許江濤

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

綜合機(jī)械化采煤法已成為井工煤礦智能化開(kāi)采的主要生產(chǎn)方式，該種方式會(huì)引起開(kāi)采煤層、鄰近煤層和圍巖大范圍破壞，會(huì)造成大量有毒有害氣體涌入采掘空間[1]，如不及時(shí)采取有效措施，極易造成瓦斯燃燒、瓦斯爆炸等事故[2]。針對(duì)綜采工作面上隅角和采空區(qū)的瓦斯問(wèn)題，我國(guó)多個(gè)高瓦斯礦井均開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)研究。如近幾年提出的大孔徑頂板定向鉆孔、頂部巖石抽采巷、近(遠(yuǎn))距離保護(hù)層開(kāi)采等方法。但此類(lèi)方法的應(yīng)用亦有一定的局限性，如投入資金量大、治理效果差等問(wèn)題[3]。而應(yīng)用地面鉆井對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理的技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較少。為了改變傳統(tǒng)的綜采面瓦斯治理思路，岳城礦提出了地面采動(dòng)井與井下常規(guī)瓦斯治理方法相結(jié)合的方法[4]。針對(duì)高突礦井采動(dòng)區(qū)的瓦斯治理問(wèn)題，胡君[5]等通過(guò)模擬得到了采動(dòng)井的抽采影響半徑達(dá)到65 m，認(rèn)為地面井的間距應(yīng)保持在130 m以上。付軍輝[6]針對(duì)三種采動(dòng)區(qū)地面井的井身結(jié)構(gòu)分析了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)及適用條件。孫東玲[7]等提出了“避”、“讓”、“防”、“疏”的采動(dòng)井瓦斯抽采技術(shù)。張志剛[8]等從采動(dòng)井的井位選擇、井身結(jié)構(gòu)、鉆完井工藝及安全防護(hù)裝置等方面對(duì)減少采動(dòng)井?dāng)_動(dòng)破壞進(jìn)行了相關(guān)研究?？梢钥闯?，已有的文獻(xiàn)多是集中在鉆井施工及井筒維護(hù)方面進(jìn)行研究，針對(duì)采動(dòng)井的布井關(guān)鍵參數(shù)及技術(shù)推廣的相關(guān)文獻(xiàn)較少。因此，本文以岳城礦施工的采動(dòng)井為工程背景，研究采動(dòng)井布井的關(guān)鍵參數(shù)與抽采效果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以解決井下工作面瓦斯抽采問(wèn)題。

1 采空區(qū)地面井位置關(guān)系確定

1.1 采空區(qū)裂隙分布

工作面自回采開(kāi)始，頂板上方形成懸頂及“梯形”狀的裂隙堆疊區(qū)域。在形成過(guò)程中，采空區(qū)裂隙區(qū)一直處于動(dòng)態(tài)變化，第一階段是頂板采動(dòng)裂隙隨工作面切眼推進(jìn)，裂隙由原始的完好閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺堥_(kāi)的應(yīng)力卸壓狀態(tài)，在頂板上方的煤巖層垮塌穩(wěn)定后又重新被壓實(shí)閉合[9]。第二階段是由于工作面兩側(cè)保護(hù)煤柱的支撐，工作面四周的采動(dòng)裂隙保留下來(lái)而中部的裂隙被壓實(shí)，形成四周裂隙連通中部裂隙壓實(shí)的采動(dòng)裂隙區(qū)，俗稱(chēng)“O”形圈。頂板覆巖從下至上可劃分為垮落區(qū)、裂隙貫通區(qū)及彎曲下沉區(qū)，隨著工作面采動(dòng)不斷推進(jìn)，裂隙貫通區(qū)的裂隙會(huì)逐步向上延伸，由于底部垮落塊石的碎脹效應(yīng)使得上方巖層斷裂空間不斷變小，堅(jiān)硬巖層斷裂后相互擠壓形成鉸接的巖梁結(jié)構(gòu)，其鉸接的力學(xué)特性符合懸臂梁特征[10，11]。采空區(qū)內(nèi)的裂隙主要分為層間橫向的離層裂隙和縱向的破斷裂隙，其中處于垮落區(qū)和裂隙貫通區(qū)的裂隙橫向和縱向相互連通，而縱向裂隙越往上裂隙跨度和數(shù)量越小，且頂板煤巖層的裂隙場(chǎng)中存在兩側(cè)裂隙開(kāi)度明顯大于裂隙中部區(qū)域[12-14]。工作面上部覆巖“O”形圈分布如圖1所示。

