工作面卸壓區瓦斯地面鉆井抽采技術研究

李會金

（晉能控股煤業集團海天煤業，山西 晉城 048006）

引言

煤炭開采的擾動會破壞煤層中瓦斯的吸附平衡，煤炭破碎將產生數量眾多的裂隙，從而大幅度增加煤體的暴露面積，滲透率大幅度提高，呈吸附狀態的瓦斯從煤基質表面擴散到孔隙，孔隙中積存的瓦斯滲流到裂隙的路徑大大縮短，煤體內部將瞬間涌出大量瓦斯。采動區上部積存大量瓦斯正是由于瓦斯的升浮特性造成的，如若瓦斯治理措施不當，極易造成瓦斯被壓出到工作面，在風流的外力帶動下，瓦斯在工作面上隅角三角區積存，給工作面安全生產帶來巨大隱患。

為有效解決工作面采動區瓦斯異常涌出問題，岳城礦采用了普通鉆機傾向鉆孔、定向鉆機走向長鉆孔、高位鉆場等多種瓦斯抽采措施來對采動區進行抽采，雖可一定程度緩解工作面瓦斯問題，但由于抽采量相對于工作面絕對瓦斯涌出量小的原因，工作面日產煤量受到極大限制。為此，岳城礦提出了采用地面采動井來抽采采動區瓦斯的思路，既能高效解決采動區瓦斯向工作面涌出的問題，又可在工作面回采完畢后連續不間斷抽采采空區的瓦斯，實現瓦斯資源利用的最大化。

1 岳城煤礦工程概況

岳城煤礦隸屬山西晉能控股煤業集團，是山西煤炭資源整合的首批改擴建礦井。2012年礦井絕對瓦斯涌出量為242.71 m3/min，相對瓦斯涌出量為77.69 m3/min，屬于高瓦斯礦井。該礦采用分層開采技術開采3號煤，下分層工作面布置在上分層工作面采空區之下，服務巷道直接與采空區聯通，開采煤層均厚6 m，全為優質無煙煤。礦井現開采的1308（下）工作面，見圖1所示。經過上分層瓦斯抽放和采空區接抽之后，下分層煤體瓦斯含量約為4.36 m3/min，但下分層采空區瓦斯賦存量大，對工作面回采構成安全威脅。

圖1 工作面通風系統及采動區地面鉆井布置示意圖

工作面回采前風量為1 030 m3/min，采用U型通風系統，采空區瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出總量的55%~65%。工作面回采前在上分層進行了高強度的瓦斯抽放作業，并進行了高位鉆孔抽放和采空區接管抽放等采空區瓦斯治理措施。工作面回采前，回風巷日常瓦斯濃度達到0.65%~1.25%，回風巷瓦斯受氣溫作用極為顯著，異常期間上隅角瓦斯濃度高達1.2%以上。

2 采空區瓦斯涌出及其特點

2.1 頂板裂隙分布

工作面回采后，采場上部頂板跨落，采場上覆巖層中存在多層堅硬巖層時，全部或局部對巖體活動起決定作用的巖層成為關鍵層[1]。當頂板關鍵層破斷后，位于采空區中部的采動裂隙趨于壓實，于是在采空區四周存在一個互相連通的采動裂隙發育區，也就是采動裂隙[2]。頂板煤巖體的裂隙構成瓦斯流動通道，大量采空區高濃度瓦斯富集在“O”形圈內（見下頁圖2）。煤礦開采期間，采空區隨工作面的回采逐步增大，富集于“O”形圈內的高濃度瓦斯在采空區內自由運動，當鄰近采空區裂隙發育范圍布置工作面時，大量采空區瓦斯將通過裂隙直接涌入工作面順槽巷道和工作面，導致回風巷瓦斯濃度大幅增加，甚至引起瓦斯超限。

