黃陵二號(hào)煤礦瓦斯定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)應(yīng)用

張 維，劉 璽

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤炭是我國(guó)最主要的工業(yè)能源，2019年開(kāi)采量已經(jīng)達(dá)到81.3億t，約占世界煤炭產(chǎn)能的50%[1-2]，我國(guó)同樣是世界上礦井災(zāi)害問(wèn)題最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，其中瓦斯災(zāi)害尤為突出。2020年3月19日，國(guó)家煤礦安監(jiān)局辦公室發(fā)布的關(guān)于征求《煤礦重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》，文件中煤礦的重大事故隱患共涉及15個(gè)方面，其中涉及瓦斯的重大事故隱患就有3項(xiàng)，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(fā)生是保障安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)性目標(biāo)[4-5]。

黃陵礦區(qū)為煤油氣共生礦區(qū)，有著較為嚴(yán)重的圍巖瓦斯異常涌出[6-7]。即使在對(duì)2號(hào)煤層進(jìn)行預(yù)抽的基礎(chǔ)上，采空區(qū)仍有大量瓦斯涌出，造成工作面與上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕖^(qū)內(nèi)復(fù)雜的瓦斯涌出現(xiàn)象給瓦斯治理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)嚴(yán)重阻礙了礦井全生產(chǎn)進(jìn)程。經(jīng)過(guò)多年的地質(zhì)勘探與研究發(fā)現(xiàn)黃陵礦區(qū)存在開(kāi)采煤層、鄰近煤層及頂?shù)装迳皫r等含氣層，導(dǎo)致采掘工作面圍巖瓦斯異常涌出和采空區(qū)瓦斯涌出量大等問(wèn)題，阻礙礦井的正常生產(chǎn)，亟需研究適合黃陵礦區(qū)的多維度立體化瓦斯綜合抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(wèn)題，保障采掘過(guò)程安全高效，提高礦井采掘和瓦斯抽采效率，為實(shí)現(xiàn)礦井開(kāi)采時(shí)瓦斯治理的本質(zhì)安全提供有力支撐。

1 礦井概況

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

基于對(duì)黃陵二號(hào)煤礦可采煤層瓦斯賦存情況的研究發(fā)現(xiàn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單的2號(hào)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(shù)為結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定且分布零散的泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖，厚度約為0.50 m。2號(hào)煤層視密度為1.38 t/m3，弱粘煤-氣煤范疇。

2 礦區(qū)瓦斯賦存規(guī)律

2.1 采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律

通過(guò)統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段內(nèi)205工作面回風(fēng)風(fēng)排瓦斯、上隅角抽排瓦斯和高位鉆場(chǎng)、頂?shù)装邈@孔瓦斯抽采量，通過(guò)分析205采空區(qū)瓦斯涌出量得出采空區(qū)瓦斯涌出量平均為11.09 m3/min。采空區(qū)遺煤瓦斯涌出純量為2.40 m3/min，比例為22%，圍巖氣(包括3號(hào)煤層和頂?shù)装逵托蜌?涌出純量平均為8.69 m3/min，比例為78%，見(jiàn)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(jiàn)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(qū)瓦斯涌出構(gòu)成及比例

表2 采空區(qū)抽采構(gòu)成及比例

分析205工作面采空區(qū)涌出量隨回采時(shí)間的變化曲線可知，開(kāi)始回采后，205工作面采空區(qū)瓦斯涌出量達(dá)到最大值后又呈緩慢下降趨勢(shì)，之后，多次出現(xiàn)“下降—上升—下降—上升”的曲線特征。造成這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)橛托蜌赓x存不均衡性。在煤層厚度較大區(qū)域采空區(qū)瓦斯涌出量較大，抽采時(shí)間越長(zhǎng)采空區(qū)瓦斯量越大。

2.2 煤層瓦斯賦存規(guī)律

2.2.1 2號(hào)煤層瓦斯分布規(guī)律

從瓦斯含量測(cè)試的情況來(lái)看，二號(hào)煤礦要高于一號(hào)煤礦，將瓦斯含量小于1 m3/t、1～3 m3/t和大于3 m3/t的區(qū)域分別劃分為低瓦斯區(qū)、瓦斯相對(duì)富集區(qū)和瓦斯異常區(qū)3種類型。基于二號(hào)煤礦瓦斯地質(zhì)圖，在井田的淺部區(qū)域總體上瓦斯量較低，測(cè)值介于0.03～5.63 m3/t之間，平均值為0.7 m3/t。但是在該區(qū)域內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)了2個(gè)瓦斯異常帶，一個(gè)在二號(hào)煤礦的首采區(qū)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(qū)域范圍，該區(qū)域測(cè)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?yàn)?個(gè)次一級(jí)的背斜；另一瓦斯異常帶在井田東北部，測(cè)得該區(qū)域的瓦斯含量測(cè)值為5.47 m3/t。瓦斯富集區(qū)域與異常區(qū)域皆分布在井田深部，測(cè)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(hào)煤層瓦斯分布規(guī)律

