采空區瓦斯地面抽采鉆井工藝研究及應用

喬煒 牛國斌 姬曉燕

摘要： 煤礦采空區瓦斯通常采用井下埋管、頂板巷、高位鉆孔等措施抽采，但采空區瓦斯分布規律具有“O”形圈特征，瓦斯主要分布在上“三帶”中的裂隙帶層位。傳統的井下抽采措施受井下施工條件限制，存在鉆孔在裂隙帶有效長度短及鉆孔封閉性差等制約。地面抽采鉆孔由于終孔層位準確、波及面積大，能夠有效規避以上問題。大量實踐證明，空氣鉆井工藝能夠克服以往泥漿鉆井中漏孔、裂隙帶堵塞等難題，是一種較優的采空區瓦斯地面抽采方法。

關鍵詞：采空區；瓦斯；地面抽采；空氣鉆井

隨著礦井工作面回采工作的推進，周期來壓后，采空區上“三帶”逐漸形成，采空區殘留煤瓦斯及圍巖和鄰近層瓦斯大量釋放涌向工作面，其涌出量占全礦井的20%～45%，造成工作面上隅角瓦斯超限，給煤礦安全生產帶來極大的威脅。因此，如何高效的抽采采空區瓦斯是煤礦瓦斯治理的一個重要任務。選擇合理的地面鉆井工藝可保證成孔率和瓦斯運移通道的暢通，而空氣鉆井工藝能夠克服漏孔、裂隙帶堵塞及抽采濃度低等難題。

1 采空區瓦斯賦存特征分析

采空區上覆“三帶”及“O”形圈特征共同決定了瓦斯運移和分布規律[1]。當工作面回采時，進入工作面的風流一部分經工作面后從回風巷排出，另一部分進入后方采空區，并攜帶采空區內瓦斯返出涌向工作面，最終被回風帶走。其遠離作業面的深部地段，瓦斯主要聚集在有裂隙及各種形式的空間內，處于較穩定狀態，運移緩慢。

因采空區中間部分被壓實，瓦斯集中賦存在頂部裂隙帶和兩側未壓實區域（如圖1）。從瓦斯成分角度來看，冒落帶內主要為空氣與甲烷的混合氣體；裂隙帶濃度可達到90%以上。

a.垂向上 b.平面上

圖1 采空區瓦斯賦存及運移示意圖

在采空區平面上，瓦斯主要分布在壓實區周圍的“O”形圈通道內（圖1b）。因工作面與采空區連通，在漏風作用下，采空區瓦斯大量涌向回風巷一側，形成從進風巷到回風巷逐漸增高的趨勢。后方壓實區因空隙大量被壓縮，瓦斯不斷運移到壓實區四周的離層區，在平面上形成了“O”形圈的特征。

根據采空區瓦斯賦存及運移特征，采空區瓦斯抽采鉆孔布置遵循如下原則：①在平面處于壓實區周圍的“O”形圈通道內；②垂向上終孔于裂隙中下部較為合理。

2 采空區瓦斯地面抽采鉆井工藝

2.1 傳統鉆井工藝及存在的主要問題

目前大部分地面鉆井工程采用泥漿循環鉆進工藝，具有一定粘度的泥漿能夠起到保護孔壁，防止坍塌的作用。這種鉆井工藝適合于完整的地層，若出現鉆遇破碎地層，則極易出現嚴重的泥漿漏失，無法正常循環返渣，造成井內事故。對于煤礦采空區而言，上覆地層發生強烈的剪切破壞，存在大量裂縫。泥漿鉆進時，泵入孔內的循環泥漿“有去無來”，輕則造成卡鉆，重則造成塌孔埋鉆等重大井內事故。對于常規地層出現裂隙漏液時，通常采用堵漏措施，即增加泥漿稠度或者向孔內投入一些粒徑較大物體封堵裂隙。但對于采空區瓦斯抽采鉆孔而言，堵漏往往會使孔內大量裂隙發生封堵，成孔后抽采時，瓦斯運移的通道幾乎被堵死，大大減少了瓦斯的抽采量，嚴重影響了抽采效果。

2.2 空氣鉆井工藝研究

2.2.1 空氣鉆井工藝特點

空氣鉆井工藝技術是以壓縮空氣作為循環介質的一種欠平衡鉆井技術。具有以下優點：①鉆進效率高。②井底清渣干凈，鉆頭使用壽命長。③使用空氣錘鉆頭，防斜效果好。④不利地層對鉆進影響小。⑤孔壁裂隙侵入破壞小，有利于后期抽采。

2.2.2 關鍵參數

對于空氣鉆井工藝來說，關鍵是空壓機風量和壓力的合理選擇。同時，鉆機要求轉速較低，一般要求500轉/min以下。井身結構的合理設計也很關鍵。對于500米以淺的采空區破碎地層中的瓦斯抽采鉆孔施工，選擇表1中的鉆井參數較合理。但隨著井深的增加，需要的最小風量也增加，并呈一定的線性增長關系。

