水平多分支井地面瓦斯抽采技術在錦源煤礦的應用

李昭水張兵兵韓 兵

（1.臨縣錦源煤礦有限公司；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；3.煤礦安全技術國家重點實驗室）

錦源煤礦為新建高瓦斯礦井，目前對于高瓦斯礦井，有井上、井下2種瓦斯抽采模式［1-2］。相對于井下抽采，地面抽采具有較大的空間優勢和時間優勢［3-4］，在空間上，可以在井田范圍內廣泛布置鉆井，鉆井位置不受井下采掘進度及采掘空間的限制，在時間上，可以對煤層進行大面積長時間抽采，持續降低煤層瓦斯含量［5-6］。同時地面抽采應配合井下采掘巷道的部署，避免造成鉆孔漏氣以及破壞巷道圍巖結構［7］。

近年來，隨著我國地面瓦斯抽采規模的不斷擴大，地面瓦斯抽采的井型由單直井逐漸發展為叢式井、水平羽狀井、L型井、U型井、水平多分支井等多種井型［8］，技術人員可根據地質條件、開采目的、開采周期、經濟性等方面選擇適合的井型。

1 礦井概況

臨縣錦源煤礦有限公司位于山西省呂梁市臨縣林家坪鎮，井田面積為78.975 6 km2，批采4、5、8、9號煤層，生產能力為6.0 Mt/a。煤層埋藏深度為400～1 000 m，煤層瓦斯含量為14 m3/t，礦井共劃分10個采區，其中首采區域為一、四采區，礦井最大絕對瓦斯涌出量預測結果為405.43 m3/min。

錦源煤礦井田范圍內目前已經施工了84口地面瓦斯抽采井，主要抽采4、5號煤層瓦斯，抽采區域主要集中在二、三、九、十采區。其中早期試驗單孔抽采鉆孔9口；正式抽采鉆孔75口，其中多分支水平井38口，叢式井37口。根據礦井規劃設計，作為首采區域的一、四采區，沒有施工地面瓦斯抽采井，煤層瓦斯為原始狀態，煤層瓦斯含量高、壓力大，為煤礦開拓、開采帶來很大的瓦斯治理難度。礦井為加快建設及投產速度，決定采用地面鉆井預抽的方式，盡快降低煤層瓦斯含量，保證首采區域一、四采區的安全生產。

2 地面鉆井井型的選擇

目前地面瓦斯抽采井主要采用直井、叢式井、水平多分支井、U型井、L型井等井型。其中直井投入小、施工簡單，地質條件適應性強，但占地較多，抽采控制范圍小，單井產量較低，直井在我國煤層氣開采中一般需要進行壓裂增透措施，在煤層氣開發早期曾被大量使用，單井流量在200～400 m3/d。

叢式井的優點是將多個鉆井集中到一個井場施工，減少了占地面積和集輸管道，其他技術條件與直井相同［9］，叢式井在該區單井日排采流量為200～400 m3/d。

水平多分支井是在地面上施工一口主井，主井進入煤層后開始施工2～3個主分支，在主分支上再施工3～5個次分支，鉆井在煤中的施工長度一般在500～900 m，對地質條件要求較高，覆蓋范圍較大，各分支間距離較為均勻，抽采瓦斯流量穩定，對原始煤體破壞較小，區域瓦斯含量下降較為均勻，水平多分支井在該區的單井日排采流量為8 000～12 000 m3/d。

L型井是水平井的一種，主井進入煤層后進行水平鉆進，沒有分支，水平鉆進距離一般為800 m左右，然后進行分段水力壓裂，水力壓裂的影響范圍在100 m左右，主井既是定向井又是排采井。

U型井與L型類似，區別在于U型井在定向井施工之前先施工一口直井，直井到達層位后開始造穴，之后通過定位技術將水平井穿過直井，繼續在煤層中水平鉆進，直井排水，水平采氣。

