類保護層抽采瓦斯機理及模式研究?

劉 曉馬 耕藺海曉

(1.河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,454003; 2.河南能源化工集團研究院有限公司,河南省鄭州市,450046; 3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心,河南省焦作市,454003)

類保護層抽采瓦斯機理及模式研究?

劉 曉1,3馬 耕1,2藺海曉1,3

(1.河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,454003; 2.河南能源化工集團研究院有限公司,河南省鄭州市,450046; 3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心,河南省焦作市,454003)

針對當前我國軟煤層存在著鉆進難、護孔難、增透難等問題,提出了在煤層頂/底板施工抽采鉆孔的類保護層抽采瓦斯方法。通過巖體加載試驗,研究了巖石的應力—滲透率—時間之間的定性關系,分析了巖石的破裂壓力;探討了軟、硬煤層在類保護層開采模式下瓦斯的運移產出機理;構建了類保護層鉆孔采前、采中、采后抽采模式。通過在鶴壁中泰礦業公司進行類保護層單孔抽采試驗并使用CYT技術進行強化范圍探測,結果表明,類保護層抽采鉆孔單孔強化范圍可達1601 m2,在抽采計量的近5個月內,單孔抽采純量平均328 m3/d,最大661 m3/d。

類保護層 瓦斯抽采模式 破裂壓力 瓦斯運移 滲透率

我國含煤巖系結構復雜、形態多樣、透氣性差,嚴重制約煤礦瓦斯的高效抽采。為突破低滲煤層的開采瓶頸,地面采用變排量、變粘度、變支撐劑類型和支撐劑粒徑等強化壓裂工藝,但除沁水盆地的原生結構煤和碎裂煤取得一定效果外,其余收效甚微。煤礦井下采用密集鉆孔、水力沖孔、水力割縫、水力擠出和深孔爆破、水力壓裂等技術,抽采率也遠低于美國、澳大利亞等主要產煤國。馮增朝研究認為:煤層透氣性與瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯抽采量呈正相關關系,只有煤層卸壓,增加透氣性才能提高抽采率。保護層開采作為一項煤層增透的有效技術在煤層群開采中得到了推廣應用。但單一低滲煤層無保護層開采不僅煤層透氣性低,而且以煤層瓦斯含量大、煤質松軟、突出嚴重為主要特征,鉆孔施工過程中常發生噴孔、垮孔、卡鉆、抱鉆等現象,存在孔長難達標、抽采壽命短、施工成本高、不易維護等問題。本文提出了類保護層瓦斯抽采模式,并從煤巖體受力加載試驗、瓦斯運移產出機理等方面闡明其可行性,構建了類保護層鉆孔采前、采中、采后抽采模式,以期為提高鉆孔抽采效率提供借鑒。

1 類保護層抽采瓦斯機理

1.1 類保護層概述

類保護層瓦斯抽采模式主要是鄰近煤層的頂底板巖層通過人工改造形成裂隙網絡與煤層溝通,轉化為瓦斯的高滲儲層,使煤層中賦存的瓦斯在降壓解吸后通過裂縫網絡快速運移到類保護層中,再通過類保護層內的鉆孔抽出。

類保護層的形成是在距離煤層一定距離(≤5 m)的頂板或底板中施工措施鉆孔,采用水力壓裂、松動爆破等技術對鉆孔進行強化,使其滲透率提高,溝通煤層,并在一定范圍內形成裂隙縫網,之后在強化影響區域內施工抽采鉆孔,使煤層瓦斯能夠通過類保護層快速運移產出到鉆孔中,提高了抽采效率。類保護層解決了煤層抽采鉆孔煤層鉆進難、維護難等問題,縮短了煤層瓦斯運移產出的距離,延長了有效抽采時間,可服務于煤層掘進、采前、采中、采后各階段,提高了鉆孔抽采效率,節約了開采成本。

1.2 巖體加載試驗

我國煤層直接頂(底)多以砂、泥巖為主,且層厚不一。類保護層瓦斯抽采模式的關鍵在于層位的選取及類保護層在受力作用后其滲透率的變化情況,只有在受力后類保護層的滲透率提高,才能較好地溝通煤層,起到瓦斯運移產出高速通道的作用。本文使用RMT－l50B巖石力學實驗機,并結合自行設計的瓦斯滲流裝置進行研究,采集中砂巖做加卸載試驗。軸壓－滲透率－時間曲線如圖1所示。

