近距離煤層群覆巖裂隙帶瓦斯治理措施優(yōu)化及效果分析

李德慧

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012;2.晉能控股裝備制造集團有限公司,山西 晉城 048000;3.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司,山西 太原 030031)

煤層群賦存是我國煤田地質(zhì)的普遍現(xiàn)狀,近距離煤層群開采時,受采動卸壓影響,鄰近煤層內(nèi)的卸壓瓦斯涌入到綜采工作面,給礦井通風(fēng)和瓦斯抽采帶來顯著壓力,嚴(yán)重制約礦井安全高效生產(chǎn)[1-2]。近年來,淺部煤層資源枯竭,礦井開采的深度逐年增加,近距離煤層群卸壓瓦斯治理需求愈發(fā)迫切[3-4]。

國內(nèi)學(xué)者針對我國煤層及瓦斯賦存特點,相應(yīng)地開展了煤層群開采卸壓理論及卸壓瓦斯運移規(guī)律方面的大量研究。張禮[5]根據(jù)采動卸壓后圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律及應(yīng)力變化特征,將采動卸壓的圍巖劃分為“五帶五區(qū)”。盧平等[6]以理論研究為基礎(chǔ),結(jié)合模型試驗,揭示了煤層群采動卸壓后,采動影響區(qū)內(nèi)頂、底板巖層裂隙的時空演化特征和卸壓瓦斯的運移規(guī)律,唐建華等[7]采用相似材料模擬與現(xiàn)場試驗相互結(jié)合的方法,研究了近距離煤層群采動卸壓后的圍巖應(yīng)力-裂隙演化特征規(guī)律。

前人的研究多集中在煤層群采動卸壓下的裂隙發(fā)育特征及瓦斯運移規(guī)律方面的研究,而對煤層群采動卸壓瓦斯在覆巖裂隙帶的積聚規(guī)律和現(xiàn)場優(yōu)化改造措施方面的研究較少。為解決井下工作面空間狹小,工作面回采過程中上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高,礦井安全生產(chǎn)能力受限問題,筆者基于屯蘭礦的煤層群賦存特征,采用同位素測定技術(shù)分析了煤層群采動卸壓瓦斯向覆巖裂隙帶運移的規(guī)律,并針對綜采工作面12507Ⅰ的上隅角瓦斯治理難題,提出采用地面L型鉆孔抽采覆巖裂隙帶瓦斯,以優(yōu)化高位走向鉆孔抽采覆巖裂隙帶瓦斯的整理方案,為近距離煤層群卸壓瓦斯治理提供經(jīng)驗借鑒。

1 工作面概況

西山煤電屯蘭礦為典型的近距離煤層群開采的煤與瓦斯突出礦井,礦井工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高全垮落的綜合機械化采煤方法。礦井先采山西組的2+3號煤層,后采太原組的8+9號煤層。上下兩層主采煤層的鄰近煤層均為突出煤層,屬近距離煤層群開采,如圖1所示。

圖1 屯蘭礦12507工作面綜合柱狀圖

屯蘭礦12507綜采工作面走向長1 644 m,傾向長220 m,受斷層影響,將工作面分為長533 m的12507Ⅰ和770 m 的12507Ⅱ兩個綜采工作面,兩工作面間設(shè)置長232 m的煤柱,12507綜采工作面采用2+3號煤層合采,采高4.57 m.12507綜采工作面井下位于南五盤區(qū)左翼,東鄰12505工作面(已形成回采工作面),西為南五盤區(qū)左翼未布置工作面,南鄰富開洗煤廠保護煤柱,北鄰南五盤區(qū)大巷。工作面采用U型通風(fēng)的軌道巷進(jìn)風(fēng),膠帶巷回風(fēng),12507工作面2號煤原始瓦斯含量:7.91～13.94 m3/t,原始瓦斯壓力:0.64～2.84 MPa.12507綜采工作面采用以孔代巷技術(shù)治理覆巖裂隙帶瓦斯。

2 覆裂隙帶瓦斯來源

2.1 近距離煤層群采動卸壓瓦斯運移特征

工作面回采導(dǎo)致圍巖卸壓實現(xiàn)增透,巖層間滲透性得到提高;巖層卸壓將使鄰近層吸附態(tài)瓦斯解吸。根據(jù)采動卸壓后圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律及應(yīng)力變化特征,將采動卸壓的圍巖劃分為“五帶五區(qū)”,如圖2所示。

