瓦斯抽采鉆孔布置方案參數優化： 以保德煤礦為例

薛彥平

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司, 撫順 113122; 2.煤礦安全技術國家重點實驗室, 撫順 113122)

瓦斯是礦井的主要災害之一,對礦井的安全生產影響極大,根據調查統計可知,2020年高瓦斯礦井約占中國煤礦總數的1/4,隨著礦井采掘設備、開采工藝的不斷更新,工作面單產單進效率逐漸增加,礦井開采水平逐漸向深部區域延伸,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變[1-3]。在現階段主要通過施工抽采鉆孔預抽煤體內的瓦斯,由于在施工鉆孔過程中會受到煤體內孔隙、裂隙以及地質構造等因素的影響,使得賦存于煤體內部的瓦斯在不同的方向運移規律有著顯著的差別[4-6]。受鉆孔施工的影響,鉆孔周圍煤體破碎、裂隙貫通形成漏氣通道,封孔困難,常導致抽采濃度低,抽采達標周期長,礦井抽-掘-采接續緊張[7-8]。因此,優選合理的鉆孔布置方位和鉆孔封孔方式,進一步封堵裂隙,提高封孔質量,提升抽采效率,對礦井的安全高效生產具有重要的意義。針對煤層滲透率各向異性參數優化研究方面,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瓦斯運移場時空演化及鉆孔布置的影響。董旭[10]通過分析三軸滲流壓縮試驗。推導了滲流和變形耦合的控制方程。并利用COMSOL軟件建立三維數值仿真模型,探討了煤層滲透特性和彈性參數各向異性對煤層順層鉆孔瓦斯抽采特性的影響。竇成義等[11]通過數值方法,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、鉆孔間距對煤層瓦斯抽采的塑性破壞區域的影響,優化鉆孔布置,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]通過在煤層條件相近的情況下,布置孔徑,抽采負壓均相同的三組瓦斯鉆孔,改變鉆孔孔距,設置對照試驗,并記錄瓦斯壓力隨抽采時間變化。同時對工作面建立模型,數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]通過理論分析、經驗公式計算、Universal Distinct Element Code數值計算、ANSYS數值模擬及現場實測和應用等方法,結合高瓦斯煤層開采后,對覆巖運移及采空區瓦斯濃度分布規律進行了系統的研究,進而對高瓦斯工作面高位瓦斯抽采鉆孔進行了優化布置。此外,鉆孔封孔問題也受到了研究關注。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,對抽采鉆孔進行第一次封孔后,隨著孔內煤壁瓦斯涌出,瓦斯集聚,鉆孔內的瓦斯量不斷增加,可自行通過水和水泥的混合對孔洞進行二次封孔,提高封孔質量?？拙S一等[15]提出了一種瓦斯抽采鉆孔噴涂式封孔技術。將封孔材料吸入并通過噴頭混合噴出,使其固化于鉆孔內壁,提高了封孔質量。楊偉東等[16]通過實驗室測試其黏度、膨脹率、析水率、凝結時間及凝固后的強度參數指標,研究從前期封孔材料注漿到后期固結密封全過程分析各指標對鉆孔密封的影響。綜上可知,前人研究已確定鉆孔布孔方位對瓦斯抽采效果的重要影響。然而,過去的研究方法存在試驗時間長、工作量大等問題,通過實驗室實驗和現場測試相結合的方法,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。針對封孔工藝問題,采用新材料+囊袋的封孔材料,并對封孔距離、壓力、注漿方式等參數進行優化,提高了抽采鉆孔的密封性與抽采效率,為礦井安全生產提供了保障。

1 瓦斯賦存概況

保德煤礦為高瓦斯礦井,絕對瓦斯涌出量106.62 m3/min,相對瓦斯涌出量13.16 m3/t。實測煤層瓦斯含量3.2～7.0 m3/t,瓦斯含量隨埋深百米增長梯度為2.82 m3/t,常壓下不可解吸瓦斯含量為0.72 m3/t,已采區域最大瓦斯壓力0.53 MPa,8號煤層透氣性系數0.17～0.8 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數0.004 7～0.049 1 d-1,屬于可抽放煤層。8號煤層為變質程度較低的氣煤,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”的生產模式,工作面日產煤超過1萬t,礦井開采強度大,對工作面及回風隅角瓦斯的管理與控制變得越來越困難。為了有效治理礦井瓦斯以及礦井的安全生產,對瓦斯抽采鉆孔布置參數工藝及封孔方式進行研究,進一步提升工作面瓦斯預抽效果已經迫在眉睫。

