复杂地质条件下深部煤层瓦斯高效抽采技术探索.pdf

“瓦 斯 抽 采 技 术 应 用”专 题文章编号：1004-4051（2023）08-0089-06DOI：10.12075/j.issn.1004-4051.20230292复杂地质条件下深部煤层瓦斯高效抽采技术探索贾秉义1，陈建2，方秦月1（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安710077；2.淮河能源控股集团煤业分公司，安徽淮南232001）摘要：我国大部分煤矿区地质条件复杂，开采深度逐年增加，瓦斯抽采困难。与浅部煤炭资源开采相比，深部煤炭资源开采所面临的瓦斯问题将更复杂。理论分析结果表明，随着开采深度增加，钻孔周边应力条件更复杂，钻孔稳定性变差，易出现塌孔，钻孔有效抽采半径减小，瓦斯抽采效果降低。为了探索适合于复杂地质条件下深部煤层开采瓦斯治理的技术措施，在分析了不同深度条件下钻孔抽采效率的情况下，以淮南矿区为例，分别进行了穿层钻孔水力加砂压裂、顺层长钻孔“一孔两消”以及地面钻井掏煤辅助消突技术。试验结果表明，三种技术对于区域瓦斯强化抽采、工作面高效消突以及深部高压强突煤层石门揭煤均具有明显效果。试验成果为我国复杂地质条件下深部煤层瓦斯高效治理提供技术支撑和借鉴。关键词：深部开采；瓦斯高效抽采；复杂地质条件；抽采效果；淮南矿区中图分类号：TD713文献标识码：AExploration on efficient gas extraction technology of deep coal seamunder complex geological conditionsJIABingyi1，CHENJian2，FANGQinyue1（1.Xian Research Institute（Group）Co.,Ltd.,China Coal Technology and EngineeringGroup Corp.,Xian 710077,China；2.Coal Mining Company Limited,Huaihe Energy Holding Group,Huainan 232001,China）Abstract：ThegeologicalconditionsofmostcoalminingareasinChinaarecomplex,theminingdepthincreasesyearbyyear,andthegasdrainageisdifficult.Comparedwithshallowcoalresourcesmining,thegasproblemfacedbydeepcoalresourcesminingwillbemorecomplex.Thetheoreticalanalysisresultsshowthatwiththeincreaseofminingdepth,thestressconditionsaroundtheboreholebecomemorecomplex,theboreholestabilitybecomesworse,theboreholeispronetocollapse,theeffectivedrainageradiusoftheboreholeisreduced,andthegasdrainageeffectisreduced.Inordertoexplorethetechnical measures suitable for gas control in deep coal seam mining under complex geologicalconditions,takingHuainanMiningAreaasanexample,thehydraulicsandfracturingofthroughlayer收稿日期：2023-05-06责任编辑：刘硕基金项目：国家自然科学基金面上项目资助（编号：52174207）第一作者简介：贾秉义（1988），男，汉族，山西朔州人，博士研究生，助理研究员，主要从事矿井地质与矿井瓦斯防治技术的研究和推广应用工作，E-mail：。引用格式：贾秉义，陈建，方秦月.复杂地质条件下深部煤层瓦斯高效抽采技术探索J.中国矿业，2023，32（8）：89-94.JIABingyi，CHENJian，FANGQinyue.ExplorationonefficientgasextractiontechnologyofdeepcoalseamundercomplexgeologicalconditionsJ.ChinaMiningMagazine，2023，32（8）：89-94.