黃陵二號煤礦瓦斯定向長鉆孔技術應用

張 維，劉 璽

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤炭是我國最主要的工業能源，2019年開采量已經達到81.3億t，約占世界煤炭產能的50%[1-2]，我國同樣是世界上礦井災害問題最為嚴重的國家之一，其中瓦斯災害尤為突出。2020年3月19日，國家煤礦安監局辦公室發布的關于征求《煤礦重大事故隱患判定標準(征求意見稿)》，文件中煤礦的重大事故隱患共涉及15個方面，其中涉及瓦斯的重大事故隱患就有3項，可以看出瓦斯占煤礦重大事故隱患的比重較大，因此瓦斯防治刻不容緩[3]。高效地治理瓦斯、杜絕瓦斯事故的發生是保障安全生產的基礎性目標[4-5]。

黃陵礦區為煤油氣共生礦區，有著較為嚴重的圍巖瓦斯異常涌出[6-7]。即使在對2號煤層進行預抽的基礎上，采空區仍有大量瓦斯涌出，造成工作面與上隅角瓦斯濃度超限。區內復雜的瓦斯涌出現象給瓦斯治理帶來巨大挑戰，同時嚴重阻礙了礦井全生產進程。經過多年的地質勘探與研究發現黃陵礦區存在開采煤層、鄰近煤層及頂底板砂巖等含氣層，導致采掘工作面圍巖瓦斯異常涌出和采空區瓦斯涌出量大等問題，阻礙礦井的正常生產，亟需研究適合黃陵礦區的多維度立體化瓦斯綜合抽采技術，實現空間全覆蓋的“采前探(抽)、采中、采后抽”瓦斯探采，從源頭上解決礦井瓦斯問題，保障采掘過程安全高效，提高礦井采掘和瓦斯抽采效率，為實現礦井開采時瓦斯治理的本質安全提供有力支撐。

1 礦井概況

黃陵二號煤礦地處陜西省黃陵縣，礦產資源豐富，擁有井田總面積約352 km2，資源儲量970 Mt。該礦區主采2號煤層，礦井生產規模為800萬t/a。礦井為高瓦斯礦井，同時2號煤層屬Ⅱ類自燃煤層。相比礦區東部的其余礦井，該礦的瓦斯涌出量更高，2007—2013年礦井絕對瓦斯涌出量為33.29～75.73 m3/min、相對瓦斯涌出量為3.68～5.33 m3/min。

基于對黃陵二號煤礦可采煤層瓦斯賦存情況的研究發現：構造簡單的2號主要可采煤層地處延安組第1段，主要分布在中、上部，煤層厚度在0.05～6.75 m之間，平均厚度為3.91 m。煤層偽頂多數為結構極不穩定且分布零散的泥巖、砂質泥巖、碳質泥巖，厚度約為0.50 m。2號煤層視密度為1.38 t/m3，弱粘煤-氣煤范疇。

2 礦區瓦斯賦存規律

2.1 采空區瓦斯涌出規律

通過統計某一時間段內205工作面回風風排瓦斯、上隅角抽排瓦斯和高位鉆場、頂底板鉆孔瓦斯抽采量，通過分析205采空區瓦斯涌出量得出采空區瓦斯涌出量平均為11.09 m3/min。采空區遺煤瓦斯涌出純量為2.40 m3/min，比例為22%，圍巖氣(包括3號煤層和頂底板油型氣)涌出純量平均為8.69 m3/min，比例為78%，見表1。從抽采比例看，上隅角瓦斯抽排純量平均為2.06 m3/min，比例為37%；高位鉆孔抽采瓦斯純量平均為1.10 m3/min，比例為20%；頂、底板抽采瓦斯純量平均值及比例分別為1.42 m3/min、26%和0.98 m3/min、18%，見表2，鉆孔抽采高位占比31%，頂板占比41%，底板占比28%。

