CN109667562B - 采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法 - Google Patents

采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法，属于煤矿开采技术领域。该方法包括以下步骤：S1：布置井下大直径顶板定向长钻孔，布置在回风侧的距离开采煤层顶板8～12倍采高的稳定中硬顶板岩层内，实现对工作面附近涌出瓦斯的高效抽采；S2：布置地面L型顶板定向井，实现对工作面附近涌出瓦斯及采空区内部积聚瓦斯的高效抽采；S3：布置采动地面直井，布置在回风侧0.15～0.3倍工作面长度的区域内，实现对工作面邻近卸压煤岩层涌出瓦斯及采空区内部集聚瓦斯的持续抽采；S4：根据工作面瓦斯涌出种类，选择抽采模式。本发明实现对采动体内瓦斯的全方位、连续高效抽采，提高高产工作面井下瓦斯治理效果。

Description

采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法。
背景技术
随着煤炭开采技术的进步及国家淘汰落后产能政策的推进，万吨级高产工作面已经逐渐成为现代矿井的主体，工作面瓦斯“暴涌”特点明显，单一的瓦斯抽采技术很难有效治理，联合抽采技术模式是有效手段。
目前常见的瓦斯抽采技术主要有有长钻孔、地面L型井、采动区地面直井单独式抽采，未见相关联合抽采技术文献。同时，鲜有采动体相关技术文献记载。
因此，本发明基于采动体设计了一种瓦斯井上下联合全域抽采方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法，实现对整个采动体走向及垂直空间的瓦斯全覆盖抽采、从采掘作业开始到采掘结束期间采动区内涌出瓦斯的连续全域抽采，从而改变采动体内部瓦斯流场，提高高产工作面井下瓦斯治理效果，达到遏制工作面超限及极限开采煤层气资源的双重目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法，具体包括以下步骤：
S1：布置井下大直径顶板定向长钻孔，布置在回风侧的距离开采煤层顶板8～12倍采高的稳定中硬顶板岩层内，实现对工作面附近涌出瓦斯的高效抽采；
S2：布置地面L型顶板定向井，实现对工作面附近涌出瓦斯及采空区内部积聚瓦斯的高效抽采；
S3：布置采动地面直井，布置在回风侧0.15～0.3倍工作面长度的区域内，实现对工作面邻近卸压煤岩层涌出瓦斯及采空区内部集聚瓦斯的持续抽采；
S4：根据工作面瓦斯涌出种类，选择抽采模式。
进一步，所述采动体结构包括：(1)采动体是三维空间结构，其主体位于工作面后方的采空区顶底板岩层，大小随着工作面的推进在横向和纵向上逐渐增大，最终形状似“钵体”；(2)采动体岩层发生复杂的往复式运动变形，产生大量的采动裂隙，大部分裂隙分布在冒落带及裂隙带内，弯曲下沉带内也存在横向沿层裂隙；(3)采动体岩层应力下降产生卸压增渗效应，使得其内部煤层的吸附瓦斯能够发生解吸。
进一步，采动体瓦斯涌出来源包括采空区遗落煤体、采场卸压邻近煤层及围岩储层；
(1)采空区遗落煤体瓦斯涌出量
遗落煤体瓦斯涌出量与单位时间采空区遗落煤量及块煤瓦斯涌出强度有关，计算公式如下：
Figure BDA0001912418310000021
式中，Q1为遗落煤体瓦斯涌出量，m3/min；M为单位时间回采煤量，kg/min；ηr为采煤回收率；W为工作面推进长度，m；u为工作面推进速度，m/d；a、b为拟合系数，与煤块粒径、瓦斯压力(含量)、水分及煤质有关；t为遗煤采空区停留时间，min；
(2)采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量
采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量与邻近层原始瓦斯含量、排放率有关及邻近层间的裂隙发育程度有关，计算公式如下：