第32卷第8期中国矿业Vol.32,No.82023年8月CHINA MINING MAGAZINEAug.2023drilling,the“one hole and two elimination”of bedding long drilling and the auxiliary outbursteliminationtechnologyofcoalcuttingbysurfacedrillingwerecarriedoutrespectively.Thetestresultsshow that the three technologies have obvious effects on regional gas enhanced drainage,high-efficiencyoutbursteliminationinworkingfaceandcrosscutcoaluncoveringindeephigh-pressureandstrongoutburstcoalseam.ThetestresultsprovidetechnicalsupportandtechnicalreferencefortheefficienttreatmentofdeepcoalseamgasundercomplexgeologicalconditionsinChina.Keywords：deepmining；efficientgasextraction；complexgeologicalcondition；extractioneffect；HuainanMiningArea煤炭作为重要的能源和工业原料，对推动我国经济发展和保障人民生产生活具有重要作用，预计到 2025 年我国煤炭资源消耗量将高达 29.0 亿 t 标准煤左右1-2。但是随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，越来越多的矿井进入深部开采阶段3。与浅部煤层相比，深部煤层的地质条件和地应力场更加复杂，矿井开采所面临的灾害也呈现出新的特征，多种因素叠加耦合，致灾机理更加复杂4-5。相关学者针对深部煤炭资源开采所面临的瓦斯问题进行了大量的理论和试验研究。张学博等6分析了深部瓦斯抽采钻孔变形失稳机理，建立了三维数值模型，研究了钻孔埋深、侧压系数等对钻孔稳定性的影响，确定了地应力为抽采钻孔变形失稳的主控因素。刘大锰等7、何伟钢等8研究得出煤岩渗透率随着垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力的增大而减小，两者呈负指数关系。在含瓦斯煤的渗透特性研究方面，王登科等9、李晓泉等10研究得出含瓦斯煤岩的渗透率随轴压和围压的增大呈指数函数变化。孟雅等11、任少魁等12进一步研究表明煤岩渗透率和孔隙度与有效应力之间存在负指数函数关系。针对深部煤层瓦斯抽采技术，李树刚等13构建了深部开采卸压瓦斯精准抽采技术体系，何明川14提出以控制注入水流量为原则，在水力压裂过程中采用不稳定注入水流量的方法，在平顶山矿区进行了现场应用，并取得了显著效果。综上所述，相关研究主要集中在深部煤层地应力场特征、瓦斯抽采钻孔失稳、渗透性变化等方面，而对适用于深部煤层开采的技术探索较少。淮南矿区是我国 14 个亿吨级煤炭基地和 6 个大型煤电基地之一，但矿区地质条件复杂，煤层埋藏深，瓦斯治理难度大、成本高。为此，以淮南矿区为试验点，针对深部开采所面临的瓦斯治理难题进行技术探索，以期为深部矿井瓦斯治理提供技术支撑。1不同埋深煤层瓦斯抽采效率差异性分析与浅部相比，深部煤层变质程度整体较高，瓦斯压力大、含量高，地应力场复杂，煤层温度高，渗透性差，钻孔周围应力状态复杂，易出现塌孔，钻孔有效抽采时间和抽采半径降低，瓦斯抽采难度进一步增加。为了探索不同埋藏深度条件下钻孔瓦斯抽采效果和钻孔周围的应力分布状态，以淮南矿区某矿650m 水平和960m 水平 13-1 煤层为研究对象，运用 COMSOLMultiphysics 模拟软件，通过控制变量，仅改变埋深的参数，将煤层埋深分别设置为 650m和 960m，进行不同深度下钻孔周围应力状态和有效抽采半径差异的分析。1）埋深对钻孔在水平方向上应力的影响分析。图 1 展示了不同埋深水平应力分布特征。由图 1 可2422201816141210von Mises 应力/MPa86400.51.01.52.02.5与钻孔间距/m（a）650 m（b）960 m 2422201816141210von Mises 应力/MPa86400.51.01.52.02.5与钻孔间距/m0 min300 min0 min300 min图 1不同埋深水平应力分布特征Fig.1 Distribution characteristics of horizontal stress at different burial depths90中 国 矿 业第32卷知，当埋深改变时，钻孔在水平方向卸压区内应力会发生变化，对比埋深为 960m、650m 时的应力变化曲线，深部钻孔在卸压区内的应力变化速度更快，曲线更加尖锐，变化幅度更大，说明埋深越大，钻孔周围应力变化越剧烈，钻孔越容易变形失稳，在确定深部煤层瓦斯抽采参数时，也应考虑由于应力变化而导致的塌孔、堵孔现象，同时也反映出钻孔的卸压范围随埋藏深度逐渐增大的变化规律。