表1 采空區瓦斯涌出構成及比例

表2 采空區抽采構成及比例

分析205工作面采空區涌出量隨回采時間的變化曲線可知，開始回采后，205工作面采空區瓦斯涌出量達到最大值后又呈緩慢下降趨勢，之后，多次出現“下降—上升—下降—上升”的曲線特征。造成這種現象的主要原因為油型氣賦存不均衡性。在煤層厚度較大區域采空區瓦斯涌出量較大，抽采時間越長采空區瓦斯量越大。

2.2 煤層瓦斯賦存規律

2.2.1 2號煤層瓦斯分布規律

從瓦斯含量測試的情況來看，二號煤礦要高于一號煤礦，將瓦斯含量小于1 m3/t、1～3 m3/t和大于3 m3/t的區域分別劃分為低瓦斯區、瓦斯相對富集區和瓦斯異常區3種類型。基于二號煤礦瓦斯地質圖，在井田的淺部區域總體上瓦斯量較低，測值介于0.03～5.63 m3/t之間，平均值為0.7 m3/t。但是在該區域內同時出現了2個瓦斯異常帶，一個在二號煤礦的首采區域，即FX8-FX9-FX10-R12-R10-R18-R25-R26-R27-R64-R70-FX24等鉆孔連線至井田東部邊界所形成的區域范圍，該區域測得的瓦斯含量值處于1.01～5.63 m3/t之間，平均值約2.35 m3/t，最大值為7.17 m3/t，形成原因為2個次一級的背斜；另一瓦斯異常帶在井田東北部，測得該區域的瓦斯含量測值為5.47 m3/t。瓦斯富集區域與異常區域皆分布在井田深部，測值范圍處于1.29～5.70 m3/t之間，平均值為3.50 m3/t。

2.2.2 3號煤層瓦斯分布規律

根據已有的3號煤層瓦斯含量測值點進行控氣因素分析，可以發現3號煤層瓦斯含量主要受構造和埋深控制，3號煤層整體賦存自東南向西北呈現由高變低的走勢。但在補勘鉆孔HLDM-2、HLDM-3、HLDM-6構成的區域內變化平緩，形成一個緩向斜構造，而在區域內補勘鉆孔3號煤層瓦斯含量都達到了3 m3/t以上，在此區域內的原勘探鉆孔N45、R116、FX33獲得的3號煤層瓦斯含量也普遍較高。

3 瓦斯抽采技術與鉆孔布置

3.1 立體瓦斯綜合抽采模式

黃陵二號煤礦屬于典型的煤、油、氣共生礦井，圍巖瓦斯異常問題一直不容樂觀[8]。單一的本煤層瓦斯抽采已經難以滿足礦井瓦斯治理需要，因此本次通過頂板、底板含油氣層的分析研究和工作面回采采動影響的綜合分析，基于定向鉆探施工技術工藝，實現鉆孔軌跡的精確控制，在頂板和底板優選的合適層位，依據設計要求延伸鉆進至預定目標位置，實施工作面回采前定向長鉆孔探抽采油型氣，結合本煤層定向抽采鉆孔預抽技術，形成了適用于煤油氣共生礦井空間尺度的頂板、底板、本煤層的立體、分源抽采，時間尺度的采前預抽、采中卸壓及攔截抽采、采后采空區抽采的立體綜合抽采模式，如圖1所示。

圖1 煤油氣共生礦井立體綜合抽采模式示意Fig.1 Three-dimensional comprehensive extraction model of coal，oil and gas symbiotic mine

3.2 本煤層定向長鉆孔布置

在411、413工作面完成預抽硐室的布置，于409輔助巷停采線內170 m設置第1個預抽硐室，并在此之后每隔150 m設置一個，總數量為20。每個鉆場長、高、深數值分別為4 m、2.6 m、4.5 m，如圖2所示，并且設置開采深度為600 m的3個長距離鉆孔于各個預抽硐室，如圖3所示、見表3。

