地面垂直鉆井瓦斯抽采技術在焦坪礦區的應用研究

楊寶鋒

摘要：本文簡要闡述了地面垂直井組瓦斯抽采的布置原則、施工及抽采工藝流程；分析了地面井組預抽瓦斯的抽采效率，提出了影響地面瓦斯抽采井組抽采效果的因素。

關鍵詞：瓦斯抽采；地面垂直井；超前預抽

引言

銅川焦坪礦區礦區自然條件極其復雜，煤油氣共生，水、火、瓦斯、頂板災害俱全，特別是圍巖富含瓦斯和油氣，頂、底板巖性極差，屬于國內少見的瓦斯、油氣與自然發火并存、災害嚴重礦區。隨著焦坪礦區瓦斯災害的嚴重程度加劇以及礦井采掘機械化程度和單進水平的提高，需要超前采取措施，在工作面掘進準備前，對未采區進行超前預抽。但是，受井下巷道條件限制，無法為未采動區瓦斯超前預抽提供充足的時間和空間條件，從井下進行區域性瓦斯超前治理制約因素多，實施難度較大，為此試驗應用地面鉆井進行區域預抽未采區瓦斯，超前進行區域性瓦斯治理。

1. 地面抽采井的布置原則

科學、合理、經濟、有效的井網布置地面垂直瓦斯預抽井組布置一方面要以礦井安全高效生產為前提，實現有效治理瓦斯災害的目的；另一方面要考慮礦井的生產接續和抽采井的服務年限，兼顧經濟效益。因此需要選擇煤層較厚、煤層賦存較穩定，煤層瓦斯含量大，構造相對簡單，遠離斷層的位置布孔。同時，還要考慮地形、用水、用電等施工條件，最大限度的提高瓦斯抽采量和經濟效益。

銅川礦業公司下石節煤礦2303條帶包含可采煤層兩層，主采煤層為黃隴侏羅紀煤田延安組4-2#煤層，平均厚度10m；3#煤為可采煤層，煤層厚度為3.55-6.29m。根據煤層瓦斯賦存規律和鄰近工作面瓦斯涌出情況，預測該條帶煤層瓦斯含量為7.2m?/t，瓦斯壓力為0.65MPa。2009年以獲取煤層氣地質及生產相關參數為目的，在2303區段施工了煤層氣參數-生產試驗JPC-01井，在連續100天的求產期平均日產氣量超過1100m3，創造了我國西北侏羅紀厚煤低透氣性、高瓦斯煤層氣井的新記錄。后期以有效抽采半徑250米、鉆井深度穿過4-2#煤層底板60米為原則，繼續在2303區段范圍內部署“1+3”4口地面瓦斯抽采井組。

2.地面垂直鉆井施工工藝

地面垂直鉆井采用空潛孔錘鉆進技術施工，工藝包括鉆井、地質錄井、測井、試井、固井、射孔、壓裂等作業工序，完成瓦斯抽采井井身施工工程，然后采用抽油機排水采氣，進行煤層瓦斯預抽。

地面垂直井采用二開井身結構，一開采用Φ311.15mm牙輪鉆頭鉆至松散層下20m，下入Φ244.5mm表層套管，封固地表松散覆蓋層，建立井口，固井水泥漿返至地面；二開采用Φ215.9mm鉆頭，鉆至4-2號煤層底板以下60m完鉆，下入Φ139.7mm生產套管，封固煤系及上覆地層，固井水泥漿返至地面，4-2號煤層底板不少于50m口袋。

3. 地面垂直井抽采情況及抽采效果分析

3.1地面垂直井抽采情況

JPC-01瓦斯抽采試驗井最高日產氣量達1512.3 m3/d，產氣相對穩定階段產量持續穩定在1000 m3/d左右，累積產氣157萬m3；JPC-02井最高日產氣量達1594.8 m3/d，產氣相對穩定階段產量持續穩定在1200 m3/d左右，累積產氣183萬m3；JPC-03井最高日產氣量達1900.9 m3/d，累積產氣211萬m3；JPC-04井最高日產氣量達1698.2m3/d，累積產氣77萬m3，四口井累計抽采瓦斯量達到628萬m3。

3.1 地面垂直井的抽采半徑

JPC-04垂直井壓裂過程中分別采用微地震和大地電位兩種裂縫監測手段對煤體的兩次壓裂效果進行了監測。微地震監測顯示，第一次壓裂時裂縫方位為50.3°，裂縫總長度為202米，第二次壓裂時裂縫方位為49.5°，裂縫總長度為221m，兩次裂縫的影響高度均為15m左右。大地電位監測壓裂裂縫的主要分布方向為37.5°和195°方向，通過數值模擬計算，37.5°方向裂縫長度為148m，195°方向裂縫長度為89m，裂縫總長度為237米。監測結果表明，兩種監測方法測得的裂縫方位和裂縫長度基本接近，地面垂直井的瓦斯抽采半徑范圍可以達到100-120米。

