采動影響區(qū)抽采鉆井井身固化及抽采效果考察

高 翔

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)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(qū)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(shù)之一，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，我國淮南、淮北、晉城、平頂山、唐山、潞安等礦區(qū)進(jìn)行地面鉆井抽采采動影響區(qū)瓦斯，并取得豐碩的成果[4-6]。

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦在2-605工作面施工了地面鉆井，主要對采空區(qū)瓦斯抽采，鉆井施工參數(shù)參照2-612工作面地面鉆井試驗(yàn)結(jié)果。在1#～3#鉆井抽采過程中存在鉆井穩(wěn)定差，抽采濃度及純量較低，不能有效發(fā)揮應(yīng)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(shù)改進(jìn)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(qū)北端的一個(gè)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(qū)域，平均煤層厚度為3.35 m，節(jié)理較為發(fā)育，一般含1層夾矸，夾矸厚度0.14～0.4 m，夾矸以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。煤層頂板覆巖以砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖互層為主，分層較多，部分區(qū)段煤層頂板50 m范圍內(nèi)分層多達(dá)34層。

2-605工作面煤層透氣性系數(shù)為0.4625 m2/MPa2·d，鉆孔流量衰減系數(shù)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(jīng)過本煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯，但受工作面煤層松軟、鉆孔塌孔嚴(yán)重及透氣性差等原因影響，本煤層鉆孔預(yù)抽效果較差。在回采前工作面煤層瓦斯含量仍達(dá)5.564 m3/t，可解吸瓦斯含量達(dá)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(jié)構(gòu)及抽采效果

2.1 原鉆井井身結(jié)構(gòu)

鉆井整體結(jié)構(gòu)為三次鉆井設(shè)計(jì)，井身結(jié)構(gòu)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(fēng)化帶巖層至基巖以下10 m位置。二開采用D311 mm鉆頭鉆進(jìn)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(jìn)至2#煤層底板5 m結(jié)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(fā)揮地面鉆井應(yīng)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(shí)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(shí)間和有效抽采距離較短，存在抽采空白區(qū)，兩個(gè)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(wěn)定性主要受外界客觀因素和鉆井自身結(jié)構(gòu)的影響。外界客觀因素包括地質(zhì)條件、開采方式、覆巖移動等。由于鉆井為采動后抽采采空區(qū)瓦斯，因此覆巖移動影響更為突出。鉆井自身參數(shù)包括鉆井位置、井筒直徑、護(hù)井方式、井體結(jié)構(gòu)等，鉆井結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析，采用YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀對各鉆井進(jìn)行直接觀察，通過鉆頭頂部的攝像儀實(shí)時(shí)觀看鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)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(jìn)行巖性分析，結(jié)合測斜數(shù)據(jù)分析計(jì)算出各巖層厚度及層位。

分析4#鉆孔2#煤層頂板地質(zhì)剖面解釋成果，回采工作面煤層頂板覆巖以砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖互層為主，分層較多。4#鉆井所在區(qū)域煤層頂板50 m范圍內(nèi)分層多達(dá)34層，并且砂質(zhì)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(jié)合面時(shí)容易產(chǎn)生飄鉆，嚴(yán)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(wěn)定性易遭到破壞，嚴(yán)重影響鉆孔的施工進(jìn)度和成孔質(zhì)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(fā)現(xiàn)在同一采區(qū)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(jìn)行分析，對2-605工作面各鉆井使用期間進(jìn)行窺視和測井，部分窺視及測井結(jié)果見表2。

表2 1#～3#鉆井窺視及測井結(jié)果分析

從表2地面鉆井窺視結(jié)果和層位描述可以看出，鉆井變形破壞出現(xiàn)在厚而硬的細(xì)粒砂巖和薄而軟的砂質(zhì)泥巖的結(jié)合界面處，并且隨著時(shí)間的推移其破壞結(jié)合界面存在由下向上發(fā)展的趨勢。根據(jù)鉆井測井報(bào)告及關(guān)鍵層的相關(guān)理論，可以將該層厚而硬的細(xì)粒砂巖作為關(guān)鍵層。

3.3 關(guān)鍵層影響效應(yīng)分析

由關(guān)鍵層的相關(guān)知識可知，關(guān)鍵層對其上覆巖層起著很強(qiáng)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(guān)鍵層的存在上覆巖層結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固程度得到一定的增加，使得采動影響半徑增大，在關(guān)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(guān)鍵層之上部分套管發(fā)生剪切變形破壞的可能性減少。但正是由于關(guān)鍵層的存在導(dǎo)致其與下部軟巖結(jié)合面容易發(fā)生破壞。主要是由于關(guān)鍵層和下部較軟巖層在應(yīng)力作用下發(fā)生離層下沉、滑移量是不同的，關(guān)鍵層下沉、滑移量小于其下部巖層，所以，關(guān)鍵層未遭到破壞時(shí)在其和下部巖層的結(jié)合面出現(xiàn)較大的離層、滑移，鉆井的穩(wěn)定性極易遭到破壞[8]。因此，進(jìn)行鉆井窺視時(shí)在關(guān)鍵層和下部軟巖的結(jié)合面會呈現(xiàn)套管變形、孔徑錯位坍塌等現(xiàn)象。窺視結(jié)果也證實(shí)了利用關(guān)鍵層理論解釋鉆井變性破壞的準(zhǔn)確性。

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

4 鉆井結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果分析

根據(jù)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(guān)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(qū)段巖性變化較大，軟巖和硬巖分層較多，受采動影響容易發(fā)生離層，進(jìn)一步加劇井身變形破壞。為提高井身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少因鉆井變形破壞對抽采效果的影響，對三開的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將三開裸孔施工改為下篩管加固，并根據(jù)4#鉆井窺視結(jié)果（篩管有變形），對5#鉆井三開篩管進(jìn)行優(yōu)化，在篩管內(nèi)增加橫梁支撐，進(jìn)一步加強(qiáng)篩管的抗破壞能力，見圖2。

圖2 5#鉆井井身結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)改進(jìn)后，抽采濃度和抽采純量均大幅的提高，抽采時(shí)間和有效抽采距離也明顯增加，有效發(fā)揮了地面鉆井應(yīng)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(fēng)隅角瓦斯?jié)舛扔?.62%降低至0.48%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔?.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?dāng)?shù)量，降低瓦斯治理成本的同時(shí)，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(jié)語

地面瓦斯抽采鉆井受地質(zhì)條件及采動影響，在關(guān)鍵層和軟硬巖結(jié)合面易發(fā)生離層、滑移，井身易遭到變形破壞，不能有效發(fā)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(shí)間和有效抽采距離顯著增加，能和下一個(gè)鉆井有效接替，降低了瓦斯治理成本，保證工作面安全回采。