保德煤礦定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域瓦斯抽采布孔方案試驗(yàn)研究

喬金林，鄭凱歌，席 杰，張 迪，楊 歡，楊 森

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719315；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

我國(guó)西北部礦區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，通過大型機(jī)械化開采設(shè)備不斷加大生產(chǎn)強(qiáng)度，開采層位逐年延深，工作面瓦斯涌出量不斷上升，而煤層瓦斯預(yù)抽困難，極易造成礦井抽、掘、采接續(xù)失調(diào)，成為制約煤炭企業(yè)高效生產(chǎn)的瓶頸。

保德煤礦位于河?xùn)|煤田北部，井田工作面長(zhǎng)度普遍超過3 000 m，工作面寬度在200 m以上，屬于大采高超長(zhǎng)超寬工作面。保德煤礦2003年由低瓦斯礦井轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井，對(duì)預(yù)抽煤層瓦斯提出了更高要求。工作面常規(guī)的預(yù)抽瓦斯措施采用本煤層密集短鉆孔，通過優(yōu)化布孔參數(shù)，強(qiáng)化瓦斯治理。優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)鉆機(jī)要求不高，施工快捷，但普通鉆機(jī)功率小、鉆孔長(zhǎng)度短且無(wú)法定位，井下施工量大，抽采管路密封性差，抽采效果不佳，沒有真正做到高效集約化超前區(qū)域瓦斯治理。

在提倡現(xiàn)代化集約開采的背景下[1]，瓦斯治理不斷探索更高效的抽采方式。隨著井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，井下順煤層預(yù)抽瓦斯逐漸由單一密集鉆孔預(yù)抽向區(qū)域大孔徑、定向鉆孔等方向發(fā)展[2-3]。相比密集短鉆孔預(yù)抽，定向長(zhǎng)鉆孔可以依照設(shè)計(jì)軌跡精準(zhǔn)鉆進(jìn)，鉆孔長(zhǎng)度可達(dá)3 000 m以上[4]，為礦井瓦斯治理提供了更多技術(shù)支持。史永濤[5]采用順層定向長(zhǎng)鉆孔方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆孔抽采，實(shí)現(xiàn)均勻布孔，保證了煤礦安全抽采；郭云濤等[6]通過增加定向長(zhǎng)鉆孔裂隙，從而提高了鉆孔抽采效率；賈曉亮[7]通過布置高位定向長(zhǎng)鉆孔方式取代高抽巷瓦斯治理，解決上隅角瓦斯和回風(fēng)流瓦斯超限問題。然而，目前關(guān)于定向長(zhǎng)鉆孔沿著工作面走向進(jìn)行大區(qū)域預(yù)抽的應(yīng)用研究相對(duì)較少，在進(jìn)行順煤層預(yù)抽長(zhǎng)鉆孔布置時(shí)，對(duì)抽采參數(shù)和布孔間距的設(shè)計(jì)缺少參考文獻(xiàn)。因此基于COMSOL數(shù)值模擬，筆者提出了半扇型遞進(jìn)式超長(zhǎng)定向鉆孔區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)，研究不同布孔間距下瓦斯抽采影響規(guī)律，并在保德煤礦81311工作面進(jìn)行工程試驗(yàn)，對(duì)解決高瓦斯礦井區(qū)域預(yù)抽有效預(yù)抽期短、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)的問題具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

保德煤礦位于鄂爾多斯盆地東部邊緣，礦區(qū)為單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)中南部褶皺、斷層發(fā)育，呈NNE或NE向分布。該區(qū)成煤時(shí)期為晚石炭—早二疊世，煤層厚度變化不大，由東向西煤層變厚，特厚煤層分布于礦區(qū)的西北部及東南部。保德煤礦井田面積55.9 km2，井田劃分為5個(gè)盤區(qū)，用“平硐+斜井+立井”綜合開拓方式，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.0 Mt/a。試驗(yàn)工作面為井田西南翼三(下)盤區(qū)81311工作面。工作面走向長(zhǎng)度約3 350 m，傾向長(zhǎng)度242 m。煤厚2.15～10.50 m，平均煤厚7.36 m，為全區(qū)開采穩(wěn)定煤層，采用綜采工藝，后退式走向長(zhǎng)壁采煤法。工作面原始瓦斯壓力為1.05 MPa，瓦斯含量為5～6 m3/t。81311上、下巷道煤巷掘進(jìn)工程中實(shí)測(cè)原煤瓦斯含量最大值6.57 m3/t。常壓下不可解吸瓦斯含量為0.72 m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.17～0.80 m2/(MPa2·d)，常規(guī)短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。