2）不同埋深对钻孔瓦斯抽采范围的影响。通过数值模拟分析可知，以不同埋深条件下，抽采 60min时的瓦斯抽采影响范围为例，960m 埋深条件下的抽采影响范围低于相同时间下 650m 埋深条件下的抽采范围，说明随着埋深的增加，抽采会变得困难，瓦斯抽采的影响范围会不断降低。模拟结果表明，随着埋藏深度的增加，钻孔周围应力条件变得更加复杂，钻孔施工难度进一步增加。同时，在相同的抽采时间内，埋藏深度越大，钻孔有效抽采半径越小。2淮南矿区瓦斯治理现状2.1矿区瓦斯地质条件淮南矿区构造条件复杂、煤层埋藏深、瓦斯含量高、压力大，属于典型碎软低渗煤层，是我国高瓦斯复杂地质条件开采的典型代表，现有生产矿井全部为突出矿井。矿区地质构造复杂、煤层松软（f=0.20.8）、透气性差（=0.0010.008m2/MPa2d）、实测最大瓦斯压力 6.4MPa，瓦斯含量最高达 25m3/t。随矿区开采深度增加，煤层突出危险性越来越大。淮南矿区主采煤层瓦斯压力、含量情况见表 1。表 1 淮南矿区主采煤层瓦斯压力、含量情况Table 1 Gas pressure and content in the main coal seam ofHuainan Mining Area序号煤层瓦斯含量/（m3/t）瓦斯压力/MPa113-14.8110.54.1211-23.68.60.32.8384.57.40.93.0465.87.61.44.0546.310.01.63.163、15.49.00.82.82.2瓦斯治理技术现状近年来，针对矿区内地质条件和开采现状，经过多年的瓦斯治理科学研究与工程实践，总结形成了包括保护层开采、穿层钻孔预抽、定向顺层钻孔区段预抽、地面直井预抽技术等在内的瓦斯综合治理技术体系15-16。但是，现有瓦斯治理技术水平仍然无法满足矿区绿色高效发展的需求。近年来随着瓦斯治理理念、装备和技术的进步，矿区在瓦斯治理方面逐渐探索出了穿层钻孔加砂压裂、顺层长钻孔“一孔两消”以及地面钻井掏煤辅助消突等技术措施，并且取得了显著的应用效果。3区域瓦斯抽采技术探索3.1穿层钻孔加砂压裂3.1.1技术思路对于碎软低渗煤层，由于煤体破碎严重，水力压裂无法使煤层形成裂缝，高压水进入此类煤体时，通过“高压水挤胀穿刺再挤胀”这一过程的反复循环，在煤体中挤压形成一条通道17-18（图 2）。若采用清水压裂液，压裂结束后裂缝很容易被煤粉堵塞并很快闭合，影响瓦斯抽采效果。通过在压裂液中加入支撑剂，可以增加碎软煤层颗粒的不均匀性，避免煤层由于压实作用而导致的渗透性降低，保障碎软煤层水力压裂施工效果。高压水进入初期高压水带动可移动煤颗粒堵住水流通道孔喉高压水的作用下可移动煤颗粒逐渐被压实高压水冲破封堵继续携带煤颗粒前行可移动煤颗粒固定煤颗粒高压水流图 2碎软煤层水力压裂穿刺示意图Fig.2 Puncture schematic diagram of hydraulic fracturing inbroken soft coal seam3.1.2现场工程试验1）试验点地质条件。现场试验地点位于淮南矿区某矿 17102（3）工作面，目标煤层为二叠系上石盒子组 13-1 煤层。试验区煤层平均厚度 4.0m，瓦斯含量 8.4m3/t，瓦 斯 压 力 2.6 2.8MPa，透 气 性 系 数0.022m/（MPa2d），f 值为 0.260.52。孔隙结构研究表明，13-1 煤层孔径呈“两极化”分布，微孔、小孔及大孔发育，中孔不发育，孔隙呈墨水瓶形和狭缝平板形，孔隙连通性差，不利于瓦斯抽采。2）试验参数设计与实施。设计两个底板穿层钻孔加砂压裂试验，钻孔编号分别为 YL1 和 YL2。钻孔与巷道夹角为 90，孔径为 94mm。YL1 钻孔设计孔深 76m，穿煤长度 6.2m，YL2 钻孔设计孔深 88m，穿煤长度 6.1m。试验选用支撑剂为超低密度聚合物，规格为 210420um，该支撑剂粒度均匀，密度约为1.27kg/m3（表 2）。第8期贾秉义，等：复杂地质条件下深部煤层瓦斯高效抽采技术探索91表 2 水力压裂加骨料施工参数统计Table 2 Construction parametric statistics of hydraulicfracturing with aggregate孔号设计参数见煤情况/m支撑剂倾角/（）孔深/m见煤止煤类型规格/umYL143.07665.071.2超低密度聚合物 210420YL245.98879.485.5YL1 钻孔累注入压裂液 92.6m3，其中，前置液30.06m3，携砂液 55.54m3，顶替液 7m3，累计注入超低密度聚合物 110.25kg，支撑剂配比 0.20%，最大泵注压力 30.1MPa。