基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

张小龙，王 飞，刘红威,3，高瑞青,高亚斌，李子文，贺志宏，刘振明，郝亚兵

(1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.山西煤矿安全研究生教育创新中心,山西 太原 030024;3.伍伦贡大学 土木、采矿与环境工程学院，澳大利亚 新南威尔士州 2500；4.西山煤电集团有限责任公司，山西 太原 030000)

0 引言

当前，随着地层浅部煤炭资源的开采殆尽，我国煤炭资源的开采逐步向深部转移，深部开采带来的高地应力、高瓦斯压力使得矿井开采难度增加[1-2]。目前，针对矿井瓦斯灾害防治的瓦斯抽采方式包括：高位钻孔抽采[3-4]、高抽巷抽采[5-6]、采空区埋管[7]和地面钻井抽采[8]等。

地面钻井通过对煤层的卸压进而对煤层瓦斯进行预抽，使得煤层瓦斯的压力降低，进而消除瓦斯灾害，同时，地面钻井还可以对采空区瓦斯进行抽采以减少采空区瓦斯涌出、上隅角瓦斯和工作面回风巷瓦斯浓度超限的问题[9-10]。目前，我国大部分矿井采用的都是地面垂直井，存在施工量大、前期投资高和瓦斯抽采效果不理想等问题。刘恺德等[11]提出的采动区综采工作面地面L型钻井瓦斯抽采技术，结合 “地面钻井”和“井下水平井”等技术优势，达到了较好的瓦斯抽采和治理效果。目前针对地面L型钻井的研究，是通过理论分析、公式计算、相似模拟和数值模拟来确定钻井孔位的布置方式，并通过相应的工程实践取得了不错的效果。

基于地面L型抽采钻井对矿井瓦斯治理的突出效果,提出基于覆岩采动裂隙的地面“L”型钻井瓦斯抽采技术，开展地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。运用PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件，模拟出覆岩采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率的变化[12]，得到钻井布置位置，并且进行工程实践验证。

1 采动覆岩三维裂隙场演化规律数值模拟

采用PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件，对屯兰矿12507工作面Ⅱ段采动影响下覆岩形态、覆岩裂隙、孔隙率变化进行数值模拟，为地面L型钻井提供设计依据。

1.1 PFC3D数值模拟模型建立和参数选择

PFC3D数值模拟软件从细观角度对对象进行模拟，细观参数与宏观参数具有一定的相关性，Wang等[13]进行了大量的单轴压缩实验和巴西裂劈实验，并将实验得到的数据进行拟合，得到了关于部分细观参数和宏观参数相互转换的经验公式。

屯兰矿12507工作面Ⅱ段位于南五盘区左翼，12507工作面Ⅱ段工作面倾斜长220 m，该工作面2、3号煤层厚度稳定，合并开采，2号煤厚2.35～3.24 m，平均约2.74 m；3号煤厚0.20～1.20 m，平均约0.63 m；煤岩总厚均约3.98 m，煤层最大倾角8°，最小倾角3°，平均5.5°。屯兰矿绝对瓦斯涌出量为289.76 m3/min，相对瓦斯涌出量为33.17 m3/t。结合屯兰矿地质资料和经验公式，得到模型的细观参数见表1。

表1 屯兰矿12507工作面模型细观参数Table 1 Micro-parameters of model for 12507 working face in Tunlan Mine

表1(续)

PFC3D模型如图1所示，长度为400 m、宽度为260 m、高度为100 m，煤岩层总数为23层，通过伺服，即通过模型边界的调整，使得颗粒体系间的接触尽可能快的达到理想状态，然后在其基础上开展加载分析。

图1 PFC3D数值模拟模型Fig.1 PFC3D numerical simulation model

1.2 采动覆岩破坏与裂隙演化规律

当工作面在回采过程中，上覆岩层形成的采动裂隙经历了形成、发育和逐步扩展的演化过程。在这个过程中逐步形成裂隙分区和瓦斯运移通道。如图2所示，当煤层开采至24 m时基本顶出现垮落，并且顶板岩层在张拉应力的作用下出现初次来压，上覆岩层出现离层裂隙，离层裂隙高度最高至亚关键层的底板位置，高度为33.47 m。基本顶与亚关键层之间的岩层随着基本顶的垮落破断形成破断裂隙。随着回采工作面持续向前推进，工作面上覆岩层出现持续垮落和破断，岩层变化趋势逐渐明显，形状大致呈现梯形。当煤层开采至68 m时，亚关键层出现初次破断，出现破断裂隙，亚关键层和主关键层之间出现离层裂隙，且主关键层上部部分较硬岩层间出现少许裂隙。

图2 工作面回采至24，68，100，280 m,y=100 m方向上的运动裂隙Fig.2 Movement fractures in directions of 24,68,100,280 m of working face mining and y=100 m

当煤层开采至100 m时，前期开采垮落的岩石逐渐被压实，裂隙密实程度增加，亚关键层出现第1次周期破断，基本顶及其上部岩层的破断裂隙增加明显更有利于瓦斯气体的运移上浮。随着工作面的推进，覆岩裂隙高度基本维持不变，离层裂隙和破断裂隙数量逐渐增多，由此瓦斯运移的通道增加。工作面回采至280 m时，煤层上覆岩层主关键层发生初次破断，亚关键层出现4次破断，形成的破断裂隙与基本顶之间岩层形成的破断裂隙导通，提供大量的瓦斯上浮通道，可为后期的瓦斯抽采提供充分条件。

