地面抽放瓦斯钻井位置优化数值分析.pdf

第1 7卷 第5期 总第 1 0 8期 2 0 1 2年 1 O月 煤矿 开采 C o a l mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 7 N o ． 5 S e ri e s N o ． 1 0 7 0c t o be r 2 01 2 地 面抽放 瓦斯钻井位置优化数值分析 金登刚 ，邵康 ，姚向荣 1 ． 安徽理工大学， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 ． 淮南职业技术学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 [ 摘要] 为了提高地面抽放瓦斯钻井的利用效率，根据淮南新集刘庄矿东二采区E 2 1 3 0 2工 作面地质条件及开采参数，采用数值模拟的研究方法分析了保护层开采过程中覆岩的应力变化规律及 上覆岩层对地面钻井的破坏机理，对地面钻井的布置优化提出了一些改进建议。 [ 关键词] 地面抽放瓦斯钻井；数值分析；优化 [ 中图分类号]T D 7 1 2 ． 6 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 2 0 5 0 0 7 2 - 0 3 Nume r i c a l S i mul a t i o n o f Op t i mi z i n g Dr i 1 1 S ha f t Po s i t i o n o n S ur f a c e J I N D e n g - g a n g ’ ，S HAO K a n g ，YAO Xi a n g - r o n g 1 ． A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e＆T e c h n o lo g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ．H u a i n a n V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e u t i l i z a t i o n e ffic i e n c y o f s u rf a c e me t h a n e d r a i n a g e w e l l ，s t r e s s v a r i a t i o n r u l e a n d r u p t u r e me c h a n i s m o f w e l l i n d u c e d b y o v e r l y i n g s t r a t a w a s a n a l y z e d b y n u me ri c al s i mu l a t i o n a n d s o me i mp r o v e me n t s u g g e s t i o n s f o r o p t i mi z i n g w e l l l o c a t i o n w e r e p u t f o r wa r d a c c o r d i n g t o g e o l o g i c a l a n d mi n i n g p a r a me t e r s o f E 2 1 3 0 2 f a c e o f L i u z h u a n g C o l l i e r y，Hu a i n a n ． Ke y wo r d s s u r f a c e me t h a n e d r a i n a g e w e l l ；n u me ric a l s i mu l a t i o n；o p t i mi z a t i o n 受保护层开采影响上被保护层得到卸压 ，产生 变形 、移动 ，形成裂隙 ，煤层透气性增加 ，采用地 面钻井将被保护层的卸压瓦斯抽采出来，能有效降 低被保护层的瓦斯含量 ，消除被保护层的突出危险 性。