类保护层抽采瓦斯机理及模式研究∗

刘 晓马 耕蔺海晓

(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454003; 2.河南能源化工集团研究院有限公司,河南省郑州市,450046; 3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南省焦作市,454003)

类保护层抽采瓦斯机理及模式研究∗

刘 晓1,3马 耕1,2蔺海晓1,3

(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454003; 2.河南能源化工集团研究院有限公司,河南省郑州市,450046; 3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南省焦作市,454003)

针对当前我国软煤层存在着钻进难、护孔难、增透难等问题,提出了在煤层顶/底板施工抽采钻孔的类保护层抽采瓦斯方法。通过岩体加载试验,研究了岩石的应力—渗透率—时间之间的定性关系,分析了岩石的破裂压力;探讨了软、硬煤层在类保护层开采模式下瓦斯的运移产出机理;构建了类保护层钻孔采前、采中、采后抽采模式。通过在鹤壁中泰矿业公司进行类保护层单孔抽采试验并使用CYT技术进行强化范围探测,结果表明,类保护层抽采钻孔单孔强化范围可达1601 m2,在抽采计量的近5个月内,单孔抽采纯量平均328 m3/d,最大661 m3/d。

类保护层 瓦斯抽采模式 破裂压力 瓦斯运移 渗透率

我国含煤岩系结构复杂、形态多样、透气性差,严重制约煤矿瓦斯的高效抽采。为突破低渗煤层的开采瓶颈,地面采用变排量、变粘度、变支撑剂类型和支撑剂粒径等强化压裂工艺,但除沁水盆地的原生结构煤和碎裂煤取得一定效果外,其余收效甚微。煤矿井下采用密集钻孔、水力冲孔、水力割缝、水力挤出和深孔爆破、水力压裂等技术,抽采率也远低于美国、澳大利亚等主要产煤国。冯增朝研究认为:煤层透气性与瓦斯涌出量、钻孔瓦斯抽采量呈正相关关系,只有煤层卸压,增加透气性才能提高抽采率。保护层开采作为一项煤层增透的有效技术在煤层群开采中得到了推广应用。但单一低渗煤层无保护层开采不仅煤层透气性低,而且以煤层瓦斯含量大、煤质松软、突出严重为主要特征,钻孔施工过程中常发生喷孔、垮孔、卡钻、抱钻等现象,存在孔长难达标、抽采寿命短、施工成本高、不易维护等问题。本文提出了类保护层瓦斯抽采模式,并从煤岩体受力加载试验、瓦斯运移产出机理等方面阐明其可行性,构建了类保护层钻孔采前、采中、采后抽采模式,以期为提高钻孔抽采效率提供借鉴。

1 类保护层抽采瓦斯机理

1.1 类保护层概述

类保护层瓦斯抽采模式主要是邻近煤层的顶底板岩层通过人工改造形成裂隙网络与煤层沟通,转化为瓦斯的高渗储层,使煤层中赋存的瓦斯在降压解吸后通过裂缝网络快速运移到类保护层中,再通过类保护层内的钻孔抽出。

类保护层的形成是在距离煤层一定距离(≤5 m)的顶板或底板中施工措施钻孔,采用水力压裂、松动爆破等技术对钻孔进行强化,使其渗透率提高,沟通煤层,并在一定范围内形成裂隙缝网,之后在强化影响区域内施工抽采钻孔,使煤层瓦斯能够通过类保护层快速运移产出到钻孔中,提高了抽采效率。类保护层解决了煤层抽采钻孔煤层钻进难、维护难等问题,缩短了煤层瓦斯运移产出的距离,延长了有效抽采时间,可服务于煤层掘进、采前、采中、采后各阶段,提高了钻孔抽采效率,节约了开采成本。

1.2 岩体加载试验

我国煤层直接顶(底)多以砂、泥岩为主,且层厚不一。类保护层瓦斯抽采模式的关键在于层位的选取及类保护层在受力作用后其渗透率的变化情况,只有在受力后类保护层的渗透率提高,才能较好地沟通煤层,起到瓦斯运移产出高速通道的作用。本文使用RMT－l50B岩石力学实验机,并结合自行设计的瓦斯渗流装置进行研究,采集中砂岩做加卸载试验。轴压－渗透率－时间曲线如图1所示。

图1 中砂岩压缩压力－渗透率－时间曲线

由图1可知,当砂岩结构比较完整时,在弹性阶段,随着压力的升高,砂岩孔裂隙度减小,渗透率低(I区);随着轴压增加,砂岩发生塑性变形,其内部损伤发展演化,产生破裂,形成裂缝,渗透率迅速增大(Ⅱ区),但其最大值滞后于应力最大峰值;持续压缩,岩体逐渐被压实,岩体进一步破碎、粒化,发生裂隙闭合、孔裂隙度减小,渗透率迅速降低(Ⅲ区)。此时,进行卸载实验,随着压力减小,岩体内部由于卸压,同时孔裂隙度增加,渗透率逐渐增大(Ⅳ区),利于瓦斯解吸,当压力小于某一值时,渗透率增大迅速(Ⅴ区);如再次加载,随着压力增大,渗透率又迅速减小(Ⅵ区),趋于较小稳定值。

