地面鉆井抽采瓦斯抽采效果分析

地面采礦和采礦層壓板的方法主要有兩種：一種是預(yù)抽頂板，另一種是采后開采層的壓板壓力。地面鉆井抽采煤層瓦斯的效果主要由煤層的滲透性和裂隙發(fā)育程度決定。運(yùn)用地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯在煤層賦存穩(wěn)定、滲透性好的美國和澳大利亞等國已取得了較好效果;而對于中國的低滲透率煤層來說,運(yùn)用地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯效果較差,主要采用的是地面鉆井抽采采后卸壓煤層瓦斯。對單一煤層而言,地面鉆井抽采的卸壓瓦斯只有本煤層瓦斯;而對煤層群而言,根據(jù)采后卸壓瓦斯來源不同,地面鉆井抽采采后卸壓瓦斯可分為抽采本煤層采動卸壓瓦斯和抽采受采動影響的上覆煤層卸壓瓦斯2種。然而,分析地面鉆井抽采煤層群瓦斯中所包含的受采動影響的上覆煤層卸壓瓦斯量占抽出總瓦斯量的比例具有重要意義:一方面可以明確地面鉆井抽采的主要瓦斯來源,確定地面鉆井抽采瓦斯的主要作用;另一方面,能夠以此評估上覆煤層卸壓瓦斯抽采效果,為后一階段上覆煤層開采時的瓦斯抽采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文將以淮南潘一礦2361(1)工作面布置的地面鉆井抽采煤層群瓦斯試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析地面鉆井抽采采動卸壓瓦斯來源,明確現(xiàn)階段地面鉆井的主要用途,考察地面鉆井對上覆遠(yuǎn)距離煤層卸壓瓦斯的抽采效果。1工作面抗瓦斯能力淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦可采煤層自上向下編號為13,11,8,7和4煤層。13煤層與11煤層間距56.50~77.43m,平均64.92m;11煤層與8煤層間距78.25~101.86m,平均91.26m。主采煤層為13煤層和11煤層,均為突出危險(xiǎn)性煤層,但由于13煤突出危險(xiǎn)性比11煤高,通常以11煤層作為下保護(hù)層開采來保護(hù)13煤層。潘一礦2361(1)工作面位于潘一礦東二采區(qū),開采11煤,工作面走向長1062m,傾斜長167m,煤層傾角7~12°,平均10°,煤層厚度1.70~2.30m,平均1.83m,煤層結(jié)構(gòu)簡單。該煤層平均瓦斯含量10m3/t,具有突出危險(xiǎn)性。在本工作面上方62.2m的13煤層為未采實(shí)體塊段,煤層平均厚度5.5m,平均瓦斯含量12m3/t。在2361(1)工作面回采時,除了采用風(fēng)排、尾抽巷、頂板走向鉆孔等方式治理工作面瓦斯之外,還試驗(yàn)采用地面鉆井抽采工作面及采空區(qū)瓦斯。同時,將試驗(yàn)運(yùn)用地面鉆井抽采受采動影響的上覆遠(yuǎn)距離13煤層卸壓瓦斯,考察地面鉆井對13煤卸壓瓦斯的抽采效果。2地面鉆井的布置“十五”期間淮南謝橋礦、張北礦和潘一礦等地面鉆井的抽采試驗(yàn)成果表明:淮南礦區(qū)地面鉆井抽采卸壓瓦斯的有效抽采半徑為220m。以此為基礎(chǔ),根據(jù)2361(1)工作面的實(shí)際走向長度、地面鉆井有效抽采半徑等條件,沿2361(1)工作面走向在距11煤頂板巖巷下方30m處共施工了3口地面鉆井,1,2,3號鉆井深度分別為667.3,688.4,690.1m。1號鉆井距工作面切眼260m,2號鉆井距1號鉆井260m,3號鉆井距2號鉆井314m,3號鉆井距工作面終采線89.4m。