本文依据淮南新集刘庄矿东二采 区 E 2 1 3 0 2 工作面地质条件及开采参数，采用数值模拟的研究 方法分析 了保护层开采过程中上覆岩层的应力变化 规律 ，结合刘庄矿东二采 区 E 2 1 3 0 2工作面 的实 际情况对地面钻井的位置进行优化 ，并进行了改进 地面钻井 的现场试验与效果考察 。 1 刘庄矿地面抽放瓦斯钻井数值模拟 1 ． 1数值分析模拟煤层条件 新集刘庄矿东二采 区 l 3 1 煤 位于第四含煤段 中部 ，全区稳定 ，为主要 可采煤层 。煤厚 3 ． 3 2 4 ． 5 5 m，平均 4 ． 0 6 m，一般 3 ． 5～ 4 ． 3 0 m， 通常含夹 矸 1～ 2层 ，少数 3层 ，多分布在煤层的上部和底 部 ，岩性多为含炭泥岩和泥岩 ，见图 1 。 1 ． 2 数值分析模型模拟范围 根据刘庄矿总体设计 以 1 1槽煤作为保护层开 采 ，受采动影响 ，1 1槽煤顶板上覆岩层 的变形和 移动明显大于底板 。综合考虑到煤层 、顶底板三者 间变形关系 ，根据东二采 区 E 2 1 3 0 2工作面地质 柱状 厚度 岩性 7 ． 6 l 泥岩 _ 4 ． 0 6 l 3 ． 1煤 3 3 2 砂质泥岩 l O ．5 3 粉细砂岩 1 4 ． 5 7 砂质泥岩 2 ．5 4 粉砂岩 8 ． 7 3 炭质泥岩 细砂岩 1 0 _ l 5 ／ 1 ．柏 泥岩 3 伪 l l -2 煤 量 ／ 0 ．6 3 炭 质 泥 岩 图1 刘庄矿东二采 区煤 层柱 状 条件及开采参数在建数值分析模型时把 1 1槽煤的 底板下 5 0 m和 1 3槽煤顶板上覆岩层 3 0 0 m作为主 体范围，模型宽 5 5 0 m 。再者研究主体范围的煤岩 体以砂岩 、泥岩为主 ，根据开采模 型边界效应影 响，数值 分析模型 的始采线 、终 采线位置距边 界 1 2 0 m。1 1 槽煤开采长度为 3 8 0 m，方向从左到右。 1 ． 3 数值分析模型建立方法 根据刘庄矿东二采区煤层柱状图及相关地质资 [ 收稿 日期]2 0 1 2 0 3 3 0 [ 基金项目]“ 十一五”国家科技支撑计划项目矿井深部开采安全保障技术及装备开发 H N K Y J T J S 一 2 0 0 9 1 2号 [ 作者简介]金登刚 1 9 7 6 一 ，男， 重庆人，在读硕士生， 讲师，从事煤矿安全工程技术教科研工作。 72 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 金登刚等地面抽放瓦斯钻井位置优化数值分析 2 0 1 2年第5期 料 ，建立数值分析模型图 ，如图2所示 。 b _ ， J ， J ， J ／ 、 H J H l3．1煤 莩 H H H 1 1 - 2 煤 1 工 I I I I I I I I I I I I I I I I I 一 5 5 0 m 一 图 2 数值分析模型 1 模型采用覆岩 自重 载荷均匀作用 于顶边 界的 应 力 边 界 。考 虑 1 3槽 煤 上 覆 岩 层 自重 5 5 0 m施加均匀垂直压应力 1 4 ． 7 5 M P a 。 矗 星 魁 涮 1}} }1 2 模型底边界垂直方向固定 即 V r 0，U 0 ，但左右可移动。 3 模型左 右边界限制水平移 动，只能上下 移动 ，即 O ， 0 。 2 数值模拟结果及分析 2 ． 1 围岩垂直应力变化及分析 对保护层进行连续开采会不同程度地引起围岩 垂直应力变化 ，如图 3所示 。以距开采层上覆 2 1 m 岩层为例，其应力集 中范 围在煤 体深部 5～2 5 m， 其采空区两侧应力集 中系数为 1 ． 5左右 ，最大应力 达到 4 3 MP a以上。 图 3 开采保护层约 3 0 0 m时 围岩垂直应力变化 曲线 对保 护层 连续 开采 约 3 0 0 m，在 距离 开切 眼 1 0 0～ 2 2 5 m间采空区围岩表现出明显的应力升高现 象， 但 还 没达 到原 岩应 力水 平，应 力 最大 值 2 2 MP a ，而此处原岩应力为 2 5 MP a 。说 明在采空 区 内还存在大量裂隙 ，是采空区瓦斯聚存的场所 。 综上分析 可以得出 ，对刘庄 矿东二采 区 E 2 1 3 0 2工作面进行连续推进 ，达到一定距离时工作 面两头应力和中间之间的应力高而处于两头和中间 的岩石应力低。主要原因是采空区冒落后压实而保 护煤柱应力集中的结果，同时岩体内还存在大量缝 隙。