圖1 中砂巖壓縮壓力－滲透率－時間曲線

由圖1可知,當砂巖結構比較完整時,在彈性階段,隨著壓力的升高,砂巖孔裂隙度減小,滲透率低(I區);隨著軸壓增加,砂巖發生塑性變形,其內部損傷發展演化,產生破裂,形成裂縫,滲透率迅速增大(Ⅱ區),但其最大值滯后于應力最大峰值;持續壓縮,巖體逐漸被壓實,巖體進一步破碎、粒化,發生裂隙閉合、孔裂隙度減小,滲透率迅速降低(Ⅲ區)。此時,進行卸載實驗,隨著壓力減小,巖體內部由于卸壓,同時孔裂隙度增加,滲透率逐漸增大(Ⅳ區),利于瓦斯解吸,當壓力小于某一值時,滲透率增大迅速(Ⅴ區);如再次加載,隨著壓力增大,滲透率又迅速減小(Ⅵ區),趨于較小穩定值。

煤層頂板受上覆巖層重力、構造應力等作用,在未開采前其所受應力及滲透率均保持穩定值。當受應力破壞,滲透率發生變化并較為敏感。由此,可以通過對巖層進行人工改造使巖層滲透率發生變化。由試驗可得,在壓力小于80 MPa時,巖層滲透率對應力并不敏感,但在實際生產中,由于裂縫等弱面發育,巖石抗剪強度及抗拉強度降低,為類保護層的改造提供了一定便利,發生塑性變形后,則應控制壓力,以免巖層滲透率敏感閉合。

相關文獻運用彈性力學和斷裂力學理論建立煤巖體破裂模型如下:

式中:P——破裂壓力,MPa;

σ1——最大水平主應力,MPa;

σ3——最小水平主應力,MPa;

θ——目標方向角,(°);

Rt——煤巖體抗拉強度,MPa。

學者對式(1)中水平主應力進行了較為廣泛的研究。E.T.Brown和E.Hoek對全球范圍內地應力、垂直應力等進行了統計分析;景鋒、朱煥春等在研究國內垂直應力、地應力的過程中對其與埋深的關系作了修正,得出式(2)和式(3),其修正結果對埋深1000 m以淺的工程實踐具有良好的指導作用,并用實測數據進行了驗證,效果較好。

式中:H——埋深。

1.3 瓦斯運移產出機理

1.3.1 類保護層鉆孔在硬煤層中瓦斯運移情況

類保護層強化工藝中,硬煤層瓦斯的運移可以總結為解吸—擴散—兩級滲流。類保護層鉆孔在硬煤層中瓦斯運移情況如圖2所示。在頂、底板類保護層強化后,隨抽采的進行,煤儲層中壓力降低,當降低至瓦斯臨界解吸壓力時,瓦斯開始從煤儲層基質表面解吸出來,然后由微孔隙擴散到裂隙,由煤中裂隙滲流至類保護層中裂隙,硬煤中瓦斯運移方式符合煤儲層中基質孔－裂隙模型。最后再由類保護層裂隙以氣、水兩相流形式運移至鉆孔后產出,為滲流,瓦斯流動符合達西定律。

圖2 類保護層鉆孔在硬煤層中瓦斯運移示意圖

1.3.2 類保護層鉆孔在軟煤層中瓦斯運移情況

類保護層強化工藝中,軟煤中瓦斯的運移可以總結為解吸—兩級擴散—滲流。類保護層鉆孔在軟煤層中瓦斯運移情況如圖3所示。隨抽采解吸,煤儲層中壓力降低,當降低至瓦斯臨界解吸壓力時,瓦斯開始解吸,然后瓦斯由小直徑球形孔隙擴散至大直徑球形孔隙,再由大直徑球形孔隙擴散至類保護層,在類保護層中以氣、水兩相滲流形式運移至鉆孔。軟煤中瓦斯運移方式為大直徑球形孔隙及小直徑球形孔隙中瓦斯兩級擴散模型。與煤儲層相比,類保護層(砂巖層)滲透率較大,瓦斯以滲流形式產出,符合達西定律。

