地面钻井抽采瓦斯抽采效果分析

地面钻井抽采瓦斯抽采效果分析

地面采矿和采矿层压板的方法主要有两种：一种是预抽顶板，另一种是采后开采层的压板压力。地面钻井抽采煤层瓦斯的效果主要由煤层的渗透性和裂隙发育程度决定。运用地面钻井预抽煤层瓦斯在煤层赋存稳定、渗透性好的美国和澳大利亚等国已取得了较好效果;而对于中国的低渗透率煤层来说,运用地面钻井预抽煤层瓦斯效果较差,主要采用的是地面钻井抽采采后卸压煤层瓦斯。对单一煤层而言,地面钻井抽采的卸压瓦斯只有本煤层瓦斯;而对煤层群而言,根据采后卸压瓦斯来源不同,地面钻井抽采采后卸压瓦斯可分为抽采本煤层采动卸压瓦斯和抽采受采动影响的上覆煤层卸压瓦斯2种。然而,分析地面钻井抽采煤层群瓦斯中所包含的受采动影响的上覆煤层卸压瓦斯量占抽出总瓦斯量的比例具有重要意义:一方面可以明确地面钻井抽采的主要瓦斯来源,确定地面钻井抽采瓦斯的主要作用;另一方面,能够以此评估上覆煤层卸压瓦斯抽采效果,为后一阶段上覆煤层开采时的瓦斯抽采设计提供依据。本文将以淮南潘一矿2361(1)工作面布置的地面钻井抽采煤层群瓦斯试验数据为基础,分析地面钻井抽采采动卸压瓦斯来源,明确现阶段地面钻井的主要用途,考察地面钻井对上覆远距离煤层卸压瓦斯的抽采效果。1工作面抗瓦斯能力淮南矿业集团潘一矿可采煤层自上向下编号为13,11,8,7和4煤层。13煤层与11煤层间距56.50~77.43m,平均64.92m;11煤层与8煤层间距78.25~101.86m,平均91.26m。主采煤层为13煤层和11煤层,均为突出危险性煤层,但由于13煤突出危险性比11煤高,通常以11煤层作为下保护层开采来保护13煤层。潘一矿2361(1)工作面位于潘一矿东二采区,开采11煤,工作面走向长1062m,倾斜长167m,煤层倾角7~12°,平均10°,煤层厚度1.70~2.30m,平均1.83m,煤层结构简单。该煤层平均瓦斯含量10m3/t,具有突出危险性。在本工作面上方62.2m的13煤层为未采实体块段,煤层平均厚度5.5m,平均瓦斯含量12m3/t。在2361(1)工作面回采时,除了采用风排、尾抽巷、顶板走向钻孔等方式治理工作面瓦斯之外,还试验采用地面钻井抽采工作面及采空区瓦斯。同时,将试验运用地面钻井抽采受采动影响的上覆远距离13煤层卸压瓦斯,考察地面钻井对13煤卸压瓦斯的抽采效果。2地面钻井的布置“十五”期间淮南谢桥矿、张北矿和潘一矿等地面钻井的抽采试验成果表明:淮南矿区地面钻井抽采卸压瓦斯的有效抽采半径为220m。以此为基础,根据2361(1)工作面的实际走向长度、地面钻井有效抽采半径等条件,沿2361(1)工作面走向在距11煤顶板岩巷下方30m处共施工了3口地面钻井,1,2,3号钻井深度分别为667.3,688.4,690.1m。1号钻井距工作面切眼260m,2号钻井距1号钻井260m,3号钻井距2号钻井314m,3号钻井距工作面终采线89.4m。地面钻井在工作面的平面布置如图1所示。2361(1)工作面地面钻井的终孔位置设置在11煤底板下方1m处,2号钻井从井口到井底各段的结构设置如下:从地面开孔处到表土层下方40m的基岩段内设置244.50mm×11.05mm的石油套管;向下设置177.80mm×9.19mm的石油套管与筛管相接;考虑到地面钻井具有抽采11煤采空区的瓦斯和上部受采动影响的13煤卸压瓦斯的双重作用,钻井筛管布置的层位要能够满足11煤和13煤卸压瓦斯顺利进入地面钻井的要求,设置了2段177.80mm×9.19mm的筛管,2段筛管之间设置了一段20m长的177.80mm×9.19mm石油套管与其相接,下面筛管底端到距11煤顶板5m的位置为止;筛管下方3m段为裸孔,主要起对钻井排水的作用;裸孔到井底段以白水泥封孔。2号钻井结构如图2所示。3地面钻井与地面采动裂隙相结合的巷道煤层开采以后,在采面的后方形成采空区,并在采空区内形成卸压空间。