2 基于COMSOL定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采模擬分析

2.1 鉆孔有效抽采范圍判定依據(jù)

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，預(yù)抽后殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa或者殘余瓦斯含量低于4.72 m3/t的位置點(diǎn)為有效抽采半徑的邊界。周世寧等[8]提出了預(yù)抽率和殘余瓦斯壓力、原始瓦斯壓力的計(jì)算關(guān)系：

(1)

式中：η——預(yù)抽率；

w1——?dú)堄嗤咚购?，m3/t；

w——原始瓦斯含量，m3/t；

p1——?dú)堄嗤咚箟毫?，MPa；

p0——原始瓦斯壓力，MPa。

當(dāng)原始瓦斯壓力p0取1.05 MPa時(shí)，可以計(jì)算擬合出瓦斯預(yù)抽率和原始瓦斯壓力的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 鉆孔瓦斯預(yù)抽率與殘余瓦斯壓力的關(guān)系

從圖1可以看出，如果按照煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%，在原始瓦斯壓力為1.05 MPa時(shí)，殘余瓦斯含量要降低至0.515 MPa以下。保德煤礦8號(hào)煤層屬于低透氣性高瓦斯煤層，綜合考慮預(yù)抽率大于30%和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求，將殘余瓦斯壓力低于0.515 MPa，作為COMSOL模擬階段相鄰鉆孔抽采達(dá)到治理要求的判定依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)基于模擬結(jié)果，合理延長(zhǎng)預(yù)抽時(shí)間，進(jìn)一步保障礦井瓦斯含量降低。

2.2 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采模型建立

在通過COMSOL軟件進(jìn)行定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采數(shù)值模擬時(shí)，假設(shè)煤層瓦斯為理想氣體，煤體瓦斯壓力分布均勻，忽略鉆孔瓦斯抽采過程中瓦斯在長(zhǎng)鉆孔運(yùn)移通道中的沿程阻力，從而建立長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采模型。

瓦斯運(yùn)移連續(xù)性方程：

(2)

式中：▽——瓦斯壓力梯度，MPa/m；

ρg——瓦斯密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

vg——瓦斯?jié)B流速度，m/s；

wp——單位體積下的煤體瓦斯含量，kg/m3。

單位體積下的煤體瓦斯含量wp為[9]：

(3)

式中：β——瓦斯壓縮系數(shù)；

c——瓦斯校正系數(shù)；

φ——孔隙率，%；

P——煤體瓦斯壓力，MPa；

a，b——吸附常數(shù)。

在壓力梯度作用下，煤層瓦斯沿定向長(zhǎng)鉆孔水平線性流動(dòng)。瓦斯運(yùn)移規(guī)律同樣符合達(dá)西定律，由于煤層瓦斯在運(yùn)移中存在滑脫效應(yīng)[10]，對(duì)煤體的滲透率系數(shù)進(jìn)行校正后瓦斯運(yùn)移方程如下：

(4)

式中：Vg——瓦斯的滲流速度，m/s；

k——煤體滲透性，m2；

ηg——瓦斯動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s；

bp——滲透率校正系數(shù)。

聯(lián)立上述方程式整理可得瓦斯運(yùn)移連續(xù)性方程：

(5)

