采動影響區抽采鉆井井身固化及抽采效果考察

高 翔

（霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

對于低透氣性煤層，施工地面瓦斯抽采鉆井，不僅可以抽采采空區瓦斯，也可以抽采鄰近煤層瓦斯，是解決回采工作面瓦斯超限的有效手段[1-3]。地面鉆井作為治理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]。

山西焦煤霍州煤電集團李雅莊煤礦在2-605工作面施工了地面鉆井，主要對采空區瓦斯抽采，鉆井施工參數參照2-612工作面地面鉆井試驗結果。在1#～3#鉆井抽采過程中存在鉆井穩定差，抽采濃度及純量較低，不能有效發揮應有的瓦斯抽采作用。為了提高地面鉆井瓦斯抽采效果，采取了直接窺視、影響因素分析和固孔技術改進等措施，抽采效果得到明顯改善。

1 2-605工作面概況

李雅莊煤礦位于山西省南部臨汾盆地北緣，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。該礦井為高瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為41.91 m3/min。

李雅莊煤礦2-605工作面為1#、2#煤層合并開采區域，平均煤層厚度為3.35 m，節理較為發育，一般含1層夾矸，夾矸厚度0.14～0.4 m，夾矸以泥巖、炭質泥巖為主。煤層頂板覆巖以砂質泥巖和細粒砂巖互層為主，分層較多，部分區段煤層頂板50 m范圍內分層多達34層。

2-605工作面煤層透氣性系數為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。煤層原始瓦斯壓力為0.696 MPa，原始瓦斯含量為6.314 m3/t，可解吸瓦斯量為5.08 m3/t。雖然經過本煤層順層鉆孔預抽瓦斯，但受工作面煤層松軟、鉆孔塌孔嚴重及透氣性差等原因影響，本煤層鉆孔預抽效果較差。在回采前工作面煤層瓦斯含量仍達5.564 m3/t，可解吸瓦斯含量達4.33 m3/t，殘存瓦斯含量為1.234 m3/t，瓦斯壓力為0.475 MPa。

圖1 2-605工作面地面鉆井布置

2 原鉆井井身結構及抽采效果

2.1 原鉆井井身結構

鉆井整體結構為三次鉆井設計，井身結構參見圖2。一開采用Φ480 mm牙輪鉆頭，下D377 mm×10 mm無縫鋼管，封固地表疏松層，水泥返高至地面，終孔位置鉆過風化帶巖層至基巖以下10 m位置。二開采用D311 mm鉆頭鉆進至2#煤層頂板40 m處終孔，下D244 mm×8.94 mm套管，水泥返高至終孔以上200 m。三開采用Φ215 mm鉆頭掃孔，鉆進至2#煤層底板5 m結束。確保鉆井井身暢通。

2.2 原鉆井抽采效果分析

2-605工作面1#～3#地面鉆井抽采情況見表1。

表1 1#～3#鉆井抽采情況

從表1可以看出，1#～3#地面鉆井抽采效果較差，抽采濃度和抽采純流量較低，沒有發揮地面鉆井應有的抽采效果。其中抽采效果相對較好的3#井，抽采濃度最大僅為9.6%，最大純流量為8.34 m3/min，并且抽采時間和有效抽采距離短。而抽采效果較差的2#井，最大抽采濃度為2.8%，最大抽采純流量為1.4 m3/min，有效抽采距離僅為14.2 m。由于抽采時間和有效抽采距離較短，存在抽采空白區，兩個鉆井不能有效接替，不能保證工作面的安全回采。

3 影響因素分析

由地面抽采鉆井的布置方式和抽采原理可知，地面抽采鉆井穩定性主要受外界客觀因素和鉆井自身結構的影響。外界客觀因素包括地質條件、開采方式、覆巖移動等。由于鉆井為采動后抽采采空區瓦斯，因此覆巖移動影響更為突出。鉆井自身參數包括鉆井位置、井筒直徑、護井方式、井體結構等，鉆井結構和位置的影響尤為重要[7]。

3.1 煤層頂板巖性分析

為對2-605工作面頂板巖性進行分析，采用YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀對各鉆井進行直接觀察，通過鉆頭頂部的攝像儀實時觀看鉆孔內裂隙發育、巖性變化等情況，通過自然伽瑪射線放射原理對頂板鉆孔進行巖性分析，結合測斜數據分析計算出各巖層厚度及層位。

分析4#鉆孔2#煤層頂板地質剖面解釋成果，回采工作面煤層頂板覆巖以砂質泥巖和細粒砂巖互層為主，分層較多。4#鉆井所在區域煤層頂板50 m范圍內分層多達34層，并且砂質泥巖層占主要地位。首先，軟巖和硬巖分層較多，鉆孔穿過其結合面時容易產生飄鉆，嚴重影響鉆孔軌跡的正確性。另外，地面抽采鉆井施工在松軟破碎泥巖層中，泥巖遇水易膨脹變形，鉆井的穩定性易遭到破壞，嚴重影響鉆孔的施工進度和成孔質量。

