采動(dòng)區(qū)煤層氣井布置關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：在煤層開(kāi)采過(guò)程中，巖層運(yùn)動(dòng)形成大量的裂隙可以作為瓦斯的流動(dòng)通道。在采動(dòng)區(qū)的合適位置布置煤層氣井，可以保證煤層氣開(kāi)發(fā)的效果。結(jié)合了煤層開(kāi)采巖層運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，重點(diǎn)分析了在采動(dòng)區(qū)布置煤層氣井的關(guān)鍵因素。首先，分析了采動(dòng)過(guò)程中煤層氣富集有利區(qū)優(yōu)選機(jī)理。其次，分析了采動(dòng)過(guò)程中煤層氣井的變形機(jī)理。最后，對(duì)煤層井的布置進(jìn)行探討。結(jié)果表明：采動(dòng)區(qū)煤層氣井應(yīng)該布置在回風(fēng)巷側(cè)且地表沉降拐點(diǎn)連線和采場(chǎng)中心線之間的區(qū)域；為了保持煤層氣井的穩(wěn)定性，鉆井應(yīng)該采用二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：采動(dòng)區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)巖層運(yùn)動(dòng)煤層氣井

中圖分類(lèi)號(hào)：TD82;TE37

ResearchonKeyTechnologiesfortheLayoutofCoalbedMethaneWellsinMiningAreas

LIZheyuan1LIRonglei2FENGYunfei2

1.GuizhouCoalbedMethaneEnergyDevelopmentCo.，Ltd.，Liupanshui，GuizhouProvince，553000China;2.GuizhouResearchCenterforCoalbedMethaneandShaleGasEngineeringTechnology，Guiyang，GuizhouProvince，550081China

Abstract：Intheprocessofcoalmining，thestratamovementcreatsalargenumberoffracturesthatcanserveasflowchannelsforgas.Theplacementofcoalbedmethanewellsintheappropriatelocationofminingareascanensuretheeffectofcoalbedmethanedevelopment.Thispapercombinesthelawofthestratamovementduringcoalminingtofocuseonthekeyfactorsofthelayoutofcoalbedmethanewellsinminingareas.Thepaperfirstanalyzesthe optimizationmechanismofthefavorableareasofcoalbedmethaneenrichmentduringmining，thenanalyzesthedeformationmechanismofcoalbedmethanewellsintheminingprocess，andfinallydiscussesthelayoutofcoalbedmethanewells.Thefindingsindicatethatcoalbedmethanewellsinminingareasshouldbearrangedonthesideofthereturnairroadwayandtheareabetweentheconnectionlineofsurfacesubsidenceinflectionpointsandthecenterlineofthestope，andthatthewelldrillingshouldadoptsecondaryandtertiarystructuresinordertomaintainthestabilityofcoalbedmethanewells.

KeyWords：Miningarea;Coalbedmethanedevelopment;Stratamovement;Coalbedmethanewell

煤層氣開(kāi)發(fā)不僅可以獲得清潔能源，還可以降低煤層開(kāi)采時(shí)引發(fā)的災(zāi)害。目前，國(guó)家相關(guān)部門(mén)已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)政策性文件，加快煤層氣的開(kāi)發(fā)和利用，減少瓦斯對(duì)生態(tài)的污染，促進(jìn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。但是，煤層氣資源開(kāi)發(fā)的總體效果并不理想，煤層氣的抽采量距離國(guó)家制定的目標(biāo)還有很大的差距[2-3]。因此，如何加快煤層氣的高效開(kāi)發(fā)依然是關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容之一。在煤炭開(kāi)采時(shí)，進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)是一種有效的方式，但是需要選擇合適的煤層氣井位置和使煤層氣井不受巖層運(yùn)動(dòng)的影響。

1煤層氣富集有利區(qū)優(yōu)選機(jī)理

煤層開(kāi)采后，被保護(hù)層受采掘擾動(dòng)，原始地應(yīng)力條件平衡被打破，應(yīng)力降低使巖體發(fā)生變形破壞。隨著工作面的回采，煤層頂板開(kāi)始垮落，并釋放巖層壓力。在采空區(qū)不斷被矸石壓實(shí)時(shí)，煤壁受到支撐壓力的作用產(chǎn)生大量的裂隙。在采動(dòng)初期，采空區(qū)中心附近的巖層裂隙發(fā)育最為徹底。隨著回采的進(jìn)行，采空區(qū)中心處逐漸被壓實(shí)，而靠近采空區(qū)邊緣由于受到煤柱的支撐作用裂隙仍能保持較好的暢通。因此，煤礦開(kāi)采后，采空區(qū)四周的巖層裂隙內(nèi)游離瓦斯相對(duì)較多。數(shù)值模擬研究表明，裂隙發(fā)育區(qū)的范圍與開(kāi)采范圍存在顯著的相關(guān)性。