2.3 定向長(zhǎng)鉆孔不同間距瓦斯抽采方案設(shè)置

根據(jù)保德煤礦81311工作面的現(xiàn)場(chǎng)條件，建立工作面半扇形區(qū)域超前預(yù)抽長(zhǎng)鉆孔的二維簡(jiǎn)化模型，模型總體尺寸為100 m×300 m。由于保德煤礦普遍采用ZDY-12000LD型定向鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔直徑為113 mm，抽采系統(tǒng)負(fù)壓一般為45 kPa?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在發(fā)揮鉆機(jī)設(shè)備性能和不更改抽采系統(tǒng)的前提下，模擬鉆孔終孔不同間距下的瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，可為抽采接續(xù)提供規(guī)劃依據(jù)。

模型設(shè)置扇形鉆孔長(zhǎng)度為280 m，預(yù)抽鉆孔直徑為113 mm，鉆孔終孔間距分別為20、27、35 m時(shí)工作面順煤層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采方案。半扇形區(qū)域超前預(yù)抽長(zhǎng)鉆孔的不同鉆孔間距模擬方案如圖2所示?；谠囼?yàn)工作面的瓦斯基本參數(shù)和實(shí)驗(yàn)室得出煤層的力學(xué)參數(shù)，并查閱文獻(xiàn)[11]對(duì)比參數(shù)，確定保德煤礦81311工作面COMSOL模擬參數(shù)為：煤視密度1 470 kg/m3，初始孔隙率4.76%，瓦斯動(dòng)力粘度1.08×10-5Pa·s，吸附常數(shù)a為19.82 m3/t，吸附常數(shù)b為2.25 MPa-1，巖層泊松比0.25，巖層密度2 500 kg/m3，巖層內(nèi)聚力3.2 MPa，煤層孔隙率0.4 %，克林伯格系數(shù)0.2，煤的校正系數(shù)1.06。

圖2 半扇形區(qū)域超前預(yù)抽長(zhǎng)鉆孔的不同鉆孔間距模擬方案

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 瓦斯抽采壓力云圖分析

根據(jù)瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合煤層地質(zhì)賦存特征、瓦斯抽采基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)不同布孔間距下的半扇形長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采方案進(jìn)行模擬。選取抽采30、90 d以及鉆孔間煤層殘余瓦斯壓力降低至0.515 MPa時(shí)的瓦斯壓力變化云圖，如圖3所示。由圖3分析可得出以下結(jié)論。

(1)抽采初始階段在相同抽采時(shí)間條件下，即抽采30 d時(shí)，對(duì)比圖3(a)、(d)、(g)可以看出，鉆孔布置間距分別為20 m和27 m時(shí)，煤層瓦斯壓力影響范圍云圖差異較小，但均比鉆孔布置間距為30 m時(shí)瓦斯壓力云圖變化明顯，這是由于在抽采負(fù)壓下，沿預(yù)抽鉆孔徑向方向瓦斯壓力逐漸降低，距離抽采鉆孔越近，瓦斯壓力降低幅度越大，抽采影響范圍越明顯，也說明在抽采初始階段鉆孔布置間距為20 m和27 m 時(shí)優(yōu)于布孔間距為35 m。

(2)抽采中期階段在相同抽采時(shí)間條件下，即抽采90 d時(shí)，對(duì)比圖3(b)、(e)、(h)可以看出，鉆孔布置間距為20 m抽采90 d后，在鉆孔間開口位置到半扇形轉(zhuǎn)角區(qū)域瓦斯壓力快速降低，形成“鴨蹼狀”的抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域。鉆孔布置間距分別為27 m 和35 m時(shí)，具有相同的瓦斯壓力下降規(guī)律，但變化趨勢(shì)不夠明顯。說明在抽采90 d時(shí)，鉆孔布孔間距小會(huì)增強(qiáng)瓦斯抽采效果，布孔間距較大難以形成相鄰鉆孔間的協(xié)同抽采效果。布孔間距為20 m的瓦斯壓力下降速率高于布孔間距分別為27 m 和35 m的抽采布置方案。