圖3 類保護層鉆孔在軟煤層中瓦斯運移示意圖

類保護層抽采瓦斯,縮短了煤基質瓦斯運移產出的距離,實現了瓦斯的滲流,提高了抽采效率。

2 類保護層抽采瓦斯模式

通過在煤層的頂板或底板合適層位施工抽采鉆孔,形成對煤層的類保護層,實現對煤層的首次卸壓。對類保護層鉆孔選擇使用水力壓裂、松動爆破等強化技術,開啟、延伸保護層與煤層之間的裂隙通道,實現煤層的再次卸壓,減小煤層瓦斯壓力啟動梯度,加快瓦斯解吸速度。類保護層鉆孔抽采模式如圖4所示。由于類保護層在巖層中施工,具有施工長度大、不易垮塌等優點,使用類保護層抽采鉆孔可實現煤層采前、采中、采后抽采,且可以同時掩護控制一個工作面的兩條巷道掘進。

圖4 類保護層鉆孔抽采模式示意圖

(1)采前:頂、底板類保護層鉆孔通過自身鉆孔卸壓、施工裂隙及由水力壓裂、松動爆破等工藝將裂隙延伸,形成具有一定面積和抽采影響范圍的裂隙帶,增大瓦斯流出通道,提高瓦斯的抽采效率。

(2)采中:在煤層采掘過程中,由于采動卸壓,頂、底板巖層發生一定程度的變形,煤層原有應力平衡遭到破壞,一定程度上擴大了裂隙范圍,裂隙進一步溝通、延伸,類保護層保護范圍擴大,抽采效率提高。

(3)采后:根據回采工作面礦山壓力顯現規律,煤層隨著工作面推進,在其周圍形成一個采動壓力場,在采動壓力場及其周圍形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,下部的冒落帶瓦斯濃度較低并含有大量工作面漏風,高濃度瓦斯主要集中于冒落帶頂部和裂隙帶中下部。因此,利用頂板類保護層可以抽采采空區瓦斯。

對煤層賦存條件復雜及異常區域,可在類保護層中補充施工穿層抽采鉆孔進行采前、采中、采后抽采。

在采用底板抽采巷進行瓦斯抽采的礦井,也可以布置相應的底板類保護層抽采模式。總之,可以結合礦井的具體開采情況有針對性的采用類保護層鉆孔抽采模式進行瓦斯抽采。

3 應用實例

3.1 工程概況

鶴壁中泰礦業有限公司開采二1煤層,本文試驗地點選擇在33051工作面下巷道乳化液泵站對口上側5 m處鉆場內,該處煤層厚度8.2 m,埋深530～571 m。以煤層頂板砂巖作為類保護層,與煤層距離1 m高度平行煤層施工鉆孔,傾角為0°,孔長69 m,如圖5所示。施工完成后對鉆孔進行測斜并下套管封孔,測試鉆孔自然流量趨近于0,孔口濃度0.18%,巷道濃度0.14%。

圖5 33051工作面類保護層鉆孔施工示意圖

用水力壓裂封隔器對類保護層鉆孔進行封孔,封孔深度15 m,封孔長度1.8 m,考慮管路摩擦阻力損失,根據式(1)～(3)計算得破裂壓力為24.5 MPa,實際破裂壓力26.3 MPa,(砂巖抗拉強度1.17 MPa),裂縫延伸壓力13.8 MPa,由水平應力和垂直應力的關系可知,水平應力范圍在12.6～19.1 MPa之間,垂直應力范圍在12.7～13.3 MPa之間,裂縫以垂直縫為主,輔以水平裂縫,類保護層和煤層得以溝通。總計注入水量37 m3。

3.2 試驗效果

采用CYT技術探測了類保護層鉆孔強化范圍為1601 m2,連續觀測計量了近5個月(后因礦井施工需要巷道封閉,無法測量)瓦斯抽采流量及抽采濃度。單孔抽采效果情況如圖6所示,強化抽采前后對比情況如表1所示。

圖6 33051工作面類保護層單孔抽采效果

表1 類保護層強化抽采對比

3.3 試驗分析

(1)由圖6可以看出,類保護層鉆孔抽采過程瓦斯流量并沒明顯衰減,分析其原因:一是由于較大范圍內提高了煤層的透氣性,瓦斯來源豐富;二是由于施工了類保護層抽采鉆孔,鉆孔長期保持暢通,縮短了煤基質塊瓦斯解吸的運移距離,后續解吸瓦斯能夠持續補給。