因此地面钻井应尽量布置在停采线、开切眼以 及巷道的冒落松散带。 2 ． 2围岩剪应力变化及分析 距切 眼 6 0 m 为 地 面钻 井 1号孔 ，距 1号孔 2 7 0 m为 2号孔 ，钻井在倾斜方 向布置在工作 面的 中上部 ，可以通过监测距切眼 6 0 m，3 3 0 m的从开 采层底板至地表的纵向线观测剪应力在垂直方 向上 的变化。根据开采层围岩参数 的变化在煤层走 向上 是以中线界对称分布的属性 ，所以本文只研究开切 眼至采空 区 0～1 5 0 m范 围内的参数 ，推测开采整 个 围岩 各 种 参 数 的 变 化。为 此 在 距 切 眼 6 0 m， 一 一 十 l 8 0 m ． r 一l 3 0 m l O 0 m 7 0 m 一 5 0 m - 一 3 0 m ． - - 一 2 0 m 1 0 m - 2 1 m 1 0 5 m，1 5 0 m 处 布 置 了 3条 纵 向观 测 线。通 过 U D E C的内部命令 ，调出这三条线上对应点的剪应 力值进行分析，如图4所示。 _ 5 5 0 5 5 l l O l 6 5 2 2 o 2 7 5 3 3 o 距开采层底板距离／ I n 图4 围岩 的剪应力变化 曲线 在开采层顶 底板 一 5～5 m范 围 内，剪 应力 由 0 MP a升高到 1 3 ． 5 MP a ，可见在开采层附近的岩体 破坏严重 ；在 5～ 3 3 0 m范围内剪应力变化缓慢。 从开采层底板向上剪应力开始逐渐增大，直到 距开采层板 1 1 5 m处 ，达到最大值 5 MP a左右，随 着距开采层底板距离增大 ，剪应力逐渐减小直到距 开采层底板 3 3 0 m处降为 0 。 随着观测向开采对称轴靠近，剪应力的变化越 来越平缓 ，且剪应力值也是越来越小 。为了减小剪 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 8期 煤矿 开 采 2 0 1 2年第 5期 切力的破坏 ，地面钻井的布置应 当靠近开采范围的 对称轴附近。 3 地面抽放瓦斯钻井位置优化 E 2 1 3 0 2工作面走 向长 2 0 3 0 m 可采 长度约 2 0 0 0 m ，倾斜长 2 4 5 m，平均倾 角 1 5 。 ，平均采高 4 ． 0 6 m，可采储量约 2 ． 7 5 M t 。地质条件较为简单 ， 除回风巷掘进时会遇到 F s 7断层外 走 向近东西 ， 倾角约 7 0 。 ，落差 日 0 7 m ，工作面开采范围内 精查地质报告未见其他断层。 通过数值分析围岩垂直应力变化曲线可知 ，停 采线 、开切眼、进风巷 、回风巷形成的冒落松散带 为瓦斯汇集 、流动的空间 ，因此地面钻井应尽量布 置在工作面走向中上部 ，要远离停采线或始采线。 3 ． 1 E 2 - 1 3 0 2工作面地面钻井位置优化 根据采空区顶板上覆岩层移动的基本规律 ，在 充分开采的条件下 ，利用采动影响形成 的楔形破坏 区裂隙较发育 ，沟通了各煤层裂隙区，形成瓦斯流 通通道 ，因此该位置是抽放卸压瓦斯 的最佳位置。 考虑到该钻井又抽采下保护层工作面采空 区瓦斯， 地面钻井应满足大面积、长 时间地瓦斯抽采要求 ， 应尽量将地 面钻井布置在工作 面走 向和倾 向的中 部 ，在抽采负压 的作用下 ，由瓦斯通道抽采采空区 裂缝带瓦斯。若在工作面 内布置两 口钻井 ，其抽放 半径上、下交叉点必须在工作面进风巷、回风巷之 外 ，以保证整个工作面都在钻井 的抽放半径范 围 内。 E 2 - 1 3 0 2工作面可采走向长 2 0 0 0 m，在距切眼 4 3 0 m范围内布置地面钻井。根据 以上分析得 出的 布井原则 ，第一 口井距切 眼 6 0 m，以利 于近距离 、 长时间预抽 1 3 1 煤未卸压范围内的瓦斯。第二 口 井至第一 口井距离 2 7 0 m，距外段底抽巷迎头距离 1 0 0 m。地面钻井在倾 向上布置在工作面 中部 ，距 回风巷 1 0 0 m处。如图 5所示 。 图5 E 2 - 1 3 0 2工作面地面抽放瓦斯钻井布置平面 3 ． 2 E 2 1 3 0 2工作面地面钻井抽采瓦斯效果分析 在地面钻井施工完成 、抽采系统形成后 ，随着 工作面的不断推进 ，陆续对 2个地面钻井 的抽采情 况进行 了现场考察。