圖1 工作面上部覆巖“O” 形圈分布

隨著工作面回采推進(jìn)，采空區(qū)巖層由于底板煤層被采出而失去重力支撐，在懸臂梁受力作用下，在工作面中部會(huì)形成巖層的壓實(shí)區(qū)，壓實(shí)區(qū)與保護(hù)煤柱之間的區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)不均勻受力的巖石搭接帶，錢(qián)明高、許家林等學(xué)者均對(duì)壓實(shí)區(qū)四周存在的“O”形圈進(jìn)行了研究，認(rèn)為該區(qū)域與壓實(shí)區(qū)中的巖石受力不同，裂隙較為發(fā)育，是采空區(qū)卸壓瓦斯流動(dòng)的通道和儲(chǔ)存的空間?；诖朔N觀點(diǎn)，應(yīng)用采動(dòng)井抽采技術(shù)精準(zhǔn)抽采，可預(yù)防工作面瓦斯超限事故發(fā)生。

1.2 采動(dòng)井抽采

采動(dòng)井是在綜采工作面上方施工直徑300～500 mm的鉆井孔，將抽采管道下入井孔并處于綜采面采動(dòng)影響裂隙發(fā)育區(qū)范圍。在地面抽采負(fù)壓泵的作用下，采動(dòng)過(guò)程中及采動(dòng)后的瓦斯會(huì)持續(xù)不斷通過(guò)地面井孔抽排出作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)了高效率高強(qiáng)度抽采的目的。采動(dòng)井因其鉆孔施工方便快速、占地面積小、與井下作業(yè)空間不存在時(shí)空交叉，又能抽采高濃度的瓦斯氣體，其實(shí)用性、目的性和綜合效益均比井下抽采更佳，是近幾年多個(gè)煤與瓦斯突出礦井大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。

利用采動(dòng)井對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行定向抽采，其優(yōu)勢(shì)是利用地面鉆井的導(dǎo)向定位功能，實(shí)現(xiàn)鉆井層位的精準(zhǔn)施工[15]。采動(dòng)井利用外在負(fù)壓抽采，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)將工作面采掘過(guò)程中匯集在頂板上方的瓦斯抽排出工作面，避免瓦斯在采動(dòng)應(yīng)力、頂板下沉?xí)r對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成威脅。針對(duì)采動(dòng)井的瓦斯抽采，武璽[16]、張江華[17]等針對(duì)采動(dòng)井的布置進(jìn)行了針對(duì)性研究，認(rèn)為其鉆井位置是影響工作面瓦斯治理的關(guān)鍵因素之一，給出的鉆井位置是依據(jù)工程施工經(jīng)驗(yàn)。本文采用陳鵬[18]給出的“O”形圈兩側(cè)寬度20～40 m，鉆井的布置應(yīng)避開(kāi)冒落帶和大的裂隙帶這一基本觀點(diǎn)，依據(jù)工作面裂隙發(fā)育區(qū)域，對(duì)采動(dòng)井的垂直和水平層位進(jìn)行合理確定，以實(shí)現(xiàn)工作面高效率治理瓦斯。

1.3 采動(dòng)井井位確定

1.3.1 垂直層位

采動(dòng)井的層位是其抽采效果好壞的關(guān)鍵參數(shù)，其層位的選擇不僅影響抽采效果，還會(huì)對(duì)工作面風(fēng)量產(chǎn)生影響。采動(dòng)井末端的垂直層位布置如圖2所示，該圖是將采動(dòng)井的末端設(shè)計(jì)在“O”形圈的中部，即處于裂隙連通區(qū)域。通常采用式(1)初步計(jì)算采動(dòng)井的垂直層位，即距煤層底板的垂距：

圖2 采動(dòng)井末端位置理論計(jì)算

hz=h1cosβ+Δh(1)

式中，hz采動(dòng)井與煤層頂板的距離，m；h1為冒落帶高度，m；β為煤層傾角，(°)；Δh為防止采動(dòng)井底端破壞的保險(xiǎn)高度，一般取10～15 m。

依據(jù)岳城礦煤層傾角3°～5°，采空區(qū)冒落帶高度15～20 m，通過(guò)式(1)計(jì)算得出采動(dòng)井的垂直層位處于20～32 m范圍。結(jié)合胡嵐清[19]對(duì)該區(qū)域采空區(qū)提出了采動(dòng)井水平層位應(yīng)布置距回風(fēng)巷25～60 m的位置，垂直層位應(yīng)布置在裂隙帶下部1/3范圍，即距采空區(qū)底部15.2～27.4 m范圍的研究結(jié)論，將采動(dòng)井底端布置在距采空區(qū)底部20～27.4 m是合理可行的。