3.2 鉆井窺視分析

對比分析2-605、2-612工作面地面鉆井抽采情況，發現在同一采區不同工作面即使鉆井布置位置相似的情況下抽采效果相差很大。為了對其進行分析，對2-605工作面各鉆井使用期間進行窺視和測井，部分窺視及測井結果見表2。

表2 1#～3#鉆井窺視及測井結果分析

從表2地面鉆井窺視結果和層位描述可以看出，鉆井變形破壞出現在厚而硬的細粒砂巖和薄而軟的砂質泥巖的結合界面處，并且隨著時間的推移其破壞結合界面存在由下向上發展的趨勢。根據鉆井測井報告及關鍵層的相關理論，可以將該層厚而硬的細粒砂巖作為關鍵層。

3.3 關鍵層影響效應分析

由關鍵層的相關知識可知，關鍵層對其上覆巖層起著很強的控制作用，其在變形破壞之前控制上覆巖層的下沉離層量。且由于關鍵層的存在上覆巖層結構的堅固程度得到一定的增加，使得采動影響半徑增大，在關鍵層未破壞前會使其上覆巖層層間滑移位移量相對減少，即關鍵層之上部分套管發生剪切變形破壞的可能性減少。但正是由于關鍵層的存在導致其與下部軟巖結合面容易發生破壞。主要是由于關鍵層和下部較軟巖層在應力作用下發生離層下沉、滑移量是不同的，關鍵層下沉、滑移量小于其下部巖層，所以，關鍵層未遭到破壞時在其和下部巖層的結合面出現較大的離層、滑移，鉆井的穩定性極易遭到破壞[8]。因此，進行鉆井窺視時在關鍵層和下部軟巖的結合面會呈現套管變形、孔徑錯位坍塌等現象。窺視結果也證實了利用關鍵層理論解釋鉆井變性破壞的準確性。

同時，根據2-605工作面“三帶”發育高度研究，裂隙帶高度在46 m左右，而2-605工作面關鍵層多在煤層頂板40 m左右，位于裂隙帶的上部，隨時間推移其穩定性易遭到破壞，使得離層、滑移量加劇。由動力學的理論可知，在動態作情況下起破壞作用更強，地面鉆井套管也越容易發生破壞。關鍵層破壞后，上覆巖層離層、滑移加劇向上發展直至到上一關鍵層，鉆井套管呈現和下一關鍵層相似的破壞形式。所以，在進行窺視時呈現工作面推過鉆井不久，鉆井在下部關鍵層和軟巖結合面遭到破壞，而間隔一段時間再進行窺視時，鉆井破壞發生在上一關鍵層和下部軟巖結合處。

4 鉆井結構優化及效果分析

根據以上分析可知，地面瓦斯抽采鉆井抽采效果較差，主要是由于在煤層頂板關鍵層處生較大的離層下沉和滑移，而該層位一般位于三開階段，為裸孔施工，鉆孔的抗破壞能力較弱。另外，三開區段巖性變化較大，軟巖和硬巖分層較多，受采動影響容易發生離層，進一步加劇井身變形破壞。為提高井身結構強度，減少因鉆井變形破壞對抽采效果的影響，對三開的結構進行了改進，將三開裸孔施工改為下篩管加固，并根據4#鉆井窺視結果（篩管有變形），對5#鉆井三開篩管進行優化，在篩管內增加橫梁支撐，進一步加強篩管的抗破壞能力，見圖2。

圖2 5#鉆井井身結構

4#鉆井和5#鉆井的抽采情況見表3。從表3可以看出，地面鉆井三開結構改進后，抽采濃度和抽采純量均大幅的提高，抽采時間和有效抽采距離也明顯增加，有效發揮了地面鉆井應有的抽采效果。抽采平均濃度提高了1.5～4.5倍，抽采純量提高了1.5～5 倍，回風隅角瓦斯濃度由0.62%降低至0.48%，回風流瓦斯濃度由0.54%降低至0.38%。鉆井布井間距由60 m增加至100 m。有效抽采距離大幅度增加，能夠接替至下一鉆井。在減少工作面地面鉆井數量，降低瓦斯治理成本的同時，瓦斯抽采效果顯著提高，保證了該工作面后期的安全高效回采。

表3 4#～5#鉆井抽采情況

5 結語

地面瓦斯抽采鉆井受地質條件及采動影響，在關鍵層和軟硬巖結合面易發生離層、滑移，井身易遭到變形破壞，不能有效發揮抽采效果。

在地面鉆井三開下篩管后，抽采濃度和純流量大幅提高，抽采時間和有效抽采距離顯著增加，能和下一個鉆井有效接替，降低了瓦斯治理成本，保證工作面安全回采。