圖2 預抽硐室示意Fig.2 Chamber for gas pre-extraction

表3 409輔助巷區域鉆孔布置參數

圖3 409輔助巷區域預抽鉆孔布置示意Fig.3 Layout of regional pre-extraction boreholes

3.3 頂底板采動影響范圍數值模擬

煤層開采后，在開采應力的動態綜合作用下，煤層底板處呈現程度各不相同的變形與破壞現象，進而形成豎向張裂隙、層向裂隙及剪切裂隙等。由于底板處于下部層位，受重力影響其在采動過程中的破壞變形相較頂板要弱，因此首先分析其應力狀態的變化。

3.3.1 數值模型建立

以二號煤礦205工作面2號煤層底板為研究對象，該工作面傾向長280 m，走向模擬開采120 m，煤層開采沿模型走向進行建立，其中走向長度、傾向寬度、垂直方向長度以及煤層厚度數值分別為400 m、579 m、191 m、3.2 m。對2號煤層上部150 m巖層進行模擬，巖石破壞準則選擇使用摩爾-庫侖準則。模型走向兩端各留140 m寬度邊界以及傾向兩端留150 m邊界的方法以消除邊界效應。模型底端采用全部約束，左右側面分別約束x方向位移，前后側面約束y方向位移，上端面設置為自由端。模型頂面受到上覆地應力作用，根據巖體自重計算公式(P=γH)計算獲得上覆巖層初模型外垂直應力為12.4 MPa，模型參數見表4。模擬開采長度120 m，分布開采且每步回采20 m，寬度280 m，累計開挖6步。底板監測模型中部底板深度分別為1 m、5 m、15 m、40 m。通過對煤層開采的過程進行模擬，以監測回采時底板應力分布、位移變化及破壞區的變化。

表4 模擬地層物理參數

3.3.2 數值模擬結果分析

底板應力變化分析：由模擬結果可知，當回采面推進至20 m，在工作走向剖面上，頂底板出現卸壓，垂直深度8 m左右；隨著回采面推進，卸壓范圍和深度逐步擴大，當回采面推進至80 m，卸壓垂直深度約48 m；當回采面推進至120 m，頂底板卸壓范圍和程度基本穩定，垂直深度60 m左右，如圖4所示。從模擬結果可以看出，受采動條件影響，煤柱區煤層及其底板應力增加，底板煤巖體壓縮；采空區底板巖層應力下降、底板煤巖體膨脹，且隨著開采活動的不斷進行，底板巖層下降(卸壓)范圍持續增加，并在增加至一定程度后保持基本穩定。另外，隨著頂板覆巖的垮落壓實，底板覆巖重力荷載也趨向平穩，且支承壓力對應出現應力恢復區；而未受到采動影響的煤體應力無變化。

圖4 工作面回采不同距離時底板垂直應力分布Fig.4 Vertical stress distribution of floor at different mining distances of working face

底板破壞深度分析：受采動影響，煤層底板應力變化包含了“支承壓力集中壓縮—應力解除膨脹—應力恢復再壓縮”3大階段，導致形成豎向張裂隙、層向裂隙、剪切裂隙等。此處主要分析底板巖層應力釋放的破壞過程。根據模型不同垂深檢測點數據分析，同一深度線在傾向上的有明顯的分區性，中間區域卸壓，兩側煤柱區應力集中，兩側遠端區恢復為原始應力，整體成“帶耳朵U”型；在走向上隨工作面推進，逐步卸壓，淺部深度線開始變化幅度大、劇烈，以后幅度逐步變小、趨于穩定，如圖5(a)～(c)所示；而深部深度線在走向上，開始變化幅度小，然后變化幅度大，再逐步變小，隨著工作面的推進，開始呈現壓實和應力恢復，如圖5(d)所示。說明淺部最先發生了破壞，而深部在淺部破壞后才開始發生破壞變形，破壞后應力變化趨緩。對比不同深度線的應力變化形態，明顯可以看到淺部形態曲線尖銳，深部曲線圓滑，說明煤層底板淺部應力變化劇烈，而深部則變化平緩，說明淺部破壞變形劇烈，深部相對趨緩。