圖2 采動卸壓分區(qū)分帶示意

垂向自上而下分為彎曲下沉帶、裂隙帶、垮落帶、底鼓裂隙帶、底鼓變形帶。水平向分為原始應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中減透減流區(qū)、初始卸壓增透增流區(qū)、卸壓充分高透高流區(qū)、地壓恢復(fù)減透減流區(qū)[5]。圍巖采動卸壓后產(chǎn)生的大量裂隙與工作面形成導(dǎo)通的裂隙網(wǎng)絡(luò),本煤層及鄰近層瓦斯卸壓、解吸、滲流和擴散,在升浮作用和滲流作用驅(qū)動下沿裂隙網(wǎng)絡(luò)在覆巖裂隙帶內(nèi)形成高濃度的瓦斯積聚。積聚的卸壓瓦斯可通過裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入采空區(qū),故采空區(qū)裂隙帶瓦斯高效抽采是降低上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限的根本方法[8-9]。

2.2 覆巖裂隙帶瓦斯來源的時空演化規(guī)律

煤巖層瓦斯賦存狀態(tài)和工作面開采技術(shù)是采動覆巖裂隙帶瓦斯來源的決定因素,綜放開采形成的采動裂隙帶積聚瓦斯主要來自工作面的煤巖和鄰近煤巖層[10]。通過同位素δ(13C/12C)測定值對煤層群卸壓瓦斯來源的分析是較可靠的分源預(yù)測手段[11]。

屯蘭礦2+3號煤回采過程中下伏煤巖體發(fā)生卸壓,卸壓至工作面的瓦斯主要來源于02號、2號和4號煤層。通過收集工作面不同回采距離時上隅角瓦斯進(jìn)行穩(wěn)定同位素的精確測定,分析下伏煤巖體采動卸壓瓦斯涌出特征及占比。屯蘭礦12507和12505綜采工作面相鄰,以12505綜采工作面回采過程中測定的穩(wěn)定同位素占比分析比較,不同回采距離下覆巖裂隙帶瓦斯涌入占比的動態(tài)變化規(guī)律[12]如圖3所示。

圖3 12505工作面近距離煤層群卸壓瓦斯運移規(guī)律

結(jié)合圍巖采動卸壓及瓦斯積聚理論分析,12505工作面回采過程中,垂向卸壓瓦斯涌出積聚特征:

1) 高抽巷與頂板長鉆孔抽采的瓦斯均為覆巖裂隙帶瓦斯,故兩條曲線變化趨勢相近;

2) 近距離煤層群受采動卸壓影響,鄰近煤層瓦斯向覆巖裂隙帶內(nèi)積聚,覆巖裂隙帶附近,工作面自切眼回采95 m內(nèi),02號煤卸壓瓦斯抽采占比逐漸降低,2號和4號煤層的卸壓瓦斯抽采占比逐漸升高;95 m后02、2和4號煤卸壓瓦斯抽采占比趨于穩(wěn)定,占比分別為60%、25%和10%.

3 覆巖裂隙帶瓦斯抽采

為確保12507工作面實現(xiàn)安全高效生產(chǎn),覆巖裂隙帶瓦斯抽采采取“普鉆+定向鉆”的“以孔代巷”瓦斯治理技術(shù),具體施工參數(shù)為:

普鉆:12507工作面二切眼外膠帶布置高低位鄰近層鉆孔125個,孔間距8 m,孔深100 m.

定向鉆:12507軌道回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、膠帶巷150 m,500 m處共布置3個鉆場,施工頂板走向長鉆孔。12507工作面膠帶巷道內(nèi)共設(shè)3個鉆場,每個鉆場施工4個沿膠帶巷道走向布置的頂板走向長鉆孔,位于煤層頂板以上30 m,鉆孔孔徑215 mm,孔深600 m(圖4),4個鉆孔由里向外編號依次為4號～1號,1號鉆孔內(nèi)錯膠帶巷道水平距離為17 m,各鉆孔終孔的水平間距為15 m,鉆孔垂距為12～30 m.

圖4 12507綜采工作面L型鉆孔實鉆軌跡剖面圖

根據(jù)12507工作面Ⅰ頂板走向長鉆孔鉆場瓦斯抽采參數(shù)統(tǒng)計,工作面回采過程中布置的頂板走向大孔徑長鉆孔抽采的瓦斯純量和體積分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定,在回采250～350 m范圍內(nèi)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為83.5%左右,鉆場純流量為6.7 m3/min左右,上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體在0.5%～0.9%之間,綜采工作面回采期間瓦斯治理難度大(圖5)。僅使用“普鉆+定向鉆”的“以孔代巷”瓦斯治理技術(shù)無法很好地控制上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù),急需采取其他措施以加強對覆巖裂隙帶瓦斯的抽采治理,實現(xiàn)工作面的安全、高產(chǎn)和高效。