根據(jù)已有的3號(hào)煤層瓦斯含量測(cè)值點(diǎn)進(jìn)行控氣因素分析，可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)煤層瓦斯含量主要受構(gòu)造和埋深控制，3號(hào)煤層整體賦存自東南向西北呈現(xiàn)由高變低的走勢(shì)。但在補(bǔ)勘鉆孔HLDM-2、HLDM-3、HLDM-6構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)變化平緩，形成一個(gè)緩向斜構(gòu)造，而在區(qū)域內(nèi)補(bǔ)勘鉆孔3號(hào)煤層瓦斯含量都達(dá)到了3 m3/t以上，在此區(qū)域內(nèi)的原勘探鉆孔N45、R116、FX33獲得的3號(hào)煤層瓦斯含量也普遍較高。

3 瓦斯抽采技術(shù)與鉆孔布置

3.1 立體瓦斯綜合抽采模式

黃陵二號(hào)煤礦屬于典型的煤、油、氣共生礦井，圍巖瓦斯異常問(wèn)題一直不容樂(lè)觀[8]。單一的本煤層瓦斯抽采已經(jīng)難以滿足礦井瓦斯治理需要，因此本次通過(guò)頂板、底板含油氣層的分析研究和工作面回采采動(dòng)影響的綜合分析，基于定向鉆探施工技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的精確控制，在頂板和底板優(yōu)選的合適層位，依據(jù)設(shè)計(jì)要求延伸鉆進(jìn)至預(yù)定目標(biāo)位置，實(shí)施工作面回采前定向長(zhǎng)鉆孔探抽采油型氣，結(jié)合本煤層定向抽采鉆孔預(yù)抽技術(shù)，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(shí)間尺度的采前預(yù)抽、采中卸壓及攔截抽采、采后采空區(qū)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(zhǎng)鉆孔布置

在411、413工作面完成預(yù)抽硐室的布置，于409輔助巷停采線內(nèi)170 m設(shè)置第1個(gè)預(yù)抽硐室，并在此之后每隔150 m設(shè)置一個(gè)，總數(shù)量為20。每個(gè)鉆場(chǎng)長(zhǎng)、高、深數(shù)值分別為4 m、2.6 m、4.5 m，如圖2所示，并且設(shè)置開(kāi)采深度為600 m的3個(gè)長(zhǎng)距離鉆孔于各個(gè)預(yù)抽硐室，如圖3所示、見(jiàn)表3。

圖2 預(yù)抽硐室示意Fig.2 Chamber for gas pre-extraction

表3 409輔助巷區(qū)域鉆孔布置參數(shù)

圖3 409輔助巷區(qū)域預(yù)抽鉆孔布置示意Fig.3 Layout of regional pre-extraction boreholes

3.3 頂?shù)装宀蓜?dòng)影響范圍數(shù)值模擬

煤層開(kāi)采后，在開(kāi)采應(yīng)力的動(dòng)態(tài)綜合作用下，煤層底板處呈現(xiàn)程度各不相同的變形與破壞現(xiàn)象，進(jìn)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(dòng)過(guò)程中的破壞變形相較頂板要弱，因此首先分析其應(yīng)力狀態(tài)的變化。

3.3.1 數(shù)值模型建立

以二號(hào)煤礦205工作面2號(hào)煤層底板為研究對(duì)象，該工作面傾向長(zhǎng)280 m，走向模擬開(kāi)采120 m，煤層開(kāi)采沿模型走向進(jìn)行建立，其中走向長(zhǎng)度、傾向?qū)挾取⒋怪狈较蜷L(zhǎng)度以及煤層厚度數(shù)值分別為400 m、579 m、191 m、3.2 m。對(duì)2號(hào)煤層上部150 m巖層進(jìn)行模擬，巖石破壞準(zhǔn)則選擇使用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)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(yīng)。模型底端采用全部約束，左右側(cè)面分別約束x方向位移，前后側(cè)面約束y方向位移，上端面設(shè)置為自由端。模型頂面受到上覆地應(yīng)力作用，根據(jù)巖體自重計(jì)算公式(P=γH)計(jì)算獲得上覆巖層初模型外垂直應(yīng)力為12.4 MPa，模型參數(shù)見(jiàn)表4。模擬開(kāi)采長(zhǎng)度120 m，分布開(kāi)采且每步回采20 m，寬度280 m，累計(jì)開(kāi)挖6步。底板監(jiān)測(cè)模型中部底板深度分別為1 m、5 m、15 m、40 m。通過(guò)對(duì)煤層開(kāi)采的過(guò)程進(jìn)行模擬，以監(jiān)測(cè)回采時(shí)底板應(yīng)力分布、位移變化及破壞區(qū)的變化。

表4 模擬地層物理參數(shù)

