李 丹，蘇現(xiàn)波

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.河南理工大學 非常規(guī)天然氣研究院，河南 焦作 454000；4.中原經濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

近年來，隨著煤礦開采強度的不斷增加，特別是工作面單產大幅度提高后，回采工作面上隅角瓦斯積聚和瓦斯超限現(xiàn)象越來越多，影響工作面正常的安全生產，甚至導致安全事故。長期以來，圍繞如何利用頂板鉆孔高效抽采工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯，科技工作者開展了大量的研究和現(xiàn)場試驗。錢鳴高、宋振騏、劉天泉等建立了采場巖層移動破斷與采動裂隙分布的“橫三區(qū)”和“豎三帶”[1-3]，即沿工作面推進方向覆巖將分別經歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)，煤層上覆巖層移動后將形成垮落帶、斷裂帶和整體彎曲下沉帶，為采空區(qū)瓦斯抽采提供了理論指導。采空區(qū)離層裂隙發(fā)育的“O”形圈模型[4]、采場高位環(huán)形裂隙體模型[5]、采動覆巖裂隙橢拋帶模型[6]、覆巖采動裂隙“∩”型高帽狀形態(tài)[7]以及厚及特厚煤層工作面采空區(qū)頂板垮落高度計算方法[8]均為研究采空區(qū)瓦斯運移、積聚與抽采提供了理論依據(jù)，并逐步形成了以高抽巷、頂板走向長鉆孔、埋管抽采等為主要代表的采空區(qū)瓦斯抽采技術，并取得了較好的治理效果[9]。

隨著地面煤層氣開發(fā)定向水平井鉆進技術的成熟，通過地面施工水平井抽采工作面采空區(qū)瓦斯的技術逐漸被人們所認可。地面L型井抽采工作面采空區(qū)瓦斯技術是煤礦井下頂板走向長鉆孔抽采瓦斯與地面垂井抽采煤層氣技術相結合的一種新型瓦斯抽采技術[10]，即利用定向鉆進技術由地面向煤層頂板裂隙帶位置施工水平井，形成L型井，利用地面負壓泵站進行采空區(qū)瓦斯抽采，不僅有效解決了工作面上隅角瓦斯積聚問題，而且還可獲得高濃度瓦斯氣體，作為潔凈能源加以利用。因該項技術具備多重效益，出現(xiàn)之初即迅速得到了學者和煤炭生產單位的廣泛關注。文獻[11]得出L型鉆孔抽采關鍵點包括井型結構設計和井位層位選擇技術、井身層位導向鉆進和疏通技術、地面安全抽采控制技術；文獻[12]采用相似模擬和三維數(shù)值模擬方法對L型鉆孔的最優(yōu)布置進行了研究；文獻[13]對L型鉆孔產氣效果影響因素進行了初步分析。晉城[13，14]、西山[15]、大同[16]和淮南[17]等多個礦區(qū)應用結果也表明，采用L型抽采采空區(qū)瓦斯不僅顯著降低上隅角瓦斯?jié)舛?，有效地緩解工作面瓦斯超限問題，還獲取了大量的高濃度瓦斯氣體，產生了可觀的經濟和生態(tài)效益。

但是，L型井抽采工作面采空區(qū)瓦斯技術推廣應用的范圍遠低于預期，因此，迫切需要從理論上進行系統(tǒng)研究，分析其適應條件，合理優(yōu)化水平段位置和井身軌跡，大幅度提升瓦斯抽采效果。本文從采空區(qū)瓦斯來源及其資源量、采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?、L型井水平段與煤層相對位置關系等，分析L型井抽采的適應性，并在此基礎上建立L型井水平段位置的優(yōu)選方法，以期促進該技術的應用與推廣。