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參數之一,分析煤樣滲透率隨地應力及取樣方向的變化關系,得到其各向異性特征及對瓦斯預抽的影響作用機制,是確定本煤層預抽鉆孔方位和傾角的基礎。首先采用取芯設備在81310備用工作面采集大塊煤樣,加工成Φ50×100 mm標準試樣。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,并做好詳細標簽記用。煤樣制備完成后,選用瓦斯作為測試氣體,利用QTS-2型煤巖滲透率測試系統,進行滲透特性試驗,設置的進氣壓力為1.5、1.0、0.5 MPa,圍壓為5、8、10、12 MPa,測得不同條件下煤樣的滲透率。

由圖1可知,不同的進氣壓力下,煤樣的滲透率有所變化,但是隨著取樣角度的增大,滲透率均呈現下降趨勢;當進氣壓力為0.5 MPa時,取樣角度為0°時煤樣的滲透率可達到0.06 mD,90°時滲透率趨于0。當進氣壓力為1.0 MPa時,取樣角度為0°時煤樣的滲透率可達到0.076 mD,但90°時滲透率僅為0.000 1。當進氣壓力為1.5 MPa時,取樣角度為0°時煤樣的滲透率可達到0.067 mD,但90°時滲透率僅為0.000 7。將0°和90°做對比,發現煤體滲透率差了兩個數量級,煤體滲透率隨著取樣角度的增大而快速降低?？梢缘贸雠c層理的夾角變化對煤樣滲透率存在明顯的弱化作用的結論。

3 瓦斯抽采鉆孔參數優化

3.1 鉆孔布孔方位優化

通過2節的實驗可知,保德煤礦8號煤層存在明顯的裂隙發育方向,不同方向的瓦斯滲流規律存在顯著的差別,導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,進一步分析不同方位、不同傾角鉆孔抽采效果,在81310輔運順才28聯巷至切眼位置施工4組測試鉆孔,分別測試與裂隙呈30°、45°和90°鉆孔的抽采效果。如圖2所示,每個鉆場施工5個鉆孔,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號鉆場,其方位角依次為30°、45°、90°、90°。1-3號鉆場鉆孔傾角為-1°,4號鉆場5個鉆孔的傾角分別為-4°、-6°、-2°、-1°和0°。各組鉆孔施工完畢后,采用“兩堵一注”的方式對鉆孔進行封孔,封孔深度為16 m,并連入井下的抽放系統,對各個鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采流量進行統計分析。

L為聯絡巷

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°的測試鉆孔抽采效果最好,45°的測試鉆孔次之,30°的測試鉆孔抽采效果最差。根據鉆孔與裂隙的角度,當鉆孔與裂隙或層理呈直角關系時,抽采效果最佳,抽采濃度和抽采純流量均最大。

圖3 不同方位測試鉆孔抽采濃度、抽采純流量對比

3.1.2 順層鉆孔的最佳傾角分析

對圖4進行分析可知,方位角為90°時,傾角為0°、-2°和-4°的鉆孔抽采平均濃度在70%以下,且抽放濃度波動較大。剩余-6°和-1°兩個鉆孔瓦斯抽采濃度曲線的波動幅度持平,前后期各有明顯優勢階段。通過采用協方差計算其中-6°抽采曲線的協方差為5.07,-1°抽采曲線的協方差為6.83,可見-6°抽采曲線的穩定性更好,其抽采效果最佳?？梢缘贸鲢@孔的傾角越大說明鉆孔穿越的層理面越多,此時各層理面的瓦斯流動效果最佳。

圖4 方位角為90°時不同傾角測試鉆孔瓦斯抽采濃度對比

3.2 抽采半徑及鉆孔間距優化

為了進一步優化本煤層鉆孔抽放效果,滿足礦井合理的采掘接續,采用瓦斯壓降法、瓦斯含量法和鉆孔流量法分別對8號煤層鉆孔抽采半徑進行了測試,通過數據對比分析,得出不同抽采時間的有效影響半徑。