在回采過(guò)程中，當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于離層產(chǎn)生的距離時(shí)，離層范圍隨著工作面的推進(jìn)范圍越來(lái)越大，反之，則離層范圍隨著工作面的推進(jìn)產(chǎn)生遷移。被保護(hù)層的離層裂隙始終位于工作面后方的采空區(qū)中央。在采動(dòng)影響穩(wěn)定后，離層裂隙在停采線附近的一部分區(qū)域內(nèi)會(huì)保持穩(wěn)定，而這個(gè)采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)域具有高滲透性，非常利于煤層氣的抽采[4]。

采動(dòng)過(guò)程中煤層氣受應(yīng)力釋放的影響，當(dāng)儲(chǔ)層應(yīng)力降低至甲烷臨界解吸壓力后，甲烷將解吸并擴(kuò)散到孔隙中，孔隙中游離態(tài)甲烷濃度逐漸升高，在濃度差的作用下甲烷分子發(fā)生擴(kuò)散，當(dāng)壓力差和濃度差消失，甲烷分子將停止運(yùn)移。因此，煤層氣富集區(qū)往往具有較好的空滲條件，應(yīng)是應(yīng)力釋放最為強(qiáng)烈的區(qū)域。

煤層氣富集區(qū)按其來(lái)源特征，可以分為開(kāi)采階段煤層氣富集區(qū)和采動(dòng)穩(wěn)定階段煤層氣富集區(qū)。在采動(dòng)影響穩(wěn)定后，采空區(qū)上方的裂隙帶會(huì)被壓實(shí)，向采空區(qū)周邊的采場(chǎng)類(lèi)型帶內(nèi)轉(zhuǎn)移，形成“O”形圈空間瓦斯聚集區(qū)。因此，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)布置煤層氣井，就可以實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)。

2采動(dòng)期井筒結(jié)構(gòu)變形機(jī)理

當(dāng)煤層未被開(kāi)采時(shí)，此時(shí)套管不受采動(dòng)影響處于垂直狀態(tài)。但是隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層由于受到采動(dòng)的影響開(kāi)始發(fā)生緩慢的水MnQssuzxGvQyl/IT4yPvOKWcstwvFPGGWNetPR8cPWQ=平移動(dòng)，工作面繼續(xù)往前推進(jìn)，距離鉆井的距離也越來(lái)越小，巖層受到的擾動(dòng)更加劇烈，而此時(shí)巖層水平移動(dòng)也逐漸增大，由于各巖層的力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力條件不同，其水平移動(dòng)距離各不相同。采動(dòng)期巖層運(yùn)動(dòng)主要分為水平移動(dòng)和向下移動(dòng)。煤層開(kāi)采后，套管受力平衡被打破，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)套管鋼材的強(qiáng)度時(shí)，即可以導(dǎo)致套管破壞。按照套管破壞時(shí)的受力狀態(tài)，可將套管的破壞分為剪切破壞和拉壓破壞兩種破壞形式[5]。

當(dāng)剪切力逐漸超過(guò)套管的剛性強(qiáng)度時(shí)，套管過(guò)渡為塑性狀態(tài)，并發(fā)生塑性彎曲，在此過(guò)程中，支撐套管的水泥環(huán)逐漸失穩(wěn)，發(fā)生破裂，套管由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾敝睜顟B(tài)，并向采空區(qū)的方向傾斜。隨著工作面繼續(xù)往前推進(jìn)，離鉆井的距離更近，而此時(shí)下部的巖層受采動(dòng)的影響較上部的更為劇烈，即此時(shí)下部巖層的水平移動(dòng)速度的增加速率較快，因此當(dāng)巖層的水平移動(dòng)未達(dá)到最大值之前，不同層位巖體位移量不同，套管的狀態(tài)就會(huì)由斜直狀態(tài)轉(zhuǎn)變成“S”狀態(tài)，如圖1（a）所示。“S”型井體最大斜率處往往是巖層性質(zhì)突變面，即巖層交界處；開(kāi)采煤層上覆巖體受地應(yīng)力及重力作用逐漸形成三帶，因此，井位附近的巖體將受超前采動(dòng)影響形成離層，并牽動(dòng)井體向下運(yùn)移，致使井體發(fā)生拉伸變形（如圖1（b）），因此，需要針對(duì)三帶的不同力學(xué)和變形狀態(tài)，對(duì)井筒進(jìn)行分段防護(hù)。