Figure BDA0001912418310000022
式中，Q2为采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量，m3/min；B为单位时间单位长度瓦斯质量，kg/(m·min)；X0i为第i邻近煤层的原始瓦斯含量，m3/t；ni为第i邻近煤层瓦斯排放率，％；mi为第i邻近层厚度，m；λi为第i邻近层的裂隙贯通系数，由采场裂隙带高度hc、邻近层与开采层垂直距离hi表示，当hi/hc>1时，λi＝1，当hi/hc<1时，λi＝0；
(3)围岩储层瓦斯涌出量
围岩储层瓦斯涌出量与气体在围岩中的渗流速度以及回采形成的采动体空间尺寸有关，计算公式如下：
Figure BDA0001912418310000023
式中，Q3为围岩瓦斯涌出量，m3/min；qs为气体在围岩中的渗流速度，kg/(m2·s)；ρg为瓦斯密度，kg/m3；Wu、Wd分别为采动体上下边界走向长度，m；Lu、Ld分别为采动体上下边界倾向长度，m；H为采动体高度，m；
采场围岩经卸压后视为中高渗岩石储层，内部流动用达西渗流模型表示：
Figure BDA0001912418310000024
式中，Mg为气体摩尔质量，kg/mol；ps为砂岩孔隙压力，Pa；ps0为砂岩原始孔隙压力，Pa；ks为砂岩孔隙渗透率，m2；μg为气体粘度，Pa·s；Z为压缩因子；R为普适气体常量；T为绝对温度，K。
进一步，采动体瓦斯涌出动态预测模型为：
Figure BDA0001912418310000031
进一步，所述步骤S4具体包括：
(1)当工作面涌出瓦斯以遗落煤体与邻近层卸压瓦斯为主时，选用“采动地面直井+地面L型顶板定向井”抽采模式；
(2)当工作面涌出瓦斯以遗落煤体与围岩瓦斯为主时，选用“采动地面直井+井下大直径顶板定向长钻孔”抽采模式。
本发明的有益效果在于：本发明解决了常规技术对工作面上隅角卸压瓦斯及采空区内部集聚瓦斯治理能力弱，抽采浓度低的难题，实现对采动体内瓦斯的全方位、连续高效抽采，提高了高产工作面井下瓦斯治理效果，遏制了工作面超限及极限开采煤层气资源。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为井上下联合全域抽采模式示意图；
图2为井上下联合抽采采动体瓦斯流场示意图；
附图标记：Ⅰ为煤基质孔隙非达西渗液；Ⅱ(a)为煤层天然裂隙达西渗液，Ⅱ(b)为围岩砂层达西渗液；Ⅲ为采动裂隙带内拟稳态扩散；Ⅳ为采动裂隙带内无阻导流。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
采动影响下采场覆岩的移动变形是随着工作面推进发生的时空三维过程，覆岩内应力场、裂隙场的分布呈现明显的区域差异。工作面推进过程中，采场周围一定空间的顶底板煤岩层因受采动影响发生内部应力降低，使不同位置的岩体产生卸压、瓦斯解吸和流动效应，这一空间构成了采动卸压流动体，简称采动体，如图1所示，采动体具有以下主要特征：
(1)采动体是三维空间结构，其主体位于工作面后方的采空区顶底板岩层，大小随着工作面的推进在横向和纵向上逐渐增大，最终形状似“钵体”；
(2)采动体岩层发生了复杂的往复式运动变形，产生大量的采动裂隙，大部分裂隙分布在冒落带及裂隙带内，弯曲下沉带内也存在横向沿层裂隙；
(3)采动体岩层应力下降产生了卸压增渗效应，使得其内部煤层的吸附瓦斯能够发生解吸。
采动体瓦斯涌出来源包括采空区遗落煤体、采场卸压邻近煤层及围岩储层；
(1)采空区遗落煤体瓦斯涌出量
遗落煤体瓦斯涌出量与单位时间采空区遗落煤量及块煤瓦斯涌出强度有关，计算公式如下：
Figure BDA0001912418310000041
式中，Q1为遗落煤体瓦斯涌出量，m3/min；M为单位时间回采煤量，kg/min；ηr为采煤回收率；W为工作面推进长度，m；u为工作面推进速度，m/d；a、b为拟合系数，与煤块粒径、瓦斯压力(含量)、水分及煤质有关；t为遗煤采空区停留时间，min；