1 L型井水平段位置優(yōu)選

1.1 采空區(qū)采動裂隙發(fā)育特征

隨著回采工作面的推進，采空區(qū)上覆巖層重量，逐漸作用到冒落矸石上，冒落帶巖石逐步被壓縮，支承應力逐漸增加，直至恢復到原始應力[18]。工作面控頂區(qū)、冒落巖石松散區(qū)和冒落巖石逐漸壓縮區(qū)共同構成采動裂隙發(fā)育區(qū)。文獻認為該區(qū)長度約為0.3～0.4倍的采深，可達69～90m[4]，甚至更大。主要受煤層厚度、傾角、埋藏深度、上覆巖層巖性、煤層采動狀部分和煤柱寬度等因素影響；在遠離回采工作面的后方，為冒落帶矸石壓實區(qū)(見圖1(a))，支承應力均恢復至或超過原始應力，形成采空區(qū)應力穩(wěn)定區(qū)。無論是沿工作面走向還是傾向，冒落帶和斷裂帶在工作面兩側煤柱邊緣均以一定的傾角向采空區(qū)上方發(fā)展，其形態(tài)呈梯形特征[1]。采空區(qū)四周，因煤柱側覆巖梯形破斷和覆巖形成的“砌體梁”結構，存在一定寬度的采動裂隙發(fā)育區(qū)，即“O”形圈，為瓦斯的運移和積聚提供了理想的空間。文獻[4]認為采空區(qū)四周“O”形圈寬度基本相同，約為30～40m。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)緊隨工作面之后的采動裂隙發(fā)育區(qū)寬度要大于工作面兩側和開切眼處的采動裂隙發(fā)育區(qū)寬度，呈現(xiàn)出不對稱特征。緊鄰工作面的與壓實區(qū)的采動裂隙發(fā)育狀況的分別如圖1(b)和圖1(c)所示。地面L型井抽采時，主要抽采的是工作面上隅角附近的采空區(qū)瓦斯，其水平段不能延伸至采空區(qū)壓實區(qū)域，否則很難消除上隅角瓦斯的積聚，因此布置L型井水平段層位時，應以圖1(b)為模型進行設計。

1.2 水平段位置的優(yōu)選

地面L型井抽采采空區(qū)瓦斯不是抽采原始煤層的瓦斯，而是利用瓦斯在多孔介質中滲透性和上浮、積聚的特性，抽采瓦斯積聚源中的瓦斯，因此，L型井水平段位置的優(yōu)選就顯得非常重要[19-23]。

1.2.1 L型井水平段起始位置與煤層底板垂距

研究與實踐均表明L型井水平段應處于工作面上覆巖層斷裂帶內[23，24]，因此其垂直位置的確定應考慮以下兩方面因素：第一，由前文分析可知，為防止水平段末端積水，大部分L型井水平段會按一定下向傾角施工，因此L型井水平段與回風巷的垂直距離不是固定不變，而是不斷變化的，其變化的多少由L型井水平段長短和其下向傾角大小決定。第二，通常情況下，如果沒有進行工作面斷裂帶高度實測，其工作面斷裂帶高度Hd可由式(1)計算[22]：

(1)

式中，M為工作面采高，m；a，b，c為常數(shù)，可根據(jù)上覆巖層巖性，按表2取值。

表1 a，b，c取值

由式(1)可知，因受各種地質和生產因素的影響，尚不能準確計算得到工作面斷裂帶高度。通過統(tǒng)計回歸分析，給出了工作面斷裂帶高度的最大值與最小值，其波動范圍為6～17.8m。

從保證抽采效果的角度出發(fā)，應考慮將水平段起始位置布置在斷裂帶最高處，即按斷裂帶高度最大值確定L型井水平段起始孔位置高度；但考慮到斷裂帶高度的波動性，取斷裂帶高度的中值為L型井水平段起始孔與煤層底板的垂距hs，即：

(2)

式中，α為煤層傾角，(°)；其各參數(shù)性質與取值與式(1)相同。

同時，由前面分析可知，水平段終孔位置與煤層底板的垂直距離hz最小，為保證抽采效果，其最小值應滿足hz≥Hm/cosα，其中Hm為工作面的冒落帶高度。

由此，L型井水平段長度L、起始孔和終孔位置與回風巷的垂距以及水平段下向傾角δ應滿足式(3)要求：

(3)

