瓦斯抽采鉆孔布置方案參數(shù)優(yōu)化： 以保德煤礦為例

薛彥平

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司, 撫順 113122; 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 撫順 113122)

瓦斯是礦井的主要災(zāi)害之一,對(duì)礦井的安全生產(chǎn)影響極大,根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)可知,2020年高瓦斯礦井約占中國(guó)煤礦總數(shù)的1/4,隨著礦井采掘設(shè)備、開(kāi)采工藝的不斷更新,工作面單產(chǎn)單進(jìn)效率逐漸增加,礦井開(kāi)采水平逐漸向深部區(qū)域延伸,瓦斯涌出量逐漸增加,部分低瓦斯礦井逐漸向高瓦斯礦井轉(zhuǎn)變[1-3]。在現(xiàn)階段主要通過(guò)施工抽采鉆孔預(yù)抽煤體內(nèi)的瓦斯,由于在施工鉆孔過(guò)程中會(huì)受到煤體內(nèi)孔隙、裂隙以及地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響,使得賦存于煤體內(nèi)部的瓦斯在不同的方向運(yùn)移規(guī)律有著顯著的差別[4-6]。受鉆孔施工的影響,鉆孔周?chē)后w破碎、裂隙貫通形成漏氣通道,封孔困難,常導(dǎo)致抽采濃度低,抽采達(dá)標(biāo)周期長(zhǎng),礦井抽-掘-采接續(xù)緊張[7-8]。因此,優(yōu)選合理的鉆孔布置方位和鉆孔封孔方式,進(jìn)一步封堵裂隙,提高封孔質(zhì)量,提升抽采效率,對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要的意義。針對(duì)煤層滲透率各向異性參數(shù)優(yōu)化研究方面,王昊等[9]基于等效位移原理的滲透率表征方法,采用建立的雙孔雙滲流固耦合模型,分析了滲透率各向異性對(duì)瓦斯運(yùn)移場(chǎng)時(shí)空演化及鉆孔布置的影響。董旭[10]通過(guò)分析三軸滲流壓縮試驗(yàn)。推導(dǎo)了滲流和變形耦合的控制方程。并利用COMSOL軟件建立三維數(shù)值仿真模型,探討了煤層滲透特性和彈性參數(shù)各向異性對(duì)煤層順層鉆孔瓦斯抽采特性的影響。竇成義等[11]通過(guò)數(shù)值方法,建立基于煤體塑性變形的流固耦合瓦斯抽采模型,研究了鉆孔孔徑、鉆孔間距對(duì)煤層瓦斯抽采的塑性破壞區(qū)域的影響,優(yōu)化鉆孔布置,確定了適合該礦的合理鉆孔布置方案為孔徑與鉆孔間距。許文韜[12]通過(guò)在煤層條件相近的情況下,布置孔徑,抽采負(fù)壓均相同的三組瓦斯鉆孔,改變鉆孔孔距,設(shè)置對(duì)照試驗(yàn),并記錄瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化。同時(shí)對(duì)工作面建立模型,數(shù)值模擬瓦斯壓力變化情況,最終得出鉆孔布置最佳孔距。范飛杰[13]通過(guò)理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、Universal Distinct Element Code數(shù)值計(jì)算、ANSYS數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和應(yīng)用等方法,結(jié)合高瓦斯煤層開(kāi)采后,對(duì)覆巖運(yùn)移及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,進(jìn)而對(duì)高瓦斯工作面高位瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化布置。此外,鉆孔封孔問(wèn)題也受到了研究關(guān)注。趙志研等[14]提出一種煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔裝置,在瓦斯抽采后,對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行第一次封孔后,隨著孔內(nèi)煤壁瓦斯涌出,瓦斯集聚,鉆孔內(nèi)的瓦斯量不斷增加,可自行通過(guò)水和水泥的混合對(duì)孔洞進(jìn)行二次封孔,提高封孔質(zhì)量。孔維一等[15]提出了一種瓦斯抽采鉆孔噴涂式封孔技術(shù)。將封孔材料吸入并通過(guò)噴頭混合噴出,使其固化于鉆孔內(nèi)壁,提高了封孔質(zhì)量。楊偉東等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其黏度、膨脹率、析水率、凝結(jié)時(shí)間及凝固后的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo),研究從前期封孔材料注漿到后期固結(jié)密封全過(guò)程分析各指標(biāo)對(duì)鉆孔密封的影響。綜上可知,前人研究已確定鉆孔布孔方位對(duì)瓦斯抽采效果的重要影響。然而,過(guò)去的研究方法存在試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、工作量大等問(wèn)題,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法,確定了高瓦斯中低滲透率厚煤層工作面瓦斯抽采鉆孔布置方案的最佳角度和位置。針對(duì)封孔工藝問(wèn)題,采用新材料+囊袋的封孔材料,并對(duì)封孔距離、壓力、注漿方式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高了抽采鉆孔的密封性與抽采效率,為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。