(2)采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量
采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量与邻近层原始瓦斯含量、排放率有关及邻近层间的裂隙发育程度有关，计算公式如下：
Figure BDA0001912418310000042
式中，Q2为采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量，m3/min；B为单位时间单位长度瓦斯质量，kg/(m·min)；X0i为第i邻近煤层的原始瓦斯含量，m3/t；ni为第i邻近煤层瓦斯排放率，％；mi为第i邻近层厚度，m；λi为第i邻近层的裂隙贯通系数，由采场裂隙带高度hc、邻近层与开采层垂直距离hi表示，当hi/hc>1时，λi＝1，当hi/hc<1时，λi＝0；
(3)围岩储层瓦斯涌出量
围岩储层瓦斯涌出量与气体在围岩中的渗流速度以及回采形成的采动体空间尺寸有关，计算公式如下：
Figure BDA0001912418310000043
式中，Q3为围岩瓦斯涌出量，m3/min；qs为气体在围岩中的渗流速度，kg/(m2·s)；ρg为瓦斯密度，kg/m3；Wu、Wd分别为采动体上下边界走向长度，m；Lu、Ld分别为采动体上下边界倾向长度，m；H为采动体高度，m；
采场围岩经卸压后视为中高渗岩石储层，内部流动用达西渗流模型表示：
Figure BDA0001912418310000051
式中，Mg为气体摩尔质量，kg/mol；ps为砂岩孔隙压力，Pa；ps0为砂岩原始孔隙压力，Pa；ks为砂岩孔隙渗透率，m2；μg为气体粘度，Pa·s；Z为压缩因子；R为普适气体常量；T为绝对温度，K。
采动体瓦斯涌出动态预测模型为：
Figure BDA0001912418310000052
采动体内自底鼓裂隙带向上到弯曲下沉带的煤岩层内瓦斯都有不同程度的卸压和加速解吸，遗煤及卸压煤岩层的解吸瓦斯扩散富集于采空区顶部裂隙带和后部采空区，在通风流场作用下汇向工作面。所以，在通风作用差、瓦斯易富集的后部采空区实施截流抽采，改变工作面后方采空区瓦斯流场分布，是提高瓦斯抽采率、治理工作面瓦斯问题的关键。
本实施例提供一种采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
S1：布置井下大直径顶板定向长钻孔，每组4～6个孔，各钻孔成孔直径不小于φ153mm，孔长400～500m，水平段孔间距5～10m，布置在回风侧的距离开采煤层顶板8～12倍采高的稳定中硬顶板岩层内，实现对工作面附近涌出瓦斯的高效抽采；
S2：布置地面L型顶板定向井，地面L型顶板定向井布置参数与井下大直径顶板长钻孔类似，水平孔段长800～1000m，成孔直径不小于φ200mm，实现对工作面附近涌出瓦斯及采空区内部积聚瓦斯的高效抽采；
S3：布置采动地面直井，布置在回风侧0.15～0.3倍工作面长度的区域内，井身结构三级或四级，二级生产井段终孔直径一般不小于φ350mm，一级井段选用J55型API管材，其他井段优先选用N80型或更高强度级别的API管材，地面直井间距200m～300m，实现对工作面邻近卸压煤岩层涌出瓦斯及采空区内部集聚瓦斯的持续抽采；
地面L型顶板定向井和采动地面直井在可靠的布井与防护工艺支持下能够实现对采空区内集聚瓦斯的连续抽采。
S4：根据工作面瓦斯涌出种类，选择抽采模式，具体选择方法为：
a.当工作面涌出瓦斯以遗落煤体与邻近层卸压瓦斯为主时，选用“采动地面直井+地面L型顶板定向井”抽采模式；
b.当工作面涌出瓦斯以遗落煤体与围岩瓦斯为主时，选用“采动地面直井+井下大直径顶板定向长钻孔”抽采模式。