1.2.2 鉆孔水平段與回風巷水平投影距離

因回風巷側的采空區(qū)地勢較高，瓦斯易積聚且濃度較高，因此沿煤層傾向，L型井水平段應布置在靠近回風巷側的裂隙發(fā)育區(qū)。若離回風巷側太近，則可能還沒有進入到裂隙發(fā)育區(qū)，沒有足夠的瓦斯可供抽采；若離回風巷側太遠，則其抽采不能消除上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象[25]。因此，為使L型井抽采工作面瓦斯能達到預期效果，水平段應盡量靠近回風側裂隙發(fā)育區(qū)回風側的邊界且位于裂隙發(fā)育區(qū)之內(如圖1(b)所示)，其水平段與回風巷水平投影距離s可按式(4)計算：

圖1 回采工作面采空區(qū)采動裂隙發(fā)育示意圖

(4)

式中，β為采空區(qū)上覆巖層斷裂角，(°)；Δs為確保L型鉆孔水平段位于裂隙發(fā)育區(qū)所取的安全距離，m，通常情況下取采動裂隙橢拋帶寬度的1/3[24]。

2 影響因素及適用范圍

研究和實踐均表明，渦流、漏風和瓦斯運移是工作面上隅角瓦斯積聚的主要原因，可通過改變工作面通風方式、瓦斯抽采和瓦斯積聚空間充填等多種技術措施進行治理[25]。地面L型井抽采瓦斯技術作為一種處理工作面上隅角瓦斯積聚的措施，其影響因素可從下面幾個方面進行考慮。

2.1 采空區(qū)瓦斯涌出量占比

回采工作面瓦斯涌出主要有煤壁、落煤和采空區(qū)瓦斯涌出[26，27]。由于直接測量采空區(qū)瓦斯涌出量比較困難，可采用基本頂垮落前后回風流中瓦斯量的變化來估算采空區(qū)瓦斯涌出量及其占工作面瓦斯涌出量的比例，分別按式(5)和式(6)計算[28]：

Q4=(Q2-Q1)+Q3

(5)

(6)

式中，Q1為基本頂垮落前回風巷風排瓦斯量，m3/min；Q2為基本頂垮落后，受采空區(qū)瓦斯涌出影響的回風巷風排瓦斯量，m3/min；Q3為采空區(qū)瓦斯抽采量，m3/min；Q4為采空區(qū)瓦斯涌出量，m3/min；R為采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量比例，%。

假定工作面煤壁和落煤瓦斯涌出量保持不變，不同采空區(qū)瓦斯涌出量占比條件下，隨著采空區(qū)瓦斯涌出量減少，工作面瓦斯涌出量變化情況如圖2所示。由圖2可知，采空區(qū)瓦斯涌出量占比不同，工作面瓦斯涌出量隨采空區(qū)瓦斯涌出量減少的幅度不同；只有當采空區(qū)瓦斯涌出量占比較高時，通過采空區(qū)瓦斯抽采，才可明顯減少工作面瓦斯涌出量。因此，只有在采空區(qū)瓦斯涌出量占比超過50%的高瓦斯工作面才建議采用地面L型井瓦斯抽采技術。

圖2 工作面瓦斯涌出總量隨采空區(qū)涌出量變化趨勢

2.2 工作面通風方式

為解決U型通風高瓦斯工作面上隅角瓦斯積聚問題，發(fā)展和形成了多種通風方式[27]，目前比較常見且應用效果較好的有U+L型、雙U型、Y型和三進兩回偏Y型等通風方式(圖3)。對于兩進一回U+L型通風方式，采空區(qū)回風側高瓦斯?jié)舛鹊戎稻€明顯往采空區(qū)深部移動，其采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植夹螒B(tài)如圖3(b)所示[29]。Y型通風方式將風壓能的最低點轉移到了采空區(qū)沿傾向和沿空留巷的尾端的交匯處，其采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植夹螒B(tài)如圖3(c)所示[30]。對于雙U型通風方式，其小U中的進風流大部分清洗工作面后，至機尾處進入回風巷，稀釋工作面落煤瓦斯和上隅角瓦斯；另一部分漏入采空區(qū)并通過尾部巷進入大U系統(tǒng)的回風流中，其采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植夹螒B(tài)(如圖3(d)所示[31])，與U型通風方式(如圖3(a))相類似。對于三進兩回偏Y型通風方式，其采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植夹螒B(tài)如圖3(e)所示[32]。

圖3 常見通風方式及其采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紶顟B(tài)