1.3.2 水平層位

由于工作面上下風(fēng)巷之間存在壓差，采空區(qū)不可避免存在漏風(fēng)，而漏風(fēng)通過(guò)裂隙在回風(fēng)側(cè)將瓦斯引入工作面，這是回風(fēng)巷側(cè)瓦斯?jié)舛雀叩幕驹騕20]?；谠撎攸c(diǎn)，采動(dòng)井布置在工作面回風(fēng)巷側(cè)可與采空區(qū)溝通，可以將這部分瓦斯進(jìn)行截流，從而降低工作面上隅角積存的瓦斯。因此，采動(dòng)井與工作面回風(fēng)巷的水平距離稱(chēng)為平距，可由式(2)計(jì)算：

式中，α為回風(fēng)巷附近斷裂角，(°)；ΔS為高抽巷伸入裂隙帶水平投影長(zhǎng)度，一般取10～25 m。

依據(jù)已確定的岳城礦采空區(qū)巖層垮落角為62°～68°之間，沿采空區(qū)邊界向里0～50 m為裂隙區(qū)，50 m至采空區(qū)中部范圍為壓實(shí)影響區(qū)，向外0～16 m為外延塑性區(qū)。通過(guò)計(jì)算得出，采動(dòng)井應(yīng)設(shè)置在距工作面回風(fēng)巷36～45 m范圍。結(jié)合武璽[16]等針對(duì)沁水盆地部分礦井已實(shí)施的采動(dòng)井抽采效果，認(rèn)為采動(dòng)井距工作面回風(fēng)巷27～80 m為最佳水平布置層位。最終確定采動(dòng)井水平層位應(yīng)設(shè)置在距工作面回風(fēng)巷36～45 m是較為合理的。

2 采動(dòng)井抽采工程應(yīng)用

2.1 工程概況

岳城煤礦位于沁水盆地東南部，為年產(chǎn)量150萬(wàn)t的高瓦斯礦井，含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組15號(hào)煤層和下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，現(xiàn)主要開(kāi)采3號(hào)煤層，平均煤厚5.6 m。根據(jù)實(shí)測(cè)得到的3號(hào)煤層基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)果，該煤層原始瓦斯含量15.6 m3/t，煤層滲透率0.42～1.18 μm2。由于3號(hào)煤層瓦斯含量大，進(jìn)行一次采全高治理生產(chǎn)期間的瓦斯難度極大，故采用分層開(kāi)采工藝。該礦為采用分層開(kāi)采實(shí)施采動(dòng)井進(jìn)行工作面瓦斯治理較為成熟的礦井之一，以該礦的1303(下)工作面為例進(jìn)行工程實(shí)例說(shuō)明，1303(下)工作面巷道布置及通風(fēng)方式如圖3所示。

圖3 工作面巷道布置及通風(fēng)方式

1303(下)工作面風(fēng)量1030 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的55%～65%。工作面上分層先行開(kāi)采，在開(kāi)采時(shí)已對(duì)上下分層進(jìn)行區(qū)域性瓦斯抽采并實(shí)現(xiàn)了抽采達(dá)標(biāo)。但由于在下分層開(kāi)采時(shí)上部已采區(qū)域成為一個(gè)封閉的瓦斯庫(kù)，下分層開(kāi)采主要的瓦斯威脅來(lái)源于上部采空區(qū)。工作面回采前，回風(fēng)巷日常瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.65%～1.25%，回風(fēng)巷瓦斯受氣溫作用顯著，異常期間上隅角瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)1.2%以上。1303(下)工作面在巷道開(kāi)拓期間實(shí)測(cè)的瓦斯含量達(dá)到18.4 m3/t，單個(gè)掘進(jìn)面瓦斯涌出量達(dá)到30 m3/min，為有效保障工作面的高效回采，礦井技術(shù)人員提前在工作面圈定完成前施工了3口間距150 m的垂直井，目的是保證后續(xù)下部分層工作面回采期間的作業(yè)安全。

