王志堅

(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103)

基于“O”形圈理論地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化

王志堅

(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103)

以余吾煤礦N2105回采工作面地面鉆井抽采工程實踐為依托，基于采動裂隙“O” 形圈理論，通過Fluent軟件數(shù)值模擬分析，結(jié)合不同施工參數(shù)下地面鉆井抽采效果對比分析，對余吾煤礦地面鉆井布置位置、抽采負壓等參數(shù)進行了優(yōu)化。研究表明：地面鉆井水平上應(yīng)布置于采動裂隙“O”形圈內(nèi)，垂向上控制于垮落帶頂部和裂縫帶的中下部之間，抽采效率最高；通過正交模擬對比分析，地面抽采鉆井終孔距離煤層頂板垂高16m，距離回風(fēng)巷為40m時抽采效果最優(yōu)；抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛瘸蔆=-0.013P2+1.122P-1.188的二次多項式關(guān)系，當(dāng)抽采負壓為45kPa時，抽采濃度最高，為25.5%；抽采負壓與沿空留巷的瓦斯?jié)舛瘸蔆=0.0001P2-0.013P+0.637的二次多項式關(guān)系，當(dāng)抽采負壓為48kPa時，沿空留巷的瓦斯?jié)舛茸畹停煌ㄟ^抽采濃度與抽采負壓實測數(shù)據(jù)與擬合公式計算結(jié)果對比，驗證了擬合公式的合理性，為后期地面鉆井抽采參數(shù)的布置提供了科學(xué)依據(jù)。

“O” 形圈理論；地面鉆井；瓦斯抽采；優(yōu)化；采動裂隙；Fluent軟件

煤礦瓦斯有效抽采是降低煤礦井下瓦斯異常涌出、超限，保障井下安全高效生產(chǎn)的重要手段，也是煤層氣資源開發(fā)的重要組成部分。隨著礦井開采深度的不斷增加，機械自動化程度的深化推廣，加之我國大部分煤層具有碎軟、低滲、瓦斯含量高的特點[1-3]，僅依靠煤礦井下瓦斯抽采技術(shù)手段難以有效解決煤礦瓦斯治理問題，尤其是在工作面回采過程中采空區(qū)遺煤瓦斯抽采效果更是難以保證。地面鉆井瓦斯(煤層氣)抽采技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一項有效的瓦斯抽采技術(shù)，其有效利用了煤層的卸壓增流效應(yīng)。地面鉆井瓦斯抽采主要是在工作面回采形成采空區(qū)后，待頂板垮落，利用地面鉆井從垮落帶頂部與裂縫帶之間具有大量裂隙的位置進行瓦斯抽采[4]。

近年來許多學(xué)者通過研究分析，印證了煤層開采后采空區(qū)及覆巖的整個空間上會形成動態(tài)變化的采動裂縫帶的特征。錢鳴高院士等[5]提出了采動裂隙“O”形圈理論；袁亮院士等[6]提出了采動后煤層具有頂板形成環(huán)形裂隙圈的特征；林柏泉等[7]通過研究認為其是“回”形圈，以上理論研究驗證了地面鉆井抽采理論的可行性，并為鉆井的布置位置提供了科學(xué)指導(dǎo)[8-10]。但在余吾煤礦地面鉆井瓦斯抽采的工程應(yīng)用中，在以上理論的支撐下，不同的鉆進施工位置、深度等參數(shù)的影響下，相鄰鉆井抽采效果存在較大的差異。為了探明差異原因，優(yōu)化施工設(shè)計參數(shù)，保證余吾煤礦地面鉆井抽采效果，筆者以余吾煤礦N2105回采工作面地面鉆井抽采為工程依托，基于采動裂隙“O”形圈理論，通過Fluent軟件數(shù)值模擬分析，結(jié)合不同施工參數(shù)下地面鉆井抽采效果對比分析，對余吾煤礦地面鉆井布置位置、抽采負壓等參數(shù)進行優(yōu)化，為礦區(qū)地面鉆井瓦斯抽采提供理論及數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及鉆井布置