圖2 工作面上部覆巖“O”形圈分布

隨著工作面回采的推進，采空區巖層逐漸被壓實而形成一個環形采動裂隙發育區，即采動裂隙“O”形圈，各種不同來源的瓦斯在“解吸-擴散-滲流”的梯度差作用下逐漸向“O”形圈處匯聚，形成裂隙帶瓦斯富集區，該瓦斯富集區內聚存的瓦斯需在巖層被壓實前抽采，以防被上覆巖層應力重新壓實而由離層區變成重新壓實區，避免大量瓦斯被壓出涌入采掘空間[3]。基于上述原理，應提前布置鉆孔針對性抽采裂隙帶瓦斯富集區瓦斯，并在工作面回采推進影響到鉆孔終孔點位置時及時聯網抽采，高效抽采回采面采空區瓦斯，預防工作面瓦斯超限事故發生。

2.2 覆巖裂隙分布

煤層開采活動所造成的煤體原始支撐應力被消除，煤層頂板一定距離的上覆巖層會在重力作用下發生變形，主要呈現頂板發生橫向離層位移和豎向垂直位移，在巖層位移作用下實現巖層內水平和垂直應力的重新分布[4]。橫向離層位移和豎向垂直位移在頂板上覆巖層裂隙三帶區內呈現不同的分布規律[5]，見圖3。

圖3 工作面頂板上覆巖層應力變化分帶

冒落帶是開采煤層采出后直接頂隨即垮落并充填已采煤層的采掘空間，出現不連續、不規則的裂隙空間，是頂板上方破壞最嚴重的區域，裂隙和裂縫的大量存在促使彼此相互連通，工作面瓦斯向上運移會逐漸在垮落帶內集聚[6]。在該區域內，橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙彼此相互交叉，橫向離層位移最先出現，并隨著上覆巖層垮落量的增大，垮落的覆巖水平位移彎曲度超過其最大撓度，豎向垂直位移出現，并使上下離層位移貫通[7]。冒落帶之上的裂隙帶巖層受采動影響后會出現下傾位移，橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙進一步形成，特別是在裂隙帶的底部，大量的破斷裂隙出現，產生的裂隙會比垮落帶更為發育，大量瓦斯將在此處的裂隙空間內富集，老頂垮落會將大量裂隙帶富集瓦斯帶入工作面采掘空間[8]。裂隙帶上部的彎曲下沉帶受采動影響程度相對較弱，主要呈現橫向離層位移，此區域的覆巖僅出現輕微的層間離層，豎向的垂直位移難以產生，此區域內的巖層瓦斯將在離層裂隙內集聚，由于缺少豎向破斷裂隙使得各層的離層位移不能連通，很難向下運移影響工作面的瓦斯濃度[9]。

2.3 采動井抽采技術的優越性

采用采動井抽采，最直接的優勢是利用地面的鉆井導向定位功能，實現鉆井布置的精準施工[1]。將地面鉆井超前布置在工作面頂板上方，待工作面煤體采動破壞的影響，上覆巖層會產生破斷裂隙，煤層瓦斯在升浮特性的影響下在裂隙帶形成瓦斯富集區，見圖4所示。采動井利用地面抽采泵的影響下，利用大直徑的鉆孔實現了實時抽采，及時將工作面上浮匯集的瓦斯及上覆巖層中賦存的瓦斯及時抽排出工作面，避免瓦斯在采動應力、頂板下沉時對工作面安全生產造成威脅[10]。

圖4 采動井采中和采后連續抽采

采動井除實現采動期間的瓦斯治理外，可有效提供礦井的瓦斯利用率。工作面開采完畢后，采空區頂板裂隙會逐步趨于穩定，在形成穩定的破裂網狀裂隙前及穩定形成后，仍可以利用采動井的有效負壓，對老采空區的殘存瓦斯實現能用盡用，既符合國家能源局倡導的《關于推進關閉煤礦瓦斯綜合治理與利用的指導意見》的要求，實現了煤礦的綠色循環開采，又可在礦井進行先導性試驗，以驗證采動井抽采的可行性[11]。