表1 采空區瓦斯地面抽采鉆孔空氣鉆進參數

孔深

（m） 孔徑

（mm） 風量

（m3/min） 風壓

（MPa） 轉速

（r/min）

50 311 28 1.2 35

250 216 56 1.2-2.4 40

500 152 80 2.4-2.8 40

2.2.3 鉆孔井身結構

采空區復雜地層下的鉆井必須要考慮到因塌孔造成的無法繼續鉆進，此時要進行下管固井作業，然后進行變徑鉆進。鉆井設計為多徑結構，預留變徑的空間。通用井身結構為：一開穿過松散層為止，采用￠311mm孔徑；二開鉆進至彎曲下沉帶頂界為止，采用￠216mm孔徑；三開鉆至終孔，采用￠152mm孔徑。一開及二開結束后均要進行下管固井作業，三開結束后可采用兩種完井方式：①若采空區形成時間已久，地層受力較穩定，宜采用裸眼完井方式，其抽采效果更佳。②若成孔時采空區還未形成或者剛剛形成不久，地層還未完全穩定，要對三開段下入瓦斯抽采花管，防止地層剪切嚴重破壞井眼。

2.2.4 高效抽采因素分析

（1）鉆井工藝：采空區瓦斯地面抽采通常是通過鉆孔導通了采空區裂隙帶，在泵站負壓作用下其內賦存的大量瓦斯通過錯綜復雜的裂隙運移出井口，如果這些裂隙通道被堵塞，瓦斯就無法抽出。空氣鉆井工藝因采用的循環介質為空氣，無法徹底堵塞孔內裂隙，保留了后期抽采時瓦斯的運移通道。相比之下，泥漿鉆井工藝中，泥漿大量滲漏到裂隙中，使瓦斯運移的通道大部分被堵塞。

（2）終孔層位：由1.2節可知，采空區瓦斯主要分布于裂隙帶內，這就要求抽采鉆孔必須終孔于裂隙帶中部，抽采時不但流量較大，而且瓦斯濃度很高，通常情況下可達到50%～70%以上。若終孔于冒落帶，雖然抽采流量十分大，但其瓦斯濃度通常小于25%。若終孔于上部彎曲下沉帶，幾乎沒有流量。

3 應用效果分析

依據“O”形圈理論及結合空氣鉆井工藝的優點，寧夏煤田地質局已在山西、甘肅等地成功實施多口鉆井。其中山西離石地區沙曲煤礦24202采空區處于密閉狀態，瓦斯儲集量大。在采空區停采線附近采用空氣鉆井成功實施一口地面直井（圖2左）。根據施工結果，裂隙帶高度約為78米，冒落帶高度約為20米，實際終孔層位距4#煤層頂板約為28米。抽采結果表明[2]，日均抽采瓦斯純量為8000m3，瓦斯濃度達80% 。

圖2 采空區瓦斯地面抽采工程布置圖

甘肅平川區魏家地煤礦東102工作面采空區遺煤多，造成工作面瓦斯涌出量大。此外，1#煤層開采過程中，3#煤層受采動影響產生卸壓作用，卸壓瓦斯通過裂隙涌入回采工作面及其采空區，增大了回風瓦斯濃度，特別是上隅角的瓦斯濃度。在東102及東103工作面靠近工作面回風巷約15-20米處，井間距為200米，終孔于開采煤層頂板以下5米的原則布置了6口地面直井（圖2右），用以提前卸壓抽采煤層瓦斯和解決上隅角瓦斯超限。在地面泵站抽采負壓10-20kpa下，單井日均產氣量在10000 m3以上，瓦斯濃度在50%-70%。抽采效果明顯[3]，使井下回風瓦斯濃度降低了0.1%，取代了該工作面井下的頂板巷和上隅角埋管抽采。

4 結論

（1）采空區瓦斯賦存在水平方向上具有“O”形圈特征，垂向上主要集中在裂隙帶。

（2）采用空氣鉆井工藝能夠保留孔內大量裂隙通道，可有效提高瓦斯抽采效果。

（3）地面抽采鉆孔布置時，在平面上要避開壓實區，距離回風巷15-30米為最佳；垂向上終孔于裂隙帶中下部，不得鉆穿裂隙帶。

參考文獻：

[1] 許家林，孟廣石.應用上覆巖石采動裂隙“O”形圈特征抽放采空區瓦斯[J].煤礦安全，1995， 7：3-4.

[2] 張鐵軍（寧夏煤田地質局）.沙曲煤礦瓦斯綜合治理項目24202采空區CK01瓦斯抽放直井完井報告[R].銀川：寧夏煤田地質局，2011，20-23.

[3] 劉應科（中國礦業大學）.魏家地煤礦東102工作面地面鉆井抽采采動卸壓瓦斯技術研究報告[R].徐州：中國礦業大學，2011，35-40.