煤礦采動區地面煤層氣井抽采利用優化研究

劉龍斌

（山西省地質礦產研究院，太原 030001）

煤礦開采期間，底層容易發生劇烈活動，導致采動區上的覆巖層出現大量的裂隙、離層等情況，勢必會顯著提高煤巖層的透氣性，使得由卸壓煤層所釋放的瓦斯可以在煤巖層中富集與流動，這也被稱為煤層開采的“卸壓增透效應”[1]。

采動區地面井抽采瓦斯技術也是在此基礎上建立的，該技術一般是采區回采之前由地面向地下開采煤層垂直鉆出300～450 mm直徑的孔洞，鉆孔一般鉆至目標煤層的上方停止，在頂板垮落后，就可以使用鉆孔從具有大量裂隙的直接頂冒落帶抽取煤層氣。因為該技術施工位置是地面，施工條件較為簡單，并且對于煤炭回采不存在額外的影響，其能夠確保采前預抽、采動抽采以及采空區抽采工作的連續開展，從而能夠實現全過程抽采和控制煤層氣，我國的各大礦區對此都較為青睞。煤礦區煤層氣地面井抽采技術可以細分為地面井壓裂預抽、采動發展區地面井抽采以及采動穩定區地面井抽采技術三個類別。

近年來，我國對于煤層氣資源的開發重視程度越來越高，并且對于煤層氣的開發利用出臺了多項政策，有效促進煤層氣資源的勘探、開發與利用相關技術的發展。在此環境下，地面井壓裂預抽和采動發展區地面井抽采技術都獲得了令人矚目的成就，我國的諸多學者在煤與煤層氣協調開采、地面井排采機理以及產量預測、煤層氣流動特征、采動發展區地面井破壞機理與防護工藝、煤礦區地面鉆進與壓裂技術等方面都進行了大量的研究，并且取得了豐碩的研究成果[2]。當前已經建成了淮南煤層群開采條件煤層氣抽采示范工程基地以及晉城單一厚煤層開采條件示范工程基地。采動穩定區煤層氣地面井抽采技術的發展較其他而言相對較慢，該技術側重煤層氣資源的來源分析和儲量評估模型構建，但是相關理論缺乏較多的現場試驗[3]。

1 我國與發達國家就地面井抽采項目合作研究及國內試驗情況

1.1 我國與澳大利亞在地面井抽采項目研究方面獲得的進展

淮南礦業集團有限公司、中國煤炭科工集團重慶研究院以及澳大利亞聯邦科學工業研究院在“十五”期間就開始就地面鉆井抽采采動區域煤層氣相關技術進行研究，在經歷十數年理論和現場研究試驗后，在鉆井布置原則、布井間距以及鉆井結構設計等多個方面都取得了令人矚目的成果。其確定“地面鉆井布置在距回風側20～70 m內對于煤層氣的抽采較為有利，布置在靠近回風側30 m以內并且適當增加鉆孔直徑可以使得鉆井穩定性顯著提升”等科學結論，并且結合淮南礦區的煤層地質特征，分別設計出第一代、第二代以及第三代結構地面抽采井，使得采動區地面抽采井的有效運行時間明顯增加。當前，淮南礦業集團已經逐漸形成了一套能夠較適合“煤層群后表土層”地質條件的采動區煤層氣地面井設計、施工以及抽采成套技術，其在各個大型礦區中得到了較為廣泛的應用，使得各礦區的煤層氣抽采效率和井下生產的安全系數得到顯著提升，不僅促進了井下的安全生產，還能夠有效控制經濟成本。

1.2 地面井抽采在晉城的研究試驗

晉城礦區存在工作面煤層氣的治理難度較高、治理壓力較大的問題，在與中國煤炭科工集團重慶研究院合作完城“十一五”“十二五”國家科技重大專項采動區地面井技術研究和現場試驗后，采煤工作面、回風巷以及鄰近層煤層氣量較大、煤層氣中瓦斯濃度較高等問題都得到了有效解決，使得煤礦井下安全生產問題得到有效解決。當前，晉城礦區存在9口礦井抽采煤層氣，其中8口礦井的抽采效果較好[4]。通過對每口地面井實現專業的設計，對地面井覆巖的巖性進行系統分析，人們了解了地面井的變形規律，了解其主控因素的實效性，并得到采動區地面井變形破壞模型，提出晉城礦區地面井的破壞規律及布井原則，對采動影響區地面井設計進行優化，確定最為合適的井型結構，最終形成適合晉城煤礦區采動影響區地面井的開發模式。

2 采動區地面井抽采所存在的主要問題及所使用的關鍵技術

當前，我國各大礦區采動區地面井抽采技術試驗表明，部分采動區地面井在工作面推過后就很快會出現損毀的情況，煤層氣的產氣量快速下降，甚至不再出氣，因此出現地面井實際使用壽命較短、抽采總量較小的情況。而沒有被損毀的地面井都可以對工作面回采的卸壓影響進行充分利用，從而抽采大量的煤層氣，所以當前采動區地面井抽采技術發展的優化之處就是要如何避免地面井因為采動影響而損毀。

