本煤層雙套管瓦斯抽采技術(shù)與研究

梁 凱

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)新景有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引 言

我國煤層瓦斯資源豐富，埋深2 000m以上的瓦斯（煤層氣）地質(zhì)資源量約36萬億m3，埋深1 000m以上、1 000m～1500m 和1 500m～2 000m 的瓦斯（煤層氣）地質(zhì)資源量，分別占全國瓦斯資源地質(zhì)總量的38.8%、28.8%和32.4%［1－2］。但由于我國70%以上礦區(qū)的煤層賦存在高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性等復(fù)雜地質(zhì)條件下，造成應(yīng)用地面鉆井抽采煤礦瓦斯技術(shù)既不經(jīng)濟(jì)也不可行［3］。同時(shí)，我國煤礦瓦斯開發(fā)率僅為10%左右，瓦斯抽采難度大、瓦斯抽采量不足是制約瓦斯利用發(fā)展的主要因素。對本煤層瓦斯實(shí)行預(yù)抽采是降低瓦斯突出，防止發(fā)生瓦斯事故的必要措施。而且，我國西南地區(qū)煤層松軟，透氣性差，極易發(fā)生塌孔、堵孔現(xiàn)象，造成瓦斯抽采率不高，限制了瓦斯的高效利用［4－5］。

本煤層雙套管瓦斯抽采技術(shù)不僅能很好地防止鉆孔塌孔堵塞，保持鉆孔內(nèi)通暢，給瓦斯運(yùn)移提供良好的流動通道，并且鉆孔封孔緊密，延長了鉆孔的有效抽采時(shí)間，提高了本煤層瓦斯抽采率。

1 本煤層鉆孔抽采技術(shù)現(xiàn)狀

松軟煤層透氣性差，且在采動過程中煤層應(yīng)力變化，巖石冒落砸壞瓦斯抽采孔，導(dǎo)致瓦斯鉆孔堵塞無法正常抽出，造成聚集瓦斯，給井下工作面安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。為此，學(xué)者們對防塌孔作了大量研究：蔣承林提出為了提高封孔效果，將鉆孔內(nèi)施加負(fù)壓，改善注漿凝聚效果；王國君提出在預(yù)抽瓦斯時(shí)在煤層內(nèi)預(yù)埋保護(hù)管道，將鉆孔包裹在保護(hù)管內(nèi)；李波提出新型封孔方法，并取得一定成效。

當(dāng)下封孔設(shè)備主要采用封孔器、水泥砂漿、化學(xué)有機(jī)材料封孔。但是各種封孔方式都有一定的局限性：封孔器無法到達(dá)較深鉆孔內(nèi)；水泥砂漿封堵時(shí)容易產(chǎn)生細(xì)碎裂縫，導(dǎo)致瓦斯漏出；而且，采掘深度與開采難度也在不斷增加，井下煤層所受地應(yīng)力也在不斷增大，給瓦斯抽采帶來很多技術(shù)障礙，因此，研發(fā)出雙套管抽采技術(shù)，既能保證瓦斯高效抽出，又能解決鉆孔被破壞后瓦斯抽采困難的問題，保障井下開采工作安全、穩(wěn)定、持續(xù)開展［6－8］。

2 本煤層雙套管高效瓦斯抽采技術(shù)

2.1 基本原理

雙套管瓦斯抽采設(shè)備主要利用兩條長短不一的圓形管嵌入到瓦斯抽采鉆孔內(nèi)，長度大的管徑較小，并且在管徑外壁上開有洞眼，洞眼的作用主要是防止鉆孔塌孔、堵孔時(shí)瓦斯無法流入抽采管路，即使發(fā)生塌鉆孔，瓦斯也能通過洞眼流入抽采管道。小管徑的1號套管長度與鉆孔深度保持一致，即到達(dá)鉆孔底部。1號套管套入2號套管，2號套管管徑較大，且布置位置不能處于鉆孔受力最大處，封孔操作在2號套管與鉆孔孔壁之間通過注漿管注入水泥砂漿，將套管2與鉆孔孔壁緊密結(jié)合在一起，防止密封不嚴(yán)實(shí)而使瓦斯漏出。避免了由于沒有依靠體使得灌漿后在鉆孔內(nèi)有小裂縫出現(xiàn)。抽采后的瓦斯通過兩套管之間的間隙和小套管上的洞眼流入套管2，并在套管2上連接瓦斯抽采管路，抽出瓦斯。雙套管結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 雙套管高效瓦斯抽采技術(shù)原理與實(shí)物圖

2.2 雙套管的合理長度確定

瓦斯抽采效果與雙套管長度密切相關(guān)，長套管是為了支撐鉆孔外壁，保障鉆孔內(nèi)保留足夠的抽采體積，因此，長套管長度與瓦斯抽采鉆孔深度保持一致。外徑大的短套管是為了穩(wěn)固套管1的抽采，使抽采更加穩(wěn)定，并且為水泥注漿提供了凝固載體，使得密封更加嚴(yán)密，保證無漏氣。

煤層井下瓦斯抽采鉆孔與巷道周圍煤體應(yīng)力密切相關(guān)。借鑒巖石力學(xué)知識，采動過后周圍煤體應(yīng)力重新分布形成三個(gè)區(qū)：卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。

