水平分支井技术在地面负压抽采目的层瓦斯中的应用

孟 君

(西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030000)

水平分支井技术在地面负压抽采目的层瓦斯中的应用

孟 君

(西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030000)

为解决某矿主采3号煤层瓦斯含量高的难题，提出了水平分支井技术地面负压抽采与井下瓦斯抽采钻孔相结合的抽采技术。在N2202工作面实施瓦斯地面抽采试验水平井组施工项目，通过对N2202工作面一段时间内的钻孔切入前后的抽采数据和水平分支井总体抽采数据进行分析，结果显示LA-02H水平分支井抽采效果显著，抽采瓦斯总量达到1.82736Mm3。水平分支井瓦斯地面抽采技术在该矿区主采煤层的可实施性及其抽采效果，为高瓦斯矿井实现边采边抽和解决矿井瓦斯隐患提出了很好的解决方式。

高瓦斯矿井；水平分支井；负压抽采；井下钻孔抽采

ApplicationofHorizontalMultilateralWellTechnologyinSurfaceDrainingMethaneinCoal-seam

我国煤层瓦斯存储资源十分丰富，实行煤矿瓦斯抽采也有相当悠久的历史。近年来，随着煤炭产量以及采深的急剧增加，高瓦斯矿井的比重也逐年增大，使得瓦斯抽采技术得到了多元化的发展。“先抽后采、能抽尽抽、以用促抽”的思想[2]成为21世纪高瓦斯矿井开采的重要指导方针。

瓦斯含量高的煤层进行抽采措施可以实现：减少瓦斯涌出、预防瓦斯超标、降低瓦斯聚集；降低煤层中存储的瓦斯能量、提高煤体强度，防止煤与瓦斯突出；降低对环境的破坏以及获得高效清洁的能源[3]。

某矿井田内主采3号煤层，N2202工作面瓦斯含量达15m3/t，为安全开采急需解放煤层瓦斯。N2202工作面在掘进期间已经实施了井下瓦斯抽采，但工作面中间部位抽采效果不佳，针对此问题该矿在N2202工作面实施瓦斯地面抽采试验水平井组施工项目，从而实现井下瓦斯地面负压强抽，达到瓦斯的快速抽放，解决了N2202工作面的瓦斯问题。

1 水平分支井技术概况

某矿为高瓦斯矿井，自2006年试生产以来瓦斯涌出量逐年增大，采空区瓦斯涌出量占工作面风排瓦斯量的平均比例为17.24%～25.86%，可见回采时采空区的瓦斯抽采至关重要。为了探索研究新的抽采工艺和方法来解决采空区的抽采问题，提出在N2202工作面地表建设水平分支井，分支井与井下瓦斯抽采钻孔相结合的抽采技术，以便快速抽放瓦斯。

水平分支井技术方案在N2202工作面实施，试验井组包括2口径向水平分支井(LA-02H-1，LA-02H-3)和1口高抽巷水平井(LA-02H-2)，如图1和图2所示。

图1 N2202工作面水平分支井设计布置

图2 LA-02H水平分支井剖面示意

2 现场LA-02H水平井设计

2.1 水平井定向设计

瓦斯地面抽采试验水平井LA-02H布置方式如图1、图2所示，其中LA-02H-1，LA-02H-3分支井布置于二叠系山西组3号煤层内，LA-02H-2井布置于煤层顶板上方29m左右(二叠系下石盒子组)。以LA-02H-1分支井为例，其井身结构设计及尺寸如图3所示，分3段钻井：第1段为直井段，采用φ311.2mm牙轮钻头钻穿基岩风化带10m后，预计井深80m(以实钻地层为准)，下入φ244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层，注水泥全封固；第2段为造斜段，采用φ215.9mm牙轮钻头，钻达井深618m，垂深520m，井斜86.4°，下入φ177.8mm技术套管固井，水泥返至300m；第3段为水平段，采用φ158.7mm钻头，沿3号煤层水平钻井至N2202工作面切眼位置，下入φ152.4mm的PE管完井。

图3 LA-02H井身结构示意

其中直井段30～50m单点测斜，通井时测多点，10m一点数据；造斜段采用MWD随钻监测导向，测量间距10m；水平段采用EMWD电子随钻测量仪进行地质导向，跟踪监控井眼轨迹，每10～20m取一组数据，取全基准轨迹数据。其中MWD，EMWD导向可以清楚地区分煤层等低伽玛层与泥岩围岩的区别，并能判断钻头穿顶还是穿底，从而及时地调整导向轨迹[4-5]。

2.2 水平井固井方案

采用泥浆对LA-02H水平分支井进行加固维护。第1段直井段使用坂土-CMC(中)钻井液；第2段造斜段采用聚合物钻井完井液体系；第3段水平段针对目的层钻进，钻井液使用绒囊钻井液泥浆体系[6-7]。

现场配浆时，要做到黏度大于40s，密度控制在0.90g/cm3左右，失水小于5mL，切力(3～20)/(5～25)mg/cm3，动切力大于15mg/cm3，塑性黏度大于18r/min，pH控制在9～10，要求绒囊囊泡均匀分布于钻井液中。当钻进易漏地层时，一旦发现有渗漏，根据实测dc指数、地层孔隙压力、地层压漏试验数据以及气测数据，立即调整钻井液的密度和流变性能。严格控制失水，增强钻井液的抑制性能，提高护壁质量，防止井壁垮塌。