1.3 采动覆岩孔隙率演化规律

模型开挖过程中，采空区覆岩孔隙率呈逐渐升高的趋势，工作面开采至24 m时孔隙率最高为0.28，直接顶和基本顶垮落区域孔隙率大于上覆岩层的其它区域。回采至68 m时，煤层开采处的孔隙率增加至0.32，后方垮落带孔隙率逐渐降低。随着工作面的推进，裂隙带的孔隙率逐渐增大，垮落带的孔隙率逐渐降低，工作面开采至100 m以后裂隙带孔隙率增加和垮落带孔隙率降低速率变得缓慢，工作面开采至280 m时，煤层开采处孔隙率最大为0.42，垮落带随着上覆岩层不断下沉压实，靠近开切眼处孔隙率呈减小趋势。

2 基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采

2.1 地面L型钻井参数设计

1)地面L型钻井垂直位置的选择

根据模拟的结果得到上覆岩层的垮落带的高度和裂隙带的高度[14-15]对地面钻井和定向长钻孔孔位的选择具有指导作用。模拟过程中，推进距离较小时覆岩垮落带较小，裂隙带不形成，随着工作面的持续推进，形成裂隙带，且垮落带和裂隙带至上而下不断发育，高度随之不断增大，工作面开采至140 m时，垮落带的高度达到最大值15.87 m，垮落带的高度不再增加。工作面开采至200 m时，裂隙带的高度达到最大值，距煤层底板的高度为49.46 m，裂隙带的高度不再增加。由此得到屯兰矿垮落带的高度为15.87 m，裂隙带的高度最为49.46 m。根据垮落带和导水裂隙带的高度计算公式：

①垮落带高度计算如式(1)所示：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2

(1)

式中：M为煤层厚度，m；Hm为垮落带高度，m。

②导水裂隙带高度计算如式(2)所示：

Hn=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(2)

式中：Hn为裂隙带高度，m。

根据以上计算公式得到屯兰矿垮落带的高度为12.78 m，导水裂隙带的高度为45.6 m。裂隙带是瓦斯运移和赋存的空间，在此空间内瓦斯浓度最高，将钻孔布置在此空间内瓦斯抽采效果最好，故在裂隙带和瓦斯运移通道的变化过程中选择将地面“L”型钻井的裸孔部分布置在15～50 m范围内。

2)地面L型钻井水平位置的选择

根据数值模拟的结果，裂隙带中沿倾向方向距离采空区边界20～100 m的范围内覆岩裂隙发育较明显，孔隙率处于较高且较稳定状态。根据通风对采空区瓦斯运移的影响和采动裂隙“O”型圈理论[16]，故将地面“L”型钻井水平方向上布置在靠近回风巷一侧20～100 m的范围内。

2.2 地面L型钻井现场应用

根据屯兰矿12507工作面Ⅱ段的地面情况并结合地面L型钻井位置的选择，将地面L型钻井的孔位设定在对坡村西，孔口相对应的井下位置位于12507工作面Ⅱ段停采线往开切眼方向53 m，距离工作面回风巷70 m。地面L型钻井的瓦斯抽采层位即地面L型钻井井下近水平裸孔段位于工作面煤层顶板裂隙带内，高度在40～50 m的范围内。地面L型钻井布置在瓦斯富集区，用以解决12507工作面Ⅱ段煤层采动过程中产生的卸压瓦斯对煤层开采的影响。采用三开井身结构，一开直径为311.15 mm，二开直径为241.3 mm，三开直径为171.4 mm。地面L型钻井井位设计如图3所示。

图3 地面L型钻井平面布置Fig.3 Plane layout of ground L-type drilling

3 地面L型钻井抽采效果

3.1 地面L型钻井抽采效果

如图4所示，12507工作面Ⅱ段地面L型钻井瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯量的工程实践结果。采用地面L型钻井的12507工作面Ⅱ段，在149 d的工程实践过程中，单日抽采浓度最高为68%，最低为41%，平均为52.52%。单日抽采纯量最高为12.64 m3/min,最低为4.82 m3/min，平均为9.48 m3/min。由图4可知，地面L型钻井瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量具有相同的变化趋势，前期数值较大，瓦斯抽采效果最好，后期数值下降后趋于平稳，但是在抽采周期内，地面L型钻井的保持着较高的瓦斯抽采效率。

图4 地面L型钻井瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯量的变化Fig.4 Change of concentration and pure amount of gas drainage in ground L-type drilling

3.2 地面L型钻井瓦斯治理效果

如图5所示，地面L型钻井瓦斯抽采期间12507工作面Ⅱ段上隅角瓦斯浓度的变化。 可以看出，上隅角瓦斯峰值浓度仅为0.4%，平均值为0.21%，远低于煤矿安全规程所规定的临界值，采动裂隙带地面L型钻孔能够有效地对12507工作面Ⅱ段瓦斯进行治理。

图5 上隅角瓦斯浓度变化Fig.5 Change of gas concentration in upper corner

4 结论

1)针对目前地面钻井在瓦斯治理方面存在的问题，提出基于覆岩采动裂隙的地面“L”型钻井瓦斯抽采技术方案，并且在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践，地面L型钻井一开直径为311.15 mm，二开直径为241.3 mm，三开直径为171.4 mm。

2)通过PFC3D数值模拟得到屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m裂隙带高度为49.46 m，采空区上方15～50 m、沿倾向方向距离采空区边界20～100 m的范围内裂隙较发育，孔隙率高且稳定。

3)通过研究将地面L型钻井布置在屯兰矿12507工作面Ⅱ段上方40～50 m,靠近回风巷70 m的位置上对工作面采空区瓦斯进行抽采，得到在149 d的工程实践过程中，单日抽采浓度最高为68%，最低为41%，平均为52.52%。单日抽采纯量最高为12.64 m3/min,最低为4.82 m3/min,平均为9.48 m3/min。上隅角瓦斯峰值浓度仅为0.4%，平均值为0.21%。