(3)當(dāng)抽采使相鄰長(zhǎng)鉆孔間瓦斯壓力降低至0.515 MPa時(shí)，對(duì)比圖3(c)、(f)、(i)可以看出，在相同抽采負(fù)壓、鉆孔長(zhǎng)度、鉆孔孔徑條件下，布孔間距為20、27、35 m時(shí)，相鄰長(zhǎng)鉆孔間瓦斯壓力降低至0.515 MPa時(shí)分別需要123、215、357 d；顯然相同條件下，鉆孔布孔間距與鉆孔間瓦斯壓力抽采達(dá)標(biāo)所需的抽采時(shí)間并非線性關(guān)系，布孔間距越大，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 不同布孔間距下長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采影響范圍隨時(shí)間變化規(guī)律

2.4.2 不同布孔間距瓦斯抽采壓力曲線分析

不同間距下鉆孔間瓦斯壓力變化如圖4所示。由圖4可知，在工作面傾向切面方向，測(cè)線處瓦斯壓力隨著抽采時(shí)間增加逐漸下降，在鉆孔周圍形成漏斗狀的壓降區(qū)域，相鄰兩個(gè)鉆孔之間的瓦斯壓力呈橢圓拱形分布，兩鉆孔距離的起始位置瓦斯壓力最小，中心位置瓦斯壓力最大。當(dāng)布孔間距為20 m時(shí)，抽采30、90、120、125 d時(shí)，鉆孔間煤層最大殘余瓦斯壓力分別為0.866、0.594、0.518、0.505 MPa；當(dāng)布孔間距為27 m時(shí)，抽采30、90、150、215 d時(shí)，鉆孔間煤層最大殘余瓦斯壓力分別為0.956、0.740、0.605、0.511 MPa；當(dāng)布孔間距為35 m時(shí)，抽采30、90、150、210、300、357 d時(shí)，鉆孔間煤層最大殘余瓦斯壓力分別為1.012、0.863、0.741、0.652、0.558、0.514 MPa。

圖4 不同間距下鉆孔間瓦斯壓力變化

不同布孔間距下最大殘余瓦斯壓力隨時(shí)間變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可以得出，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，不同布孔間距下最大殘余瓦斯壓力逐漸下降，但壓力降低曲線趨于平緩，壓降速率減小，殘余瓦斯壓力趨于定值。說明抽采煤層瓦斯如果僅通過延長(zhǎng)抽采時(shí)間，在殘余瓦斯壓力達(dá)到一定數(shù)值后很難繼續(xù)降低瓦斯壓力；通過降低布孔間距，提高布孔密度，會(huì)使最大殘余瓦斯壓力的下限不斷變小，從而為實(shí)際施工提供更多依據(jù)。

圖5 最大殘余瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

3 工作面大區(qū)域遞進(jìn)式預(yù)抽瓦斯現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采方案分析

保德煤礦81311工作面傾向長(zhǎng)度242 m，根據(jù)模擬結(jié)果分析，當(dāng)沿工作面傾向方向布孔間距為20 m時(shí)，需施工12～13個(gè)千米定向長(zhǎng)鉆孔形成的半扇型遞進(jìn)式區(qū)域抽采治理措施，施工量大，費(fèi)用高，優(yōu)點(diǎn)在于抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間短。當(dāng)沿工作面傾向方向布孔間距為35 m時(shí)，需施工7～8個(gè)千米定向長(zhǎng)鉆孔形成的半扇型遞進(jìn)式區(qū)域抽采治理措施，施工量小，但抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)。

針對(duì)保德煤礦2～3年內(nèi)開采周期區(qū)域的生產(chǎn)計(jì)劃，采用ZDY-12000LD型定向鉆機(jī)在81311輔助運(yùn)輸巷施工6個(gè)主孔、7個(gè)分支孔定向長(zhǎng)鉆孔，預(yù)抽鉆孔直徑為113 mm，長(zhǎng)1 500 m，鉆孔終孔間距27 m，共計(jì)鉆孔長(zhǎng)度18 500 m，工作面半扇形定向長(zhǎng)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)布孔示意如圖6所示。

圖6 81311工作面半扇形定向長(zhǎng)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)布孔示意