2.3 水平井抽采技术

水平分支井泵站位于N2202工作面上方地面，由4台ZWY270/355-G-0P型煤矿用移动式瓦斯抽放泵组成，额定抽气量265m3/min，电机功率250kW，极限真空度-81kPa。由于随着N2202工作面的推进，采面的上覆岩层自下而上会形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。垮落带和裂缝带下部的强裂隙区为采煤后亏空卸压形成的渗透性极强的区带，存在着大量的新生裂缝，这些新生裂缝是混合气的主要储集空间和抽采的主要运移通道。

通过在裂缝带提前布置水平井眼，随着工作面的掘进，当井眼周围逐渐形成事实裂缝带时，通过地面真空泵的抽吸，可以获得较高的瓦斯抽采量。这种地面抽采井，因其水平段位于垮落形成的强裂缝带内，瓦斯抽采效率高，抽出的瓦斯浓度也高。井在采煤以后可以长期使用，用以抽采采空区瓦斯。工作面进入开采阶段前，地面负压抽吸排采，可大大降低工作面内的瓦斯，可防止开采过程中瓦斯出现异常情况。采空后水平井可继续抽采，以排采地层蠕动后煤层上部聚集的瓦斯。地面钻探成井后，在煤矿井下抽采的同时，采用地面负压抽采，实现瓦斯与煤联动开采，效果显著。

3 现场数据分析

3.1 钻孔切入前后的抽采效果

N2202工作面推进的过程中，水平分支井在不断地被切入，切入点前后瓦斯浓度发生变化。通过对该矿6月份的抽采数据进行统计分析，得出水平分支井被切入前后的瓦斯浓度和纯流量变化曲线，如图4所示。

图4 N2202工作面水平分支井抽采参数

由图4可以看出随着工作面的不断推进，瓦斯浓度和纯流量都在逐步提升，6月11日至6月12日瓦斯浓度由4%突增至18%，直至6月23日瓦斯浓度基本保持在20%以上，可见水平分支井已经开始对裂缝带起抽采作用了。经研究决定将水平分支井的负压由原来26kPa调至45kPa，以便起到更好的效果。6月23日将抽采负压由26kPa提升到45kPa后瓦斯浓度由原来35%提升到43%，瓦斯纯流量由5.47m3/min提升到18.92m3/min。由此可以推断水平分支井已经对N2202裂缝带抽采有了明显的效果，并且随着工作面继续推进水平分支井的作用将越来越明显。

3.2 水平分支井总体抽采效果

LA-02H水平分支井自2012年6月开始试运行，2012年6月28日8点班水平分支井泵站V锥出现严重波动情况，随后不显示浓度和流量，经分析是分支井钻孔堵孔造成。6月28日至8月26日进行下管、洗孔，此期间无抽采数据，2012年8月26日8点班，泵站重新带抽，重新带抽后至2013年5月止的抽采效果如表1所示。

表1 N2202工作面瓦斯总体抽采效果数据

通过表1数据变化规律情况可以看出在水平分支井地面泵站重新带抽后，泵站负压基本保持在45kPa左右时，瓦斯进气管浓度和纯流量平均值均能保持在一个稳定的数值，且随着抽采日期的延续，其值有变小的趋势，说明该技术确实对工作面煤体内的瓦斯起到了抽采的效果，使得工作面煤体内的瓦斯含量降低。

与该矿以前所采用的抽采方案相比较，水平分支井方案由于覆盖范围广、层位稳定，对裂缝带具有很好的抽采效果，从N2202水平分支井投运到现在，平均抽采瓦斯量为4.5m3/min，共抽采瓦斯总量1.82736Mm3。

4 结论

(1)N2202工作面采用水平分支井抽采瓦斯后，随着工作面的推进，瓦斯浓度和纯流量均逐步提升，从N2202水平分支井投运至今，平均抽采瓦斯量为4.5m3/min，总共抽采瓦斯总量为1.82736Mm3，该技术对工作面煤体内的瓦斯抽采效果显著。

(2)水平分支井由于覆盖范围广，层位稳定，对裂缝带的瓦斯抽采效果显著。水平分支井抽采瓦斯技术可实现开发利用煤层气资源；实现高瓦斯矿井边采边抽，应抽尽抽的目标。

(3)水平分支井技术也存在诸多缺陷亟待改善，比如造价昂贵，施工难度比较大。由于水平分支井井筒直径比较小，当负压大时，气体阻尼效应明显，容易携带岩屑顺管道前移、堆积，造成堵塞，后期维护困难等。

[1]王魁军，张兴华.中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景[J].中国煤层气，2006，3 (1)：13-17.

[2]龙伍见.我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望[J].矿业安全与环保，2010，37(4)：74-77.

[3]程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009，26(2)：127-129.

[4]陈 静，刘 勇.EM-MWD系统无线传输技术探讨[J].电子测量技术，2009，32(10)：4-7.

[5]胡 超，郭世侯，谭清明，等.随钻地质导向系统在广安构造的应用评价[J].钻采工艺，2008(7)：34-36.

[6]滕子军，赵善友.煤田钻探中煤层坍塌的原因分析及防治措施 [A].山东煤炭学会2004年度优秀学术论文集[C].2004.

[7]张晓宏.陕西省煤田地质局钻探技术回顾与发展战略探讨 [A].煤田地质与可持续发展研究论文集[C].2003.

[责任编辑：施红霞]

2013-12-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.024

孟 君(1972-)，男，内蒙古商都人，高级工程师，从事煤矿开采和瓦斯抽放等方面研究。

孟 君.水平分支井技术在地面负压抽采目的层瓦斯中的应用[J].煤矿开采，2014，19(5)：86-88.

TD712.6

B

1006-6225(2014)05-0086-03