地面鉆井在工作面的平面布置如圖1所示。2361(1)工作面地面鉆井的終孔位置設(shè)置在11煤底板下方1m處,2號鉆井從井口到井底各段的結(jié)構(gòu)設(shè)置如下:從地面開孔處到表土層下方40m的基巖段內(nèi)設(shè)置244.50mm×11.05mm的石油套管;向下設(shè)置177.80mm×9.19mm的石油套管與篩管相接;考慮到地面鉆井具有抽采11煤采空區(qū)的瓦斯和上部受采動影響的13煤卸壓瓦斯的雙重作用,鉆井篩管布置的層位要能夠滿足11煤和13煤卸壓瓦斯順利進(jìn)入地面鉆井的要求,設(shè)置了2段177.80mm×9.19mm的篩管,2段篩管之間設(shè)置了一段20m長的177.80mm×9.19mm石油套管與其相接,下面篩管底端到距11煤頂板5m的位置為止;篩管下方3m段為裸孔,主要起對鉆井排水的作用;裸孔到井底段以白水泥封孔。2號鉆井結(jié)構(gòu)如圖2所示。3地面鉆井與地面采動裂隙相結(jié)合的巷道煤層開采以后,在采面的后方形成采空區(qū),并在采空區(qū)內(nèi)形成卸壓空間。由于卸壓作用而產(chǎn)生的裂隙在橫向和豎向方向形成“橫三區(qū)”和“豎三帶”,即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)、冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。隨著工作面的推進(jìn)“橫三區(qū)”和“豎三帶”也將發(fā)生動態(tài)變化,這一變化對本煤層及鄰近煤層瓦斯的涌出起到了重要的影響作用。位于采空區(qū)上方的頂板巖層在自重的作用下,發(fā)生彎曲、斷裂、破碎成塊而冒落,并無規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi),形成冒落帶,其高度通常為采出厚度的3~5倍。冒落巖塊具有一定的碎脹性,巖塊之間的空間較大,這為瓦斯的流通提供了良好的通道。而位于冒落帶上方的巖層由于缺少頂板巖層的支撐作用,將產(chǎn)生較大的彎曲、變形及破壞。在巖體中出現(xiàn)順著巖層層理面的離層裂隙和垂直于層理面的破斷裂隙,形成裂隙帶,其高度一般為采高的10~30倍。部分層間破斷裂隙的相互貫穿為處于裂隙帶內(nèi)的鄰近層瓦斯涌入到采空區(qū)提供了流動通道。遠(yuǎn)離開采層、位于裂隙帶上方的煤巖層,由于受采動影響相對較小,巖層不發(fā)生破斷,不能形成貫穿巖層的豎向破斷裂隙,但能產(chǎn)生較大的離層裂隙。彎曲下沉帶內(nèi)上覆遠(yuǎn)距離煤層附近形成的離層裂隙成為該煤層卸壓瓦斯聚集和流通的主要通道,如圖3所示。2361(1)工作面2號地面鉆井的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出,在13煤層附近和11煤上方設(shè)置了2段篩管,篩管段的設(shè)置為抽采11煤和13煤瓦斯提供了流入通道。其中,下面篩孔管終端設(shè)置在距離11煤頂板5m的位置,處于冒落帶和裂隙帶的交界層,該段篩孔管上方巖層段沒有完全破斷,但裂隙發(fā)育較為充分,成為11煤卸壓瓦斯聚集區(qū)。因此,通過該段篩管,地面鉆井在抽采負(fù)壓的作用下,可以抽采11煤采空區(qū)瓦斯。淮南礦區(qū)的實(shí)測資料表明,開采11煤(層厚為1.8m)的冒落帶高度和裂隙帶高度分別為10和33m左右,而13煤在距離11煤頂板62.2m的層位,由此可以判斷13煤位于開采11煤形成的彎曲下沉帶內(nèi)。