對此，中國煤炭科工集團重慶研究院深入研究分析了采動區地面井的破壞機理，確定地面井在采動影響下的變形破壞以鉆井套管的S形剪切破壞以及拉伸徑縮破壞為主，整體表現為綜合破壞。經過十數年的研究，采動區地面井抽采技術已經獲得了關鍵性的突破，主要體現在四個方面。

2.1 采動區地面井變形破壞理論和關鍵參數

通過構建煤礦采動區地面煤層氣抽采鉆井的拉、剪、擠以及綜合變形破壞模型，人們逐漸創建了采動區地面井“層面拉剪變形”的理論框架，通過鉆井套管、護井水泥環以及巖壁三域耦合作用模型，從而確定鉆井套管最大的剪應力和最大拉伸應力函數。結果發現，鉆井套管抗變形能力直接受到地面井套管的壁厚、井深半徑以及鋼級等參數的影響[5]。

2.2 采動區地面井身結構優化設計技術

結合極限分析理論，人們確定了判識地面井套管破壞石機的剪切安全系數和拉伸安全系數的概念，并且構建了地面井套管破壞高危位置P系數判識法，將其用于指導采動影響區地面井井身結構優化設計。

2.3 采動區地面減抗破壞防護結構及措施

地面井的損毀主要集中在部分關鍵位置，所以在堅持“以避為主、以抗為輔”的思想基礎上，要確定能夠顯著提高地面井抗破壞性的剪切、拉伸、厚壁剛性等一系列的防護結構，制定鉆固井的有效防護措施。

2.4 采動區地面井抽采成套技術體系

人們要考慮不同礦區煤層地質條件和煤礦采掘工藝特點，結合地面井身結構設計、井位布置優化、鉆井施工方案設計、地面井抽采系統設計以及鉆井工程防護技術等多種技術，探索和建立采動區地面井抽采成套技術體系。

3 煤礦采動區地面煤層氣井抽采設備優化應用及效果

3.1 煤礦采動區地面煤層氣井抽采設備優化應用

使用水環式真空泵進行煤層氣抽采，并在水環泵后端串聯噴油式螺桿增壓機組，實現對所抽采的煤層氣的集中運輸和利用。水環泵通過多個傳感器同時監測所抽采的煤層氣的濃度、壓力以及流量，并且在增壓機組的進氣口位置安裝甲烷和氧氣傳感器，如果甲烷濃度低于55%或氧氣濃度高于8%，則增壓機組自動進行連鎖停機操作。

針對部分采動區地面煤層氣井的甲烷濃度較低、氧氣含量較高的情況，可以為其安裝提純設備，實現氣源的提純處理，使得所抽采的煤層氣能夠得到有效的技術利用。提純設備主要利用變壓吸附原理來提高煤層氣中甲烷含量。變壓吸附系統主要由6臺吸附塔、1臺真空泵、1臺產品氣緩沖罐及相應的程控閥門共同組成。煤層氣中的甲烷被變壓吸附塔選擇性地吸附，得以富集，而容易被吸附的大量空氣則從煤層氣中被分離，并釋放到空氣中。在吸附劑吸附甲烷飽和后，通過抽真空的方式收集提純的甲烷，使得吸附劑釋放甲烷，重新開始工作。收集的甲烷氣體先在產品氣緩沖罐中緩沖，再以產品氣的形式直接輸送到煤層氣壓縮機，進行技術利用[6]。

3.2 煤礦采動區地面煤層氣井抽采設備的應用效果

在尚未增加提純設備之前，煤層氣抽采期間，甲烷含量不斷下降，氧氣濃度不斷上升。由于增壓機組設定的運行參數要求限制，所以抽采過程中停機時間明顯增加，在增加提純設備后，抽取的煤層氣得到合理處理和有效利用，優化了采動區地面煤層氣井抽采的煤層氣的集輸利用率。由此可見，煤礦采空區地面煤層氣井增加煤層氣的提純設備，能夠提升采動井地面抽采煤層氣的效率。

4 結論

煤礦采空區地面煤層氣井抽采屬于低透氣性煤層氣抽采形式，其本身具有效率高、成本低的特點，不會受到井下時間和空間的限制，更容易操作。同時，人們要不斷優化采動區地面煤層氣井的抽采利用方式。抽采期間，針對甲烷濃度下降、氧氣濃度上升的情況，煤礦企業要合理利用提純設備，根據實際情況選擇和安裝煤層氣提純設備，同時應用低濃度煤層氣短距離輸送技術，將多口井抽采的煤層氣集中起來進行提純處理，以提高處理效率，降低處理成本。