3采動(dòng)區(qū)卸壓煤層氣地面井布置分析

3.1煤層氣井的位置

針對(duì)井筒的破壞特性，為了盡可能減小采動(dòng)對(duì)地面井的破壞，保證井筒的暢通，提出如下采動(dòng)區(qū)地面井布置原則。

（1）地面井的位置應(yīng)考慮采動(dòng)對(duì)井身結(jié)構(gòu)和有利于煤層氣抽采兩個(gè)方面。

（2）應(yīng)盡量避免地面井受到剪切和離層拉伸最嚴(yán)重的區(qū)域。在回采時(shí)，距離工作面位置不同時(shí)，產(chǎn)生的水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不同。在綜合考慮井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的情況下，井筒應(yīng)該布置在地面沉降的拐點(diǎn)和采場(chǎng)中線之間的區(qū)域內(nèi)。

（3）還要考慮到井下瓦斯治理的效果。在采場(chǎng)風(fēng)流的影響下，將井筒布置在工作面回風(fēng)側(cè)的巷道時(shí)，可以對(duì)上隅角的瓦斯起著很好的治理作用。考慮到產(chǎn)能的影響，煤層氣井最好處于裂隙長(zhǎng)期穩(wěn)定的區(qū)域。在采動(dòng)作用下，裂隙發(fā)育且長(zhǎng)期保持穩(wěn)定區(qū)域位于采空區(qū)的周邊，即靠近工作面開(kāi)切眼、進(jìn)回風(fēng)巷等位置附近。因此，將煤層氣井布置在這些區(qū)域附近有利于長(zhǎng)期產(chǎn)氣。

在綜合以上幾個(gè)方面的影響后，動(dòng)采區(qū)煤層氣應(yīng)該布置在回風(fēng)巷側(cè)的地表沉降拐點(diǎn)和采場(chǎng)中心線之間的區(qū)域，如圖2所示。

3.2井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前述上覆巖層裂隙發(fā)育與瓦斯?jié)B流過(guò)程分析，煤礦采動(dòng)區(qū)地面井的設(shè)計(jì)在考慮鉆井抗采動(dòng)影響能力、抽采效果的條件下必須對(duì)地面井各井段的巖層移動(dòng)影響、套管選型、水泥環(huán)參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在地面井區(qū)域布置和安全抽采控制方面統(tǒng)籌兼顧。地面卸壓煤層氣鉆井主要有井身二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)兩種方案，具體如圖3所示。

地面井設(shè)計(jì)成二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，一開(kāi)鉆進(jìn)深度應(yīng)該穿過(guò)施工區(qū)域表土覆蓋層與風(fēng)化帶巖層，并深入基巖50m以下，同時(shí)鉆進(jìn)深度不低于100m；二開(kāi)鉆進(jìn)深度應(yīng)該深入到煤層覆巖垮落帶內(nèi)，下入生產(chǎn)套管+篩管，同時(shí)下入分節(jié)箍，其中套管下深至采空區(qū)上100m，篩管下深至采空區(qū)上10m，即地面井底應(yīng)位于開(kāi)采引起的覆巖裂隙區(qū)瓦斯富集帶內(nèi)，二開(kāi)封固，水泥返至地面，受采高的影響，卸壓范圍較小，可以對(duì)篩管附近巖層進(jìn)行擴(kuò)孔卸壓。

地面井設(shè)計(jì)成三級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，一開(kāi)鉆進(jìn)深度應(yīng)該穿過(guò)施工區(qū)域表土覆蓋層與風(fēng)化帶巖層，并深入基巖10m以下，下入表層套管，對(duì)環(huán)空使用硅酸鹽高強(qiáng)水泥封固；二開(kāi)鉆進(jìn)深度應(yīng)該達(dá)到煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞戏?0～15m的位置，下入套管，套管高出地表0.5m，對(duì)環(huán)空使用硅酸鹽高強(qiáng)水泥封固；三開(kāi)鉆進(jìn)深度應(yīng)該深入到煤層覆巖冒落帶內(nèi)，采用懸掛方式固定篩管。

為保證地面井的抽采效果，施工過(guò)程中應(yīng)該控制裂隙場(chǎng)道氣通道的完整性和污染。由于采動(dòng)區(qū)巖層破壞嚴(yán)重，鉆井施工過(guò)程中容易發(fā)生塌孔和鉆井液泄漏的問(wèn)題。對(duì)于非生產(chǎn)階段施工時(shí)，對(duì)于漏液嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)該采用灌漿堵孔。

4結(jié)語(yǔ)

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)兼具安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。可以充分利用巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的裂隙，加快煤層氣的抽采。在采動(dòng)區(qū)布置煤層氣井，井筒不僅要處于裂隙發(fā)育區(qū)，還要能抵抗巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變形。煤層氣井應(yīng)該布置在回風(fēng)巷側(cè)且地表沉降拐點(diǎn)連線和采場(chǎng)中心線之間的區(qū)域。為了保持煤層氣井的穩(wěn)定性，鉆井應(yīng)該采用二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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