1.1 研究區(qū)概況

余吾煤礦主采煤層為3號煤層，煤層平均瓦斯含量8.51m3/t，堅固性系數(shù)(f值)0.44～0.5，煤層透氣性系數(shù)最小值為0.5m2/(MPa2·d)，為典型的松軟、低滲、高瓦斯突出煤層?；夭蛇^程中工作面落煤及采空區(qū)遺煤解吸瓦斯大量涌向工作面，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來了極大的威脅。

N2105回采工作面煤厚在5.15～6.95m之間，平均6.31m，煤層瓦斯含量平均值10.05m3/t，工作面瓦斯涌出量最大為89.6m3/min。采用了井下本煤層采前預(yù)抽、邊采邊抽、千米鉆機抽采等綜合抽采手段，瓦斯抽采效果得到了一定程度的提高，但N2105工作面放頂煤開采，瓦斯涌出量大，瓦斯涌出不均衡，瓦斯抽采能力無法進一步提升，生產(chǎn)能力受到制約。為了進一步提高N2105工作面瓦斯抽采效果，保證安全、高效生產(chǎn)，開展了 N2105 地面采空區(qū)鉆井抽采瓦斯技術(shù)研究。

1.2 地面鉆井布置

工作面回采后，煤層周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，直至達到新的力學(xué)平衡狀態(tài)[11-13]。采空區(qū)的形成導(dǎo)致煤層本身及圍巖產(chǎn)生卸壓現(xiàn)象，底板巖層經(jīng)歷了“支承壓力集中壓縮-應(yīng)力解除膨脹-應(yīng)力恢復(fù)再壓縮”的過程，并伴隨豎向張裂隙、層向裂隙、剪切裂隙的形成[14-16]，增加了煤層透氣性(見圖1)，為采空區(qū)涌出瓦斯逸散創(chuàng)造條件，地面鉆井抽采正是利用該裂縫發(fā)育帶，對工作面采空區(qū)內(nèi)煤柱、遺煤及相鄰煤層釋放的瓦斯進行有效地抽采。

圖1 采動應(yīng)力及裂隙分區(qū)

為了充分利用工作面回采形成的裂隙進行N2105回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采，鉆井設(shè)計施工形式采用垂直鉆井，共設(shè)計施工鉆井3個，其具體施工參數(shù)見表1，其中1鉆井終孔于頂板15m處，水平方向距回風(fēng)巷45m；2，3號鉆井均位于煤層頂板5m處， 水平方向距回風(fēng)巷均為35m。另為保證井身穩(wěn)定性，鉆井采取固井車固井及在鉆井套管外加扶正裝置，鉆井設(shè)計井身分四開鉆進，其具體參數(shù)見圖2。

表1 鉆井位置參數(shù)

圖2 地面鉆井井身結(jié)構(gòu)示意

2 鉆井抽采數(shù)據(jù)對比及分析

2.1 鉆井抽采數(shù)據(jù)對比

鉆井施工完成后，為保證抽采數(shù)據(jù)采集的真實可靠性，數(shù)據(jù)監(jiān)測采取4人三班跟蹤監(jiān)測制度，并按時排查抽采設(shè)備的精度，對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時、準確地予以解決。針對不同工作面推過鉆井的距離與瓦斯抽采純流量的耦合關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，鉆井抽采純流量最大12.9m3/min，平均為8.9m3/min ，抽采瓦斯?jié)舛茸畲鬄?6.1%，平均為46.8%，整體效果最好；而鉆井抽采純流量最大達9.1m3/min，平均為7.5m3/min ，抽采瓦斯?jié)舛茸畲鬄?6.7%，平均值37.9%，雖然較弱但整體優(yōu)于鉆井；鉆井抽采效果最差，平均瓦斯抽采純流量為7.1m3/min，瓦斯抽采濃度平均僅為17.4%(見圖3(a)，圖3(b))。