YL2 钻孔累计注入压裂液 213.0m3，其中，前置液 92.10m3，携砂液 106.90m3，顶替液 14m3，累计注入超低密度聚合物 176.50kg，支撑剂配比0.16%，最大泵注压力 29.1MPa。试验结果统计见表 3。表 3 水力压裂加骨料施工情况统计Table 3 Construction situation statistics of hydraulic fracturing with aggregate孔号支撑剂/kg压裂液/m3前置液/m3携砂液/m3顶替液/m3最大泵注压力/MPaYL1110.2592.630.0655.54730.1YL2176.50213.092.10106.901429.13.1.3抽采效果分析YL1 压裂钻孔监测抽采数据 66d，日抽采瓦斯纯量 2.6450.18m3，换算成百孔瓦斯抽采纯量为0.18363.4847m3/min，平均为 1.7057m3/min。YL2 钻孔监测抽采数据 43d，日抽采瓦斯纯量 5.3937.75m3，换算成 百 孔 瓦 斯 纯量 0.3745 2.6214m3/min，平 均 为1.3112m3/min。邻近区域的常规穿层钻孔百孔瓦斯抽采纯量为0.17030.4968m3/min，平均为0.3581m3/min。由此可知，压裂钻孔百孔瓦斯抽采纯量是常规未压裂钻孔的 215 倍。3.2顺层长钻孔“一孔两消”技术3.2.1技术思路“一孔两消”是指由工作面一侧的巷道向工作面另一侧的巷道施工定向钻孔，同时对工作面和另一巷道进行瓦斯预抽消突。该技术能够有效降低瓦斯治理巷道和穿层钻孔工程量，保障钻孔覆盖的均匀性，增加钻孔抽采时间，有效保障瓦斯抽采效果，对于缓解矿井采掘接续紧张局面具有重要作用19-20。3.2.2现场工程试验1）试验点概况。“一孔两消”技术试验地点与3.1 部分的穿层钻孔加砂压裂技术试验地点相同，该工作面倾向长 200m，在工作面实体段选择 100m 区域作为“一孔两消”试验区。2）钻孔设计与施工。钻孔开孔点位于工作面轨道运输巷，呈扇形布置，钻孔覆盖工作面运输巷轮廓线外 20m。钻孔分上下两排布置，开孔高度分别为1.2m 和 1.8m，同排钻孔开孔间距为 0.6m，钻孔间距5m（图 3）。钻孔施工完成后下入直径 32mm 的 PE筛管护孔。采用定向钻进技术共施工 18 个“一孔两消”钻孔，钻孔深度 223230m，累计进尺 4050m，平均下筛管深度达钻孔深度的 98.26%。切眼工作面回风顺槽工作面轨道顺槽0.6 m5 m20 m图 3“一孔两消”钻孔布置平面图Fig.3 Layout plan of“one hole and two eliminations”drilling3.2.3瓦斯抽采效果分析1）钻孔瓦斯抽采情况。选择 14 个钻孔作为一个考察单元。12 个月内共抽采瓦斯 32.2 万 m3，瓦斯预抽率 61.3%。抽采纯量约 0.8m3/min，抽采浓度约为 60%。选择其中某个钻孔进行单孔计量考察，该孔抽采浓度稳定在 90%以上，两个月内抽采纯量为0.320.55m3/min，之后较长时间稳定在 0.2m3/min。2）“一孔两消”区域消突指标。巷道掘进期间防突预测最大指标：Smax=3.5kg/m，qmax=2.91L/min，巷道配风量 960m3/min，在后方同时安排两台钻机施工工作面顺层钻孔，回风瓦斯浓度最大 0.23%。工作面回采试验区域期间，在该区域内均匀布置了 18 个瓦斯含量测定点，直接测定煤层残余瓦斯含量，最大 3.975m3/t。回采期间，防突预测指标最大值：Smax=3.6kg/m，qmax=3.07L/min，K1max=0.2mL/（gmin1/2），回采期间日产量 9100t，配风量 2320m3/min，回风最大瓦斯浓度 0.29%、风排瓦斯 6.73m3/min，有效保障了工作面的安全生产。92中 国 矿 业第32卷3.3地面钻井掏煤辅助消突技术3.3.1技术思路为了保证碎软强突煤层石门揭煤区域消突钻孔施工安全、提高施工效率，保障区域消突效果，通过地面钻井至揭煤区域，分支井掏煤进行辅助消突。3.3.2现场工程试验试验地点位于淮南矿区某矿730960m 联络斜巷（下段），目标煤层为 4-1 煤层。该联络斜巷设计长度 487m，揭煤段标高910920m，该段 4-1 煤层厚 9.8m，瓦斯压力 3.1MPa、瓦斯含量 9.27m3/t。设计采用“1 口多底定向井，6 个分支井段”掏煤方案进行区域辅助消突。