(2)鶴壁中泰礦業有限公司同區域百米煤孔起初日抽量為36～70 m3/d,2個月內,衰減系數為0.03～0.05,之后衰竭為0,多存在鉆孔的垮塌、堵孔等問題。類保護層日均抽采純量可達328 m3/d,抽采鉆孔服務壽命長,有效地控制了塌堵孔的發生。

(3)在偽頂或直接頂為水敏性泥巖發育區域存在泥巖遇水膨脹閉合可能的情況下,該工藝不可直接使用。

4 結論

(1)采集煤層頂、底板砂巖進行了軸壓—滲透率—時間試驗,認為砂巖滲透率對應力較為敏感,能夠通過強化改造煤層頂底板砂巖實現煤層瓦斯的抽采,減少瓦斯運移產出通道距離,可由頂底板裂隙縫網快速產出;認為硬煤瓦斯產出為解吸—擴散—兩級滲流,軟煤瓦斯產出為解吸—兩級擴散—滲流。

(2)研究了類保護層瓦斯抽采模式,實現了煤層瓦斯的采前、采中、采后抽采,減少了鉆孔工程量及施工難度,延長了抽采鉆孔的有效壽命,提高了抽采效率;通過實例,驗證了類保護層抽采的可行性,為相似巷道采掘部署條件下的瓦斯抽采提供了借鑒。

(3)類保護層強化鉆孔裂縫的開啟、延伸規律及形態有待于進一步研究,其布置模式及強化方式尚需優化。

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(責任編輯 張艷華)

我國首套視頻識別智能煤炭運輸系統投入運行

日前,國內首套基于視頻識別的智能運輸系統在神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦試運行成功。該套系統由神東區域自動化項目組聯合西安華光公司共同研發。系統基于網絡視頻識別技術,借助高清攝像頭識別出帶式輸送機所載煤量的大小,將各個卸料點的煤量信息加以綜合分析,通過邏輯判斷最終得出帶式輸送機的理論運行速度,并反饋給變頻器進行調速。它主要解決了井下變頻帶式輸送機無法自動調速的難題,使帶式輸送機能夠根據綜、連采工作面實際煤量的大小自動調節自身的運行速度,從而達到降低運行能耗、減少轉動件磨損的目的。

該套系統在哈拉溝煤礦104主運帶式輸送機試運行1周以來,成功將帶式輸送機的平均運行速度降低10%左右,能夠很好地滿足實際生產需求。

Research on gas drainage mechanism and mode of similar protective layer

Liu Xiao1,3,Ma Geng1,2,Lin Haixiao1,3
(1．School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003,China; 2．Henan Energy and Chemical Engineering Group Co．,Ltd．,Zhengzhou,Henan 450046,China; 3．Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo,Henan 454003,China)

In view of the current problems of difficulties in drilling,borehole supporting and the enhancement of permeability in soft coal seams in our country,the gas drainage of similar protective layer during the construction of coal seam roof and floor was proposed．Through the loading test of rock mass,the quantitative relationship of rock stress-permeability-time was studied,the fracture pressure of rock was analyzed,the gas migration and emission mechanism during the similar protective layer mining for soft or hard coal were discussed,and the gas drainage modes before,during and after drainage were established．The gas drainage from a single borehole in similar protective layer was tested in Hebi Zhongtai Mining Company and the CYT technique was adopted to strengthen the detection range．The results show that the strengthening range of single borehole is up to 1601 m2,the average amount of gas drainage is 328 m3/d,and the maximum amount is up to 661 m3/d in the past 5 months．

similar protective layer,gas drainage mode,fracture pressure,gas migration, permeability

TD712.6

A

劉曉(1981－),男,河北懷安人,講師,博士研究生,主要從事煤礦瓦斯災害預測及治理、煤層氣勘探開發方面的研究教學工作。

河南省教育廳科學技術研究重點項目(13A440320),2014年度安全生產重大事故防治關鍵技術重點科技項目(henan－066－2013AQ),河南理工大學青年骨干教師資助