1 瓦斯賦存概況

保德煤礦為高瓦斯礦井,絕對(duì)瓦斯涌出量106.62 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量13.16 m3/t。實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量3.2～7.0 m3/t,瓦斯含量隨埋深百米增長(zhǎng)梯度為2.82 m3/t,常壓下不可解吸瓦斯含量為0.72 m3/t,已采區(qū)域最大瓦斯壓力0.53 MPa,8號(hào)煤層透氣性系數(shù)0.17～0.8 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.004 7～0.049 1 d-1,屬于可抽放煤層。8號(hào)煤層為變質(zhì)程度較低的氣煤,游離瓦斯占比高,煤層瓦斯含量低但瓦斯涌出量較高,加之礦井采用“一井一面”的生產(chǎn)模式,工作面日產(chǎn)煤超過(guò)1萬(wàn)t,礦井開(kāi)采強(qiáng)度大,對(duì)工作面及回風(fēng)隅角瓦斯的管理與控制變得越來(lái)越困難。為了有效治理礦井瓦斯以及礦井的安全生產(chǎn),對(duì)瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)工藝及封孔方式進(jìn)行研究,進(jìn)一步提升工作面瓦斯預(yù)抽效果已經(jīng)迫在眉睫。

2 滲透率各向異性特征分析

滲透率是煤層瓦斯抽采的重要基礎(chǔ)參數(shù)之一,分析煤樣滲透率隨地應(yīng)力及取樣方向的變化關(guān)系,得到其各向異性特征及對(duì)瓦斯預(yù)抽的影響作用機(jī)制,是確定本煤層預(yù)抽鉆孔方位和傾角的基礎(chǔ)。首先采用取芯設(shè)備在81310備用工作面采集大塊煤樣,加工成Φ50×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣。采用水磨切割法在塊狀原煤中鉆取試樣,鉆芯方向與層理分別呈0°、30°、45°、60°和90°。每加工好一塊試樣后,立即用保鮮膜將其封裝,并做好詳細(xì)標(biāo)簽記用。煤樣制備完成后,選用瓦斯作為測(cè)試氣體,利用QTS-2型煤巖滲透率測(cè)試系統(tǒng),進(jìn)行滲透特性試驗(yàn),設(shè)置的進(jìn)氣壓力為1.5、1.0、0.5 MPa,圍壓為5、8、10、12 MPa,測(cè)得不同條件下煤樣的滲透率。