由于卸压作用而产生的裂隙在横向和竖向方向形成“横三区”和“竖三带”,即煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区、冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。随着工作面的推进“横三区”和“竖三带”也将发生动态变化,这一变化对本煤层及邻近煤层瓦斯的涌出起到了重要的影响作用。位于采空区上方的顶板岩层在自重的作用下,发生弯曲、断裂、破碎成块而冒落,并无规则地堆积在采空区内,形成冒落带,其高度通常为采出厚度的3~5倍。冒落岩块具有一定的碎胀性,岩块之间的空间较大,这为瓦斯的流通提供了良好的通道。而位于冒落带上方的岩层由于缺少顶板岩层的支撑作用,将产生较大的弯曲、变形及破坏。在岩体中出现顺着岩层层理面的离层裂隙和垂直于层理面的破断裂隙,形成裂隙带,其高度一般为采高的10~30倍。部分层间破断裂隙的相互贯穿为处于裂隙带内的邻近层瓦斯涌入到采空区提供了流动通道。远离开采层、位于裂隙带上方的煤岩层,由于受采动影响相对较小,岩层不发生破断,不能形成贯穿岩层的竖向破断裂隙,但能产生较大的离层裂隙。弯曲下沉带内上覆远距离煤层附近形成的离层裂隙成为该煤层卸压瓦斯聚集和流通的主要通道,如图3所示。2361(1)工作面2号地面钻井的结构如图2所示。从图2可以看出,在13煤层附近和11煤上方设置了2段筛管,筛管段的设置为抽采11煤和13煤瓦斯提供了流入通道。其中,下面筛孔管终端设置在距离11煤顶板5m的位置,处于冒落带和裂隙带的交界层,该段筛孔管上方岩层段没有完全破断,但裂隙发育较为充分,成为11煤卸压瓦斯聚集区。因此,通过该段筛管,地面钻井在抽采负压的作用下,可以抽采11煤采空区瓦斯。淮南矿区的实测资料表明,开采11煤(层厚为1.8m)的冒落带高度和裂隙带高度分别为10和33m左右,而13煤在距离11煤顶板62.2m的层位,由此可以判断13煤位于开采11煤形成的弯曲下沉带内。由于弯曲下沉带内只产生顺层离层张性裂隙,而不产生竖向破断裂隙,因而在11煤采动影响作用下,13煤及附近的岩层只能形成离层裂隙,这也成为13煤卸压瓦斯汇聚及流通的通道。由于汇聚于离层带内的13煤卸压瓦斯不能通过竖向层间破断裂隙进入11煤采空区,只能在地面钻井抽采负压的作用下,沿受采动影响而卸压的13煤顺层张性离层裂隙,经过该煤层段的筛管向抽放钻井汇集。4钻井泵的泵送4.1工作面抽采瓦斯量1号地面钻井从工作面距该井4m时开始抽采瓦斯,在工作面推过该钻井154m时,由于钻井断管而中断采气,钻井工作47d,平均抽采瓦斯体积分数95.7%,平均瓦斯流量10.4m3/min,抽采瓦斯总量703872m3。工作面回采期间,1号地面钻井抽采瓦斯浓度和流量变化如图4a所示。在工作面停采前2号地面钻井抽采瓦斯分为2个阶段:第1阶段,2号地面钻井从工作面推过该井20m时开始抽采瓦斯,至工作面推过该井276m处(工作面到此位置时3号地面钻井开始抽采瓦斯),钻井工作52d,平均抽采瓦斯体积分数92.6%,平均瓦斯流量20.0m3/min,抽采瓦斯量1497600m3;第2阶段,从工作面推过2号井276m处开始算起,至工作面推过2号井413m处(工作面停止回采),钻井工作55d,平均抽采瓦斯体积分数88.7%,平均瓦斯流量7.6m3/min,抽采瓦斯量601920m3。工作面回采期间,2号地面钻井抽采瓦斯浓度和流量变化如图4b所示。3号地面钻井从工作面距其43m处开始抽采瓦斯,至工作面推过该井89.4m处(此时工作面停止回采),钻井工作53d,平均抽采瓦斯体积分数60.6%,平均瓦斯流量8.1m3/min,抽采瓦斯量618192m3。工作面回采期间,3号地面钻井抽采瓦斯浓度和流量变化如图4c所示。