上述抽采模式能够实现“整个采动区走向及垂直空间的瓦斯全覆盖抽采、从采掘作业开始到采掘结束期间采动区内涌出瓦斯的连续全域抽采”，从而改变采动体内部瓦斯流场，提高高产工作面井下瓦斯治理效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：布置井下大直径顶板定向长钻孔，布置在回风侧的距离开采煤层顶板8～12倍采高的稳定中硬顶板岩层内，实现对工作面附近涌出瓦斯的高效抽采；
S2：布置地面L型顶板定向井，实现对工作面附近涌出瓦斯及采空区内部积聚瓦斯的高效抽采；
S3：布置采动地面直井，布置在回风侧0.15～0.3倍工作面长度的区域内，实现对工作面邻近卸压煤岩层涌出瓦斯及采空区内部集聚瓦斯的持续抽采；
S4：根据工作面瓦斯涌出种类，选择抽采模式；
采动体瓦斯涌出来源包括采空区遗落煤体、采场卸压邻近煤层及围岩储层；
(1)采空区遗落煤体瓦斯涌出量
遗落煤体瓦斯涌出量与单位时间采空区遗落煤量及块煤瓦斯涌出强度有关，计算公式如下：
Figure FDA0003199691520000011
式中，Q1为遗落煤体瓦斯涌出量，m3/min；M为单位时间回采煤量，kg/min；ηr为采煤回收率；W为工作面推进长度，m；u为工作面推进速度，m/d；a、b为拟合系数；t为遗煤采空区停留时间，min；
(2)采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量
采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量与邻近层原始瓦斯含量、排放率有关及邻近层间的裂隙发育程度有关，计算公式如下：
Figure FDA0003199691520000012
式中，Q2为采场卸压邻近煤层瓦斯涌出量，m3/min；B为单位时间单位长度瓦斯质量，kg/(m·min)；X0i为第i邻近煤层的原始瓦斯含量，m3/t；ni为第i邻近煤层瓦斯排放率，％；mi为第i邻近层厚度，m；λi为第i邻近层的裂隙贯通系数，由采场裂隙带高度hc、邻近层与开采层垂直距离hi表示，当hi/hc>1时，λi＝1，当hi/hc<1时，λi＝0；
(3)围岩储层瓦斯涌出量
围岩储层瓦斯涌出量与气体在围岩中的渗流速度以及回采形成的采动体空间尺寸有关，计算公式如下：
Figure FDA0003199691520000013
式中，Q3为围岩瓦斯涌出量，m3/min；qs为气体在围岩中的渗流速度，kg/(m2·s)；ρg为瓦斯密度，kg/m3；Wu、Wd分别为采动体上下边界走向长度，m；Lu、Ld分别为采动体上下边界倾向长度，m；H为采动体高度，m；
采场围岩经卸压后视为中高渗岩石储层，内部流动用达西渗流模型表示：
Figure FDA0003199691520000021
式中，Mg为气体摩尔质量，kg/mol；ps为砂岩孔隙压力，Pa；ps0为砂岩原始孔隙压力，Pa；ks为砂岩孔隙渗透率，m2；μg为气体粘度，Pa·s；Z为压缩因子；R为普适气体常量；T为绝对温度，K；
采动体瓦斯涌出动态预测模型为：
Figure FDA0003199691520000022
所述抽采模式包括：
(1)当工作面涌出瓦斯以遗落煤体与邻近层卸压瓦斯为主时，选用“采动地面直井+地面L型顶板定向井”抽采模式；
(2)当工作面涌出瓦斯以遗落煤体与围岩瓦斯为主时，选用“采动地面直井+井下大直径顶板定向长钻孔”抽采模式。
2.根据权利要求1所述的采动体瓦斯井上下联合全域抽采方法，其特征在于，所述采动体结构包括：(1)采动体是三维空间结构，其主体位于工作面后方的采空区顶底板岩层，大小随着工作面的推进在横向和纵向上逐渐增大，最终形状似“钵体”；(2)采动体岩层发生复杂的往复式运动变形，产生大量的采动裂隙，大部分裂隙分布在冒落带及裂隙带内，弯曲下沉带内也存在横向沿层裂隙；(3)采动体岩层应力下降产生卸压增渗效应，使得其内部煤层的吸附瓦斯能够发生解吸。
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