2.2 井身設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)鉆井井身施工參數(shù)時(shí)，依據(jù)1.3節(jié)中計(jì)算確定的采動(dòng)井水平層位和垂直層位結(jié)果來(lái)進(jìn)行。該鉆井的終孔位置位于回采工作面開(kāi)采煤層上部，在終孔末端80 m范圍安設(shè)篩管以覆蓋整個(gè)垮落帶。采空井的井身結(jié)構(gòu)按四開(kāi)設(shè)計(jì)，一開(kāi)用?312 mm鉆頭鉆進(jìn)基巖以下10 m，并下入?273 mm的表層套管，固井水泥返高至地表，防止鉆井井口坍塌；二開(kāi)用?215 mm鉆頭由井口向下鉆至3號(hào)煤層頂板上方20～40 m處范圍，下入?177 mm套管并采用水泥固井返排至地表；三開(kāi)用?152 mm鉆頭下入?127 mm套管；四開(kāi)換?113 mm潛孔錘鉆頭向下鉆進(jìn)38 m(進(jìn)入煤層7 m)，然后下入?89 mm×6 mm的篩管完成施工，采動(dòng)井井型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面采動(dòng)井井型結(jié)構(gòu)

2.3 井位布置

依據(jù)采動(dòng)井布置經(jīng)驗(yàn)，一般將采動(dòng)井布置在回風(fēng)巷一側(cè)0.2～0.4L(L為工作面傾向長(zhǎng)度)區(qū)域內(nèi)。布置的主要原則是通過(guò)地面采動(dòng)井的高效抽采，攔截工作面頂板上方裂隙帶富集區(qū)的瓦斯，其抽采影響范圍會(huì)直接影響到工作面上隅角的瓦斯?jié)舛?，避免工作面出現(xiàn)瓦斯超限事故。采動(dòng)區(qū)地面井布置區(qū)域如圖5所示。

圖5 采動(dòng)區(qū)地面井布置區(qū)域

依據(jù)理論分析確定的采動(dòng)井水平層位應(yīng)設(shè)置在距工作面回風(fēng)巷36～45 m，垂直層位距采空區(qū)底部20～27.4 m較為合理。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和對(duì)地層條件分析，最終確定了采動(dòng)井的水平層位為距回風(fēng)側(cè)42 m，垂直層位為鉆井距采空區(qū)底部22 m。除關(guān)鍵參數(shù)確定外，該采動(dòng)井設(shè)置在距工作面終采線161 m，距工作面切眼巷西側(cè)89 m，以確保鉆孔處于裂隙帶下部1/3范圍。為了提高采動(dòng)井的抽采效率，選用了2BE1253型直聯(lián)真空泵，電機(jī)功率75 kW，額定排氣量達(dá)到40.8 m3/min。井位坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 采動(dòng)井井位基本參數(shù)

3 采動(dòng)井抽采效果

1303(下)為岳城礦采用采動(dòng)井進(jìn)行綜采面瓦斯治理的第三個(gè)示范性工作面，前兩個(gè)工作面由于鉆井布井參數(shù)不合理，YCCD-7井和YCCD-11兩口采動(dòng)井抽采效果不佳。為了提高采動(dòng)井的抽采效果，在吸取前兩口井失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，對(duì)1303(下)工作面采空區(qū)YCCD-13采動(dòng)井井位進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，為了有效考察YCCD-13鉆井的抽采量與井下生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)系，測(cè)定了不同生產(chǎn)階段地面鉆井的產(chǎn)氣量，YCCD-13井的瓦斯抽采情況如圖6和圖7所示。該采動(dòng)井于2019年4月17日開(kāi)始產(chǎn)氣，于7月22日累計(jì)抽放85 d，平均抽放濃度55%，累計(jì)抽采量達(dá)到2368萬(wàn)m3，鉆井的平均瓦斯抽采純量達(dá)到5.74 m3/min。相較該礦已運(yùn)行結(jié)束的兩口采動(dòng)井而言，YCCD-13井的抽采量分別達(dá)到Y(jié)CCD-7井和YCCD-11井2.2倍和3.5倍。YCCD-13井的另一特點(diǎn)在于該鉆井在工作面回采結(jié)束后仍能抽采出濃度達(dá)到20%～32%的瓦斯，相較前兩口井工作面封閉即未能產(chǎn)氣的特點(diǎn)而言，該井能持續(xù)抽采老空區(qū)的瓦斯，持續(xù)抽采時(shí)間達(dá)到52d，抽采老空區(qū)瓦斯1.65 萬(wàn)m3。