巖石力學(xué)中對應(yīng)力集中區(qū)有相關(guān)數(shù)據(jù)劃分，當(dāng)豎向地應(yīng)力是原煤垂直應(yīng)力的1／20時(shí)，沿此位置，煤體受力面積是采掘巷道的4倍。受力最大處是應(yīng)力集中區(qū)，煤層瓦斯壓力最大，透氣性最低。由于此處應(yīng)力最大，所以也是瓦斯抽采鉆孔最容易發(fā)生破壞的地方，因此，套管2布置位置應(yīng)盡量避開此位置。根據(jù)查閱文獻(xiàn)可得，在遠(yuǎn)離孔口18m處是最容易發(fā)生坍塌的位置，最大20m。因此，強(qiáng)化抽采套管2長度必須超出20m，越過應(yīng)力集中區(qū)直到不受采動影響，破壞力度不大的原始應(yīng)力區(qū)。套管2取長度為30m。

2.3 雙套管封孔施工工藝

雙套管施工過程主要是將長短不一的套管放入鉆孔內(nèi)，并將瓦斯抽采管路連接在套管2上，實(shí)施步驟如圖2。

圖2 雙套管封孔施工工藝

3 現(xiàn)場應(yīng)用

1）試驗(yàn)工作面

試驗(yàn)煤層11－2號煤層是該礦主采煤層之一，距上分層11－1號煤層0m～18.63m，平均5.32m，可采面積占井田面積的99%，煤厚變異系數(shù)為50%，煤層自然厚度0.10m～13.93m，平均5.16m，井田內(nèi)有141個(gè)鉆孔見煤點(diǎn)可采。該層井田西北部、西部為11－1、11－2、12－1煤層合并，煤層平均厚度8.09m；向東南為11－1、11－2、12－1、12－2煤層合并區(qū)，平均煤厚8.62m；井田東南部為11－2煤層，可采區(qū)煤厚0.85m～4.97m，平均2.18m，CH4絕對涌出量為17.70m3／min，相對涌出量為4.02m3／t，CO2絕對涌出量為38.67m3／min，相對涌出量為8.79m3／t；煤體普氏系數(shù)f≥0.45。試驗(yàn)地點(diǎn)選在E1305工作面。規(guī)格為124m（工作面長）×3.6m（采高）×443m（可采長度），在該工作面實(shí)行本煤層鉆孔后，初期鉆孔正常，隨著開采的進(jìn)行出現(xiàn)了鉆孔坍塌的現(xiàn)象，因此施工雙套管瓦斯抽采技術(shù)。

2）本煤層鉆孔施工

在E1305工作面回風(fēng)巷開展本煤層瓦斯抽采鉆孔施工，共打鉆112個(gè)，前1號～100號鉆孔布置在底板上方2m處，外徑設(shè)置為121mm，與工作面傾向方向夾角為14°，施工長度為100m，101號～102號鉆孔布置間隔比前100號鉆孔寬1m，施工長度為120m。除了101號～106號施工普通鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，作為對照孔，其余鉆孔全部采用雙套管瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行抽采，對比兩種不同抽采方式下的瓦斯抽采效果，并用曲線表示出變化規(guī)律。

3）瓦斯抽采效果

第89頁圖3所示為使用雙套管瓦斯抽采技術(shù)的前100號鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)曲線圖。分析數(shù)據(jù)可得，使用雙套管瓦斯抽采技術(shù)初期的100個(gè)鉆孔抽瓦斯體積分?jǐn)?shù)都較高，基本都在90%左右，再記錄抽采2月后的瓦斯變化，體積分?jǐn)?shù)仍然在75%左右。該礦之前使用普通鉆孔抽采的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為38%，可見雙套管瓦斯抽采技術(shù)較大幅度地提高了瓦斯抽采濃度，延長了瓦斯抽采的有效時(shí)間，保障了工作面的安全開展。

圖4是采用雙套管瓦斯抽采技術(shù)與普通鉆孔抽采技術(shù)的瓦斯抽采純量對比圖。從圖4可清楚地發(fā)現(xiàn)，107號～112號鉆孔瓦斯抽采純量增加幅度較大，經(jīng)過一個(gè)月的抽采只降低了11%；反觀使用普通鉆孔抽采技術(shù)的101號～106號鉆孔，瓦斯純量較低，且隨著開采時(shí)間的延長，瓦斯衰減速度較快，衰減率接近50%。通過對比一個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采純量變化可見，雙套管瓦斯抽采技術(shù)能很好地保持本煤層瓦斯高效抽采，瓦斯抽采純量大大增加。

圖3 1號～100號鉆孔瓦斯?jié)舛?/p>

圖4 101號～112號鉆孔瓦斯純流量

4 結(jié)語

本煤層普通鉆孔瓦斯抽采技術(shù)塌孔、堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，瓦斯抽采率低下，利用兩個(gè)長短不一的雙套管可以有效地避免鉆孔因塌孔而導(dǎo)致瓦斯無法實(shí)現(xiàn)高效抽采的問題。套管1能支撐鉆孔并且?guī)в谢ㄑ蹫橥咚沽鲃犹峁惩ㄍǖ溃坠?管徑粗，且能更好地密封孔口。通過在現(xiàn)場應(yīng)用兩種抽采技術(shù)對比后發(fā)現(xiàn)，雙套管瓦斯抽采技術(shù)瓦斯抽采純量較高，且有效抽采時(shí)間長，衰減速度慢，具有很好的實(shí)用性和推廣性，為企業(yè)帶來良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。