由圖1可知,不同的進(jìn)氣壓力下,煤樣的滲透率有所變化,但是隨著取樣角度的增大,滲透率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.5 MPa時(shí),取樣角度為0°時(shí)煤樣的滲透率可達(dá)到0.06 mD,90°時(shí)滲透率趨于0。當(dāng)進(jìn)氣壓力為1.0 MPa時(shí),取樣角度為0°時(shí)煤樣的滲透率可達(dá)到0.076 mD,但90°時(shí)滲透率僅為0.000 1。當(dāng)進(jìn)氣壓力為1.5 MPa時(shí),取樣角度為0°時(shí)煤樣的滲透率可達(dá)到0.067 mD,但90°時(shí)滲透率僅為0.000 7。將0°和90°做對(duì)比,發(fā)現(xiàn)煤體滲透率差了兩個(gè)數(shù)量級(jí),煤體滲透率隨著取樣角度的增大而快速降低。可以得出與層理的夾角變化對(duì)煤樣滲透率存在明顯的弱化作用的結(jié)論。

3 瓦斯抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化

3.1 鉆孔布孔方位優(yōu)化

通過(guò)2節(jié)的實(shí)驗(yàn)可知,保德煤礦8號(hào)煤層存在明顯的裂隙發(fā)育方向,不同方向的瓦斯?jié)B流規(guī)律存在顯著的差別,導(dǎo)致鉆孔抽采效果存在明顯的方位特征。為獲得工作面最佳的順層鉆孔布置方式,進(jìn)一步分析不同方位、不同傾角鉆孔抽采效果,在81310輔運(yùn)順才28聯(lián)巷至切眼位置施工4組測(cè)試鉆孔,分別測(cè)試與裂隙呈30°、45°和90°鉆孔的抽采效果。如圖2所示,每個(gè)鉆場(chǎng)施工5個(gè)鉆孔,鉆孔間距5 m,鉆孔孔徑113 mm,鉆孔深度為220 m。從左到右分別為1、2、3、4號(hào)鉆場(chǎng),其方位角依次為30°、45°、90°、90°。1-3號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔傾角為-1°,4號(hào)鉆場(chǎng)5個(gè)鉆孔的傾角分別為-4°、-6°、-2°、-1°和0°。各組鉆孔施工完畢后,采用“兩堵一注”的方式對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔,封孔深度為16 m,并連入井下的抽放系統(tǒng),對(duì)各個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

L為聯(lián)絡(luò)巷

3.1.1 順層鉆孔最佳方位角分析

由圖3分析可知,與煤體裂隙呈90°的測(cè)試鉆孔抽采效果最好,45°的測(cè)試鉆孔次之,30°的測(cè)試鉆孔抽采效果最差。根據(jù)鉆孔與裂隙的角度,當(dāng)鉆孔與裂隙或?qū)永沓手苯顷P(guān)系時(shí),抽采效果最佳,抽采濃度和抽采純流量均最大。

圖3 不同方位測(cè)試鉆孔抽采濃度、抽采純流量對(duì)比

3.1.2 順層鉆孔的最佳傾角分析

對(duì)圖4進(jìn)行分析可知,方位角為90°時(shí),傾角為0°、-2°和-4°的鉆孔抽采平均濃度在70%以下,且抽放濃度波動(dòng)較大。剩余-6°和-1°兩個(gè)鉆孔瓦斯抽采濃度曲線的波動(dòng)幅度持平,前后期各有明顯優(yōu)勢(shì)階段。通過(guò)采用協(xié)方差計(jì)算其中-6°抽采曲線的協(xié)方差為5.07,-1°抽采曲線的協(xié)方差為6.83,可見(jiàn)-6°抽采曲線的穩(wěn)定性更好,其抽采效果最佳。可以得出鉆孔的傾角越大說(shuō)明鉆孔穿越的層理面越多,此時(shí)各層理面的瓦斯流動(dòng)效果最佳。

圖4 方位角為90°時(shí)不同傾角測(cè)試鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比

3.2 抽采半徑及鉆孔間距優(yōu)化

為了進(jìn)一步優(yōu)化本煤層鉆孔抽放效果,滿足礦井合理的采掘接續(xù),采用瓦斯壓降法、瓦斯含量法和鉆孔流量法分別對(duì)8號(hào)煤層鉆孔抽采半徑進(jìn)行了測(cè)試,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,得出不同抽采時(shí)間的有效影響半徑。