圖3 鉆井瓦斯抽采數(shù)據(jù)對比

2.2 鉆井抽采數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.2.1 抽采負壓影響分析

3個地面鉆井的瓦斯抽采效果受到抽采負壓的影響和控制，通過對3個鉆井的抽采負壓的跟蹤監(jiān)測(見圖3(c))可知，3號鉆井抽采負壓最小，1和2號鉆井抽采負壓均高于3號鉆井，初步判定3號鉆井應(yīng)出現(xiàn)了裂隙與空氣導(dǎo)通，導(dǎo)致鉆井抽采濃度及流量較低。

通過3個鉆井的抽采濃度及純流量曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，工作面推過鉆井距離 60m時，鉆井產(chǎn)氣量急劇下降。喬鑫[17]等針對余吾煤礦N2105回采工作面地面鉆井該現(xiàn)象，通過利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行模擬分析，分析得到鉆井布置在靠近回風(fēng)巷 35m 比布置在采場中部的受力要大，更容易發(fā)生破壞；結(jié)合崔寶庫[18]采用 ANSYS11.0 模擬軟件對3個鉆井抽采套管受力模擬分析結(jié)果可知，鉆井明顯出現(xiàn)了巖層運動剪切鉆井現(xiàn)象，導(dǎo)致抽采鉆井損傷漏氣，這也是鉆井抽采效果最差的原因之一，為了保證井身穩(wěn)定鉆井應(yīng)適當(dāng)遠離回風(fēng)巷。

2.2.2 “O”形圈理論影響分析

煤層開采后在上覆巖層中形成了離層和豎向破斷兩類裂隙。其中，豎向破斷裂隙是隨巖層下沉形成的破斷裂隙，它貫通了上、下巖層間瓦斯運移通道，亦被稱為 “導(dǎo)氣”裂隙?！皩?dǎo)氣”裂隙僅在覆巖一定高度范圍內(nèi)發(fā)育。錢鳴高院士等[5]通過調(diào)研分析，指出該“導(dǎo)氣”裂隙處在垮落帶的頂端，抽采鉆井處于垮落帶頂部和裂縫帶的中下部之間抽采效果最優(yōu)，當(dāng)鉆井垂直位置偏低，位于垮落帶內(nèi)，會出現(xiàn)抽采混合流量較大，抽采濃度及純流量低的現(xiàn)象，主要原因為垮落帶內(nèi)瓦斯通道與采空區(qū)溝通，出現(xiàn)漏空氣的現(xiàn)象。通過研究區(qū)垮落帶和裂縫帶計算，得到N2105綜放面的垮落帶高度為15.96m，結(jié)合3個鉆井終孔位置可以發(fā)現(xiàn)，2和3號鉆井終孔高度為5m，顯然處于垮落帶中下部。通過圖3(d)分析可知出現(xiàn)抽采混合流量增大、抽采濃度低的現(xiàn)象(見圖3(d))，這與2.2.1中分析的3號鉆井損傷共同作用，導(dǎo)致3號鉆井抽采效果差，平均抽采濃度僅為17.4%。

2號鉆井僅在工作面前期出現(xiàn)了混合流量大、濃度低等現(xiàn)象，隨著工作面的推進出現(xiàn)了抽采濃度、流量等均不高、抽采負壓明顯地出現(xiàn)“先明顯降低-后增大”的現(xiàn)象。筆者通過利用錢鳴高院士提出的“O”形圈理論針對鉆井產(chǎn)生現(xiàn)象進行分析。

