近距離高瓦斯特厚煤層群瓦斯抽采技術(shù)研究

近距離高瓦斯特厚煤層群瓦斯抽采技術(shù)研究

近年來，隨著采礦深度和一體化生產(chǎn)的快速提高，地質(zhì)條件日益復(fù)雜。煤層磚瓦已成為制約礦山安全高效生產(chǎn)的重要因素。煤層磚瓦是一種具有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的氣體，其大量直接排放嚴(yán)重污染了環(huán)境。然而，磚瓦不僅是一種經(jīng)濟(jì)可行的氣體，也是一種清潔、方便、高效的能源。中國埋深2公里的煤層磚瓦儲(chǔ)量為32.35.1012m3，這與傳統(tǒng)天然氣資源相當(dāng)。這不僅充分利用地下資源，而且改善了礦山安全生產(chǎn)條件，提高了經(jīng)濟(jì)效益，有利于改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量和全球環(huán)境。因此，如何有效開發(fā)和利用煤層磚瓦，實(shí)現(xiàn)煤炭和磚瓦資源的安全、高效聯(lián)合開采一直是科研人員的方向和目標(biāo)。目前,國內(nèi)外許多學(xué)者對“煤與瓦斯共采”技術(shù)已有了較為深入的研究,但是對于高瓦斯近距離煤層群頂板順層千米大直徑鉆孔實(shí)現(xiàn)“煤與瓦斯共采”技術(shù)尚缺乏研究.本文在理論研究、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,從瓦斯資源開發(fā)利用角度出發(fā),對華晉焦煤沙曲礦高瓦斯煤層群頂板千米大直徑鉆孔(?200mm)抽采技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,解決了多年來嚴(yán)重制約礦井發(fā)展的瓦斯難題,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯安全高效共采.1礦井瓦斯含量現(xiàn)狀沙曲礦井位于山西省西部河?xùn)|煤田中段的離柳礦區(qū),井田煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組共發(fā)育有15層煤.沙曲礦為高瓦斯且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井,煤層賦存呈現(xiàn)高瓦斯、近距離、多煤層、不穩(wěn)定等特點(diǎn),礦井前期主采煤層為4號煤層,煤層平均厚度為2.45m,其上下鄰近層自上而下為2煤、3煤及5煤(詳見表1),煤層層間距均小于10m,且瓦斯含量大,其中4號煤層原始瓦斯含量為30.73～41.25m3/t,其上下鄰近層(3煤、5煤)原始瓦斯含量亦達(dá)20m3/t以上.現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明,14205綜采面風(fēng)排和抽放瓦斯量達(dá)100m3/min以上.該礦在綜合應(yīng)用本煤層預(yù)抽、鄰近層抽放、尾巷抽放及高抽巷抽放4種抽放方式的情況下,綜采面上隅角及回風(fēng)流瓦斯仍經(jīng)常超限,斷電頻繁,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)和礦井安全.該礦自2004年建成投產(chǎn)以來,一直未達(dá)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力,瓦斯已成為礦井發(fā)展的瓶頸.2煤中瓦斯的充放電開采,為煤的開采創(chuàng)造了條件煤層的采動(dòng)會(huì)引起其周圍巖層產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng),即引起周圍巖層地應(yīng)力封閉的破壞(地應(yīng)力降低-卸壓、孔隙與裂縫增生張開)、層間巖層封閉的破壞(上覆煤巖層垮落、破裂、下沉;下位煤巖層破裂、上鼓)以及地質(zhì)構(gòu)造封閉的破壞(封閉的地質(zhì)構(gòu)造因采動(dòng)而開放、松弛),3者綜合導(dǎo)致圍巖及其煤層的透氣性系數(shù)大幅度增加,為卸壓瓦斯高產(chǎn)高效抽采創(chuàng)造前提條件.煤層卸壓瓦斯的流動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的兩步過程:第1步,以擴(kuò)散的形式,瓦斯從沒有裂隙的煤體流到周圍的裂隙中去;第2步,以滲流的形式,瓦斯沿裂隙流到抽采鉆孔處.卸壓瓦斯的運(yùn)移與巖層移動(dòng)及采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)分布特征有著緊密的關(guān)系.2.1卸壓瓦斯“o”形圈抽采鉆孔煤層開采將引起巖層移動(dòng)與破斷,并在巖層中形成采動(dòng)裂隙.