采用地面L型井抽采工作面采空區(qū)瓦斯目的是降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，其次是獲取潔凈能源。如果工作面的通風方式導致高濃度瓦斯遠離工作面，向采空區(qū)深部運移，則對地面L型井抽采工作面采空區(qū)瓦斯是不利的。因此，采用該技術時，應首選采用U型通風方式的工作面；其次為采用雙U型、U+L型和三進兩回偏Y型通風方式的工作面；對于Y型通風的工作面則不建議采用。

2.3 工作面俯仰斜開采

為消除孔內積水和有利于瓦斯抽采，L型井水平段通常會沿一定的坡度進行施工，以保證在整個使用過程中，孔底始終處于最低位置；同時相關研究也表明L型井水平段坡度對其產氣量有明顯影響，坡度越大，產氣效果越好[13]。而長壁工作面按煤層賦存條件和工作面布置方式又可分為水平開采、俯斜開采和仰斜開采三種形式[33]，且大多數(shù)情況下為后兩種形式，則L型井水平段軌跡隨工作面俯仰開采變化情況如圖4所示。

圖4 工作面走向傾角與L型井水平段位置關系

由圖4可知，工作面為水平推進時(圖4(a))，隨著L型井水平段的延長，水平段末端位置逐漸由斷裂帶向冒落帶靠近，當Lsinα≥H裂時，水平段末端位置已處于冒落帶。若斷裂帶高度保持不變，隨著鉆孔傾角增大，保證末段位置不進入冒落帶的水平段長度越短。

工作面為俯斜推進時(圖4(b))，由于水平段和煤層傾斜方向相反，隨著水平段的延長，水平段末端位置很快就會從斷裂帶進入冒落帶，當Lsinα+Lsinβ≥H裂時，水平段末端位置已處于冒落帶，此時L型井水平段無法抽采到高濃度瓦斯，也無法解決上隅角瓦斯超限問題。若斷裂帶高度保持不變，隨著水平段傾角和煤層傾角增大，則不進入冒落帶的水平段長度越短。

工作面仰斜推進時(圖4(c))，L 型井水平段和煤層傾斜方向相同，可通過調整水平段角度，確保其處于裂隙帶大致相同位置。

2.4 采空區(qū)瓦斯資源量

現(xiàn)有的經濟技術條件下，施工一口L型井的成本對較高，要求其不僅能消除工作面上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，同時要能連續(xù)抽采，實現(xiàn)瓦斯商業(yè)利用，取得一定的經濟效益。因此，確定使用該項技術時，應考慮采空區(qū)要有足夠的瓦斯量以供抽采，即L型井服務期限內，工作面采空區(qū)的噸煤可涌出瓦斯量qk要不小于給定瓦斯治理成本條件下工作面噸煤需要抽采出的瓦斯量qx，即qk≥qx，確保不會出現(xiàn)超計劃治理成本現(xiàn)象發(fā)生。

給定瓦斯治理成本條件下，工作面應抽采出的噸煤瓦斯量：若計劃的單位瓦斯抽采成本為p0，L型井施工和日常運行成本為C，水平段長度為l，工作面日推進度為b，工作面日產量A，則噸煤需要抽采出的瓦斯量qx可用下式表達：

(7)

式中，k1為考慮采空區(qū)瓦斯抽采率而增加的系數(shù)，為抽采率的倒數(shù)。

均衡生產條件下，工作面采空區(qū)可涌出的噸煤瓦斯量：采空區(qū)瓦斯主要來自采空區(qū)遺煤瓦斯及上下鄰近層瓦斯，其噸煤可涌出瓦斯量qk可按下式計算[26]：

(8)

式中，K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，為回采率的倒數(shù)；K3為采面巷道預排瓦斯影響系數(shù)，K3=(L-2h)/L，其中L為工作面傾向長度，h為掘進巷道預排瓦斯等值寬度；m為開采層厚度，m；M為工作面采高，m；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wc為運出工作面后殘存瓦斯含量，m3/t；n為鄰近層個數(shù)；W0i為第i個鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；mi為第i個鄰近層煤層厚度，m；ηi為第i個鄰近層的瓦斯排放率，%。