3.3地面垂直井的瓦斯抽采率

根據礦區瓦斯賦存規律，煤層埋深在500-700m條件下，煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度存在如下關系：

W=0.019H-4.1252

據此，預測2303區段煤層瓦斯含量為5.37-7.24 m?/t。

根據下石節礦2303工作面掘進過程中瓦斯基礎參數實測情況，該區域煤層瓦斯含量為2.06-5.13 m?/t，較預測煤層瓦斯含量降低2.11-3.31 m?/t，較預測煤層瓦斯含量煤層瓦斯抽采率達到29%以上。

4抽采效率影響因素分析

4.1煤層裂隙發育程度

地面鉆井預抽瓦斯效果的好壞主要取決于抽采井洗井與壓裂環節施工質量的好壞，射孔和壓裂環節主要是人為對低透氣性煤層進行改造，改善煤層的滲流條件，使原始煤層產生人工裂隙，并用壓裂砂支撐裂隙，形成瓦斯溢出通道。射孔與壓裂環節施工質量好，則通過人為造成煤層裂隙充分發育，內部孔隙率高，形成良好的瓦斯流通通道，有利于瓦斯的抽采，提高瓦斯抽采效率。

4.2煤層瓦斯賦存狀況

地面鉆井區域預抽瓦斯穩定性的首要條件是煤層的瓦斯含量、壓力及煤層的透氣性，如果煤層瓦斯含量不高，透氣性差，地面鉆井區域預抽瓦斯的濃度和流量衰減過快，經濟性不合理。因此，地面鉆井區域預抽技術在高瓦斯煤層及煤層群區域預抽方面抽采效果更佳，經濟性更合理。

4.3抽采負壓

地面鉆孔抽采瓦斯的本質是利用地面與地下的壓力差把瓦斯抽采出地面的。因此，壓力差的大小將會影響到抽采流速的大小，從而影響抽采效率。如果抽采負壓過小，會導致流量過小，達不到理想抽采效率。當抽采負壓保持在合理穩定的范圍時，單個鉆孔達到一個穩定的抽采濃度和抽采流量，鉆孔進入正常抽采期，抽采效率最佳。

4.4鉆孔數量和間距

地面鉆孔具有一定的抽采能力，而一個單元內煤層瓦斯儲量有限，如果一個單元內布置的鉆孔數量過多，鉆孔間距過小，就會發生鉆孔之間彼此影響，導致抽采瓦斯濃度降低，降低抽采效率，造成經濟、工程上的極大浪費。

5.結語

（1）地面井組瓦斯預抽技術在焦坪礦區的成功應用，表明在地面地貌條件允許的情況下，實行地面井組瓦斯抽采是可行的，為焦坪礦區及其相同地質條件的礦區超前抽采防治瓦斯災害提供了一種行之有效的新技術。

（2）地面井組預抽瓦斯不僅能夠實現超前長時間預抽，也不需要專門的抽采巷道，較井下鉆孔抽采可以減少與井下生產的相互影響，為安全高效掘進提供了保障，可以有效緩解井下采掘接續任務緊張的狀況。

（3）在后續生產過程中，可以實驗實現地面垂直井組的一井多用，即可用于3#煤層和下鄰近層4-2煤層的瓦斯預抽，又可服務于回采過程及回采結束后的采空區瓦斯抽采利用，可實現預抽井-采動區井-采空區井，一井多次利用最大限度的抽采煤層的瓦斯，提高經濟性。

（4）地面鉆井抽采瓦斯能長期、連續、穩定地抽采煤層瓦斯，既能改善礦井安全生產條件，又可兼作煤層氣開發井，是一項煤與瓦斯共采的綠色開采技術，具有十分廣闊發展前景。

參考文獻：

[1]李國軍、胡立國.鐵法礦區井下瓦斯抽采與地面煤層氣開發[J].中國煤層氣.2008. 6（4）.3-7

[2]李明好、胡海軍、嚴濤等.地面垂直鉆孔抽放采空區瓦斯的嘗試[J].礦業安全與環保.2000. 27（4）.6-7

[3]周昀涵.地面鉆井抽采瓦斯技術的研究與發展[J].能源技術與管理.2011. 2.32-34