴(kuò)、二擴(kuò)分布采用直徑173 mm、193 mm的鉆頭,封孔采用直徑150 mm套管、長15 m并注漿封孔,單孔設(shè)計深度 600 m,每間隔40 m左右開設(shè)一個分支孔進(jìn)入3號煤層,分支孔沿煤層鉆孔50 m,鉆孔水平段間距為10 m.

圖4 鉆孔及鉆場布置示意

4 抽采及防突效果評價

4.1 抽采效果考察

在3210回風(fēng)巷掘進(jìn)施工區(qū)域共施工14個長距離定向鉆孔,抽采期間監(jiān)測各個鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)。以6號鉆孔的瓦斯抽采濃度及純量數(shù)據(jù)為例,通過整理得到為期120 d的抽采期間隨時間的變化曲線(如圖5所示)。隨著抽采時間的延長,抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)和純量總體呈下降趨勢,瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)80%,抽采純量達(dá)到1.20 m3/min,在抽采60 d后瓦斯體積分?jǐn)?shù)和存量出現(xiàn)明顯降低,瓦斯體積分?jǐn)?shù)和純量分別降至60%、0.65 m3/min,降幅分別為25%、46%,但瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍保持在50%以上,抽采效率仍較高。

圖5 6號定向鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)及純量變化曲線

4.2 消突效果分析

根據(jù)《防突規(guī)定》:煤與瓦斯突出區(qū)域瓦斯抽采率應(yīng)大于30%,殘余瓦斯壓力需小于0.74 MPa,殘余瓦斯含量小于8 m3/t.首先通過計算瓦斯抽采率來評價消突效果,本次定向鉆孔抽采區(qū)域煤炭總儲量為2.25×105t,原始瓦斯含量12.57 m3/t,評價單元內(nèi)瓦斯總儲量為2.8125×106m3,14個定向鉆孔抽采瓦斯總量為1.645×106m3,抽采率為58.5%,理論上殘余瓦斯量為5.22 m3/t,殘余瓦斯含量和瓦斯抽采率均滿足規(guī)范要求。3210回風(fēng)巷掘進(jìn)施工期間,采用實測煤層殘余瓦斯壓力的方式來檢驗消突效果。經(jīng)過現(xiàn)場測定,鉆孔抽采區(qū)域的瓦斯壓力保持在0.35～0.65 MPa之間,瓦斯壓力均小于0.74 MPa,基本消除了煤層瓦斯突出的威脅,消突效果良好。

5 結(jié) 語

該礦3210工作面瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜,回風(fēng)巷位于煤與瓦斯突出危險區(qū)域,為保障其掘進(jìn)安全,設(shè)計采用長距離定向鉆孔進(jìn)行區(qū)域消突。通過模擬研究分析確定合理鉆孔直徑為96 mm,合理抽采負(fù)壓25 kPa,合理抽采時間120 d,結(jié)合工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件設(shè)計定向鉆孔布置方案,抽采期間,各鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本保持在50%以上,總體抽采率達(dá)到58.5%,取得理想的抽采及消突效果,保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。