由于彎曲下沉帶內(nèi)只產(chǎn)生順層離層張性裂隙,而不產(chǎn)生豎向破斷裂隙,因而在11煤采動影響作用下,13煤及附近的巖層只能形成離層裂隙,這也成為13煤卸壓瓦斯匯聚及流通的通道。由于匯聚于離層帶內(nèi)的13煤卸壓瓦斯不能通過豎向?qū)娱g破斷裂隙進(jìn)入11煤采空區(qū),只能在地面鉆井抽采負(fù)壓的作用下,沿受采動影響而卸壓的13煤順層張性離層裂隙,經(jīng)過該煤層段的篩管向抽放鉆井匯集。4鉆井泵的泵送4.1工作面抽采瓦斯量1號地面鉆井從工作面距該井4m時開始抽采瓦斯,在工作面推過該鉆井154m時,由于鉆井?dāng)喙芏袛嗖蓺?鉆井工作47d,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)95.7%,平均瓦斯流量10.4m3/min,抽采瓦斯總量703872m3。工作面回采期間,1號地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛群土髁孔兓鐖D4a所示。在工作面停采前2號地面鉆井抽采瓦斯分為2個階段:第1階段,2號地面鉆井從工作面推過該井20m時開始抽采瓦斯,至工作面推過該井276m處(工作面到此位置時3號地面鉆井開始抽采瓦斯),鉆井工作52d,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)92.6%,平均瓦斯流量20.0m3/min,抽采瓦斯量1497600m3;第2階段,從工作面推過2號井276m處開始算起,至工作面推過2號井413m處(工作面停止回采),鉆井工作55d,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)88.7%,平均瓦斯流量7.6m3/min,抽采瓦斯量601920m3。工作面回采期間,2號地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛群土髁孔兓鐖D4b所示。3號地面鉆井從工作面距其43m處開始抽采瓦斯,至工作面推過該井89.4m處(此時工作面停止回采),鉆井工作53d,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)60.6%,平均瓦斯流量8.1m3/min,抽采瓦斯量618192m3。工作面回采期間,3號地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛群土髁孔兓鐖D4c所示。2361(1)工作面在2007年9月13日停采后,2號和3號地面鉆井繼續(xù)抽采瓦斯,直到2007年12月12日鉆井停止抽采。在此期間,2號地面鉆井工作82d,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)85.1%,平均瓦斯流量1.2m3/min,抽采瓦斯量141696m3;3號地面鉆井工作82d,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)30.4%,平均瓦斯流量4.8m3/min,抽采瓦斯量566784m3。工作面停采后,2號、3號地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛群土髁孔兓鐖D5所示。4.2地面鉆井抽采瓦斯量的確定地面鉆井抽采的煤層瓦斯包含11煤2361(1)工作面采空區(qū)瓦斯和受采動影響的13煤卸壓瓦斯2部分,而分析地面鉆井這2部分瓦斯來源可確定現(xiàn)階段地面鉆井的抽采作用并為后一階段開采13煤的瓦斯抽采設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。