2361(1)工作面在2007年9月13日停采后,2号和3号地面钻井继续抽采瓦斯,直到2007年12月12日钻井停止抽采。在此期间,2号地面钻井工作82d,平均抽采瓦斯体积分数85.1%,平均瓦斯流量1.2m3/min,抽采瓦斯量141696m3;3号地面钻井工作82d,平均抽采瓦斯体积分数30.4%,平均瓦斯流量4.8m3/min,抽采瓦斯量566784m3。工作面停采后,2号、3号地面钻井抽采瓦斯浓度和流量变化如图5所示。4.2地面钻井抽采瓦斯量的确定地面钻井抽采的煤层瓦斯包含11煤2361(1)工作面采空区瓦斯和受采动影响的13煤卸压瓦斯2部分,而分析地面钻井这2部分瓦斯来源可确定现阶段地面钻井的抽采作用并为后一阶段开采13煤的瓦斯抽采设计提供科学依据。由于13煤在距离11煤顶板上方62.2m的层位,开采2361(1)工作面(采高1.8m)后,13煤处于弯曲下沉带内。因此,13煤及其附近岩层将只产生离层裂隙,而不产生竖向层间破断裂隙,13煤卸压瓦斯也将主要聚集在该煤层的离层裂隙内,而涌入到11煤采空区的瓦斯将非常有限。通过图3可以看出,13煤的卸压瓦斯将经过上部Ⅰ筛管进入到钻井中,而11煤2361(1)工作面采空区的瓦斯将经过下部Ⅱ筛管进入钻井中,混合后的瓦斯在地面钻井抽采负压的作用下进入地面的瓦斯存储、利用设备。经过Ⅰ筛管进入地面钻井的13煤卸压瓦斯,由于没有其他气体进入的影响,可以看作是纯瓦斯,即瓦斯体积分数100%;由于Ⅱ筛管处于裂隙带中,经过此段筛管进入地面钻井的瓦斯浓度可以近似认为与该处采空区瓦斯浓度相同。基于此可以通过13煤瓦斯浓度、采空区瓦斯浓度和混合后的瓦斯浓度来确定地面钻井抽采瓦斯来源,即式中:n0为混合后地面钻井的井口瓦斯监测浓度,%;nⅠ为经过Ⅰ筛管进入钻井的13煤卸压瓦斯浓度,nⅠ=100%;nⅡ为经过Ⅱ筛管进入钻井的采空区瓦斯浓度,%;x为地面钻井抽采13煤卸压瓦斯量占总抽采瓦斯量的百分比,%。通过2361(1)工作面开采时和停止回采后各阶段采空区监测的瓦斯浓度、地面钻井混合后的瓦斯浓度计算得到的不同阶段地面钻井抽采瓦斯总量和抽采13煤卸压瓦斯量,见表1。在整个地面钻井抽采瓦斯期间,各钻井抽采瓦斯总体情况见表2。由表2可以看出,1号和2号地面钻井抽采的13煤瓦斯分别达到该井抽采瓦斯总量的95.4%和89.5%,表明该钻井以抽采受采动影响的13煤卸压瓦斯为主,而以抽采2361(1)工作面采空区瓦斯为辅。2361(1)工作面在推过3号地面钻井89.4m后停采,考虑到下保护层开采对上覆岩层的卸压影响范围,按保护层开采理论计算13煤层受影响的最远范围仅在过3号地面钻井47m左右的位置,这说明3号井周边13煤的卸压范围非常有限;同时地面钻井有效影响半径在220m左右,而3号钻井距2号钻井只有314m,即在2号和3号钻井之间只有90m左右的范围没有受到2号井的抽采影响。因此,在受工作面停采和2号钻井抽采的双重影响作用下,3号地面钻井抽采的13煤瓦斯将相对有限,经计算抽采13煤瓦斯量仅占该井抽采瓦斯总量的35.4%,即3号钻井以抽采2361(1)工作面采空区瓦斯为主。考虑下保护层的影响范围及地面钻井有效抽采半径范围,经估算得到1,2,3号地面钻井有效抽采范围内13煤卸压瓦斯储量为1.13×107m3,则地面钻井对13煤瓦斯抽采率达到了27.5%。如果不考虑1号钻井断管和3号钻井受工作面停采而致使13煤卸压不充分的影响,估算得到2号钻井有效抽采范围内13煤卸压瓦斯储量为5.68×106m3,则2号地面钻井瓦斯抽采率达到了35.3%。5地面钻井对瓦斯抽放的影响1)在潘一矿运用地面钻井抽采采动区卸压瓦斯试验中,地面钻井具有抽采采空区瓦斯和上覆煤层卸压瓦斯的双重作用。其中,1号和2号地面钻井以抽采受采动影响的13煤卸压瓦斯为主,以抽采采空区瓦斯为辅