井上下聯合抽采瓦斯技術的研究及應用

肖麗輝 李彥明 徐樹斌

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區，400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市九龍坡區，400039)

煤礦瓦斯抽采技術主要有井下鉆孔抽采技術和地面鉆井抽采技術兩種。煤層鉆孔抽采瓦斯工藝作為防治煤礦瓦斯災害事故的根本性措施之一，已被廣泛應用，施工煤層瓦斯抽采鉆孔具有速度快、費用低等優點，但缺點也較明顯，如抽采時間短、抽采效率低、抽采掘接替緊張等問題。地面鉆井抽采技術受井下生產影響小、安全性高，但其會因工作面的回采導致鉆孔發生切孔、堵孔，瓦斯抽采效果不理想，同時其適用范圍受限制，一般適用于地形平坦、滲透性較好的厚煤層或煤層群。

山西晉煤集團是我國優質無煙煤重要的生產基地，全國最大的煤化工企業集團和全國最大的煤層氣抽采利用基地，目前大部分主力生產礦井均為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災害問題越來越嚴重。晉煤集團寺河煤礦屬于單一厚煤層開采，煤層埋藏較深，地應力和瓦斯含量較大，由于礦井抽采掘接替緊張，施工井下瓦斯抽采鉆孔已不能很好地抽采煤層的大量瓦斯。因此，急需采用更有效的措施提前釋放煤層瓦斯，實現安全生產。

考慮實際情況，煤礦決定采用井上下聯合抽采技術，利用地面預抽井安設壓裂油管連接井下鉆孔進行定向擴孔壓裂，增加煤層的滲透性，從而進行瓦斯抽出，進而加快煤(巖)巷的掘進速度。

1 井上下聯合抽采瓦斯技術原理

井上下聯合抽采瓦斯技術是在結合井下鉆孔與地面鉆井瓦斯抽采優勢的基礎上，進行了工藝再創新。首先在煤礦井下施工大直徑定向鉆孔，再通過地面壓裂鉆孔將壓裂油管深入到大直徑定向鉆孔的煤層段內，在壓裂油管中泵入壓裂液進行壓裂，井上下聯合抽采示意圖如圖1所示。通過這種地面井定向擴容的壓裂方式增加煤層的滲透性，增強瓦斯的解吸能力，最終通過定向鉆孔和地面井相結合的方式進行瓦斯抽采。這種新的瓦斯抽采模式，在空間上體現了井上下結合，在時間上體現了井下先抽、地面井后抽的特點。

圖1 井上下聯合抽采示意圖

要實現井上下聯合抽采的良好抽采效果，井下定向鉆孔的布置層位以及地面鉆井與定向鉆孔的連接位置的選擇都很重要。根據“三帶”理論可知，在采空區豎直方向，從下往上依次為冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。在采空區四周覆巖的下部存在裂隙發育區，稱為“O”形圈。隨著煤層工作面的開采，“O”形圈也以相同的速度向前發生移動，在采空區四周始終存在著“O”形圈裂隙區域，該區域為瓦斯聚集的主要場所。

根據以上分析可知，可選擇裂隙帶作為地面鉆井與井下定向鉆孔的連接區域，但同時考慮到地面鉆井的穩定性和密封性，將連接段選擇在裂隙帶不是最優方案。綜合考慮，既能滿足抽采時所需的相互連通的裂隙通道，又能保證井筒的相對穩定性和密閉性，將地面鉆井與井下定向鉆孔的連接位置設計在裂隙帶與彎曲下沉帶界面附近的過渡區域。

2 工業性試驗

本次試驗地點為山西晉煤集團寺河礦，由于寺河礦西區大巷井下瓦斯涌出量較大，給掘進工作帶來困難。單靠井下鉆孔抽采瓦斯已經不能滿足安全生產需求。為此，在該礦區進行了井上下聯合抽采瓦斯試驗。

2.1 煤層情況

試驗地點煤層為3#煤層，煤層厚度5.64 m，埋深335 m，平均滲透率2.96 md，儲層壓力約2 MPa。在煤層下方約10.5 m進行巖巷掘進時，巷道發生較大的瓦斯涌出，嚴重影響巷道掘進工作，以致影響采煤接替。

2.2 鉆孔施工過程

為確保后期套管順利下入和水泥封孔質量，巖石孔段定向鉆孔必須做到保直、保徑。巖孔鉆進采用“先導孔+擴孔”的方式成孔。

定向鉆孔采用?96 mm鉆頭+彎螺桿馬達+隨鉆軌跡測量系統的組合鉆具施工。施工時先采用彎螺桿馬達驅動鉆頭鉆進80 m，再采用復合鉆進的方式劃孔80 m。在采用彎螺桿馬達鉆進時，每1.5 m測量一次鉆孔軌跡，以便隨時修正鉆孔軌跡，保證鉆孔軌跡沿設計軌跡延伸。