3.2.1 瓦斯壓降法

在81310回風(fēng)順槽22聯(lián)巷施工2組鉆孔,每組都有6個(gè)鉆孔,其中1個(gè)采用鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采,共計(jì)施工鉆孔12個(gè),其中測(cè)壓鉆孔10個(gè),抽采鉆孔2個(gè),2組鉆孔之間間距15 m,其中鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖5所示,此時(shí)測(cè)壓鉆孔可以測(cè)試的抽采半徑距離包括2、2.5、3、3.5 、4 、5 、5.5、7.5 m。

圖5 鉆孔布置示意圖

兩個(gè)抽采鉆孔于2018年9月30日接入瓦斯抽采管路。對(duì)各個(gè)鉆孔的氣體壓力變化進(jìn)行記錄分析。將瓦斯壓力的降低值與抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析,如圖6所示。在采用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯時(shí),須將瓦斯預(yù)抽至安全容許值下,且預(yù)抽率達(dá)到30%以上,可認(rèn)為煤層瓦斯壓力下降10%的位置與抽采鉆孔中心的距離為鉆孔抽采影響半徑,煤層瓦斯壓力下降30%的位置與抽采鉆孔中心的距離為鉆孔有效抽采半徑。通過(guò)對(duì)壓力數(shù)據(jù)的分析可以得出,2個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為2.5 m,3個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為3 m,4個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為4 m。

圖6 孔內(nèi)氣體壓力降低率與對(duì)應(yīng)時(shí)間分析

3.2.2 瓦斯含量法

在81310回風(fēng)順槽的21聯(lián)巷、24聯(lián)巷、28聯(lián)巷都布置1組鉆孔,對(duì)應(yīng)的抽采半徑觀察時(shí)長(zhǎng)為6、5、4個(gè)月。每組鉆孔包括1個(gè)瓦斯抽采鉆孔和3個(gè)考察鉆孔。相鄰兩個(gè)考察鉆孔的孔間距為1 m,再根據(jù)殘余瓦斯含量測(cè)試結(jié)果考慮是否增加考察鉆孔。

整組鉆孔抽采4個(gè)月后,距離抽采鉆孔2、3、4 m位置處的考察鉆孔所取煤樣的瓦斯含量值分別降低了50%、63%和54%,鉆孔抽采6個(gè)月后,距離3.5、4.5 m位置處的考察鉆孔瓦斯含量值分別降低了37%和40%。綜合殘余瓦斯含量值的變化,得出抽采4個(gè)月時(shí),鉆孔有效抽采半徑達(dá)到了4 m,抽采6個(gè)月時(shí),鉆孔有效抽采半徑達(dá)到了4.5 m。

3.2.3 瓦斯流量法

鉆孔瓦斯抽采半徑主要與煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、抽采鉆孔直徑及負(fù)壓、抽采目標(biāo)及時(shí)間等因素有關(guān)。在煤層瓦斯含量測(cè)定的基礎(chǔ)上,根據(jù)瓦斯抽采目標(biāo),測(cè)定鉆孔瓦斯抽采能力,然后經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,可以確定鉆孔的瓦斯抽采半徑。根據(jù)抽采鉆孔平均單孔日抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)結(jié)果擬合得出抽其衰減負(fù)指數(shù)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為y=160.21e-0.009x,積分解算鉆孔的有效抽采半徑。

綜合現(xiàn)場(chǎng)3種實(shí)測(cè)方法得出在抽采負(fù)壓為13 kPa時(shí),孔徑為113 mm的鉆孔,如表1所示,抽采1個(gè)月有效抽采半徑為1.4 m,2個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為2.5 m,3個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為3 m,4個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為4 m,6個(gè)月有效抽采半徑為4.5 m。

表1 瓦斯流量法計(jì)算鉆孔有效抽采半徑結(jié)果Table 1 Calculation of effective extraction radius of drilling holes using gas flow method