3.2.1 瓦斯壓降法

在81310回風順槽22聯巷施工2組鉆孔,每組都有6個鉆孔,其中1個采用鉆孔聯網抽采,共計施工鉆孔12個,其中測壓鉆孔10個,抽采鉆孔2個,2組鉆孔之間間距15 m,其中鉆孔施工設計如圖5所示,此時測壓鉆孔可以測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

兩個抽采鉆孔于2018年9月30日接入瓦斯抽采管路。對各個鉆孔的氣體壓力變化進行記錄分析。將瓦斯壓力的降低值與抽采時間對應關系進行分析,如圖6所示。在采用順層鉆孔預抽煤層瓦斯時,須將瓦斯預抽至安全容許值下,且預抽率達到30%以上,可認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。通過對壓力數據的分析可以得出,2個月時的鉆孔抽采有效半徑約為2.5 m,3個月時的鉆孔抽采有效半徑約為3 m,4個月時的鉆孔抽采有效半徑約為4 m。

圖6 孔內氣體壓力降低率與對應時間分析

3.2.2 瓦斯含量法

在81310回風順槽的21聯巷、24聯巷、28聯巷都布置1組鉆孔,對應的抽采半徑觀察時長為6、5、4個月。每組鉆孔包括1個瓦斯抽采鉆孔和3個考察鉆孔。相鄰兩個考察鉆孔的孔間距為1 m,再根據殘余瓦斯含量測試結果考慮是否增加考察鉆孔。

整組鉆孔抽采4個月后,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個月時,鉆孔有效抽采半徑達到了4 m,抽采6個月時,鉆孔有效抽采半徑達到了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、抽采鉆孔直徑及負壓、抽采目標及時間等因素有關。在煤層瓦斯含量測定的基礎上,根據瓦斯抽采目標,測定鉆孔瓦斯抽采能力,然后經過計算分析,可以確定鉆孔的瓦斯抽采半徑。根據抽采鉆孔平均單孔日抽采瓦斯量統計結果擬合得出抽其衰減負指數曲線的數學表達式為y=160.21e-0.009x,積分解算鉆孔的有效抽采半徑。

綜合現場3種實測方法得出在抽采負壓為13 kPa時,孔徑為113 mm的鉆孔,如表1所示,抽采1個月有效抽采半徑為1.4 m,2個月時的鉆孔抽采有效半徑約為2.5 m,3個月時的鉆孔抽采有效半徑約為3 m,4個月時的鉆孔抽采有效半徑約為4 m,6個月有效抽采半徑為4.5 m。

表1 瓦斯流量法計算鉆孔有效抽采半徑結果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化

在抽采系統中,抽采鉆孔封孔這一步驟直接影響抽采效果,封孔質量稍有不慎,極易造成漏氣,就會降低抽采瓦斯濃度,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,設計12種不同封孔方式組合,如表2所示,優選適合保德礦8號煤層的最佳封孔方式。

表2 試驗區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個順層鉆孔,共計60個鉆孔,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進行抽采,觀察各組鉆孔的瓦斯抽采濃度。

通過對比圖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為峰后應力增高區,在此區域封孔,抽采效果會較好,在實際生產中還應考慮到節省封孔材料,優先選擇封孔距離為8～16 m。

圖8 新材料+囊袋不同封孔距離抽采效果對比

對圖9和圖10分析可知,在封孔深度0～12 m時,采用速凝水泥+馬麗散,增大注漿壓力,采用兩堵兩注封孔時,鉆孔瓦斯濃度平均值為70.66%,抽采效果優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”的方法進行注漿。

圖9 封孔深度0～12 m時不同注漿壓力抽采效果對比圖

圖10 不同封堵方式抽采效果對比

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比

4 結論

(1)在實驗室對8號煤層煤樣滲透率隨進氣壓力和取樣角度的變化規律進行了研究,研究結果表明取樣角度為0°滲透率最大,隨著取樣角度的增大,滲透率均呈現下降趨勢,該實驗為工作面的順層鉆孔施工方位提供了理論依據。

(2)根據得到的4組實驗鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采流量進行分析得出,當預抽鉆孔裂隙呈90°的測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效果最佳。

(3)通過對現場12組不同封孔方式瓦斯抽采濃度進行分析,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”的方法進行注漿。

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