綜上，地面L型井抽采采空區(qū)瓦斯主要影響因素及其適用范圍見表2。

表2 地面L型井抽采采空區(qū)瓦斯主要影響因素及其適用范圍

3 應用效果不理想案例及其原因分析

案例1：某采煤工作面位于一盤區(qū)[14]，蓋山厚度571～718m，平均 644m；走向長 499.7m，傾向長168.7m，煤層厚度5.6～6.8m，采用分層開采，該工作面為上分層工作面，采厚為2.85m。工作面回采方向煤層坡度為4°～7°下山，而L型井沿回采方面1°上山布置，如圖5所示，采用三開井身結構，一開井深達到73.26m時下入表層套管，孔徑425mm；二開井深達到456.33m時開始定向鉆進，二開井深至803.00m時下技術套管，孔徑311.15mm；三開至井深1338.50m，孔徑215.9mm，采用裸眼完井。

圖5 L型鉆井軌跡與煤層關系

根據(jù)工作面上覆巖層性質和煤層采厚，該工作面垮落帶高度和斷裂帶高度分別為11.5m和19.95～31.35m。由圖6可知，因設計不合理，導致L型鉆孔水平段終孔附近部分鉆孔位于垮落帶之內、而當工作面推進至走向長度一半左右時，L型鉆孔又進入斷裂帶之上，失去了抽采采空區(qū)瓦斯的作用。實際抽采結果表明，工作面回采至175～330m之間(此時L型鉆孔距離3煤層頂板24.8～36.5m)時L型鉆孔才能正常抽采，僅占到L型井水平段長度的的三分之一左右，與理論分析結果基本相符。

圖6 L型鉆孔軌跡與回風巷和煤層關系

案例2：4322綜采大采高工作面位于該礦四盤區(qū)[15]，埋藏深度約500m，工作面走向長1137m，傾斜長278m，煤層平均厚6.4m，為近水平煤層，工作面采用三巷布置，兩進一回U型通風系統(tǒng)。L型鉆孔長1150m，其中水平段長736m，水平段整體呈現(xiàn)下向趨勢，利于鉆孔內積水排泄，終孔位置距煤層頂板43m，距回風巷53m，其中距回風巷最近處僅為9m，其軌跡如圖6所示。該工作面煤層直接頂為粉砂巖，基本頂為細?！屑毩Ｉ皫r及砂質泥巖，屬于硬質巖～軟質巖石類型，其頂板垮落角為60°～70°，按L型鉆孔水平段與煤層頂板垂距43m計算，則鉆孔水平段與回風巷水平投影距離應不小于15.67m；如果考慮確保鉆孔水平段位于裂隙發(fā)育區(qū)的安全距離，則其與回風巷合適的水平投影距離應不小于25.67m。由此可知，該L型鉆孔因其設計不合理，致命水平段有相當一部分位于裂隙發(fā)育區(qū)之外的支承應力區(qū)巖層中(圖6(a)中的黃色區(qū)域)，既容易因支承應力的影響使鉆孔閉合，也不能抽采到裂隙發(fā)育區(qū)的高濃度瓦斯。L型實際抽采結果表明，運行前期抽采效果不佳，直到后期，抽采效果才逐漸好轉。

4 結 論

1)提出了地面L型鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術的適應條件。認為應用該項技術時應從回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量占比、工作面通風方式、俯仰斜開采和采空區(qū)瓦斯量四個方面進行考慮；當采空區(qū)瓦斯涌出量占比大于50%、工作面為仰斜開采且采用U型通風方式、采空區(qū)瓦斯資源量與L型鉆孔成本相匹配時，建議選用地面L型鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術，否則應慎用。

2)提出了地面L型鉆孔水平段位置的優(yōu)選方法。回風巷側的采空區(qū)地勢較高，瓦斯易積聚且濃度較高，L型鉆孔水平段應布置在靠近回風巷側的裂隙發(fā)育區(qū)?？紤]到L型鉆孔水平段具有一定的傾斜度，取斷裂帶高度的中值為其水平段起始點與煤層底板的垂距值，且L型鉆孔水平段長度、起始點和終孔點與回風巷的垂距以及水平段下向傾角應滿足sinδ=(hs-hz)/L要求；L型鉆孔水平段與回風巷水平投影距離s可按本文式(4)計算。