大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术

　第38卷第1期煤　　炭　　学　　报Vol.38　No.1　　2013年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan.　2013　　　文章编号:0253-9993(2013)01-0001-08大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术袁　亮1,郭　华2,李　平1,梁运培2,廖斌琛1(1．淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽淮南　232001;2．TheCommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganisation,POBox883,QueenslandAustralia,4069)摘　要:地面钻井抽采采空采动区瓦斯技术在世界范围内的应用越来越广泛,然而仍存在着瓦斯流量和浓度偏低以及钻井稳定性差的问题。基于淮南矿业集团和澳大利亚的应用实践,开展了大直径地面钻井提高瓦斯抽采效果的理论与技术研究。通过对围岩采动影响和瓦斯抽采效果的数值模拟,参考瓦斯高效抽采范围的高位环形体理念,进行了抽采管径分别为244．5mm和177．8mm的大直径地面钻井设计和抽采瓦斯试验。试验结果表明:大直径地面钻井在抽采效果、控制工作面瓦斯涌出以及钻井稳定性上均明显优于普通钻井,瓦斯抽采总量可达316．7万m3,瓦斯纯量达170万m3,服务时间达106d,能够有效地控制工作面回风瓦斯浓度;地面钻井布置于回风巷一侧在抽采效果上优于进风巷一侧,前者瓦斯抽采量和浓度分别高于后者33．7%和75．3%。关键词:大直径钻井;采空区;采动区;瓦斯;地面钻井;钻孔稳定性中图分类号:TD712．6　　　文献标志码:A收稿日期:2012-12-20　　责任编辑:张晓宁　　作者简介:袁　亮(1960—),男,安徽金寨人,中国工程院院士。E-mail:[e-mail]。通讯作者:廖斌琛(1963—),男,湖南涟源人。E-mail:[e-mail]goafgasdrainagewithlarge-diametersurfaceboreholesYUANLiang1,GUOHua2,LIPing1,LIANGYun-pei2,LIAOBin-chen1(1．HuainanMining(Group)Co.Ltd.,Huainan　232001,China;2．TheCommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganisation,POBox883,Ken-more,Queensland,4069,Australia)Abstract:Coalminegoafdrainagewithsurfaceboreholesisincreasinglyusedincoalminesworldwide.However,poorperformanceofsomeofthesesurfacegasboreholesisoftenexperiencedintermsofthegasconcentration,flowrateandboreholestability.Inordertoimproveperformance,theoreticalstudiesandfieldinvestigationswerecarriedouttode-velopoptimalsurfaceboreholedesignsbasedontheexperiencefromHuainanandAustraliainrecentyears.Throughtheextensivenumericalmodellingofminingimpactinthesurroundingstrata,andperformanceofvariousgasdrainageconfigurations,andbyapplyingtheconceptofthe3Dannular-shapedoverlyingzoneforoptimalmethanedrainage,thetrialsusinglargediameterboreholeswithdiametersof244．5mmand177．8mmweredesignedandimplemented.Thetrialresultsdemonstratethatthelargediameterboreholesperformsignificantlybetterthanconventionalboreholesintermsoftotalgascaptured,longwallgascontroleffectiveness,andboreholestability.Thetotalgascapturedfromasin-glelargeboreholecanreach3．167millionm3with1．7millionm3ofpuremethane,andtheboreholeproductivelifeis106days.Themethaneconcentrationinthelongwallreturngateroadiseffectivelycontrolledduringtheoperationofthelargeboreholes.Thetrialresultsalsoshowthatthesurfaceboreholelocatedonthelongwallreturnsideperformesbet-terthanthatontheintakeside.Thetotalgascapturedfromthereturnsideboreholeis33.7%morethanthatfromtheintakesideandthemethaneconcentrationis75．