破壞區分析：回采工作面不同推進距離模型的塑形破壞區域分布圖，如圖6所示。隨著工作面回采長度的增加，底板不同回采距離垂直應力變化趨勢呈現“M”狀，底板破壞程度為兩順槽位置最大、中間區域次之。當回采面超過80 m后底板破壞深度增加趨緩，直至回采至100 m時卸壓范圍基本達到穩定。

3.4 圍巖定向長鉆孔布置

影響圍巖定向長鉆孔參數因素諸多，如巷道布置、抽采周期、鉆孔覆蓋區域等，需綜合以上各個因素，并結合采空區裂隙以及油型氣儲集層分布情況，研究鉆孔布置的方式、施工位置以及間距等[9-10]。根據采掘進度和現場施工條件，設計在205工作面8聯巷布置鉆場施工頂板、底板和3號煤層順層定向鉆孔進行采前探預抽和采中采動抽采及采后采空區抽采，鉆孔走向方位布置如圖7所示，參數設計見表5。

圖5 同一底板深度不同回采距離下的應力變化Fig.5 Stress variation under the same floor depth and different mining distance

圖6 工作面回采不同距離時傾向底板破壞區域分布Fig.6 Distribution of inclined floor failure area at different mining distances of working face

圖7 圍巖定向長鉆孔布置Fig.7 Layout of directional long boreholes in surrounding rock

表5 立體抽采定向鉆孔設計參數

3.5 立體綜合瓦斯預抽技術應用效果

對各鉆孔進行瓦斯抽采跟蹤監測，檢測各圍巖長鉆孔抽采參數，并對頂板各定向鉆孔、底板各定向鉆孔及3號煤層各定向鉆孔的抽采效果進行分析，頂板鉆孔抽采甲烷純量平均98～300 m3/d，抽采甲烷濃度平均17%～35%，底板鉆孔抽采甲烷純量平均76～178 m3/d，抽采甲烷濃度平均3.1%～26%，3號煤層鉆孔抽采甲烷純量平均56～190 m3/d，抽采甲烷濃度平均10%～66%，抽采效果良好。

本煤層經過一年抽采，單孔抽采的瓦斯量可達12.26～19.65萬m3。瓦斯濃度得到有效控制，由3.01 m3/t降低至1.56～1.73 m3/t，瓦斯壓力將至0.19～0.28 MPa，抽采率為42.52%～48.17%，抽采效果良好。

4 結論

(1)頂板鉆孔抽采甲烷純量平均98～300 m3/d，抽采甲烷濃度平均17%～35%，底板鉆孔抽采甲烷純量平均76～178 m3/d，抽采甲烷濃度平均3.1%～26%，3號煤層鉆孔抽采甲烷純量平均56～190 m3/d，抽采甲烷濃度平均10%～66%。

(2)本煤層定向長鉆孔單孔瓦斯百米鉆孔抽采量0.002 2～0.144 m3/min，抽采濃度8%～95%，經過24個月抽采，單孔抽采的瓦斯量可達12.26～19.65萬m3。

(3)煤層瓦斯含量由3.01 m3/t降到1.56～1.73 m3/t，壓力由0.65 MPa降到0.19～0.28 MPa，瓦斯預抽率達到42.52%～48.17%。

(4)黃陵二號煤礦通過立體化瓦斯綜合抽采技術實現了空間全覆蓋的“采前探(抽)、采中、采后抽”瓦斯探采，提高礦井采掘和瓦斯抽采效率，為實現礦井開采時瓦斯治理的本質安全提供有力支撐。