按采動(dòng)裂隙性質(zhì)可分為兩類:一類為離層裂隙,是隨巖層下沉在不同巖性地層之間出現(xiàn)的沿層裂隙,它可使煤層產(chǎn)生膨脹變形而使瓦斯卸壓,并使卸壓瓦斯沿離層裂隙流動(dòng);另一類為豎向破斷裂隙,是隨巖層下沉破斷形成的穿層裂隙,它構(gòu)成上下層間的瓦斯通道.當(dāng)采空區(qū)頂板充分垮落后,采空區(qū)中部巖層和下方的矸石緊密接觸,從而使得采空區(qū)中部頂板巖層裂隙基本被壓實(shí),結(jié)合采場空間特點(diǎn),采空區(qū)四周形成了一個(gè)環(huán)形的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū),文獻(xiàn)稱之為“O”形圈.在“O”形圈上方或者下方受采動(dòng)影響的煤層瓦斯在含量梯度和壓力梯度作用下以擴(kuò)散和滲流的形式向“O”形圈內(nèi)運(yùn)移,使得“O”形圈成為卸壓煤層瓦斯聚集和運(yùn)移的主要通道.卸壓瓦斯“O”形圈抽采理論表明,卸壓瓦斯抽采鉆孔的合理位置應(yīng)打到離層裂隙的“O”形圈內(nèi).高抽鉆孔組就是在沿工作面傾斜方向靠近回風(fēng)巷側(cè)布置一組千米大直徑抽采鉆孔,利用采動(dòng)裂隙“O”形圈作為運(yùn)移通道來抽采采空區(qū)瓦斯,如圖1所示.高抽鉆孔組布置靠近在“O”形圈的回風(fēng)側(cè),改變了采空區(qū)瓦斯流場,有效解決上隅角瓦斯超限問題,且“O”形圈長期存在,抽采鉆孔能夠長時(shí)間、穩(wěn)定的抽采出高含量瓦斯.2.2頂板裂隙抽采鉆孔組采用全部垮落法管理頂板時(shí),上覆巖層下沉穩(wěn)定后,在采動(dòng)區(qū)沿垂直方向由上至下形成了冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶.研究表明,在回采過程中,靠近工作面一定范圍內(nèi)的采空區(qū)中部上覆巖層離層裂隙發(fā)育,結(jié)合采動(dòng)裂隙“O”形圈,在采空區(qū)豎直方向上,形成了一個(gè)“∩”形拱采動(dòng)裂隙區(qū).采空區(qū)不同瓦斯涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采動(dòng)裂隙帶裂隙通道上升,上升中不斷摻入周圍氣體,使涌出源瓦斯與環(huán)境氣體的密度差逐漸減小,直到密度差為零,混合氣體則會(huì)聚集在裂隙帶上部的離層裂隙內(nèi).涌入采空區(qū)的瓦斯,在其含量梯度作用下引起普通擴(kuò)散,由于空氣的重力產(chǎn)生方向向下的壓強(qiáng)梯度,則其產(chǎn)生的擴(kuò)散流方向,與壓強(qiáng)梯度反向,即瓦斯氣體具有向上擴(kuò)散的趨勢.因此,在瓦斯浮力、含量梯度及通風(fēng)負(fù)壓的作用下,“∩”形拱采動(dòng)裂隙區(qū)成為瓦斯聚集區(qū),為采動(dòng)裂隙帶內(nèi)鉆孔抽采、巷道排放等治理瓦斯技術(shù)提供依據(jù).由于沙曲礦近距離高瓦斯煤層群的賦存特性,瓦斯涌出量大,僅靠高抽鉆孔組不能完全解決沙曲礦的瓦斯治理難題,因此,基于上述理論分析,在采空區(qū)頂板裂隙區(qū)布置頂板裂隙抽采鉆孔組,如圖1所示.頂板裂隙鉆孔組加強(qiáng)了采空區(qū)瓦斯抽采,直接對上鄰近層卸壓瓦斯進(jìn)行抽采,減弱了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度,從根本上解決瓦斯超限難題.2.3建立“煤與磚聯(lián)合開采”的技術(shù)體系依據(jù)以上分析研究,結(jié)合本煤層預(yù)抽法,構(gòu)建沙曲礦近距離高瓦斯煤層群“煤與瓦斯共采”技術(shù)體系,如圖2所示.3通過分析屋頂在1000公里范圍內(nèi)的鉆孔和采采價(jià)值3.1工作面地質(zhì)條件數(shù)值模擬對象為沙曲礦14205綜采面,工作面埋深約500m,開采4號煤層,厚度為2.45m,原始瓦斯含量為30.73～41.25m3/t,有煤與瓦斯突出危險(xiǎn).采用傾斜長壁后退式采煤法,工作面長度為200m,采長為950m,采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板,通風(fēng)方式為U+L型抽出式.工作面頂板為細(xì)砂巖,底板為砂質(zhì)泥巖,煤層頂?shù)装逶敿?xì)情況見表1.模型范圍400m×125m,其中采空區(qū)寬度為200m,采空區(qū)兩側(cè)均取100m,模型上邊界施加10.0MPa的均布鉛垂壓應(yīng)力,模型兩側(cè)邊界水平方向固定,底部邊界垂直方向固定,圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型.