下面以 1 号钻井为例分析钻井 7 4 优化设计后的抽采效果。 由图 6可看出，工作 面在未推过钻井位置前 ， 钻井没有抽采，在工作 面推过钻井 3 ． 5 m后 ，1号 井开始出气 ，刚开始抽采浓度较低 ，在 4 0 ％左右 ， 抽采流量在 1 0 m ／ m i n左右 ，随工作 面不断推进 ， 抽采浓度和抽采流量均开始上升 ，浓度 达 8 0 ％以 上 ，抽采流量达 3 0 m ／ m i n ，在 工作 面推过钻 井约 6 5 m位置 ，钻井 日抽采量达最大，抽采浓度 8 1 ％ ， 抽采流量 4 0 m ／ m i n ，E t 抽采量达 6 1 0 m 。在工 作面推过钻井的 3 5～2 1 0 m的范 围内，地面钻井呈 现出抽采浓度和抽采流量均较高的稳定抽采期 ，即 存在一个约 2个月的抽采活跃期。随着地面钻井进 入采空区的距离加大 ，地面钻井的抽采流量呈下降 趋势 ，但是抽采浓度则保持较长时间的稳定 ，其在 3 0 ％ ～ 5 0 ％范围内的高浓度瓦斯可作为瓦斯利用 的 重要气源加 以开发利用。 距 1 号钻井水平距离， m 图 6 E 2 1 3 0 2面 1号井抽采数据分析 从 2 0 1 0年 1月 1 0 E t 1 号钻井开始抽采到 7月 3 1日为止 E 2 1 3 0 2工作 面于 7月 1 0 E t 收作 ， 地面钻井抽采试验共 2 0 0 d ，在整个抽采试验阶段 ， E 2 - 1 3 0 2工作面地面钻井抽采出的煤层瓦斯总量约 为 4 ． 6 6 1 0 。 m ，其中 1 号钻井抽采距离 6 6 0 m，共 抽采 瓦 斯 3 ． 61 0 m ，平 均 日抽 采 瓦 斯 1 ． 8 1 0 m ；2号钻井 自3月 1 7日开始抽采到 7月 3 1 E t 为止 ，抽采距离 4 2 0 m，共抽采 瓦斯 1 ． 0 6 1 0 。 m ， 抽采时间 1 3 2 d ，平均 日抽采瓦斯 8 1 0 m ；1号及 2号地面钻井 均实现持续抽 采，且在 工作面 收作 后，1 号 、2号地面钻井还长期 出气。在整个抽采 试验期 间，E 2 1 3 0 2工作 面瓦斯抽放率达到 8 0 ％ 以上 ，有效地治理了工作面采动卸压瓦斯 。 4结论 1 随着保护 层工作面推进 ，高应力处岩体 间相互作用力大 ，岩体裂隙闭合 ，瓦斯贮集运移空 间减少 ；低应力处为岩体松散带 ，是瓦斯运移和贮 集的场所；因此地面抽放瓦斯钻井应尽量布置在停 采线 、 开切眼、 进风巷 、 回风巷形成的冒落松散带 。 下转 9 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 8期 煤矿 开 采 2 0 1 2年第 5期 此，通过 C O 对采空区下部煤体进行包裹和降温， 有效抑制了高温点的继续氧化。 5 结 论 1 经分析确定 8 1 0 1工作 面 C O来 源主要为 破碎的顶煤及采空区浮煤高温氧化产生 ，C O超 限 原因主要是工作面推进速度慢 、通风量大等因素导 致工作面 C O浓度急剧增大。 2 在第 1阶段 防治过程 中，采用 了工作面 快速推进、连续注氮、降低通风量及开掘措施巷灌 注阻化 剂 等措 施 ，使 C O浓 度 由 0 ． 1 3 ％ 下 降到 0 ． 0 0 2 6 ％ ，但恢复生产后 C O浓度再次增大。 3 在第 1阶段 的基础上 ，第 2阶段 防治工 作采用了注水、注氮及注 C O 技 术 ，缩小注氮步 距 ，并加大注氮量，不开启顶 回风巷 ，而通过增加 风筒 稀 释 瓦 斯 ，减 少 漏 风 ，使 C O浓 度 降低 到 0 ． 0 0 2 ％以下 ，取得了很好的防治效果 。 4 通过采用深孔测温 、煤体注水降温 、采 空 区注 c o 防灭火等新技术 ，成功抑制 了工作 面 c o浓度的增大 ，取得了很好 的防治效果 。 [ 参考文献] [ 1 ]李宗翔 ． 采空区遗煤 自 燃过程及其规律的数值模拟研究 [ J ] ． 中国安全科学学报 ，2 0 0 5 ． [ 2 ]王德 明 ．矿井通 风与安 全[ M]．徐 州 中国矿业 大 学 出版 社 ，2 0 0 4 ． [ 3 ]翟小伟 ，段又珉 ．易 自燃煤 层综放 面低速推 进条件 下煤 自燃 预防技术 [ J ]． 