长距离定向钻孔预抽瓦斯技术应用研究

申利军

(长治三元中能煤业股份有限公司,山西 长治 046000)

1 工程概况

山西省某矿3号煤层3210综采工作面位于一水平二采区,工作面走向长571 m,倾向长231 m,煤层均厚3.41 m;瓦斯地质条件复杂,巷向西北0～198 m、233.3～495 m处于瓦斯突出危险区,切巷向西北0～198 m、233.3～495 m也处于瓦斯突出危险区,该面存在较大瓦斯异常隐患,为保障3210回风巷掘进期间的施工安全,进行长距离钻孔预抽技术的应用研究。

2 长距离定向钻孔关键参数研究分析

该矿3号煤层二采区煤层瓦斯含量较高,局部区域存在煤与瓦斯突出危险性,3210回风巷掘进区域瓦斯地质条件复杂,设计采用长距离定向钻孔预抽技术进行消突,为了使设计的预抽方案更加合理有效,借助计算机模拟软件对瓦斯抽采过程进行模拟研究。

2.1 建立数值模型

COMSOL是一款以有限元原理为基础的数值模拟软件[1]。由于实际工程中物理场环境及各种影响因素是非常复杂的,采用有限元软件可通过对实际情况简化求得近似解。该软件本身具有CAD绘图功能,将长距离钻孔抽采简化为沿钻孔径向的二维模型,采用COMSOL-Multiphysics 软件构建二维几何模型,然后进行物理参数定义:煤层孔隙率为0.04,弹性模量为2.632×109Pa,初始瓦斯压力1.33 MPa,煤层密度为1.35×103kg/m3,渗透率2.43×10-15m2,瓦斯动力粘度系数为1.118 7×10-5Pa·s.应用软件自带的网格生成器进行网格单元划分,所建模型宽20 m、高3.4 m,将长钻孔布置在模型中央,钻孔附近网格划分密度较大,所建模型及网格划分如图1所示。

图1 数值模型示意

2.2 钻孔直径对抽采效果的影响

抽采钻孔施工后,将破坏周围一定范围内煤体原有的应力平衡状态,煤体内裂隙、裂缝发育,导致煤层透气性系数增大,钻孔直径越大影响的范围越大,瓦斯抽采量也增大。目前,常用的3种钻孔直径为65 mm、75 mm、96 mm[2],设计抽采负压为25 kPa,抽采时间120 d.瓦斯压力分布数值模拟结果如图2所示。仅抽采钻孔直径发生变化时,随着钻孔直径的增大,抽采引起瓦斯压力降低的范围逐渐增大,钻孔直径为96 mm时,距钻孔中心相同位置处瓦斯压力降低幅度明显大于75 mm和65 mm钻孔,直径96 mm钻孔抽采效果最佳。

图2 钻孔直径对抽采效果影响

2.3 抽采时间对抽采效果的模拟分析

对于瓦斯突出煤层而言,抽采前期瓦斯压力大、解析快,钻孔瓦斯流量大,随着抽采时间的延长,瓦斯流量呈负指数关系趋势衰减,后期的抽采效果明显降低,继续抽采对于煤矿经济和采掘速度均造成不利影响。钻孔直径96 mm、负压25 kPa条件下,得到瓦斯压力分布(如图3所示)。

图3 不同抽采时间模拟结果

根据图3所示结果分析可知,抽采时间对于煤层内瓦斯压力降低的范围具有显著影响。随着抽采时间的增大,瓦斯压力下降的范围显著增大,但是瓦斯压力下降的幅度随着与钻孔中心距离的增大而减小,这说明距离钻孔越近,瓦斯压力梯度越大,瓦斯解析、抽采速度越快。参照以往研究成果,当煤层内瓦斯压力下降至0.74 MPa以下,再继续抽采下去的意义不大,因此将0.74 MPa作为有效抽采范围的判别标准。以距离钻孔中心5 m处的煤体为例,抽采90 d、120 d时,瓦斯压力分别为0.783 MPa、0.731 MPa,抽采90 d时,有效抽采半径达到5.0 m以上,继续抽采时瓦斯压力下降速率逐渐减小,继续抽采的意义不大,因此抽采时间为90～120 d较为合理。