煤层顶板受上覆岩层重力、构造应力等作用,在未开采前其所受应力及渗透率均保持稳定值。当受应力破坏,渗透率发生变化并较为敏感。由此,可以通过对岩层进行人工改造使岩层渗透率发生变化。由试验可得,在压力小于80 MPa时,岩层渗透率对应力并不敏感,但在实际生产中,由于裂缝等弱面发育,岩石抗剪强度及抗拉强度降低,为类保护层的改造提供了一定便利,发生塑性变形后,则应控制压力,以免岩层渗透率敏感闭合。

相关文献运用弹性力学和断裂力学理论建立煤岩体破裂模型如下:

式中:P——破裂压力,MPa;

σ1——最大水平主应力,MPa;

σ3——最小水平主应力,MPa;

θ——目标方向角,(°);

Rt——煤岩体抗拉强度,MPa。

学者对式(1)中水平主应力进行了较为广泛的研究。E.T.Brown和E.Hoek对全球范围内地应力、垂直应力等进行了统计分析;景锋、朱焕春等在研究国内垂直应力、地应力的过程中对其与埋深的关系作了修正,得出式(2)和式(3),其修正结果对埋深1000 m以浅的工程实践具有良好的指导作用,并用实测数据进行了验证,效果较好。

式中:H——埋深。

1.3 瓦斯运移产出机理

1.3.1 类保护层钻孔在硬煤层中瓦斯运移情况

类保护层强化工艺中,硬煤层瓦斯的运移可以总结为解吸—扩散—两级渗流。类保护层钻孔在硬煤层中瓦斯运移情况如图2所示。在顶、底板类保护层强化后,随抽采的进行,煤储层中压力降低,当降低至瓦斯临界解吸压力时,瓦斯开始从煤储层基质表面解吸出来,然后由微孔隙扩散到裂隙,由煤中裂隙渗流至类保护层中裂隙,硬煤中瓦斯运移方式符合煤储层中基质孔－裂隙模型。最后再由类保护层裂隙以气、水两相流形式运移至钻孔后产出,为渗流,瓦斯流动符合达西定律。

图2 类保护层钻孔在硬煤层中瓦斯运移示意图

1.3.2 类保护层钻孔在软煤层中瓦斯运移情况

类保护层强化工艺中,软煤中瓦斯的运移可以总结为解吸—两级扩散—渗流。类保护层钻孔在软煤层中瓦斯运移情况如图3所示。随抽采解吸,煤储层中压力降低,当降低至瓦斯临界解吸压力时,瓦斯开始解吸,然后瓦斯由小直径球形孔隙扩散至大直径球形孔隙,再由大直径球形孔隙扩散至类保护层,在类保护层中以气、水两相渗流形式运移至钻孔。软煤中瓦斯运移方式为大直径球形孔隙及小直径球形孔隙中瓦斯两级扩散模型。与煤储层相比,类保护层(砂岩层)渗透率较大,瓦斯以渗流形式产出,符合达西定律。

图3 类保护层钻孔在软煤层中瓦斯运移示意图

类保护层抽采瓦斯,缩短了煤基质瓦斯运移产出的距离,实现了瓦斯的渗流,提高了抽采效率。

2 类保护层抽采瓦斯模式

通过在煤层的顶板或底板合适层位施工抽采钻孔,形成对煤层的类保护层,实现对煤层的首次卸压。对类保护层钻孔选择使用水力压裂、松动爆破等强化技术,开启、延伸保护层与煤层之间的裂隙通道,实现煤层的再次卸压,减小煤层瓦斯压力启动梯度,加快瓦斯解吸速度。类保护层钻孔抽采模式如图4所示。由于类保护层在岩层中施工,具有施工长度大、不易垮塌等优点,使用类保护层抽采钻孔可实现煤层采前、采中、采后抽采,且可以同时掩护控制一个工作面的两条巷道掘进。

图4 类保护层钻孔抽采模式示意图

(1)采前:顶、底板类保护层钻孔通过自身钻孔卸压、施工裂隙及由水力压裂、松动爆破等工艺将裂隙延伸,形成具有一定面积和抽采影响范围的裂隙带,增大瓦斯流出通道,提高瓦斯的抽采效率。

(2)采中:在煤层采掘过程中,由于采动卸压,顶、底板岩层发生一定程度的变形,煤层原有应力平衡遭到破坏,一定程度上扩大了裂隙范围,裂隙进一步沟通、延伸,类保护层保护范围扩大,抽采效率提高。

(3)采后:根据回采工作面矿山压力显现规律,煤层随着工作面推进,在其周围形成一个采动压力场,在采动压力场及其周围形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,下部的冒落带瓦斯浓度较低并含有大量工作面漏风,高浓度瓦斯主要集中于冒落带顶部和裂隙带中下部。因此,利用顶板类保护层可以抽采采空区瓦斯。