由于13煤在距離11煤頂板上方62.2m的層位,開采2361(1)工作面(采高1.8m)后,13煤處于彎曲下沉帶內(nèi)。因此,13煤及其附近巖層將只產(chǎn)生離層裂隙,而不產(chǎn)生豎向?qū)娱g破斷裂隙,13煤卸壓瓦斯也將主要聚集在該煤層的離層裂隙內(nèi),而涌入到11煤采空區(qū)的瓦斯將非常有限。通過圖3可以看出,13煤的卸壓瓦斯將經(jīng)過上部Ⅰ篩管進(jìn)入到鉆井中,而11煤2361(1)工作面采空區(qū)的瓦斯將經(jīng)過下部Ⅱ篩管進(jìn)入鉆井中,混合后的瓦斯在地面鉆井抽采負(fù)壓的作用下進(jìn)入地面的瓦斯存儲、利用設(shè)備。經(jīng)過Ⅰ篩管進(jìn)入地面鉆井的13煤卸壓瓦斯,由于沒有其他氣體進(jìn)入的影響,可以看作是純瓦斯,即瓦斯體積分?jǐn)?shù)100%;由于Ⅱ篩管處于裂隙帶中,經(jīng)過此段篩管進(jìn)入地面鉆井的瓦斯?jié)舛瓤梢越普J(rèn)為與該處采空區(qū)瓦斯?jié)舛认嗤?。基于此可以通過13煤瓦斯?jié)舛?、采空區(qū)瓦斯?jié)舛群突旌虾蟮耐咚節(jié)舛葋泶_定地面鉆井抽采瓦斯來源,即式中:n0為混合后地面鉆井的井口瓦斯監(jiān)測濃度,%;nⅠ為經(jīng)過Ⅰ篩管進(jìn)入鉆井的13煤卸壓瓦斯?jié)舛?nⅠ=100%;nⅡ?yàn)榻?jīng)過Ⅱ篩管進(jìn)入鉆井的采空區(qū)瓦斯?jié)舛?%;x為地面鉆井抽采13煤卸壓瓦斯量占總抽采瓦斯量的百分比,%。通過2361(1)工作面開采時和停止回采后各階段采空區(qū)監(jiān)測的瓦斯?jié)舛取⒌孛驺@井混合后的瓦斯?jié)舛扔?jì)算得到的不同階段地面鉆井抽采瓦斯總量和抽采13煤卸壓瓦斯量,見表1。在整個地面鉆井抽采瓦斯期間,各鉆井抽采瓦斯總體情況見表2。由表2可以看出,1號和2號地面鉆井抽采的13煤瓦斯分別達(dá)到該井抽采瓦斯總量的95.4%和89.5%,表明該鉆井以抽采受采動影響的13煤卸壓瓦斯為主,而以抽采2361(1)工作面采空區(qū)瓦斯為輔。2361(1)工作面在推過3號地面鉆井89.4m后停采,考慮到下保護(hù)層開采對上覆巖層的卸壓影響范圍,按保護(hù)層開采理論計(jì)算13煤層受影響的最遠(yuǎn)范圍僅在過3號地面鉆井47m左右的位置,這說明3號井周邊13煤的卸壓范圍非常有限;同時地面鉆井有效影響半徑在220m左右,而3號鉆井距2號鉆井只有314m,即在2號和3號鉆井之間只有90m左右的范圍沒有受到2號井的抽采影響。因此,在受工作面停采和2號鉆井抽采的雙重影響作用下,3號地面鉆井抽采的13煤瓦斯將相對有限,經(jīng)計(jì)算抽采13煤瓦斯量僅占該井抽采瓦斯總量的35.4%,即3號鉆井以抽采2361(1)工作面采空區(qū)瓦斯為主。考慮下保護(hù)層的影響范圍及地面鉆井有效抽采半徑范圍,經(jīng)估算得到1,2,3號地面鉆井有效抽采范圍內(nèi)13煤卸壓瓦斯儲量為1.13×107m3,則地面鉆井對13煤瓦斯抽采率達(dá)到了27.5%。如果不考慮1號鉆井?dāng)喙芎?號鉆井受工作面停采而致使13煤卸壓不充分的影響,估算得到2號鉆井有效抽采范圍內(nèi)13煤卸壓瓦斯儲量為5.68×106m3,則2號地面鉆井瓦斯抽采率達(dá)到了35.3%。5地面鉆井對瓦斯抽放的影響1)在潘一礦運(yùn)用地面鉆井抽采采動區(qū)卸壓瓦斯試驗(yàn)中,地面鉆井具有抽采采空區(qū)瓦斯和上覆煤層卸壓瓦斯的雙重作用。其中,1號和2號地面鉆井以抽采受采動影響的13煤卸壓瓦斯為主,以抽采采空區(qū)瓦斯為輔