3 区域消突长钻孔抽采瓦斯方案设计

结合前文数值模拟研究及理论分析结果,并参照类似工程地质条件下的研究结果[2-4],负压越大瓦斯抽采速度越快,但是同样使钻孔的塌孔、喷孔的可能性及成本增大,结合该矿瓦斯抽采现状,设计抽采负压为25 kPa,3210回风巷定向钻孔现场试验采用96 mm的钻孔,抽采时间为120 d,预计有效抽采半径不小于5 m.本次距离定向钻孔的目标层位为3号煤层,为了方便向3210回风巷施工区域进行梳状定向钻孔施工,在二采区行人通道实体煤帮布置钻场,钻场进深5.0 m、宽9.0 m,钻场布置在3号煤层底板下方5～10 m,定向钻孔开孔位于钻场中部,钻孔间水平间距0.8 m,共布置14个水平钻孔,钻场及开孔布置详情如图4所示。定向钻孔采用二开式孔身结构,开孔采用直径96 mm的钻头,一扩、二扩分布采用直径173 mm、193 mm的钻头,封孔采用直径150 mm套管、长15 m并注浆封孔,单孔设计深度 600 m,每间隔40 m左右开设一个分支孔进入3号煤层,分支孔沿煤层钻孔50 m,钻孔水平段间距为10 m.

图4 钻孔及钻场布置示意

4 抽采及防突效果评价

4.1 抽采效果考察

在3210回风巷掘进施工区域共施工14个长距离定向钻孔,抽采期间监测各个钻孔的瓦斯抽采数据。以6号钻孔的瓦斯抽采浓度及纯量数据为例,通过整理得到为期120 d的抽采期间随时间的变化曲线(如图5所示)。随着抽采时间的延长,抽采瓦斯体积分数和纯量总体呈下降趋势,瓦斯体积分数最高可达80%,抽采纯量达到1.20 m3/min,在抽采60 d后瓦斯体积分数和存量出现明显降低,瓦斯体积分数和纯量分别降至60%、0.65 m3/min,降幅分别为25%、46%,但瓦斯体积分数仍保持在50%以上,抽采效率仍较高。

图5 6号定向钻孔抽采瓦斯体积分数及纯量变化曲线

4.2 消突效果分析

根据《防突规定》:煤与瓦斯突出区域瓦斯抽采率应大于30%,残余瓦斯压力需小于0.74 MPa,残余瓦斯含量小于8 m3/t.首先通过计算瓦斯抽采率来评价消突效果,本次定向钻孔抽采区域煤炭总储量为2.25×105t,原始瓦斯含量12.57 m3/t,评价单元内瓦斯总储量为2.8125×106m3,14个定向钻孔抽采瓦斯总量为1.645×106m3,抽采率为58.5%,理论上残余瓦斯量为5.22 m3/t,残余瓦斯含量和瓦斯抽采率均满足规范要求。3210回风巷掘进施工期间,采用实测煤层残余瓦斯压力的方式来检验消突效果。经过现场测定,钻孔抽采区域的瓦斯压力保持在0.35～0.65 MPa之间,瓦斯压力均小于0.74 MPa,基本消除了煤层瓦斯突出的威胁,消突效果良好。

5 结 语

该矿3210工作面瓦斯地质条件复杂,回风巷位于煤与瓦斯突出危险区域,为保障其掘进安全,设计采用长距离定向钻孔进行区域消突。通过模拟研究分析确定合理钻孔直径为96 mm,合理抽采负压25 kPa,合理抽采时间120 d,结合工作面生产地质条件设计定向钻孔布置方案,抽采期间,各钻孔抽采瓦斯体积分数基本保持在50%以上,总体抽采率达到58.5%,取得理想的抽采及消突效果,保障了矿井的安全高效生产。