煤礦采動影響區瓦斯地面井抽采試驗研究

張海軍

（山西沁和能源集團，山西 晉城 048205）

晉城礦區是我國優質的無煙煤產地，煤炭資源非常寶貴。寺河煤礦含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組，共含煤7～11 層，煤層總厚13.5 m，主采煤層為3#、9#和15#煤層。其中3#煤層均厚6 m，瓦斯含量10～38 m3/t，屬高瓦斯煤層，瓦斯災害嚴重。近年來由于礦井持續高強度開采，3#煤層低瓦斯區域資源逐漸枯竭，開采逐漸向高瓦斯甚至突出區域轉移，瓦斯治理工作十分嚴峻。因此，為進一步提高井下煤層瓦斯抽采含量和利用率以及豐富煤層氣資源開發技術手段，在晉城寺河煤礦開展了采動區卸壓瓦斯地面井抽采工藝試驗研究。

1 采動影響區地面井抽采技術原理

采動影響區是指煤礦煤層回采過程中使得周圍鄰近巖層內應力重新分布而發生劇烈移動變形的區域，通常指巖層沉降位移大于5 mm 的區域。

采動影響區地面井技術通過在采場地表施工鉆井到煤層采動可能形成的覆巖裂隙帶或煤層內，利用開采煤層對其鄰近煤巖層的“卸壓增透”物理效應，使用負壓抽采技術將采區卸壓瓦斯經由煤巖體的裂隙網絡通道和鉆井直接抽采到地表，以達到降低回采工作面瓦斯涌出量，緩解瓦斯超限壓力和開發煤層氣的目的。該技術是我國近年來逐步發展起來的瓦斯抽采技術，相比較井下開采技術，具有抽放量大、抽放濃度高、抽放半徑大（可達200 m）、地面施工條件好等優點，可以有效利用煤層采動的卸壓增透效應，連續抽采工作面前方卸壓解吸瓦斯、上隅角瓦斯和采空區瓦斯。

2 地面井試驗方案設計

2.1 工作面概況

寺河礦W2301 工作面海拔高度+1 019.11 m，最大相對高差為610.4 m，一般相對高差300～500 m，平均采深約420 m。工作面開采走向長度約1250 m，傾向長度約221.5 m，開采3 號煤層，平均厚度6 m，煤層傾角0～7°，平均2°。煤的容重1.46 t/m3，煤的硬度f 為1～2，地壓力為9.00～13.00 MPa。3 號煤層下方13 m 處有5 號煤層，厚0.75 m，3 號煤層下方26 m 處有7 號煤層，厚0.4 m。工作面絕對瓦斯涌出量約43 m3/min，煤層無自燃傾向，煤塵無爆炸性。

2.2 地面井施工方案

2.2.1 井身結構

地面井位于采場中線中段和回風巷道之間的位置，可以大大降低地層移動對井筒的損害，取得更好的煤層氣抽采效率[1-4]。根據工作面條件，試驗井距切眼1100 m，距回風巷道70 m。

在研究礦區地面井破壞規律和煤層氣地面開發特征的基礎上，提出煤層氣地面開采的技術措施。井筒結構分為三個階段。

（1）第一段使用Φ444.5 mm 鉆頭鉆進至10 m穩定巖層后，放入套管，全段固井。

（2）第二段采用Φ347.6 mm 鉆頭鉆進至煤層頂板上方80～90 m 處，放入套管，固井長度90 m。

（3）第三段采用Φ269.9 mm 鉆頭鉆進至3 號煤層頂板上方5 m 處。鉆完井后，采用懸掛器放入套管，不固井。

2.2.2 地面抽采系統

地面煤層氣抽采設備：水環真空泵、水封爆炸排氣口、反火裝置、氣水分離器、排氣口、循環水箱、循環水泵、引水管道系統等。

2.2.3 安全抽采監測系統

為記錄煤層氣生產濃度，防止井下煤自燃，試驗過程中監測的參數包括：瓦斯濃度、氧氣濃度、抽采負壓、抽采流量、抽采氣體組成等。監測系統設備包括：GD4 氣體排放多參數傳感器、氧氣傳感器、U 型差壓計、光干涉甲烷探測器。其中，GD4多參數瓦斯抽放傳感器和氧氣傳感器用于監測日常自動監測系統的相關參數。采用U 型差壓計和光干涉甲烷探測器，在監測系統失效時，對管道內煤層的瓦斯流量和濃度進行人工監測。

3 抽采試驗數據分析

3.1 地面井抽采數據

地面井抽采系統于2019 年8 月5 日開始作業，試驗觀察時間70 d，累計抽采煤層氣約33.7 萬m3。地面井部分作業數據的變化曲線如圖1。

圖1 地面井抽采數據圖

當工作面超過地面井位3 m 時，從地面井中抽取的氣體純度和濃度逐漸趨于穩定。地面井抽采瓦斯氣體的最大純量為12 000 m3/d，濃度約為85%。如圖2，當工作面接近井位時，由于超前支承壓力的影響，負壓在短時間內迅速增大。此時氣體的濃度和純度較低。工作面通過井位后，抽采負壓降至27 kPa 左右，氣體抽采純量保持在0.5 萬m3/d 左右，氣體濃度保持在40%左右。

圖2 地面井抽采數據與工作面推進關系圖

3.2 地面井抽采對工作面瓦斯治理影響

圖3 為地面井抽采對工作面瓦斯濃度的影響。地面井未抽采時，工作面平均瓦斯濃度較高，工作面最大瓦斯濃度為0.76%。當工作面距井60 m 時，地面井開始抽氣，工作面最大氣體濃度降至0.41%以下，平均為0.27%，工作面平均瓦斯濃度降低26.5%，工作面平均排風量降低到16.4 m3/min 以下，工作面瓦斯超標的情況得到很好的緩解。

未抽采地面井時，工作面總回風巷最大氣體濃度為0.92%。采煤工作面推過井位8 m 后，工作面總回風巷瓦斯濃度和瓦斯涌出量均顯著下降，瓦斯濃度下降39.1%。

3.3 效果分析

試驗結果表明，采用工作面采動影響區瓦斯地面井抽采技術方案后，利用地面井抽采工作面煤層瓦斯，工作面瓦斯濃度平均降低26.5%，工作面平均排風量降低至16.4 m3/min 以下，能夠有效降低回采工作面瓦斯涌出量，70 d 內該工作面安全開采原煤106 萬t，確保了工作面安全高效回采，同時累計抽采煤層氣約33.7 萬m3，為開發利用煤層氣提供了保障，提高了煤層氣資源利用率。

圖3 工作面瓦斯濃度與地面井抽采關系圖

4 結論

（1）地面井瓦斯抽采效果與工作面距離有一定關系，在距離地面井3 m 左右位置時，瓦斯抽采效果最好，采動動壓影響，地面井抽采瓦斯氣體的最大純量為12 000 m3/d，氣體濃度約為85%。隨著工作面繼續向前推進，瓦斯抽采純量和濃度逐漸降低。

（2）利用地面井抽采工作面煤層瓦斯，70 d 內，累計抽采瓦斯約33.7 萬m3，工作面瓦斯濃度平均降低26.5%，工作面平均排風量降低至16.4 m3/min以下，工作面瓦斯超標的情況得到了很好的緩解，工作面總回風巷的氣體濃度和排放氣體量明顯降低，工作面總回風巷瓦斯濃度降幅約39%。