地面掏煤钻井共施工主井段1217.31m，6 个分支井共 713m，掏煤 134t，其中，4#分支井抽采瓦斯 1380m3/min（图 4 和表 4）。920920T1NT2T3T6T4T5F47Fn2 264 60 H=1.5 m3058 H=1520 m巷道揭煤区域PS01图例PS01T1掏煤钻孔见止煤点4-1 煤底板等高线图 4地面钻井掏煤实钻平面图Fig.4 Actual drilling plan of ground drilling coal extraction表 4 地面钻井掏煤参数Table 4 Coal extraction parameters of ground drilling井号孔径/mm扩孔/mm掏煤/t抽采瓦斯/m3T1152400、60014.1T2152400、60043.1T3152400、6009.5T4152400、60030.51380T5152400、600T6152400、60036.8共计134.013803.3.3掏煤卸压效果验证1）掏煤区域瓦斯含量测定。在掏煤影响区域施工了 7 个验证钻孔，采用瓦斯含量直接测定法对掏煤 区 域 消 突 效 果 进 行 验 证，测 定 最 大 瓦 斯 含 量4.8538m3/t，瓦斯含量降低 4.4162m3/t，瓦斯含量降低率达 47.64%。2）掏煤区域抽采效果分析。地面钻井掏煤后累计监测抽采 594d，预抽率达 78.4%。辅助消突工程施工前，井下抽采钻孔抽采浓度最大 35.4%、抽采纯量最大 1.14m3/min；施工后，井下抽采钻孔抽采浓度最大 56%、抽采纯量最大 3.7m3/min 抽采，效果显著提升。此外，钻孔施工期间未发生喷孔、夹钻、顶钻、埋钻等动力现象，穿煤期间施工进度显著提高。4结论1）与浅部相比，深部地应力条件更加复杂，致灾因素更加多样，由多种因素叠加耦合而导致的灾害问题将更加突出。深部煤层瓦斯抽采钻孔孔周应力状态复杂，同等条件下抽采半径变小。针对深部煤炭资源开发，结合机械化、智能化开采以及人工智能等技术的发展，探索适合于深部煤炭资源开发的区域瓦斯超前治理技术势在必行。2）在淮南矿区开展了穿层钻孔加砂压裂、顺层钻孔“一孔两消”和地面钻井掏煤辅助消突等技术的探索。其中，压裂钻孔百孔瓦斯抽采纯量是常规未压裂钻孔的 215 倍，其他两项技术实施后均满足安全回采要求。3）试验结果表明，穿层钻孔水力加砂压裂技术、顺层钻孔“一孔两消”和地面钻井掏煤辅助消突技术均能够实现深部煤层瓦斯的高效抽采。试验结果为我国深部煤层瓦斯治理提供了技术支撑。参考文献（References）：谢和平,王金华,王国法,等.煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想J.煤炭学报，2018，43（5）：1187-1197.XIEHeping,WANGJinhua,WANGGuofa,etal.NewideasofcoalrevolutionandlayoutofcoalscienceandtechnologydevelopmentJ.JournalofChinaCoalSociety，2018，43（5）：1187-1197.1第8期贾秉义，等：复杂地质条件下深部煤层瓦斯高效抽采技术探索93谢和平,吴立新,郑德志.2025年中国能源消费及煤炭需求预测J.煤炭学报，2019，44（7）：1949-1960.XIEHeping,WULixin,ZHENGDezhi.Predictionontheenergycon-sumption and coal demand of China in 2025J.Journal of ChinaCoalSociety，2019，44（7）：1949-1960.2袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考J.煤炭学报，2016，41（1）：1-6.YUANLiang.StrategicthinkingofsimultaneousexploitationofcoalandgasindeepminingJ.JournalofChinaCoalSociety，2016，41（1）：1-6.3尹光志,李星,鲁俊,等.深部开采动静载荷作用下复合动力灾害致灾机理研究J.煤炭学报，2017，42（9）：2316-2326.YINGuangzhi,LIXing,LUJun,etal.Disaster-causingmechanismofcompounddynamicdisasterindeepminingunderstaticanddynamicload conditionsJ.Journal of China Coal 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