錢鳴高院士通過以上采動裂隙發(fā)育特征研究分析，結(jié)合“O-X 破斷”理論基礎(chǔ)，提出了卸壓瓦斯抽采的“O”形圈理論(見圖4)。理論認為：煤層開采后上覆巖層中形成離層裂隙和豎向破斷裂隙，離層裂隙分布呈現(xiàn)兩個階段特征：第一階段從開切眼開始，隨著工作面推進，離層裂隙不斷增大，采空區(qū)中部離層裂隙最為發(fā)育；第二階段采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實，而在采空區(qū)四周存在連通的采動裂隙發(fā)育區(qū)，稱其為采動裂隙“O”形圈。通過對比分析可知，鉆井由于處于頂板垮落帶中，從開切眼開始，隨著工作面推進初始階段，裂隙增大，抽采混合流量有所增加，但是抽采進入空氣，整體抽采純流量不高；隨著回采面的進一步推進，2號鉆井整體從裂縫帶逐步轉(zhuǎn)化為壓實區(qū)帶，雖然裂隙通道逐漸減小，但與采空區(qū)溝通空氣運移通道也相應(yīng)減少，整體抽采量有所增加，但效果較1號鉆井仍較差。

圖4 “O”形圈示意

3 地面鉆井布置優(yōu)化

3.1 整體布置研究

煤層卸壓瓦斯的流動是一個連續(xù)過程，首先，瓦斯以擴散的形式，在壓力差的驅(qū)動下向周圍的裂隙中擴散；緊接著，瓦斯沿裂隙流以滲流的形式到抽放鉆孔處，采動裂隙成為瓦斯流動的主要通道。顯然，將地面抽采鉆井布置在采動裂隙發(fā)育，又能長時間保持的區(qū)域內(nèi)，有利于鉆井卸壓瓦斯流動的抽采。根據(jù)“O”形圈理論分析，周圍煤巖體中的瓦斯解吸后不斷地匯集到“O”形圈中。因此地面鉆井水平上應(yīng)布置于采動裂隙“O”形圈內(nèi)，垂向上控制于垮落帶頂部和裂縫帶的中下部之間，以保證鉆井有更長的抽采時間、更大的抽采范圍、更高的瓦斯抽采率(見圖5)。

圖5 地面抽采鉆井布置示意

3.2 地面抽采鉆井位置的優(yōu)化

3.2.1 地面抽采鉆井垂直高度的優(yōu)化

在地面實施抽采鉆井時，應(yīng)當(dāng)使鉆井的終孔水平上處于采動裂隙“O”形圈內(nèi)，垂向上控制于垮落帶頂部和裂縫帶的中下部之間的總體原則下，根據(jù)已經(jīng)實施的3口地面鉆井的工程總結(jié)分析，在掌握煤層傾角、走向等基礎(chǔ)參數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選距回風(fēng)巷水平距離(下文簡稱平距)40m時，利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬對距離煤層頂板垂直高度(下文簡稱垂高)分別為10，16，20m的位置條件下進行回采面采空區(qū)抽采一定周期下瓦斯?jié)舛确植寄M研究，模擬結(jié)果見圖6。

圖6 不同垂高下抽采后采空區(qū)瓦斯分布

通過圖6分析可知，在平距為40m條件下，地面抽采鉆井垂高取10，16，20m時，采空區(qū)瓦斯分布整體上趨勢大致相同。在采空區(qū)走向方向上，越靠近采空區(qū)深部，瓦斯?jié)舛仍酱?；采空區(qū)內(nèi)部從膠帶巷到回風(fēng)巷側(cè)，瓦斯?jié)舛戎饾u上升。

但通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，抽采相同周期后，當(dāng)?shù)孛娉椴摄@井垂高20m時，瓦斯平均濃度最大；垂高10m次之；垂高16m時，瓦斯平均濃度最低。因此，抽采相同周期情況下，鉆井垂高16m時，采空區(qū)內(nèi)靠近工作面低濃度瓦斯區(qū)域面積較大，整體瓦斯?jié)舛缺容^低，地面鉆井的瓦斯抽采效果也最好，故地面抽采鉆井垂高為16m相對其他位置較為合適。