圖6 YCCD-13井抽采變化曲線

圖7 YCCD-13井抽采變化曲線

YCCD-13井實(shí)現(xiàn)了采中和采后持續(xù)抽采采空區(qū)瓦斯，有效攔截了因采動(dòng)卸壓影響逸散出的大量瓦斯氣體。為了驗(yàn)證鉆井抽采效果的有效性，分析了在地面井運(yùn)行前和運(yùn)行后工作面瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽康淖兓闆r，觀測(cè)了下分層工作面生產(chǎn)期間的工作面、上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓唧w參數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，上隅角瓦斯?jié)舛扔?.76%降低并穩(wěn)定至0.35%，工作面瓦斯涌出量顯著降低。從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的瓦斯涌出情況來(lái)看，采動(dòng)井抽采期間，工作面風(fēng)流中瓦斯涌出較小，可以判斷出采動(dòng)井對(duì)工作面回采期間瓦斯治理效果明顯。在工作面開(kāi)始投運(yùn)產(chǎn)氣的初始階段，上隅角、工作面和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫堰_(dá)0.72%，但經(jīng)過(guò)約40 d的生產(chǎn)，工作面老頂垮落，煤層上方的覆巖“三帶”和“O”形圈形成并呈動(dòng)態(tài)穩(wěn)定存在，在45 d時(shí)，采空區(qū)裂隙區(qū)進(jìn)入采動(dòng)井抽采影響范圍，工作面瓦斯?jié)舛妊杆俳档停嫌缃峭咚節(jié)舛确€(wěn)定在0.3%左右。經(jīng)過(guò)約100d的持續(xù)抽采，工作面推過(guò)采動(dòng)井的影響范圍后，采動(dòng)井對(duì)采面瓦斯涌出的抽采影響能力降低，工作面瓦斯涌出量增大。采動(dòng)井投運(yùn)后抽采的高濃度瓦斯通過(guò)就地建設(shè)集輸系統(tǒng)，直接并入管網(wǎng)利用，累計(jì)增加效益9.6萬(wàn)元。截止到2022年11月，該礦已按照YCCD-13井的施工工藝及鉆井井位布置參數(shù)，在礦井西翼5個(gè)采面施工了12口采空區(qū)地面采動(dòng)井，平均每口采動(dòng)井抽采量達(dá)到3800萬(wàn)m3，最高瓦斯?jié)舛冗_(dá)到82%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西翼的5個(gè)工作面上隅角瓦斯?jié)舛任闯^(guò)0.5%，地面鉆井的高效抽采有效解決了綜采工作面瓦斯超限問(wèn)題。

表2 地面井抽采后工作面瓦斯變化

工程試驗(yàn)結(jié)果表明，其抽采效果能很好地解決綜采工作面的瓦斯問(wèn)題，證明了該采動(dòng)井參數(shù)布置較為合理。針對(duì)綜采面生產(chǎn)期間的瓦斯問(wèn)題，岳城礦先后在1305(下)、1307(下)工作面均布置了采動(dòng)井來(lái)進(jìn)行采空區(qū)抽采，布置參數(shù)參考了1303(下)的取值，綜采面瓦斯問(wèn)題得到了有效解決。為此，岳城礦在采動(dòng)井取得了多項(xiàng)成果，也成為我國(guó)較多學(xué)者采動(dòng)井研究的首先試驗(yàn)場(chǎng)。

4 結(jié) 論

1)采動(dòng)井的層位是保證地面鉆井高效抽采的關(guān)鍵參數(shù)，要確保采動(dòng)井的末端布置在工作面采動(dòng)區(qū)形成的裂隙區(qū)“O”形圈范圍，是實(shí)現(xiàn)采動(dòng)井有效攔截和高效抽采瓦斯的關(guān)鍵。

2)實(shí)踐表明，采動(dòng)井水平層位布置在距回風(fēng)巷一側(cè)42 m，垂直層位為鉆井末端距采空區(qū)底部22 m，實(shí)現(xiàn)了高效率瓦斯抽采，與已運(yùn)行的其他兩個(gè)采動(dòng)井相比，YCCD-13井抽采量分別達(dá)到2.2倍和3.5倍。

3)采動(dòng)井運(yùn)行后較運(yùn)行前，上隅角瓦斯?jié)舛扔?.76%降低并穩(wěn)定至0.35%，工作面瓦斯涌出量降低了2.08 m3/min，工作面實(shí)現(xiàn)了采中和采后的連續(xù)抽采，高效率瓦斯抽采實(shí)現(xiàn)了瓦斯利用，高效抽采的工程示范有效推動(dòng)了采動(dòng)井的應(yīng)用規(guī)模。