低透气性近距离强突出煤层群瓦斯治理模式研究.pdf
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1、第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金();安徽高校协同创新项目()作者简介:朱彭辉(),男,安徽芜湖人,硕士研究生。通信作者:余陶(),男,安徽安庆人,副教授。文章编号:():低透气性近距离强突出煤层群瓦斯治理模式研究朱彭辉,余陶,曹明(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 ;皖北煤电集团公司祁东煤矿,安徽 宿州 )摘要:低透气性近距离强突出煤层群首采层打钻极易喷孔,引发瓦斯安全事故。以皖北煤电祁东煤矿 三采区为例,基于首采层煤分段压裂水平井预抽煤层瓦斯改性效果和上区段 煤定向长钻孔拦截抽采下临近层 煤卸压瓦斯效果,提出了综合运用分段压裂
2、水平井、定向长钻孔、地面钻井、多用底板巷、顶板走向钻孔等技术的瓦斯治理模式,可有效减少井下工程量,提高钻孔施工及抽采效率,保证煤层安全高效开采。该模式演变后可进一步减少巷道和钻孔工作量,有效缓解接替紧张压力。关键词:瓦斯治理模式;近距离强突出煤层群;低透气性;分段压裂水平井;定向长钻孔中图分类号:开放科学(资源服务)标识码():文献标识码:,(,;,):,:;煤炭占我国一次能源生产总量的 左右、一次能源消费总量的 ,是现阶段能源供给的主体 。然而煤矿安全事故一直制约着煤炭生产,据相关统计,年一共发生了煤矿事故 起,其中死亡事故 起,死亡人数高达 人。死亡事故中,瓦斯事故占比 。近年来,随着矿井
3、开采深度的不断增加,地应力与煤层瓦斯压力随之增大,加之煤层透气性低、难以抽采,对瓦斯治理提出了挑战。低透气性近距离强突出煤层群 在形成过程中会反复发生沉积。其煤层层数多且小,地质构造复杂,瓦斯突出危险性强,直接打钻极易瓦斯喷孔,容易引发安全生产事故。此类近距离煤层群分布范围较广,如平顶山矿区、淮南矿区、大同矿区等,西南地区尤为广泛。因此,亟需开展低透气性近距离强突出煤层群瓦斯抽采模式研究。目前低透气性近距离突出煤层群主要采取保护层卸压开采模式。首采层为突出煤层时,常采用穿层钻孔区域预抽瓦斯消突技术 。王钦明等 提出了保护层迎面斜交孔、底板穿层钻孔抽采、上隅角埋管抽采等立体式瓦斯综合治理技术;张
4、东旭 提出利用底抽巷施工穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的消突办法,采用定向钻孔或高抽巷、采空区埋管等相结合的方式防治瓦斯问题。然而,首采层强突出的打钻喷孔难题一直困扰着此类模式的开展,深部开采时此类问题尤为突出。另外,由于煤矿保供、生产接替紧张、井下限员,原有的瓦斯治理模式工程量大、人员密集,已无法适应现有的生产需要。为解决上述难题,本文以祁东煤矿 三采区为例,基于分段压裂水平井与定向长钻孔技术,提出了一种低透气性近距离强突出煤层群的瓦斯治理模式。低透气性近距离强突出煤层群瓦斯治理技术 瓦斯赋存状况皖北煤电祁东煤矿 三采区位于三采区二水平(标高 ),东以 逆断层为界,西以 逆断层为界,南以三采区各煤
5、层最下部区段运输顺槽沿空留设 煤柱为界,北至 煤 水平投影。采区走向长约 ,倾斜宽约 ,面积约 。该采区共有煤层、等 层。其中,煤距中煤组 煤层间距较大;、煤层赋存不稳定,煤与 煤局部合层,、煤受火成岩侵蚀严重。因此、煤为主要可采煤层,煤为局部可采煤层。各煤层瓦斯赋存状况如表 所示。表 各煤层瓦斯赋存情况煤层平均厚度 与上邻近层平均间距 最大瓦斯压力 瓦斯含量()备注 不可采 全部可采 不可采 全部可采 全部可采 局部可采 瓦斯治理难题及应对技术该采区可采煤层全部为突出煤层,其中 煤最大瓦斯压力为 ,煤最大瓦斯压力为 ,煤最大瓦斯压力为 。首采 煤易受 和 煤影响,煤层瓦斯消突工作复杂。首采
6、煤,离 煤较近,容易破坏上覆煤层,且 煤瓦斯压力大于 煤。因此,选择 煤作为首采保护层,采用底板巷穿层钻孔区域预抽瓦斯消突技术。然而,煤瓦斯压力大,直接打钻喷孔风险大,而且 煤底板巷向 煤施工的卸压瓦斯抽采钻孔也存在喷孔风险。第 卷第 期朱彭辉,等:低透气性近距离强突出煤层群瓦斯治理模式研究针对上述问题,为避免 煤打钻喷孔,煤底板下向卸压瓦斯抽采钻孔可先施工到 煤顶板,拦截卸压瓦斯,待 煤回采,煤卸压后再穿煤抽采瓦斯。针对 煤打钻喷孔风险,现有的防喷装置无法确保施工绝对安全,可以采用分段压裂水平井降低 煤瓦斯含量。针对近距离 煤卸压瓦斯治理难题,可以采用 煤定向长钻孔拦截卸压瓦斯,减少巷道和穿
7、层钻孔施工,大大节约工程量。分段压裂水平井煤层改性效果 水平井介绍图 分段压裂水平井结构示意图分段压裂水平井结构如图 所示。分段压裂即沿水平井段,根据煤层物性特征、钻遇地层构造情况以及完井状况等条件,选择可钻式机械桥塞或其它材料进行封隔,在水平井筒内一次压裂一个井段,逐级压开多条人工裂缝,从而提高煤层导流能力和卸压面积。该技术可以有效地改进煤层的透气性,降低瓦斯压力。瓦斯预抽效果分析分段压裂水平井预抽的 煤层将于 年底回采,依据 数值模拟结果 ,水平井组排采 后,剩余的瓦斯含量平均为 ,消突半径约为 ,煤瓦斯含量分布如图 所示。图 水平井组排采 后 煤瓦斯含量分布图 根据模拟结果,随着时间增长
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