L型井和U型井占地面積小，抽采范圍大，抽采瓦斯流量較為穩定，但由于分段壓裂作用的不均勻性，易造成煤體破碎，同時導致煤層瓦斯含量下降的不均勻性，對瓦斯治理不利。

錦源煤礦首采區域一、四采區煤層埋深在400～600 m，煤層含氣量高、滲透性好，礦井開拓巷道及采掘工作面尚未形成。綜合考慮施工周期、抽采特點、對煤體的影響、抽采瓦斯均勻程度等多種因素，選擇水平多分支井作為首選井型。

3 鉆井布置方案及施工工藝

3.1 鉆井布置方案

鉆井布置必須與礦井“抽、掘、采”工作相銜接，滿足抽采工程技術可行性，要考慮鄰近鉆井及本井有效抽采半徑及抽采范圍，同時必須充分考慮構造發育的方向、大小及可能影響的區域，嚴格控制水平分支與井下巷道的距離，防止鉆孔與巷道溝通，造成鉆井漏氣失效。

錦源煤礦一、四采區共布置8個井場，共計15個水平多分支鉆孔（圖1），總進尺為63 200 m，每個井場內設計布置1～2口水平多分支井，層位是4、5號煤層，每口主井分為4個分支，鉆井在距煤層巷道位置50 m處進入煤層，沿煤層每鉆進50 m開一個分支，分支間距為50 m，外側分支與巷道幫部距離30 m，分支平均長750～900 m，分支的終孔位置距工作面切眼50 m，所有鉆井分支進入煤層部分均限制在采煤工作面中，與煤巷水平距離均在30 m以上。

3.2 水平多分支井工藝

水平多分支井分三開鉆進（圖2），一開以?311.15 mm孔徑鉆至基巖10 m，并下入?244.5 mm套管固井，固井水泥候凝24 h后，開始二開鉆進。二開以?215.9 mm孔徑鉆進至設計井深后，下入?177.8 mm套管固井，固井水泥候凝48 h后，開始三開鉆進。三開以?152.4 mm孔徑鉆進至設計長度，施工完后下入?89 mm玻璃鋼篩管完井，采用后退式開分支，待所有地面工程結束后安裝排采設備，進行排水降壓采氣作業。

4 地面鉆孔抽采時間及瓦斯抽采量

地面瓦斯鉆孔施工范圍為礦井5 a內開采區域。錦源礦區現有的30余口水平多分支井日產氣量約為30萬m3，單井產氣量約為10 000 m3，根據煤層厚度、瓦斯含量、工作面長度等因素，預計錦源煤礦首采區域地面瓦斯抽采井日產氣量在8 000～12 000 m3。根據礦井抽采、掘進、回采規劃，各工作面內的水平多分支井預抽時間為3～5 a，瓦斯抽采總量約為12 280萬m3，工作面煤層瓦斯含量下降5.72～8.58 m3/t，殘余瓦斯含量降為6.33～9.19 m3/t（表1），瓦斯預抽率達38.35%～57.53%。地面預抽大范圍降低了煤層瓦斯含量，為礦井抽、掘、采平衡提高供了有力的保障。

5 結論

（1）錦源煤礦首采區域一、四采區煤層埋深在400～600 m，煤層含氣量高、滲透性好，水平多分支井對地質條件要求較高，覆蓋范圍較大，各分支間距離較為均勻，抽采瓦斯流量穩定，對原始煤體破壞較小，區域瓦斯含量下降較為均勻，選擇水平多分支井作為首選井型。

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（2）錦源煤礦首采區域一、四采區經水平多分支井預抽3～5 a后，瓦斯抽采總量約為12 280萬m3，工作面煤層瓦斯含量下降5.72～8.58 m3/t，殘余瓦斯含量降為6.33～9.19 m3/t，瓦斯預抽率達38.35%～57.53%。地面預抽大范圍的降低了煤層瓦斯含量，為礦井抽、掘、采平衡提供了有力的保障。