煤 矿安全 ，2 0 1 0 4． [ 4]邓军 ，徐精彩 ，王春跃 ，等 ．综放 面巷道 沿空侧 松散煤 体 漏风强度测算方法研究 [ J ]．煤炭学报 ，1 9 9 9 ，2 4 5 ． [ 责任编辑 李青 ] 上接 7 4页 2 围岩 剪应 力 在垂 直 方 向 的变化 曲线 为 “ 抛物线”形状 ，随着 向开采对称轴靠近 ，剪应力 变化渐趋平缓 ，且剪应力值也越来越小。剪应力合 力矩是地面钻井破坏的最重要的因素。为了减小保 护层工作面推进过程中，围岩运移对地面钻井 的破 坏，地面钻井应尽量向工作面走向及倾向中上部布 置 ，要远离停采线或始采线 。 3 现场试 验表明 ，经优化设 计后 1号及 2 号地面钻井呈现出抽采浓度和抽采流量均较高的稳 定抽采期 ，实现 了持续抽采 ，且在工作面收作后 ， 1号 ，2号地面钻井还长期 出气。在整个抽采试 验 期间，E 2 - 1 3 0 2工作面瓦斯抽放率达到 8 0 ％以上 ， 有效地治理了工作面采动卸压瓦斯。 [ 参考文献] [ 1 ]程远平，俞启香，周红星，等 ． 煤矿瓦斯治理 “ 先抽后采” 的实践与作 用 [ J ]．采矿与安 全工程 学报 ，2 0 0 6，2 3 4 3 8 9- 3 9 2 ． [ 2]程 远 平 ，俞 启 香 ． 中 国煤 矿 区域 性 瓦 斯 治 理 技 术 的 发 展 [ J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 0 7，2 4 4 3 8 4 - 3 8 9 ． [ 3 ]程远平 ，俞启香 ，袁亮 ．上覆远 程卸 压岩体移 动特性 与瓦 斯抽采技术 [ J ]．辽宁工程技术大学学报 ，2 0 0 3 4 ． [ 4 ]刘泽功 ，袁亮 ，等 ．开 采煤层 顶板环 形裂 隙圈内走 向长钻 孔法抽采瓦斯研究 [ J ]．中国工程科学 ，2 0 0 4 5 ． [ 5 ]姚向荣 ．深井遇软结 构煤岩瓦斯 抽采钻 孔固化成 孔技术 研究 [ J ]．煤炭工程 ，2 O l O 6 ． [ 6 ]姚向荣 ．深部 弱结 构煤 岩层 中瓦斯抽 采 钻孔 注 浆成 孔 技术 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 O l O 9 ． [ 责任编辑 王兴库] 上接 8 0页 余含量测定 ，瓦斯含量 由原始的 1 9 ． 6 m ／ t 降低 到 1 0 ． 81 m。 ／ t ，继续抽放 6 0 d后再次在该 区域测定瓦 斯含量 ，瓦斯含量降低到 7 ． 3 7 m ／ t 。 5 结论 1 考察 的水力冲孔影 响半径 4 ． 2～7 ． 5 m 比 常规抽放半径增加了 1 ． 1 倍 以上 ，有效减少穿层钻 孔数量 。 2 实施水力冲孔后 ，上覆 煤层掘进条带 的 瓦斯含量在经过 1 2 0 d的预抽后 ，瓦斯含量可降低 到 7 ． 3 7 m ／ t 。 3 水力 冲孔措施使钻孔周 围的煤体 的应力 降低，周围煤体得到不同程度的卸压，使煤体的透 9 4 气性系数提高 ，增大了瓦斯抽采量 ，由于水射流湿 润煤体 ，使得煤体塑性发生改变 ，提高了防治煤与 瓦斯突出的能力 。 [ 参考文献] [ 1 ]刘明举 ，孔留安 ，郝富 昌，等 ．水力 冲孔技 术在严 重突 出煤 层 中的应用 [ J ]．煤炭学报 ． 2 0 0 5 4 4 5 1 - 4 5 4 ． [ 2]王兆丰 ，李志强 ．水力挤 出措施 消突机理研 究 [ J ]．煤 矿安 全 ，2 0 0 4 1 2 卜4 ． [ 3 ]孔留安，郝富昌，刘明举 ，等． 水力冲孔快速掘进技术 [ J ] ． 煤矿安全 ，2 0 0 5 1 2 4 8 4 9 ． [ 4]李家彪 ，刘明举 ，赵发军 ．水 力 冲孔 在新义 矿瓦斯 抽放 中的 应用 [ J ]．煤炭工程 ，2 O l 1 7 3 6 3 8 ． [ 5]张 明杰 ，滑俊杰 ，华敬涛 ．单 一煤层 底板巷 穿层钻 孔预抽 煤 巷瓦斯条带区域防突技术 [ J ]．煤矿安全 ，2 O l 1 6 ． [ 责任编辑李宏艳] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m