L型井采空区瓦斯抽采技术的应用

收稿日期:2015-10-16;2016-04-06修订基金项目:“十三五冶国家科技重大专项(2016ZX05067)作者简介:柯昌友(1975—),男,重庆璧山人,工程师,长期从事煤矿瓦斯治理技术研究与管理工作。E-mail:[e-mail]。柯昌友,温俊三,李海贵,等.L型井采空区瓦斯抽采技术的应用[J].矿业安全与环保,2016,43(3):64-66.文章编号:1008-4495(2016)03-0064-03L型井采空区瓦斯抽采技术的应用柯昌友,温俊三,李海贵,刘摇毅(晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城048006)摘要:为解决寺河矿3313采煤工作面回采过程中上隅角瓦斯浓度高的问题,运用地面井施工新技术,在3313工作面煤层顶板裂隙带施工一口水平井,利用地面瓦斯抽采泵站通过L型井对采煤工作面的采空区瓦斯进行抽采。地面L型抽采井运行后,平均抽采瓦斯纯量为16郾74m3/min,瓦斯浓度为70%~90%,日均抽采瓦斯纯量约2郾4万m3。在采煤工作面日产量增加约2500t的情况下,回风流中平均瓦斯浓度降低约0郾11%。关键词:L型井;瓦斯防治;裂隙带;采空区瓦斯中图分类号:TD712+.6摇摇摇文献标志码:B摇摇摇网络出版时间:2016-06-0518:10网络出版地址:(ShanxiJinchengAnthraciteMiningGroupCo.,Ltd.,Jincheng048006,China)Abstract:Tosolvetheproblemofdisallowedgasconcentrationattheuppercorneranglein3313workingfaceinSiheMineduringcoalmining,ahorizontalwellwasdilledintherooffracturedzoneofthisworkingfacebyusingthenewdrillingtechnologyofsurfacewells,gasdrainagefromthegoboftheworkingfacewasconductedbythesurfacegasdrainagepumpstationthroughtheL-typewell.AftertheoperationofthesurfaceL-typewell,theaveragepuregasdrainagequantitywas16.74m3/min,thegasconcentrationwas70%~90%,andthedailyaveragegasdrainagequantitywasabout2.4伊104m3.Inthecaseofthedailycoaloutputoftheworkingfaceincreasedbyabout2500t,theaverageconcentrationinthereturn-aircurrentreducedbyabout0.11%.Keywords:L-typewell;gascontrol;fracturedzone;gobgas摇摇寺河矿采用单一厚煤层开采方法,煤层埋藏较深,地应力较大,瓦斯含量较高。由于当前矿井抽掘采接替紧张,工作面瓦斯涌出量大,虽然采取了本煤层抽放、顶板走向钻孔抽放及采空区埋管抽放等治理措施,但在回采过程中回风流瓦斯浓度仍然存在超限的情况,严重影响了采煤工作面的安全生产。通过长期瓦斯治理措施的探索、实践,井下顶板高位钻孔作为采空区瓦斯治理的有效措施得到了广泛的应用,但受井下采掘时间和空间限制,井下高位钻孔的施工容易受衔接影响,且钻孔直径、层位难以保证,致使其效果不稳定。通过大量试验,利用地面采动井治理采面回采过程中采空区瓦斯,取得了一定效果。但是受采动影响,采动井容易塌堵,且有效范围较小,抽放量难以满足寺河矿采面瓦斯治理需要。随着地面水平井技术在晋煤矿区的应用日益成熟,采用地面水平井施工技术,在采面顶板裂隙带施工高位大直径水平井抽采采空区瓦斯就成为一种可能[1]。1摇工作面概况寺河矿3313工作面位于向阳崖村以西,老坟腰村以南,小东山风井以北。工作面地面标高788~960m,工作面标高405~486m,该工作面采用“走向长壁采空区顶板全部垮落法开采工艺冶,实施一次·46·Vol郾43No郾3Jun郾2016摇摇摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇第43卷摇第3期2016年6月采全高综合机械化开采,开采煤层为3#煤,煤厚约为6郾1m,煤层倾角0毅~12毅,平均倾角6毅,工作面走向长度为1239郾88m,倾向长为301郾50m。工作面呈一单斜构造,整体南高北低,倾角为0毅~12毅,平均倾角6毅左右。根据三维地震资料显示:在工作面主撤架通道附近发育断层F14。F14为正断层,倾向286毅,倾角65毅,走向16毅,落差3m左右,对采掘影响程度中等。工作面顶板情况:伪顶为0~0郾3m厚的炭质泥岩,直接顶有3m左右的砂质泥岩和泥岩,老顶为6m厚的粉砂岩,老顶向上为砂质泥岩和砂岩交替。工作面瓦斯情况:工作面回采前测定煤层最大瓦斯含量为7郾5m3/t,工作面瓦斯涌出主要来自邻近层5#和7#煤,占整个工作面瓦斯涌出量的60%~70%。2摇最佳导气裂隙带的确定L型井的关键技术是确定最佳导气裂隙带,通过采用理论研究、数值模拟、常规地面煤层气井受采动影响的现场测试等方法,确定工作面“O冶形圈分布和顶板裂隙带层位,从而最终确定最佳导气裂隙带[2]。2郾1摇垂直层位确定开采过程中,采空区周围岩体内的原有应力平衡状态被破坏,引起了应力的重新分布。煤层顶板和底板出现典型的垂向分带特征。由上至下可分为弯曲下沉带、裂隙带、垮落带、底鼓裂隙带、底鼓变形带。煤层以上能与采空区贯通的主要为垮落带和裂隙带,煤层以下能与采空区贯通的为底鼓裂隙带[3]。