導向孔施工完成后用?96 mm+?153 mm組合鉆頭+?150 mm螺旋扶正器擴孔，完成擴孔后劃孔1次。在第一次擴孔的基礎上采用?193 mm鉆頭+?190 mm螺旋扶正器進行二次擴孔，完成擴孔后劃孔2次以保證孔璧質量。兩次擴孔的鉆具組合如圖2 所示。

圖2 擴孔鉆具組合圖

煤礦井下施工的?96 mm先導孔及一次擴孔至?153 mm的定向鉆孔要先在穩定巖層內延伸，當巖孔鉆至設計孔深時退出鉆具，用?193 mm鉆頭擴孔10 m，下入10 m的?153 mm鋼套管封孔，并選用水泥進行封孔。待水泥凝固后用?96 mm鉆頭鉆進煤層水平孔，鉆孔在煤層中延伸。當鉆孔在煤層中延伸至目標層位后退鉆，下入60 m長的?89 mm油管，并進行封孔。封孔后連接好孔口裝置，進行壓裂和接抽。定向鉆孔施工過程示意圖如圖3所示。

圖3 定向鉆孔施工過程示意圖

2.3 壓裂設計

本次試驗施工?118 mm地面鉆井，井深為370 m，壓裂試驗的對比研究分為兩個階段。第一階段施工1個穿層壓裂孔和2個參照孔，穿層壓裂孔煤層段長度為100 m，采用油管壓力方式。第二階段施工1個穿層壓裂孔和2個順層定向考察孔，2個順層定向考察孔分別位于穿層壓裂孔左側40 m和110 m處，穿層壓裂孔的煤層段為150 m，2個順層定向考察孔的煤層段為240 m，并在未壓裂、未抽采過的區域實施參照孔1個，參照孔煤層段長度為470 m。

2.4 瓦斯抽采對比分析

第一階段壓裂的穿層壓裂孔巖層段長度為150 m，煤層段長度為100 m，施加的最大壓裂油壓為20.68 MPa，達到壓裂產生大裂隙的要求。壓裂完成后對穿層壓裂孔進行瓦斯抽采，抽采時間為390 d，最高抽采量8.82 m3/min，平均抽采量為5.38 m3/min，平均抽采濃度為72.07%，累積抽采瓦斯純量為218.66萬m3，折算每米每天抽采瓦斯為56.07 m3/(d·m)。第一階段壓裂瓦斯抽采效果如圖4所示。在壓裂位置同一巷道施工對比孔2個，對比孔的抽采量平均為1 m3/(min·dm)，而壓裂孔的瓦斯抽采量平均達到3.9 m3/(min·dm)，對比后可知，采用井上下聯合抽采的方式使瓦斯抽出量增加了近3倍，達到了較好的壓裂增透效果。

圖4 第一階段壓裂瓦斯抽采效果

第二階段壓裂施加最大壓裂油壓為22.26 MPa，并在壓裂液中添加了石英砂支撐劑。壓裂增透試驗后對3個孔的瓦斯進行抽采，抽采時間為179 d，抽采期間平均瓦斯抽采量為17.01 m3/min，平均瓦斯抽采濃度為71.13%，積累抽采瓦斯純量達438.96萬m3，折算每米每天抽采瓦斯62.88 m3/(d·m)。第二階段壓裂瓦斯抽采效果如圖5所示。

圖5 第二階段壓裂瓦斯抽采效果

參照孔抽采時間為130 d，抽采期間最高抽采瓦斯純量為3.61 m3/min，平均抽采瓦斯純量為1.11 m3/min，最高抽采瓦斯濃度為79.9%，平均抽采濃度為49.3%，累積抽采瓦斯量為16.31萬m3，折算每米每天抽采瓦斯2.67m3/(d·m)。與壓裂后每米每天抽采瓦斯62.88m3/(d·m)相比，壓裂后瓦斯抽采量提高了22.6倍。由此可以看出，壓裂后煤層瓦斯的增透效果非常顯著。

3 結論

(1)由第一階段的壓裂效果可以看出，壓裂后最高抽采量為8.82 m3/min，平均抽采量為5.38 m3/min，折算每米每天的瓦斯抽采量為56.07 m3/(d·m)，壓裂后每米每天瓦斯抽采量是參照孔的4倍。

(2)由第二階段的壓裂效果可以看出，抽采期間的平均瓦斯抽采量為17.01 m3/min，折算每米每天抽采瓦斯62.88 m3/(d·m)。每米每天瓦斯抽采量是參照孔的23.55倍，效果非常顯著。

(3)通過在寺河礦的應用可以看出，井上下聯合抽采瓦斯技術是解決瓦斯突出的一種新途徑，在滲透性較低的煤層及抽采掘接替很緊張的礦井可以得到很好的應用，有效地解放了生產力，提高了礦井的瓦斯抽采率。

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