圖5 頂板走向大孔徑長鉆孔瓦斯抽采

4 覆巖裂隙帶瓦斯抽采優(yōu)化

為解決近距離煤層群卸壓上隅角瓦斯積聚難題,提高綜采工作面安全生產(chǎn)能力,屯蘭礦通過施工地面L型鉆孔來保障井下采煤工作平穩(wěn)進(jìn)行。地面L型鉆孔是通過在礦井地面施工鉆孔,將鉆孔的水平段布置在覆巖裂隙帶內(nèi)實現(xiàn)對瓦斯的高效抽采,以減少上隅角瓦斯積聚引發(fā)的安全隱患。

4.1 地面L型鉆孔定向鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

TL-L-12507井位于南五盤區(qū)左翼12507工作面Ⅱ,2019年5月30日開鉆鉆井,歷時40 d,于2019年7月8日完井。該井完鉆井深1 117.92 m,水平段內(nèi)錯膠帶73 m布置,水平段長度737.40 m,采用裸眼完井,著陸點位于2號煤頂板上48.30 m,靶點位于2號煤頂板上38.19 m,完鉆目的層位為2號煤層頂板裂隙帶,見圖4.井身結(jié)構(gòu):Φ311.15 mm×(0～52.99)m+Φ241.3 mm×(52.99～579.78)m+Φ171.4 mm×(579.78～1 117.92)m;套管程序:Φ273.1 mm×(0～52.99) m+Φ193.7 mm×(0.00～577.87) m.

4.2 地面L型鉆孔抽采效果

統(tǒng)計12507Ⅱ綜采工作面地面L型鉆孔瓦斯抽采參數(shù),地面L型鉆孔運行期間抽采的純量與體積分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定,呈現(xiàn)先增加后減少,然后再增加的波動變化,瓦斯抽采的體積分?jǐn)?shù)為40%～67%,平均53.03%,瓦斯純量為8～12.50 m3/min,平均10.2 m3/min.地面L型鉆孔運行期間各參數(shù)雖然波動較大,但產(chǎn)氣速度與抽采體積分?jǐn)?shù)整體較好,生產(chǎn)280 d時,累積產(chǎn)量達(dá)到4 114 580 m3,見圖6.

圖6 12507Ⅱ綜采工作面L型鉆孔瓦斯抽采曲線

12507Ⅱ綜采工作面采用高位鉆孔、低位鉆孔、高位走向長鉆孔和地面L型鉆孔解決覆巖裂隙帶積聚的卸壓瓦斯。正?；夭善陂g,工作面絕對瓦斯涌出量約為56 m3/min,其中瓦斯抽采量約為48 m3/min,覆巖裂隙帶瓦斯抽采量合計26 m3/min,其中L型鉆井平均抽采量約為10.2 m3/min,占到覆巖裂隙帶瓦斯抽采總量的39.23%.綜采工作面12507Ⅱ與2507Ⅰ相比(表1),瓦斯涌出總量由48 m3/min升高至56 m3/min,但上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.41%,平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低至0.25%,保障了綜采工作面的安全高效回采。

5 結(jié) 語

1) 近距離煤層群受采動卸壓影響,鄰近煤層瓦斯向覆巖裂隙帶內(nèi)積聚。覆巖裂隙帶高度附近,工作面自切眼回采的95 m范圍內(nèi),02號煤卸壓瓦斯抽采占比逐漸降低,2號和4號煤層的卸壓瓦斯抽采占比逐漸升高,95 m后02、2和4號煤卸壓瓦斯抽采占比趨于穩(wěn)定,占比分別為60%、25%和10%.

2) 針對綜采工作面12507Ⅰ的上隅角瓦斯積聚問題,提出采用由“高位鉆孔+低位鉆孔+高位走向長鉆孔+地面L型鉆孔”組成的“以孔代巷”技術(shù)治理覆巖裂隙帶瓦斯,優(yōu)化后的覆巖裂隙帶瓦斯治理方案能夠?qū)崿F(xiàn)對上隅角瓦斯的高效治理,將上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)由0.65%降低至0.25%.12507Ⅱ綜采工作面回采過程中上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)大幅降低,試驗方案為近距離煤層群卸壓瓦斯治理提供了經(jīng)驗借鑒。

3) 地面L型鉆孔的施工,在空間和時間上保障了井下綜采工作面的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn),與井下工程不形成干擾,有助于解決上隅角瓦斯超限問題,實現(xiàn)了綜采工作面的安全高效連續(xù)生產(chǎn)。