3%higher.Keywords:large-diameterborehole;goaf;miningdisturbedzone;methanegas;surfaceborehole;boreholestability　　地面钻井是采空区、采动区瓦斯抽采的主要技术之一,在世界范围内得到了广泛应用。它既可以抽采煤　　炭　　学　　报2013年第38卷空区瓦斯,又可以抽采动区邻近层卸压瓦斯,适用于低透气性煤层群开采[1-4]。我国淮南、淮北、晋城、平顶山、铁法、唐山、宁煤等矿区都已开展了地面钻井抽采采动区瓦斯技术的应用,抽采技术已有较大的发展[5-6]。然而,与国际先进水平相比,还有相当数量的地面钻井应用效果不够理想,表现在瓦斯浓度低(50%)、流量低(15m3/min)和服务范围小(200m)。引起这些问题的原因除煤层自身开采条件及地质条件外,与钻井的直径、结构、位置等都有很大关系[7-8]。2008年以前,淮南矿业集团普遍采用的地面钻井的工作管径为127mm和133mm。应用过程中存在的突出问题是钻井的稳定性差、出气量少、成功率低。在澳大利亚,地面钻井是煤矿广泛应用的采空区瓦斯抽采措施,钻井稳定性较好,单井抽采瓦斯流量为30~60m3/min,抽采瓦斯浓度平均为80%左右[9-11]。澳大利亚常用的采空区地面钻井内径通常为200~250mm[10-13],是淮南矿区常用内径的1．5~2．0倍。基于此,澳大利亚联邦科学与工业研究组织和淮南矿业集团合作,依托亚太清洁发展与气候伙伴计划(APP)煤与瓦斯共采项目,开展了大直径地面钻井提高瓦斯抽采效果的理论与技术研究,进行了现场抽采试验,并考察了钻井倾向布置位置对抽采效果的影响。1　试验工作面概况潘三矿主采煤层为11-2和13-1煤层。17171(1)为11-2煤层工作面,标高-700~-750m,走向长760m,倾向宽220m。煤层倾角7°,厚2．0m,原始瓦斯含量10．8m3/t。工作面采用走向长壁后退式综采工艺,全部垮落法管理顶板,U型通风方式。工作面于2011-01-28开始回采,2011-09-16收作。17171(1)工作面邻近煤层参数见表1。其中,13-1煤层是主要的上邻近层,距11-2煤层72m,平均厚度3．94m,煤层原始瓦斯含量为10m3/t。17171(1)工作面作为13-1煤层的保护层工作面,先期开采11-2煤层。表1同时给出了未抽采条件下预测的工作面瓦斯涌出量,其中开采层和13-1煤层是工作面瓦斯涌出的主要来源,约占瓦斯涌出总量的78%。2　围岩采动影响和瓦斯抽采效果的三维数值模拟　　为对地面钻井的优化设计提供依据,采用CSIRO和日本NEDO,JCOAL共同开发的COSFLOW模拟软件和CFD计算流体动力学软件Fluent,对17171(1)工作面开采围岩卸压、渗透率变化和瓦斯流动的规律进行三维数值模拟。表1　17171(1)工作面邻近层参数及瓦斯涌出量预计Table1　Surroundingcoalseamparametersandestimatedgasemissionsatthe17171(1)workingface煤层厚度/m间距/m瓦斯含量/(m3·t-1)瓦斯涌出量/(m3·min-1)涌出量比例/%150．5095．09．00．501．7214-10．6089．09．00．692．3713-20．7074．010．01．856．3913-13．9472．010．011．4439．41120．5070．09．01．324．5611-22．00010．811．1338．3311-10．603．76．02．107．24合计29．031002．1　采动围岩影响规律的三维COSFLOW模拟2．1．1　COSFLOW模型COSFLOW是固、气、液三相耦合的三维有限元数值计算程序,其节理模型建立在Cosserat理论基础上,特别适用于层状岩体受力变形的模拟分析[14]。建立的COSFLOW模型长3400m,宽2500m,高1125m,共有计算单元162万个。图1为模型平面上的单元划分,x方向和y方向分别代表了最大和最小水平主应力方向。为给模型提供真实、可靠的地质结构和地层走向,笔者根据潘三矿166个勘探钻孔资料建立了三维地质模型,简化后导入至COSFLOW地层结构的建立中。地层力学参数是根据潘三矿所做的测试资料以及CSIRO在淮南矿业集团其它矿的测试结果综合确定的。图1　COSFLOW三维模型在平面上的单元网格划分Fig．1　Meshofthe3DCOSFLOWmodel(planview)2．1．2　围岩卸压特征和渗透率变化图2为模拟的围岩卸压特征。可见,卸压程度达到80%的岩层高度可达108m,邻近煤层中11-1,13-1和14-1都处于该充分卸压范围内。工作面后2第1期袁　亮等:大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术方60m后采动区压力开始逐渐回复,至140m后压力趋于稳定。采动区两侧始终保留一定范围的充分卸压,沿采动区形成一个环形的卸压区。顶板在走向和倾向上的充分卸压角分别为70°和75°。图3为模拟的围岩及13-1煤层内的渗透率变化。水平和竖向渗透率增加3~8个数量级的高度分别达顶板105m和54m。邻近煤层中,水平和竖向渗透率均显著增加的煤层有11-1,13-1和14-1煤层。在同一高度上,水平渗透率增加的幅度大于竖向渗透率增加的幅度。渗透率大小的分布与应力分布特征类似,沿采动区周边同样形成一个环形的渗透率发育区。图2　模拟的17171(1)工作面围岩卸压特征Fig．2　Modelledstratade-stressingatthe17171(1)workingface图3　模拟的17171(1)工作面围岩及13-1煤层内的渗透率变化Fig．3　Modelledpermeabilitychangesofsurroundingrockatthe17171(1)workingfaceand13-1coalseam2．1．3　17171(1)工作面瓦斯高效抽采范围的判别为确立瓦斯高效抽采的三维空间范围,CSIRO和淮南矿业集团在