采动卸压垂向分带如图1所示。图1摇采动卸压垂向分带示意图选择将L型井布置在顶板裂隙带内有以下优势:淤离层裂隙、竖向裂隙发育,瓦斯在浮力作用下在此富集,瓦斯抽采浓度高;于裂隙带岩层较稳定,有利于降低水平段钻井过程的事故发生率。寺河矿采用“走向长壁采空区顶板全部垮落法开采工艺冶,一次采全高5~7m,理论研究预计导气裂隙带位于6~8倍采高以上,经过对寺河矿常规地面井采用井内探测装置进行测试,对井身结构受采煤岩移动破坏进行了现场试验和分析,确定L型钻井水平段布置在8倍采高的层位上。2郾2摇水平位置确定当工作面正常生产开始后,顶板垮落过程中,大量瓦斯在短时间内涌出,必将引起瓦斯涌出的不均衡性和局部瓦斯浓度过高,考虑回风巷负压作用以及气体密度影响,采动区的瓦斯气体主要集中在靠回风巷一侧,常造成上隅角瓦斯浓度超限。因此将L型采动井布置在回风巷一侧,更有助于解决上隅角瓦斯超限问题。根据钱鸣高院士对覆岩采动裂隙分布的“O冶形圈特征研究,采空区形成初期,裂隙在采空区中部最为发育。随着采煤工作面的推进,覆岩沉降,采空区中部岩石在应力作用下,趋于重新压实,在采空区四周存在一个裂隙发育的“O冶形圈[4-6]。“O冶形圈裂隙带分布如图2所示。图2摇“O冶形圈裂隙带分布示意图通过对寺河矿3313工作面“O冶形圈分布规律的研究,3313工作面“O冶形圈的最佳分布范围为靠近回风巷侧40~70m[7-10]。综上所述,结合采空区形成后的竖向分带和平面上的“O冶形圈范围,将水平段布置在“O冶形圈裂隙带靠近回风巷侧。垂直方向上,在满足水平段位于裂隙带内的前提下,尽量使其位于稳定较厚岩层段,有利于成孔。3摇L型井在3313工作面的应用3郾1摇L型井应用实例3313工作面L型井于2014年5月23日开始施工,2014年7月10日施工完毕,钻井总深度为1200m左右,钻孔施工高度位于3313工作面顶板以上8倍采高的岩层中,钻井编号为SH14-L-01。3313工作面L型井终孔位置距离3313工作面切眼180m,3313工作面L型井整体向3313工作面·56·第43卷摇第3期2016年6月摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇摇摇Vol郾43No郾3Jun郾2016西端倾斜,水平段布置在“O冶形圈裂隙带靠近回风巷侧。地面L型井钻孔平面图、剖面图见图3、图4。图3摇3313工作面地面L型井平面布置图图4摇3313工作面地面L型井剖面布置图地面L型井抽采设备型号为2BE1253,电动机功率55kW,额定排量35m3/min,共安装2台,一用一备。3郾2摇应用效果分析3313工作面于2014年7月20日初采,2014年9月13日工作面推进至300m,L型井一直抽采瓦斯无量,判断井筒可能堵塞,因此对该井使用压裂设备进行压裂疏通施工,2014年9月22日开始疏通作业,共向该井内压水180m3,压力最大为1郾5MPa。疏通作业完成后,9月22日晚L型井抽采泵开启试运行,抽放负压12kPa,瓦斯混合量达22m3/min(标况),说明钻井疏通成功。该井运行以来瓦斯浓度维持在70%~90%,截至2015年4月回采结束,L型井停运,该井最高日抽采瓦斯纯量达到约3万m3,累计达到近300万m3,并基本实现了利用。3313工作面参数统计如图5、图6所示。由图5可以看出,高位钻孔瓦斯抽采量随L型井气量的增长,呈递减趋势,在L型井抽气5天后,井下高位钻孔抽采总量由18m3/min降至5m3/min,风排瓦斯量由原稳定65m3/min降至59m3/min。图6中采煤工作面回风巷口的瓦斯浓度随着地面L型井投运后有明显的下降趋势,且L型井运行后在日产量增加约2500t的情况下,回风平均瓦斯浓度降低约0郾11%。由此可见地面L型井取得了明显的瓦斯治理效果。图5摇3313工作面地面L型井、高位钻孔、采空、风排瓦斯量数据对比图6摇3313工作面回风瓦斯浓度和产量数据对比3郾3摇存在问题1)3313工作面L型井没有直接贯穿整个工作面,工作面初采时的瓦斯问题没有得到有效的解决。2)地面L型井和井下顶板高位钻孔同为解决采空区瓦斯防治措施,其适用条件还需要进一步研究。3)3313工作面试运行期间出现井筒堵塞现象,(下转第70页)·66·Vol郾43No郾3Jun郾2016摇摇摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇第43卷摇第3期2016年6月大位移量减小了约32%。3)采用改进的支护方案后,在距工作面70m(第20个测点)以后的巷道位移量在0郾2m以内,达到巷道稳定性的要求,因此该方案具有一定工程实用价值[11]。参考文献:[1]窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:35-39.[2]吴健,陆明心,张勇,等.综放工作面围岩应力分布的实验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(S2):2356-2359.[3]康红普,王金华,高富强.掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系[J].煤炭学报,2009(12):1585-1593.[4]汪华君,胡云江,朱恒忠,等.渝阳煤矿深部巷道支护优化设计研究[J].矿业安全与环保,2015,42(2):92-99.[5]郑百生,谢文兵,窦林名,等.近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制[J].中国矿业大学学报,2006,35(4):483-487.[6]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.[7]秦忠诚,王同旭.深井孤岛综放面支承压力分布及其在底板中的传递规律[J].岩石力学与工程学报,20