3 采動井施工

3.1 井身設計

從開采工作面所在位置的地表施工大孔徑抽放鉆孔，并安設套管防止鉆孔受采動影響變形；采動井終孔位置位于回采工作面開采煤層上部，終孔80 m范圍埋設篩管，覆蓋整個垮落帶。采空區抽放井的井身按照三開設計，一開使用Φ311.15 mm鉆頭，鉆進基巖下10 m，下入Φ244.5 mm的表層套管，固井水泥返高至地表；二開使用Φ215.9 mm鉆頭，鉆過3號煤頂板上的40 m處，下入Φ177.8 mm的地質套管，固井水泥返高至地表；三開使用Φ152.4 mm鉆頭，鉆至3號煤層（采空區）底板或視現場瓦斯涌出情況決定最終止深，裸眼完井。提升抽采泵的能力，選用2BE1253型直聯真空泵，電機功率75 kW，額定排氣量達到40.8 m3/min。具體設計及實物見圖5所示。

圖5 地面采動井現場圖

3.2 井位布置

鉆井布置盡量靠近采面回風巷一側處于0.2~0.4 L（L為工作面長度）區域內，保證上隅角附近處于鉆井的裂隙帶抽采覆蓋區域，提高采空區瓦斯治理效果，見圖6。布置的主要原則，即通過地面采動井的高效抽采，攔截“O”形圈裂隙帶富集區的瓦斯向采掘空間運移，其抽采影響范圍會直接影響到工作面上隅角的瓦斯濃度，避免工作面出現瓦斯超限事故。

圖6 采動區地面井布置區域

經過現場踏勘和對地層條件分析，最終確定采動井的具體井位，距回風側42 m，距停采線161 m，距切眼側89 m，井位坐標如表1所示。

表1 井位基本數據

4 采動井抽采效果

4.1 治理效果

1311（上）采面于2019年4月17日正常揭露YCCD-13井，揭露后正常投運，截止到7月22日累計抽放95 d，平均抽放濃度55%，平均抽放純量5.8 m3/min，平均日抽放量0.84萬m3，累計抽放瓦斯80余萬m3，如圖7所示。

圖7 地面鉆井采動井抽采變化曲線

YCCD-13井的成功投運主要在以下三個方面的效果尤為顯著。一是增強了井筒套管的抵抗能力，套管未發生彎曲變形。截止到7月22日累計抽采95 d，在采面回采推過鉆井50~100 m的采動影響嚴重區域依然維持了正常抽采。目前采面已經回采結束，鉆井仍然正常運行。二是YCCD-13井投運后有效解決了采面上隅角和回風流的瓦斯異常涌出問題，保證了采面的安全回采，如表2所示。

表2 地面井抽采后工作面瓦斯變化

三是將抽采出的瓦斯進行集輸利用，變廢為寶。采動井投運后抽采濃度一直維持在50%以上，通過就地建設集輸系統，直接并入管網利用，截止到7月22日累計增加效益9.6萬元。

4.2 推廣應用

隨著采動井在岳城礦區的有效使用，工作面在采動井200 m半徑范圍內回采時，工作面瓦斯濃度平穩地保持在0.35%左右，對回采工作面采空區瓦斯治理起到了至關重要的作用，因此，根據岳城礦單個3號煤工作面（傾向長度180 m，走向長度1 000 m），按照抽采半徑200 m，則每個工作面設計布置2口采動井，即可滿足工作面回采過程中采空區瓦斯的有效治理，為岳城礦上分層工作面堅持實施U型通風系統提供了可靠的保障。

5 結論

1）試驗證明，施工采動井直達采動裂隙帶進行采空區瓦斯抽采技術可行，且突破了井下封堵和抽放采空區瓦斯技術的局限。

2）實施采動井抽放可大量抽采采空區瓦斯，實現煤礦采煤、采氣綜合發展。

3）采動井大能力抽放可有效改變采動裂隙帶瓦斯流動方向，進而引導采空區瓦斯流場的改變，達到抑制采空區瓦斯向回風巷涌出的目的。