地面鉆井瓦斯抽采效果分析

秦金輝

（山西焦煤霍州煤電 李雅莊煤礦，霍州 山西 031400）

對于低透氣性煤層，施工地面鉆井，不僅可以抽采采空區瓦斯，也可以鄰近煤層瓦斯，是解決回采工作面瓦斯超限的有效手段[1-3]。地面鉆井作為治瓦斯的主要技術之一，在世界范圍內得到廣泛應用，我國淮南、淮北、晉城、平頂山、唐山、潞安等礦區已進行地面鉆井抽采采動影響區瓦斯，并取得豐碩的成果[4-6]。

2016年，霍州煤電集團李雅莊煤礦在2-612工作面進行了地面鉆井抽采采空區瓦斯試驗，主要存在鉆井穩定差、固井成功率低、抽氣量少。為了對比分析高位鉆場和地面鉆井瓦斯抽采效果，以及不同鉆井布置層位對抽采效果的影響，在2-605布置了高位鉆場及不同層位的地面鉆井。

1 2 -605 工作面地質條件

李雅莊煤礦位于山西省南部臨汾盆地的北緣，系霍州礦區北端的一個井田，處在靈石隆起之什林撓褶斷裂帶北盤和霍山斷裂帶之西。2-605工作面原始瓦斯壓力0.697 MPa，噸煤原始瓦斯含量6.314m3/t，可解吸瓦斯量為5.08m3/t，不可解吸量為1.234m3/t，煤層透氣性系數為0.4625 m2/MPa2·d，鉆孔流量衰減系數為0.043 d-1，屬于可以抽采煤層。經過預抽，在回采前工作面煤層瓦斯含量5.564m3/t，可解吸瓦斯量為4.33m3/t，不可解吸量為1.234m3/t，瓦斯壓力0.475 MPa。

2 抽采設計

2-605工作面回風巷1217 m，運輸巷1184 m，切巷215 m。為對地面鉆井抽采效果進行針對性的對比分析，在605工作面回風側靠近切巷處依次設計了4個高位鉆場和9口不同布置位置的地面鉆井。

2.1 高位鉆場布置

高位鉆場在回風巷非回采側開口，沿30°上山施工，掘進15 m后向切巷方向拐彎掘進3 m，再沿30°上山向回采側掘進30 m。在迎頭和12 m處施工兩個鉆場，在鉆場內向切巷方向施工鉆孔，形成高、低位裂隙抽采孔，鉆孔長度150 m，鉆場間距120 m，鉆孔壓茬30 m。

2.2 地面鉆井布置

為了精確定位地面鉆井布置層位，利用UDEC模擬軟件對采空區覆巖垂直應力、位移進行模擬。根據模擬結果，工作面后方120 m后采動壓力開始逐漸恢復，160 m后壓力逐漸趨于穩定，在采空區兩側存在寬度35～46 m的卸壓區。根據模擬結果，結合在2-612地面鉆井試驗結果，地面鉆井應布置在距回風巷45 m處，鉆井間距設計位110 m。

3 井身結構及固井方法

鉆井整體結構為三次鉆井設計，一開鉆井終孔位置鉆過風化帶巖層至基巖以下10 m位置，二開鉆井終孔位置為距煤層頂板40 m，三開為通井，二開水泥候凝后三開掃孔至孔底，確保井筒內暢通。井身結構見圖1。

一開采用Φ480mm牙輪鉆頭，鉆穿基巖風化帶10 m后，預計井深40 m（以實鉆地層為準），下Φ377.7mm×10mm無縫鋼管，封固地表疏松層，水泥返高至地面。

二開采用Φ311.1mm鉆頭鉆進至2#煤層頂板40 m處終孔，下Φ244.5mm×8.94mm套管，水泥返高至終孔以上200 m。

三開采用Φ215.9mm鉆頭掃孔，鉆進至2#煤層下5 m結束。

4 瓦斯抽采量和抽采率分析

4.1 高位鉆場抽采

前期在605工作面布置了4個高位鉆場，其中2#、3#高位鉆場服務期間工作面配采，推進度較慢，處于非正常回采，4#高位鉆場服務后期1#地面鉆井開始工作，抽采效果受影響較大。2#地面鉆井在工作面推過62.8 m后破壞，3#鉆井還在抽采，為了和地面鉆井進行針對性的對比分析，僅對1#高位鉆場和1#地面鉆井抽采效果進行對比分析。

1#高位鉆場抽采期間，平均抽采濃度40.63%，平均抽采純量3.66m3/min，工作面平均抽采率59.74%，回風流瓦斯濃度濃度保持在0.43%上下波動，回風隅角日最高瓦斯濃度為0.8%。35天共計抽采瓦斯18.45萬m3。

4.2 地面鉆井

1#地面鉆井布置在距回風巷46 m處，工作面推過地面鉆井20.8～68 m之間，純流量較大，平均為13.77m3/min。工作面推過地面鉆井68 m后，抽采純量明顯下降，平均為5.97m3/min。在抽采期間，平均抽采濃度為15.94%，平均抽采純量8.74m3/min，工作面平均抽采率64.63%，回風流瓦斯濃度濃度保持在0.42%上下波動，回風隅角日最高瓦斯濃度為0.78%。5月20日投入使用，6月24日停抽，期間停泵三天，33天共計抽采瓦斯41.53萬m3。