3.2.2 地面抽采鉆井水平位置的優(yōu)化

根據(jù)上述模擬結(jié)果，優(yōu)選地面抽采鉆井垂直高度為16m的條件下，針對終孔距離回風(fēng)巷平距為35，40，45m，其他設(shè)置條件不變的條件下，利用Fluent軟件進行抽采一定周期后采空區(qū)瓦斯?jié)舛葦?shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 不同平距下抽采后采空區(qū)瓦斯分布

通過圖7分析知，隨著地面抽采鉆井位置不同，采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫搽S著變化。當(dāng)?shù)孛驺@井終孔距離回風(fēng)巷為45m時，地面鉆井未處于“O”形圈中裂隙充分發(fā)育區(qū)域，抽采流量較小，抽采后采空區(qū)深部最大瓦斯?jié)舛葍H降低至96.7%，瓦斯抽采效果不理想。當(dāng)?shù)孛驺@井終孔平距為35m時，距離回風(fēng)巷較近，直接與回風(fēng)溝通，抽采氣體含大量空氣，抽采后采空區(qū)深部最大瓦斯?jié)舛冉档椭?3.8%，抽采效果較差。當(dāng)平距為40m時，鉆井處于“O”形圈中，抽采后采空區(qū)深部最大瓦斯?jié)舛冉档椭?5.5%，瓦斯抽采效果最好。

3.3 地面鉆井抽采負壓的優(yōu)化

3.3.1 抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛葦M合

抽采負壓是影響鉆井抽采效果的關(guān)鍵因素，理論上隨著抽采負壓的增加，抽采效果會越來越好，但是根據(jù)地面鉆井瓦斯抽采工程實測數(shù)據(jù)擬合分析，可知抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛瘸蔆=-0.013P2+1.122P-1.188的二次多項式關(guān)系，當(dāng)?shù)孛驺@井抽采負壓為45kPa時，抽采瓦斯?jié)舛茸罡邽?5.5%，隨著抽采負壓的進一步增加，抽采瓦斯?jié)舛戎饾u降低，當(dāng)抽采負壓為62kPa時，抽采瓦斯?jié)舛葍H為17.3%(見圖8)。

圖8 地面鉆井抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛鹊臄M合曲線

3.3.2 抽采負壓與沿空留巷中瓦斯?jié)舛葦M合

地面鉆井抽采過程中，隨著抽采負壓的增加，沿空留巷的瓦斯?jié)舛冉档?，但抽采負壓與沿空留巷中的瓦斯?jié)舛炔皇浅尸F(xiàn)正比關(guān)系，而是呈現(xiàn)C=0.0001P2-0.013P+0.637的二次多項式關(guān)系，當(dāng)抽采負壓為48kPa時，沿空留巷的瓦斯?jié)舛茸畹?，?.33%。結(jié)合抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛鹊姆治鼋Y(jié)果可知，當(dāng)?shù)孛驺@井抽采負壓為45～48kPa時，抽采效果較好(見圖9)。

圖9 地面鉆井抽采負壓與沿空留巷瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系

3.3.3 實測驗證

為了驗證擬合公式的準確性，優(yōu)選抽采效果良好的抽采負壓參數(shù)，利用抽采現(xiàn)場實測抽采負壓及對應(yīng)的抽采濃度進行投影，與不同負壓條件下擬合公式計算成圖進行對比驗算，其對比結(jié)果見圖10。

圖10 實測數(shù)據(jù)投影與擬合曲線對比

通過地面鉆井抽采數(shù)值擬合公式解算，與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，可知兩者規(guī)律一致性和微差性，誤差在工程允許范圍之內(nèi)，驗證了擬合公式合理性。

