采空區瓦斯地面定向鉆井抽采效果分析

郭向前，李 超，，張 奡，胡勝勇，劉應科，康建宏

(1.晉煤集團煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000；3.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；4.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是全世界最主要的能源之一，且長期占我國主要能源生產量和消耗量的70%以上[1]。我國90%以上煤礦的開采方式為地下井工開采，其中高瓦斯礦約占礦井總數的51%[2，3]。煤炭開采過程中瓦斯的大量涌出嚴重威脅了井下工作面生產安全，瓦斯氣體直接排放的空氣中還會造成溫室效應、環境污染和能源的浪費[4]。地面定向鉆井是一種新型高效的地面瓦斯抽采技術，能在工作面整個回采過程中有效抽采采空區瓦斯。可有效降低工作面瓦斯超限的威脅，并獲得濃度較高、可直接利用的瓦斯資源。

工作面回采過程中，不斷演化的采動裂隙場是采空區瓦斯滲流及賦存的基本條件，國內外學者針對采動裂隙場的演化、分布特征及其瓦斯運移開展了大量研究。劉天泉、錢鳴高、宋振騏[5-8]提出了采動影響下，上覆巖層移動的“橫三區”和“豎三帶”的理論。錢鳴高等[9]通過采用模型試驗、圖像分析、離散元模擬等方法，提出了長壁工作面上覆巖層的“O”形圈理論。李樹剛等[10]通過采用物理相似模擬及數值模擬試驗，提出了采動裂隙場的橢拋帶及其瓦斯升浮-擴散-滲流綜合控制模型。Palchik[11]研究了采動裂隙場的分布特征。袁亮等[12，13]運用數值計算等方法，提出了采動裂隙場內瓦斯運移的高位裂隙環形體模型。Yang等[14]采用相似模擬等方法，提出了覆巖采動裂隙的“∩”型高帽狀特征。Wang等[15，16]利用數值模擬軟件，研究了采動裂隙場演化及其瓦斯運移特征。上述研究為采空區裂隙場分布及其瓦斯滲流奠定了一定的理論基礎，但仍難以運用于現場實踐。本文通過研究地面定向鉆井不同井位層位的瓦斯抽采效果，進一步研究了采動影響下采空區瓦斯滲流及其分布特征，對采空區瓦斯高效抽采具有指導意義。

1 礦井概況

寺河礦為高瓦斯礦井，該礦井田南北走向長約12km，東西傾斜寬約23km，面積約為230km2，煤炭儲量約15億t。全井田可采煤層共3層：3#、9#和15#煤層。其中主采煤層3#煤平均厚度為6.31m，可采儲量2.1億t。3#煤層的頂底板多為粉砂巖，少數為砂質泥巖或細砂巖。寺河礦3313工作面開采煤層為3#煤層，埋深約416m，煤層平均厚度為6.1m。工作面走向長度為1281.5m，傾向長度為301.5m。

2 地面定向鉆井布置

地面定向鉆井位于3313工作面，該地面定向鉆井豎直軌跡如圖1所示。由圖1可知，地面定向鉆井包括豎直段、彎曲段和水平段，選取其水平段作為考察段。地面定向鉆井水平段位于煤層以上且長805m，其終點距工作面開切眼約138m。地面定向鉆井的水平軌跡與工作面回風巷交叉，以考察不同的層位的抽采效果，其豎直軌跡傾斜向下，以考察不同的井位的抽采效果。水平段在水平方向上與回風巷的距離為13.5～48.7m，其在豎直方向上與煤層的距離為10.6～55.6m。

3 抽采效果分析

3.1 瓦斯富集區分布

目前采空區地面垂直鉆井井位一般布置在與回風巷水平投影距離為20～70m范圍的“O”形圈內，層位一般布置在煤層上方的裂隙帶內。采空區內的瓦斯由于工作面后方上覆巖層的應力恢復和裂隙逐漸閉合而不能快速且大量地流入裂隙區域的頂部，大多數瓦斯會流入受采動影響而發育的裂隙中。因此，富集區可能存在于一個范圍更小的區域內。

當工作面推過地面定向鉆井終點約390m時，鉆井開始抽采瓦斯。整個抽采期間瓦斯純量和濃度變化如圖2所示。由圖2可知，當工作面推進到距開切眼約390m至600m時，瓦斯流量從1174m3/h急劇下降至476m3/h，瓦斯濃度則從90%下降至72%，平均瓦斯流量和濃度分別為906m3/h和74%。當工作面從距切眼約600m推進至810m時，考察井抽出的瓦斯濃度和流量最高，瓦斯流量和濃度分別從1285m3/h和85%下降至973m3/h和75%，平均瓦斯流量和濃度分別為1135m3/h和75.5%。當工作面推進到約810m至1046m的范圍內時，整體瓦斯流量和濃度均最低，瓦斯流量和濃度整體呈現劇烈波動且平均分別僅為710m3/h和54.5%。因此，將具有最高瓦斯濃度和流量的井位和層位所對應的區域稱為富集區。

圖2 工作面推進過程中瓦斯純量和濃度變化

富集區在上覆巖層中的具體位置可結合工作面推進距離和地面定向鉆井軌跡在上覆巖層中的位置來精準確定。通過工作面推進距離與地面定向鉆井軌跡的對應關系可得：富集區的水平邊界范圍為距回風巷42～54m，豎直邊界范圍為煤層以上距煤層35.3～47.3m。

此外，該礦采空區上覆巖層垮落帶和裂隙帶的高度可分別用經驗公式(1)和(2)計算[17]：

(1)

(2)

式中，Hc和Hf分別為垮落帶和裂隙帶高度，m；M為開采煤層的厚度，m。

通過式(1)和式(2)可得，垮落帶和裂隙帶的高度范圍分別為22.9～32.3m和60.6～83.6m，富集區層位位于裂隙帶下部。基于此，將地面定向鉆井的水平段或地面垂直鉆井的底部布置在水平方向上距回風巷42～54m、豎直方向位于裂隙帶下部，可獲得最高的瓦斯抽采效果。

3.2 上隅角瓦斯濃度變化

工作面上隅角瓦斯濃度變化如圖3所示。由圖3可知，地面定向鉆井抽采前，上隅角平均瓦斯濃度為1.06%。抽采后，上隅角平均瓦斯濃度降至0.60%。當抽采富集區內的瓦斯時，工作面上隅角瓦斯平均濃度最低(僅為0.50%)，與上述富集區瓦斯抽采效果相吻合。當抽采富集區的瓦斯時，抽采效率最高，工作面瓦斯濃度明顯降低。

圖3 工作面推進過程中上隅角瓦斯濃度變化

4 結 論

通過監測并分析回采過程中地面定向鉆井抽采采空區瓦斯的濃度和純流量隨工作面推進距離的變化，研究了采空區瓦斯地面定向鉆井抽采效果。研究得到以下結論：

1)隨采煤工作面推進，采空區上覆巖層內存在瓦斯富集區，富集區內的平均瓦斯流量和濃度最高，分別為1135m3/h和75.5%。

2)地面定向鉆井抽采后，上隅角平均瓦斯濃度由抽采前的1.06%急劇降低至抽采后的0.60%。當抽采富集區內的瓦斯時，上隅角平均瓦斯濃度最低，僅為0.50%。

3)富集區的水平邊界范圍為距回風巷42～54m，豎直邊界范圍為煤層以上距煤層35.3～47.3m。將地面定向鉆井的水平段或地面垂直鉆井的底部布置在水平方向上距回風巷42～54m、豎直方向位于裂隙帶下部，可獲得較高的瓦斯抽采效果。