2#地面鉆井布置在距回風巷28 m處，由于距回風巷較近，抽采效果較差。6月25日投入使用，6月26日抽采純量達到最大，僅為8.39m3/min，之后呈現逐漸下降趨勢，7月11日工作面推過地面鉆井62.8 m，抽采純量降低至0.76m3/min，7月12日關井停抽。之后進行了窺探，井壁套管出現多處變形，在587 m處變形嚴重，井壁閉合。

3#地面鉆井布置在距回風巷22 m處，由于距回風巷較近，抽采效果較差。7月21日投入使用，在8月18日調壓之前抽采純量較低，平均僅為5.84m3/min。8月18抽采負壓由24 kPa調高至38 kPa，抽采純量升高至平均11.17m3/min。

5 抽采效果比較分析

5.1 地面鉆井和高位鉆場抽采比較分析

由于2#地面鉆井變形嚴重，抽采效果沒有可比性，因此不進行比較。在605工作面回采期間地面鉆井和高位鉆場抽采效果比較如表1、圖2所示，各數值均為平均值。

從表1、圖2可以看出，高位鉆場抽采濃度高于地面鉆井，而在瓦斯抽采純量、抽采總量方面明顯不如地面鉆井。主要是由于高位鉆場鉆孔布置在裂隙帶內的上部，抽采裂隙帶內及附近集聚的瓦斯，所以存在抽采濃度高，而抽采量低的現象。地面采動井終孔施工至煤層底板下5 m，在抽采裂隙帶瓦斯的同時，大量抽采冒落帶瓦斯，所以呈現抽采量大，而抽采濃度低的現象。另外，地面鉆井抽采期間回風流及回風隅角瓦斯濃度均低于高位鉆場，抽采率高于高位鉆場，說明地面鉆井投入使用后，工作面瓦斯治理效果好于高位鉆場。

表1 地面鉆井和高位鉆場抽采效果比較

圖2 1#高位鉆場和1#地面鉆井抽采濃度抽采純量的變化曲線

圖3 地面鉆井抽采濃度和純量變化曲線

5.2 地面鉆井抽采比較

到目前為止，李雅莊礦605工作面已施工完成5口地面抽采鉆井，部分鉆井抽采數據如表2和圖3所示。

從表2和圖3可以看出，1#地面鉆井在回采面推過65.6 m左右開始破壞，抽采純量由平均12.50m3/min降為6.04m3/min；2#、3#鉆井在工作面推過后抽采純量一直較低，2#鉆井抽采純量由平均為6.36m3/min，推過62.8 m后降至0.67m3/min，3#鉆井抽采純量平均為5.84m3/min，在工作面推過89.4 m調高抽采負壓后，抽采濃度出現顯著升高，平均達到11.17m3/min。說明地面鉆井破壞后，調高抽采負壓能顯著提高抽采效果。抽采效果表明，隨著地面鉆井布置位置靠近回風巷，鉆井井身的穩定性和抽采效果呈現減弱趨勢，地面鉆井布置不宜靠近回風巷。

表2 地面鉆井抽采情況

6 結語

1）地面鉆井抽采效果明顯好于高位鉆場，抽采純量比高位鉆場提高139%，抽采總量提高124%（地面鉆井33 d抽采量，高位鉆場35 d抽采量），回風流瓦斯濃度由于0.43%降低至0.42%。

2）利用UDEC模擬軟件對采空區覆巖垂直應力、位移進行模擬，并結合2-612工作面地面鉆井試驗結果，獲得地面鉆井布置位置依據，即地面鉆井布置在距回風巷45 d處，布井間距為110 d。

3）1#地面鉆井布置在距回風巷48 d處，抽采濃度、純量相對于2#地面鉆井分別提高了165%和46%；相對于3#地面鉆井抽采濃度、純量分別提高了79%和29%。 1#地面鉆井抽采效果明顯優于2#和3#。

4）李雅莊礦605工作面應用表明，地面鉆井布置位置過度靠近回風巷，工作面推過后即遭到破壞，抽采效果較差。地面鉆井距回風巷48 m時，在工作面推過65 m左右遭到破壞。所以，地面鉆井隨著布置位置靠近回風巷，井身的穩定性和抽采效果呈現減弱趨勢。

〔1〕袁 亮.卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術體系[J].煤炭學報，2009，34（1）：5－12.

〔2〕袁 亮，郭 華，李 平，等.大直徑地面鉆井采空區采動區瓦斯抽采理論與技術[J].煤炭學報，2015，38（1）：1-8.

〔3〕張臻豪，劉 濤.深厚表土層高地應力礦井地面鉆井抽采瓦斯技術[C].第三屆全國煤礦機械安全裝備技術發展高層論壇暨新產品技術交流會論文集，2012，292-296.

〔4〕張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

〔5〕梁運培.淮南礦區地面鉆井抽采瓦斯技術實踐[J].采礦與安全工程學報，2007，24（4）：409-413.

〔6〕喬 鑫.余吾煤業地面鉆井抽采采空區瓦斯的技術實踐[J].煤炭技術，2015，34（10）：158-160.