对煤层赋存条件复杂及异常区域,可在类保护层中补充施工穿层抽采钻孔进行采前、采中、采后抽采。

在采用底板抽采巷进行瓦斯抽采的矿井,也可以布置相应的底板类保护层抽采模式。总之,可以结合矿井的具体开采情况有针对性的采用类保护层钻孔抽采模式进行瓦斯抽采。

3 应用实例

3.1 工程概况

鹤壁中泰矿业有限公司开采二1煤层,本文试验地点选择在33051工作面下巷道乳化液泵站对口上侧5 m处钻场内,该处煤层厚度8.2 m,埋深530～571 m。以煤层顶板砂岩作为类保护层,与煤层距离1 m高度平行煤层施工钻孔,倾角为0°,孔长69 m,如图5所示。施工完成后对钻孔进行测斜并下套管封孔,测试钻孔自然流量趋近于0,孔口浓度0.18%,巷道浓度0.14%。

图5 33051工作面类保护层钻孔施工示意图

用水力压裂封隔器对类保护层钻孔进行封孔,封孔深度15 m,封孔长度1.8 m,考虑管路摩擦阻力损失,根据式(1)～(3)计算得破裂压力为24.5 MPa,实际破裂压力26.3 MPa,(砂岩抗拉强度1.17 MPa),裂缝延伸压力13.8 MPa,由水平应力和垂直应力的关系可知,水平应力范围在12.6～19.1 MPa之间,垂直应力范围在12.7～13.3 MPa之间,裂缝以垂直缝为主,辅以水平裂缝,类保护层和煤层得以沟通。总计注入水量37 m3。

3.2 试验效果

采用CYT技术探测了类保护层钻孔强化范围为1601 m2,连续观测计量了近5个月(后因矿井施工需要巷道封闭,无法测量)瓦斯抽采流量及抽采浓度。单孔抽采效果情况如图6所示,强化抽采前后对比情况如表1所示。

图6 33051工作面类保护层单孔抽采效果

表1 类保护层强化抽采对比

3.3 试验分析

(1)由图6可以看出,类保护层钻孔抽采过程瓦斯流量并没明显衰减,分析其原因:一是由于较大范围内提高了煤层的透气性,瓦斯来源丰富;二是由于施工了类保护层抽采钻孔,钻孔长期保持畅通,缩短了煤基质块瓦斯解吸的运移距离,后续解吸瓦斯能够持续补给。

(2)鹤壁中泰矿业有限公司同区域百米煤孔起初日抽量为36～70 m3/d,2个月内,衰减系数为0.03～0.05,之后衰竭为0,多存在钻孔的垮塌、堵孔等问题。类保护层日均抽采纯量可达328 m3/d,抽采钻孔服务寿命长,有效地控制了塌堵孔的发生。

(3)在伪顶或直接顶为水敏性泥岩发育区域存在泥岩遇水膨胀闭合可能的情况下,该工艺不可直接使用。

4 结论

(1)采集煤层顶、底板砂岩进行了轴压—渗透率—时间试验,认为砂岩渗透率对应力较为敏感,能够通过强化改造煤层顶底板砂岩实现煤层瓦斯的抽采,减少瓦斯运移产出通道距离,可由顶底板裂隙缝网快速产出;认为硬煤瓦斯产出为解吸—扩散—两级渗流,软煤瓦斯产出为解吸—两级扩散—渗流。

(2)研究了类保护层瓦斯抽采模式,实现了煤层瓦斯的采前、采中、采后抽采,减少了钻孔工程量及施工难度,延长了抽采钻孔的有效寿命,提高了抽采效率;通过实例,验证了类保护层抽采的可行性,为相似巷道采掘部署条件下的瓦斯抽采提供了借鉴。

(3)类保护层强化钻孔裂缝的开启、延伸规律及形态有待于进一步研究,其布置模式及强化方式尚需优化。

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(责任编辑 张艳华)

我国首套视频识别智能煤炭运输系统投入运行

日前,国内首套基于视频识别的智能运输系统在神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿试运行成功。该套系统由神东区域自动化项目组联合西安华光公司共同研发。系统基于网络视频识别技术,借助高清摄像头识别出带式输送机所载煤量的大小,将各个卸料点的煤量信息加以综合分析,通过逻辑判断最终得出带式输送机的理论运行速度,并反馈给变频器进行调速。它主要解决了井下变频带式输送机无法自动调速的难题,使带式输送机能够根据综、连采工作面实际煤量的大小自动调节自身的运行速度,从而达到降低运行能耗、减少转动件磨损的目的。

该套系统在哈拉沟煤矿104主运带式输送机试运行1周以来,成功将带式输送机的平均运行速度降低10%左右,能够很好地满足实际生产需求。

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

刘晓(1981－),男,河北怀安人,讲师,博士研究生,主要从事煤矿瓦斯灾害预测及治理、煤层气勘探开发方面的研究教学工作。

河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A440320),2014年度安全生产重大事故防治关键技术重点科技项目(henan－066－2013AQ),河南理工大学青年骨干教师资助