高位定向钻孔合理层位确定及抽采效果分析_江泽帮.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0350前言近年来，随着煤矿开采深度与开采强度的不断增加，井下瓦斯问题严重制约着矿井的高效与安全生产。随着国内定向钻进技术及设备的完善和普及，采用高位定向长钻孔对回采工作面上隅角治理开始在各大矿区应用。高位钻孔的终孔最佳位置应处于裂隙较为发育的裂隙带内。因此，需要准确地确定裂隙带的发育范围。目前虽然许多专家学者对工作面上覆岩层的“三带”划分做了大量研究，但是不同地质构造条件下覆岩裂隙演化规律是有差异性的。基于此，本文在前人研究的基础上，针对某煤矿9103工作面，利用UDEC数值模拟软件模拟不同推进距离时的上覆岩层垮落以及裂隙演化情况，从而确定顶板垮落带及裂隙发育范围，进而确定高位钻孔终孔在上覆岩层的最佳层位。1工作面概况某矿开采9#煤，为近水平煤层，该矿9103工作面长度697 m，煤层平均厚度1.4 m，厚度稳定，埋深-322 m，采高1.5 m。9#煤层最大瓦斯含量9.2 m3/t。9#煤层下距10#煤层12.4412.94 m，上距高位定向钻孔合理层位确定及抽采效果分析江泽帮1，2，吴珏3，杜会宇2，张勇2，史永伟2（1.长江大学 石油工程学院，武汉430100；2.渤海钻探职工教育培训中心，天津300450；3.西南科技大学 计算机科学与技术学院，四川 绵阳621000）摘要：为了有效解决临近层卸压瓦斯通过采动裂隙扩散至本煤层工作面，导致采空区上隅角及工作面回风巷瓦斯浓度超限的问题。以某矿9103工作面为工程背景，采用理论分析与数值模拟相结合的手段，对工作面上覆岩层裂隙演化规律进行分析研究。研究表明：采用UDEC数值模拟软件分析工作面上覆岩层破坏时垮落带和裂隙带演化规律及裂隙带高度分布范围与理论计算结果基本一致，覆岩垮落带最大高度4.9 m，裂隙带最高13.44 m。基于此，确定了工作面覆岩高位钻孔设计方案：在9#煤层上方10 m位置的粉砂岩中，采用高位钻孔技术抽采瓦斯，整体抽采浓度较高，进一步验证了高位钻孔布置参数设计的合理性。关键词：高位钻孔；裂隙演化；合理层位；瓦斯抽采中图分类号：TD712.62文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 150 04Determination of Reasonable Horizon of High-level Directional Drillingand Analysis of Pumping EffectJIANG Zebang1，2，WU Jue3，DU Huiyu2，ZHANG Yong2，SHI Yongwei2(1.School of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China；2.Bohai Drilling Staff Education andTraining Center,Tianjin 300450,China；3.School of Computer Science and Technology,Southwest University of Scienceand Technology,Mianyang 621000,China)Abstract:In order to effectively solve the problem that the pressure relief gas in the adjacent layerdiffuses to the working face of the coal seam through mining cracks,resulting in the gas concentrationoverrun in the upper corner of the goaf and the return airway of the working face.Based on theengineering background of 9103 working face in a mine,the authors analyzed and studied the fractureevolution law of overlying strata on the working face by combining theoretical analysis with numericalsimulation.The study shows that the UDEC numerical simulation software is used to analyze the evolutionlaw of caving zone and fracture zone and the height distribution range of fracture zone when theoverlying strata are damaged on the working surface,which is basically consistent with the theoreticalcalculation results.The maximum height of overburden caving zone is 4.9 m,and the maximum heightof fracture zone is 13.44 m.Based on this,the design scheme of high-level borehole in overlying strataof working face is determined:in siltstone at 10 m above No.9 coal seam,the high-level boreholetechnology is used to extract gas,and the overall extraction concentration is high,which further verifiesthe rationality of the design of high-level borehole layout parameters.Key words:high-level drilling;fracture evolution;reasonable horizon;gas drainage150第42卷第02期Vol.42 No.02高位定向钻孔合理层位确定及抽采效果分析江泽帮，等8#煤层1416.55 m，属于典型的多煤层条件，9#煤层顶板为无伪顶。