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

鉆孔封孔采用“兩堵一注”工藝進(jìn)行封孔，囊袋作為堵頭，封孔位置為8～16 m。每個(gè)鉆孔連接的三通上連接3個(gè)傳感器，3個(gè)傳感器分別監(jiān)測(cè)每個(gè)鉆孔抽采流量、瓦斯的濃度及抽采負(fù)壓(45 kPa)，每天監(jiān)測(cè)并記錄試驗(yàn)抽采數(shù)據(jù)，并檢查管路的密封情況。

3.3 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果分析

在2019年4月至2020年3月進(jìn)行為期約350 d 抽采數(shù)據(jù)記錄，作鉆孔間距為27 m的單孔瓦斯抽采純量的變化曲線，如圖7所示。

圖7 區(qū)域預(yù)抽長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化

由圖7看出，通過定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)衰減系數(shù)較小，在0～70 d內(nèi)，瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化曲線呈指數(shù)形式，由初始的0.379 m3/min快速上升至1.672 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.757 m3/min。在70～250 d內(nèi)，瓦斯抽采純量隨時(shí)間呈現(xiàn)波浪式上升趨勢(shì)，瓦斯抽采純量最低0.963 m3/min，在抽采250 d時(shí)抽采純量達(dá)到最大值為2.68 m3/min。在抽采250～350 d內(nèi)，瓦斯抽采純量趨于緩慢下降狀態(tài)，抽采純量衰減相對(duì)明顯，在250～350 d內(nèi)瓦斯抽采衰減系數(shù)為0.003 58 d-1。根據(jù)瓦斯抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在抽采350 d內(nèi)定向長(zhǎng)鉆孔單孔平均瓦斯抽采純量可達(dá)1.669 m3/min，相對(duì)于常規(guī)密集短鉆孔瓦斯抽采，定向長(zhǎng)鉆孔有效抽采時(shí)間久、抽采純量高、抽采效果穩(wěn)定。深入分析其原因：長(zhǎng)鉆孔打鉆施工，破壞了煤層原始瓦斯應(yīng)力平衡，千米定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)煤層擾動(dòng)更大，且在鉆機(jī)打鉆過程中，鉆孔軌跡會(huì)不斷調(diào)整糾偏，間接增大了煤層擾動(dòng)范圍，增強(qiáng)了瓦斯抽采范圍。此外定向長(zhǎng)鉆孔成孔率高、導(dǎo)向性強(qiáng)，避免了密集短鉆孔串孔、封孔不嚴(yán)的問題。因此定向長(zhǎng)鉆孔在實(shí)際施工過程中的瓦斯治理效果比預(yù)期要好。通過定向鉆孔預(yù)抽使工作面在回采前煤層可解吸瓦斯含量降至4 m3/t，鉆孔間瓦斯壓力降至0.515 MPa以下，驗(yàn)證了模擬方案的可靠性，也實(shí)現(xiàn)了工作面采掘前瓦斯抽采達(dá)標(biāo)和安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)提出了本煤層定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)，通過COMSOL 數(shù)值模擬得出不同布孔間距下煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的對(duì)應(yīng)時(shí)間，根據(jù)模擬得出不同布孔間距下，瓦斯壓力隨抽采時(shí)間的變化均為非線性關(guān)系，瓦斯壓力隨時(shí)間的降低速率不斷變小。

(2)基于不同布孔間距下的模擬方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的最佳布孔間距為27 m，實(shí)測(cè)350 d內(nèi)瓦斯抽采純量隨時(shí)間呈現(xiàn)初期指數(shù)式上升、中期波浪式上升、后期快速衰減的階段性規(guī)律。

(3)實(shí)測(cè)抽采350 d單孔平均瓦斯抽采純量為1.669 m3/min，瓦斯抽采衰減系數(shù)小。預(yù)抽350 d后的孔間瓦斯壓力降至0.515 MPa以下，回采前煤層可解吸瓦斯含量降至4 m3/t，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域覆蓋治理，與模擬結(jié)果相符，試驗(yàn)最終確保瓦斯抽采達(dá)標(biāo)和礦井接續(xù)平衡發(fā)展，為高瓦斯礦井區(qū)域瓦斯治理中長(zhǎng)期規(guī)劃提供借鑒意義。