3.3 瓦斯抽采鉆孔封孔方式優(yōu)化

在抽采系統(tǒng)中,抽采鉆孔封孔這一步驟直接影響抽采效果,封孔質(zhì)量稍有不慎,極易造成漏氣,就會(huì)降低抽采瓦斯?jié)舛?降低瓦斯抽采量。在81310備用工作面選用不同的封孔材料、封孔堵頭、封孔深度、封孔工藝和封孔注漿壓力,設(shè)計(jì)12種不同封孔方式組合,如表2所示,優(yōu)選適合保德礦8號(hào)煤層的最佳封孔方式。

表2 試驗(yàn)區(qū)抽采效果考察封孔方式匯總Table 2 Summary of hole sealing methods for evaluating the extraction effect in the experimental area

按照表2的封孔方式施工12組鉆孔,每組包含5個(gè)順層鉆孔,共計(jì)60個(gè)鉆孔,孔間距5 m,每組鉆孔間距20 m,封孔完成后接入井下抽放系統(tǒng)進(jìn)行抽采,觀察各組鉆孔的瓦斯抽采濃度。

通過(guò)對(duì)比圖7和圖8鉆孔瓦斯抽采濃度可知,相同條件下采用8～16 m和0～16 m的封孔深度,鉆孔瓦斯抽采濃度平均值分別為55.86%、75.9%、70.05%和61.11%高于0～8 m和0～12 m的封孔深度的平均瓦斯抽采濃度,可知在巷道煤壁以里8～16 m為峰后應(yīng)力增高區(qū),在此區(qū)域封孔,抽采效果會(huì)較好,在實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)考慮到節(jié)省封孔材料,優(yōu)先選擇封孔距離為8～16 m。

圖8 新材料+囊袋不同封孔距離抽采效果對(duì)比

對(duì)圖9和圖10分析可知,在封孔深度0～12 m時(shí),采用速凝水泥+馬麗散,增大注漿壓力,采用兩堵兩注封孔時(shí),鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄禐?0.66%,抽采效果優(yōu)于兩堵一注低壓注漿封孔。因此在有條件的情況下,可以采用增大注漿壓力和“兩堵兩注”的方法進(jìn)行注漿。

圖9 封孔深度0～12 m時(shí)不同注漿壓力抽采效果對(duì)比圖

圖10 不同封堵方式抽采效果對(duì)比

由圖11可知,第9組、第10組瓦斯抽采濃度相較于第7組、第8組明顯提高,可以得出新材料是具有很好膨脹性能的注漿材料,可以起到很好的密封鉆孔的作用,囊袋作為封孔堵頭能有效的提升鉆孔封堵的氣密性。

圖11 不同封孔材料抽采效果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)8號(hào)煤層煤樣滲透率隨進(jìn)氣壓力和取樣角度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明取樣角度為0°滲透率最大,隨著取樣角度的增大,滲透率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),該實(shí)驗(yàn)為工作面的順層鉆孔施工方位提供了理論依據(jù)。

(2)根據(jù)得到的4組實(shí)驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采流量進(jìn)行分析得出,當(dāng)預(yù)抽鉆孔裂隙呈90°的測(cè)試鉆孔抽采效果最好,鉆孔的傾角越大,各層理面的瓦斯流動(dòng)效果最佳。

(3)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)12組不同封孔方式瓦斯抽采濃度進(jìn)行分析,得出最佳封孔距離為8～16 m。新材料+囊袋作為堵頭能有效的提供封孔的氣密性,在條件允許的情況下可以增大壓力和“兩堵兩注”的方法進(jìn)行注漿。

(4)采用3種不同的方法對(duì)鉆孔的抽采半徑進(jìn)行研究,得出4個(gè)月時(shí)的鉆孔抽采有效半徑約為4 m,6個(gè)月有效抽采半徑為4.5 m。