直接顶的岩性为粉砂质泥岩，厚度5.96 m。基本顶为灰岩，厚度4.79 m。直接底为细砂岩，厚度3.78 m。老底为粉砂岩，厚度8.12 m。采用一次采全高法开采，采用全部垮落法管理顶板。2“三带”范围经验公式计算高位定向长钻孔最佳的布置层位是“三带”中的裂隙带发育范围。所以应将钻孔的终孔位置布置在上覆岩层裂隙带发育范围内，从而通过高位定向钻孔拦截抽采临近层8#煤卸压瓦斯通过采动裂隙涌入采空区。随着采煤工作面的推进，采空区上覆岩层呈现局部垮落现象，裂隙至下而上扩展发育，顶板局部下沉，上覆岩层移动变形和破坏形式呈“砌体梁”结构，其结构模型如图1所示。图1“三带”位置示意图.垮落带.裂隙带.弯曲下沉带A.煤壁支撑区B.离层区C.重新压实区在覆岩移动变形和破坏过程中,垮落带呈不规则垮落堆积于采空区，其破断裂隙极为发育；裂隙带主要以离层裂隙及竖向破断裂隙发育为主，弯曲下沉带产生局部微裂隙。采空区上覆岩层中的冒落带和裂隙带的高度由工作面采高、煤层的倾斜程度、顶板支护方式、顶板岩石的力学性质等因素决定。高位钻孔抽采瓦斯裂隙带高度一般采用下面经验公式来计算。裂隙带高度H1100m3.1m+5.04.0=11.519.5 m（1）垮落带高度H2100m6.2m+321.5=2.15.13 m（2）式中m采厚，m=1.5 m。3不同推进距离上覆岩层裂隙发育范围的数值模拟分析为了探究9103工作面不同推进距离时上覆岩层的垮落特征以及裂隙带分布高度情况，使之与理论计算确定的冒落带与裂隙带高度范围相互验证，本文以该矿9103工作面的煤层赋存环境为背景，使用UDEC数值模拟软件，对上述问题展开研究。3.1数值模型构建UDEC通过对块体切割，将变形材料分离为离散的块体集合，以表示非连续介质。模型中的块体选用摩尔库仑准则描述岩石材料变形破坏过程，应力圆半径R=Ccos+12（12）sin（3）式中岩石内摩擦角；C岩石黏聚力；1最大主应力；2最小主应力。以此建立简化的UDEC二维模型，如图2所示。图2数值模型模型长度200 m，高度120 m，模型底部边界固定，即底部边界方向的位移均为0；模型顶部为自由边界，上部岩层采用施加等效载荷的方式，根据埋深计算得到等效载荷为6.82 MPa。模型走向长度选择120 m进行开挖，模拟岩层冒落裂隙发育规律，两端再留出30 m用来抵消边界效应。为了分析覆岩垮落与裂隙演化规律，选取工作面推进到30、60、90、110 m进行研究。3.2覆岩垮落情况数值模拟结果分析为了研究上覆岩层在不同推进距离时的垮落情况，选取推进30、60、90、110 m的垮落情况模型图进行分析，如图3所示。由图3（a）可以看出，9103工作面开挖30 m时，直接顶发生破断，开始垮落，但并未完全坍塌，这可能是由于工作面采高较低以及上覆岩层较硬，基本顶回转失稳，工作面初次来压；由图3（b）可以看出，开挖至60 m时，覆岩垮落范围显著扩大，中间区域出现压实区，可能是因为在开挖过程中，在开切眼侧与工作面侧附近区域的破断岩块形成咬合结构，形成所谓的砌体梁作用，使力沿着开切眼侧与工作面侧附近区域煤壁进行转移，减小了采空区中部覆岩承受的压力，但随着开挖距离的加大，开挖工作对覆岩持续扰动作用；由图3（c）可以看出，开挖至90 m煤壁BA上覆岩层载荷=6.82 MPa泥岩粉砂岩8#煤层粉砂岩灰岩粉砂质泥岩9#煤层细砂岩粉砂岩10#煤层中砾岩C151时，覆岩垮落范围进一步增大，压实区范围也逐渐扩大，在开切眼侧与工作面侧附近区域的岩层受煤壁支承作用，从而使采空区中部、开切眼侧与工作面侧附近区域的岩层相互咬合，形成砌体梁，使力沿着采空区中部、开切眼侧与工作面侧附近区域的岩层传递；由图3（d）可以看出，在回采工作面回采110 m时，工作面已达到充分采动。（a）工作面推进30 m时垮落模型（b）工作面推进60 m时垮落模型（c）工作面推进90 m时垮落模型（d）工作面推进110 m时垮落模型图3不同推进距离时上覆岩层垮落情况3.3覆岩裂隙情况数值模拟结果分析为了研究上覆岩层在不同推进距离时的裂隙演化情况，选取推进30、60、90、110 m的裂隙分布图进行分析，如图4所示。（a）工作面推进30 m时裂隙分布情况（b）工作面推进60 m时裂隙分布情况（c）工作面推进90 m时裂隙分布情况（d）工作面推进110 m时裂隙分布情况图4不同推进距离时上覆岩层裂隙分布情况由图4（a）可以看出，工作面开挖30 m时，采空区上覆岩层出现离层裂隙，8#煤层出现少量裂隙，但尚未形成裂隙通道。这是由于在工作面开挖步距较短，受开挖工作的作用，部分上覆岩层悬空，该区域应力的释放，导致岩层卸压膨胀，并在岩层自重的作用下，使得岩层发生弯曲，最终形成了离层裂隙；由图4（b）可以看出，开挖60 m时，之前形成的离层裂隙持续向上扩展，开挖工作对覆岩持续扰动作用；由图4（c）可以看出，开挖90 m时，覆岩垮落范围进一步增大，离层裂隙向横向发育的趋势明显增加，而在第42卷第02期高位定向钻孔合理层位确定及抽采效果分析江泽帮，等Vol.42 No.0210#煤层9#煤层8#煤层8#煤层10#煤层9#煤层8#煤层10#煤层9#煤层8#煤层10#