選用UDEC4.0軟件進(jìn)行模擬,模擬內(nèi)容為14205綜采面上覆巖層采動(dòng)裂隙分布特征及“O”形圈的位置范圍.3.2冒落帶上界數(shù)值計(jì)算模型運(yùn)行12271步,達(dá)到平衡.圖3是覆巖X方向應(yīng)力等值線圖.從圖中可以看出,在豎直方向上,采空區(qū)中部頂板上方約9～10m處應(yīng)力等值線較密,且紊亂,為冒落帶的上界;煤層頂板上部約29～32m處應(yīng)力等值線較為稀疏,且值也較小,表現(xiàn)為拉應(yīng)力,且應(yīng)力等值線在垂直于頂板方向上拉應(yīng)力逐漸減小而趨于零.這說明該處巖層張裂、離層、裂隙已很發(fā)育,巖層失去對應(yīng)力的抵抗作用,這一區(qū)域帶是裂隙帶高度的上界.在計(jì)算模型約21m和42m處應(yīng)力為0,分別為采空區(qū)冒落帶和裂隙帶高度.在采空區(qū)內(nèi)側(cè)10～35m,開采煤層頂板上方10～25m處,應(yīng)力等值線較為稀疏,且應(yīng)力較小,為裂隙充分發(fā)育區(qū),此范圍是布置抽采瓦斯鉆孔的合理區(qū)域.4“煤與磚瓦聯(lián)合開采”試驗(yàn)4.1動(dòng)裂隙區(qū)瓦斯溢出量觀測根據(jù)頂板千米鉆孔抽采原理分析,高抽鉆孔組布置在“O”形圈回風(fēng)側(cè)內(nèi),主要抽采工作面上隅角瓦斯,起高抽巷的作用;頂板裂隙鉆孔組布置在頂板“∩”形拱采動(dòng)裂隙區(qū),主要抽采采空區(qū)內(nèi)鄰近層卸壓瓦斯,起減小采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度的作用.根據(jù)沙曲礦14205綜采面瓦斯涌出量的測定結(jié)果分析及數(shù)值模擬研究,確定高抽鉆孔組的鉆孔數(shù)為3個(gè),3個(gè)鉆孔在垂直面上成等邊三角形布置,鉆孔位置位于開采煤層頂板垂高10～25m內(nèi),回風(fēng)側(cè)水平距離10～35m范圍內(nèi);頂板裂隙鉆孔組鉆孔數(shù)為3個(gè),基本位于同一水平,布置在距開采煤層頂板垂高24～28m范圍內(nèi).14205綜采面頂板順層千米大直徑鉆孔抽采布置見圖4.4.2瓦斯抽采效果實(shí)測分析為了分析掌握“煤與瓦斯共采”試驗(yàn)效果分析,項(xiàng)目組在14205綜采面原有抽放系統(tǒng)出現(xiàn)故障檢修時(shí),對14205綜采面瓦斯涌出量、千米鉆孔抽采量及上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)測,以檢驗(yàn)抽采效果,指導(dǎo)后續(xù)綜采面的瓦斯抽采方案.表2為14205綜采面瓦斯實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表.從表中可以看出,抽采鉆孔組的瓦斯抽采量均達(dá)到50m3/min以上,各個(gè)抽采鉆孔含量均達(dá)55%以上,上隅角瓦斯含量無超限.以上測定結(jié)果表明千米鉆孔抽采系統(tǒng)的抽采量及抽采濃度穩(wěn)定在較高的水平,對綜采面的瓦斯含量分布影響很大,切實(shí)解決了沙曲礦綜采面瓦斯超限難題,為沙曲礦電廠提供了清潔能源,實(shí)現(xiàn)了“煤與瓦斯共采”.4.3米抽采鉆孔的主要特點(diǎn)與傳統(tǒng)的采空區(qū)抽放、鄰近層抽放以及高抽巷抽放等綜合抽放方式相比,沙曲礦綜采面采用頂板千米鉆孔抽采技術(shù)存在如下優(yōu)勢:1)頂板千米大直徑鉆孔抽采技術(shù)取代了采空區(qū)抽放、鄰近層抽放及高抽巷抽放綜合抽放方式,減少了高抽巷的掘進(jìn)量,避免了掘進(jìn)過程中的煤與瓦斯突出問題,并節(jié)約了抽放管路等材料費(fèi)用.2)千米抽采鉆孔均布置在采空區(qū)高瓦斯聚集區(qū)域,其混和抽采量小,抽采含量高,不但滿足瓦斯利用的含量要求,而且節(jié)約了抽采運(yùn)行費(fèi)用.3)千米抽采鉆孔的采空區(qū)布置形式,改變了采空區(qū)瓦斯流場,減弱了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度,有效解決了綜采面上隅角瓦斯超限難題.4)千米定向鉆機(jī)布置在開拓大巷附近鉆場內(nèi),可與采區(qū)巷道并行作業(yè),緩解了高瓦斯突出礦井的采掘接替緊張的難題.5)千米鉆孔布置在長期穩(wěn)定存在的“O”形圈和“∩”形拱裂隙區(qū)內(nèi),即使在綜采面開采完畢后,亦可繼續(xù)抽采,不但加強(qiáng)了對瓦斯清潔能源的利用,亦鄰近層及鄰近工作面開采過程中的瓦斯治理起到一定的作用.5煤與瓦斯共采技術(shù)1)抽采卸壓瓦斯關(guān)鍵在于將千米抽采鉆孔打到采動(dòng)裂隙“O”形圈和“∩”形拱裂隙區(qū)內(nèi),才能長時(shí)間、穩(wěn)定地抽采出高含量瓦斯.2)數(shù)值模擬表明,開采4號煤層采空區(qū)冒落帶和裂隙帶高