3.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

底板應(yīng)力變化分析：由模擬結(jié)果可知，當(dāng)回采面推進(jìn)至20 m，在工作走向剖面上，頂?shù)装宄霈F(xiàn)卸壓，垂直深度8 m左右；隨著回采面推進(jìn)，卸壓范圍和深度逐步擴(kuò)大，當(dāng)回采面推進(jìn)至80 m，卸壓垂直深度約48 m；當(dāng)回采面推進(jìn)至120 m，頂?shù)装逍秹悍秶统潭然痉€(wěn)定，垂直深度60 m左右，如圖4所示。從模擬結(jié)果可以看出，受采動(dòng)條件影響，煤柱區(qū)煤層及其底板應(yīng)力增加，底板煤巖體壓縮；采空區(qū)底板巖層應(yīng)力下降、底板煤巖體膨脹，且隨著開(kāi)采活動(dòng)的不斷進(jìn)行，底板巖層下降(卸壓)范圍持續(xù)增加，并在增加至一定程度后保持基本穩(wěn)定。另外，隨著頂板覆巖的垮落壓實(shí)，底板覆巖重力荷載也趨向平穩(wěn)，且支承壓力對(duì)應(yīng)出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)區(qū)；而未受到采動(dòng)影響的煤體應(yīng)力無(wú)變化。

圖4 工作面回采不同距離時(shí)底板垂直應(yīng)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(dòng)影響，煤層底板應(yīng)力變化包含了“支承壓力集中壓縮—應(yīng)力解除膨脹—應(yīng)力恢復(fù)再壓縮”3大階段，導(dǎo)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(yīng)力釋放的破壞過(guò)程。根據(jù)模型不同垂深檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，同一深度線在傾向上的有明顯的分區(qū)性，中間區(qū)域卸壓，兩側(cè)煤柱區(qū)應(yīng)力集中，兩側(cè)遠(yuǎn)端區(qū)恢復(fù)為原始應(yīng)力，整體成“帶耳朵U”型；在走向上隨工作面推進(jìn)，逐步卸壓，淺部深度線開(kāi)始變化幅度大、劇烈，以后幅度逐步變小、趨于穩(wěn)定，如圖5(a)～(c)所示；而深部深度線在走向上，開(kāi)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(jìn)，開(kāi)始呈現(xiàn)壓實(shí)和應(yīng)力恢復(fù)，如圖5(d)所示。說(shuō)明淺部最先發(fā)生了破壞，而深部在淺部破壞后才開(kāi)始發(fā)生破壞變形，破壞后應(yīng)力變化趨緩。對(duì)比不同深度線的應(yīng)力變化形態(tài)，明顯可以看到淺部形態(tài)曲線尖銳，深部曲線圓滑，說(shuō)明煤層底板淺部應(yīng)力變化劇烈，而深部則變化平緩，說(shuō)明淺部破壞變形劇烈，深部相對(duì)趨緩。

破壞區(qū)分析：回采工作面不同推進(jìn)距離模型的塑形破壞區(qū)域分布圖，如圖6所示。隨著工作面回采長(zhǎng)度的增加，底板不同回采距離垂直應(yīng)力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)“M”狀，底板破壞程度為兩順槽位置最大、中間區(qū)域次之。當(dāng)回采面超過(guò)80 m后底板破壞深度增加趨緩，直至回采至100 m時(shí)卸壓范圍基本達(dá)到穩(wěn)定。

3.4 圍巖定向長(zhǎng)鉆孔布置

影響圍巖定向長(zhǎng)鉆孔參數(shù)因素諸多，如巷道布置、抽采周期、鉆孔覆蓋區(qū)域等，需綜合以上各個(gè)因素，并結(jié)合采空區(qū)裂隙以及油型氣儲(chǔ)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(jù)采掘進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，設(shè)計(jì)在205工作面8聯(lián)巷布置鉆場(chǎng)施工頂板、底板和3號(hào)煤層順層定向鉆孔進(jìn)行采前探預(yù)抽和采中采動(dòng)抽采及采后采空區(qū)抽采，鉆孔走向方位布置如圖7所示，參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。

圖5 同一底板深度不同回采距離下的應(yīng)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(shí)傾向底板破壞區(qū)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(zhǎng)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(shè)計(jì)參數(shù)

3.5 立體綜合瓦斯預(yù)抽技術(shù)應(yīng)用效果

對(duì)各鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采跟蹤監(jiān)測(cè)，檢測(cè)各圍巖長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)，并對(duì)頂板各定向鉆孔、底板各定向鉆孔及3號(hào)煤層各定向鉆孔的抽采效果進(jìn)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(hào)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(jīng)過(guò)一年抽采，單孔抽采的瓦斯量可達(dá)12.26～19.65萬(wàn)m3。瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂疲?.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(jié)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(hào)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(zhǎng)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(jīng)過(guò)24個(gè)月抽采，單孔抽采的瓦斯量可達(dá)12.26～19.65萬(wàn)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(yù)抽率達(dá)到42.52%～48.17%。

(4)黃陵二號(hào)煤礦通過(guò)立體化瓦斯綜合抽采技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)礦井開(kāi)采時(shí)瓦斯治理的本質(zhì)安全提供有力支撐。