4 結(jié) 論

(1)基于采動裂隙“O”形圈理論，通過Fluent軟件針對不同回風(fēng)巷水平距離與終孔垂高條件下，抽采一定周期后采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r正交數(shù)值模擬分析，結(jié)合已有3口地面鉆井抽采工程，優(yōu)選出地面抽采鉆井終孔距離煤層頂板垂高16m，距離回風(fēng)巷為40m時抽采效果最優(yōu)。

(2)利用抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛葘崪y數(shù)據(jù)，進行多項式擬合，得出抽采負壓與抽采瓦斯?jié)舛瘸蔆=-0.013P2+1.122P-1.188的二次多項式關(guān)系，當(dāng)抽采負壓為45kPa時，抽采濃度最高，為25.5%。另外將實測數(shù)據(jù)與擬合公式計算結(jié)果進行對比分析，得到了兩者規(guī)律一致性和微差性，驗證了擬合公式的合理性。

(3)根據(jù)抽采負壓與沿空留巷瓦斯?jié)舛葘崪y數(shù)據(jù)，進行多項式擬合，得出抽采負壓與沿空留巷的瓦斯?jié)舛瘸蔆=0.0001P2-0.013P+0.637的二次多項式關(guān)系，當(dāng)抽采負壓為48kPa時，沿空留巷的瓦斯?jié)舛茸畹停瑸?.33%。將負壓與濃度的擬合結(jié)果結(jié)合可知，最優(yōu)抽采負壓在45～48kPa之間。

(4)通過3個鉆井抽采數(shù)據(jù)對比分析知，1號鉆井抽采效果最好，2號井由于處于壓實區(qū)范圍內(nèi)，抽采效果較好；3號井受位于垮落帶中下部及鉆井損傷共同作用，抽采效果最差；因此，地面鉆井水平上布置于采動裂隙“O”形圈內(nèi)，垂向上控制于垮落帶頂部和裂縫帶的中下部之間，抽采效果最佳。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

OptimumSurfaceDrillingGasDrainageTechniqueBasedon“O”RingTheory

WANG Zhi-jian

(Shanxi Lu’an Group Yuwu Coal Mine Co.,Ltd.，Changzhi 046103，China)

It taking surface drilling gas drainage project of N2105 working face of Yuwu coal mine as an example，based on “O” ring theory of mining fracture，after numerical simulation analysis with Fluent software，combine with contrastive analysis of surface drilling gas drainage under different construction parameters，then some parameters of surface drilling position，drainage pressured of Yuwu coal mine were optimized.The studying results showed that the position in horizontal of surface drilling should arrange inside of mining fracture “O” ring，and in vertical it should be arrange between collapse zone roof to lower middle part of fracture zone，and then drainage efficiency was the highest，according orthogonality simulation contrastive analysis，the gas drainage results was the best when the distance that surface drilling hole to coal seam roof was 16m and distance to ventilation roadway was 40m，the relationship between drainage pressure and gas density present as quadratic polynomial ofC=-0.013P2+1.122P-1.188，when drainage negative pressure was 45kPa，the drainage density was the highest as 25.5%，and the relationship between drainage negative pressure and gas density of gob-side entry retaining present as quadratic polynomial ofC=0.0001P2-0.013P+0.637，when drainage negative pressure was 48kPa，the gad density of gob-side entry retaining was the lowest，the rationality of fitting formula was verified by practical data of drainage density and drainage negative pressure，it references for lately surface drilling parameters arrange.

“o” ring theory；surface drilling；gas drainage；optimum；mining fracture；Fluent software

TD712.62

A

1006-6225(2017)05-0096-06

2017-06-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.025

中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性項目：瓦斯抽采鉆孔主動承壓式密封材料與技術(shù)研究(MTKJ2011355)

王志堅(1972-)，男，山西長治人，工程師，從事煤礦通風(fēng)與瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)管理工作。

王志堅.基于“O”形圈理論地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化[J].煤礦開采，2017，22(5)：96-101.