地面钻井抽采采空区瓦斯技术及工程应用∗

何宇雄刘应科韩 巍

(1.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西省长治市,046100; 2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116; 3.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

地面钻井抽采采空区瓦斯技术及工程应用∗

何宇雄1刘应科2,3韩 巍2

(1.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西省长治市,046100; 2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116; 3.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

余吾煤业公司采用放顶煤开采技术,针对低透气性煤层提出了地面钻井抽采采空区瓦斯技术,设计了防剪切破断井身结构和最优布井位置,优化了钻井设计方案。工程实践结果表明,地面钻井单井最长抽采期为57 d,纯瓦斯抽采流量最大值为12.94 m3/min,单井累计抽采纯瓦斯39.31×104m3,上隅角平均预警次数由抽采前8.3次降至1.03次,显著降低了井下瓦斯超限频率,保证了矿井安全高效生产。

低透气性煤层 放顶煤开采 地面钻井 瓦斯抽采 采空区瓦斯 预警次数

1 矿井及工作面概况

山西余吾煤业公司是一座高瓦斯矿井,目前,全矿井瓦斯涌出量337.4 m3/min。现主采3＃煤层,煤层平均厚6.31 m,平均倾角5°,平均瓦斯含量8.5 m3/t,瓦斯压力0.42～0.87 MPa,煤体坚固性系数0.44～0.58,属低透气、强吸附性、难抽放煤层。

N2105工作面位于北风井东翼采区,东侧、西侧及北侧均为实体煤,南侧为南二采区5条下山巷(已掘),工作面平均埋深552 m。工作面走向长2170 m,倾斜长285 m,采高3.2±0.1 m,循环进度0.8 m。采用“三进一回”的Y型通风方式,采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤一次采全高采煤工艺开采煤层,全部垮落法管理顶板。

N2105工作面原始瓦斯含量为10.0496 m3/t,工作面回采期间绝对瓦斯涌出量达85 m3/min,为了降低瓦斯涌出量,余吾煤业公司先后采取了采前预抽、裂隙带抽采、千米钻机抽采等瓦斯抽采方法,但瓦斯治理效果不明显,回风瓦斯浓度仍高达0.96%,工作面瓦斯频繁超限,严重影响了工作面的安全开采。为提高N2105工作面的瓦斯抽采效果,余吾煤业公司在N2105工作面开展了地面钻井抽采采空区瓦斯的工程试验。

2 地面钻井抽采试验

随着N2105工作面的回采,采空区上覆岩层中弯曲下沉带内产生大量离层裂隙和竖向裂隙,沟通了上、下岩层间的瓦斯流动通道,地面钻井抽采采空区瓦斯就是通过将地面钻井打进裂隙带内,构建地面瓦斯抽采系统,将采空区瓦斯抽采至地面。

2.1 地面钻井布井位置

N2105工作面回采期间,随着工作面的推进,采动裂隙不断发展,采空区中部采动裂隙最为发育,关键层破断后,位于采空区中部的采动裂隙趋于压实,而在采空区四周则存在一相互连通的采动裂隙发育区,称为采动裂隙O型圈。根据卸压瓦斯O型圈抽放理论和国内其他钻井工程经验,地面钻井布置在距回风巷一侧20～50 m内。根据N2105工作面实际条件,共布置3口试验钻井, 1＃钻井沿走向距切眼469 m,沿倾向距回风巷道45 m;2＃钻井与1＃钻井间距303 m,沿倾向距回风巷道35 m;3＃钻井与2＃钻井间距494 m,沿倾向距回风巷道35 m,钻井平面布置如图1所示。

图1 钻井布置平面图

2.2 地面钻井井身结构

1＃、2＃钻井采用常规直井的钻井井身结构,开孔采用ø311.1 mm孔径穿过松散层,钻至基岩以下15 m,下入ø244.5 mm×8 mm表层套管并固井;二开段采用ø215.9 mm孔径钻至预计裂隙带顶部,下入ø177.8 mm×9.19 mm石油套管,采用单层普通水泥固井;三开段采用ø152.4 mm孔径,下入ø127 mm×8 mm缠丝筛管。由于N2105工作面开采强度高,推进速度快(平均推进速度为4 m/d),上覆岩层活动剧烈,对钻井井身的破坏作用大,因此工作面推过钻井约60 m时(工作面推过1＃钻井57 m时钻井发生失效,推过2＃钻井64 m时钻井发生失效,因此,此处取平均距离约为60 m),发生了钻井失效,抽采流量大幅度降低。为延长钻井有效抽采期,提高瓦斯抽采效果,对3＃钻井井身结构进行了优化设计:增加钻井孔径、套管壁厚,开孔采用ø570 mm孔径穿过松散层,钻至基岩面以下15 m,下入ø508 mm×9 mm表层套管并固井;二开段采用ø445 mm孔径钻至预计裂隙带顶部,下入ø339 mm×13.06 mm石油套管,采用分段固井技术实现双层固井;三开段采用ø266.7 mm孔径,下入ø219 mm×12.07 mm缠丝筛管;四开段裸孔段采用ø177.9 mm孔径,不固井。3＃钻井井身结构如图2所示。

图2 3＃钻井井身结构示意图

3 效果分析

3.1 瓦斯抽采参数分析

2014年5月5日,3＃钻井开始联网抽采瓦斯,至2014年6月30日,3＃钻井抽采天数为57 d,共计抽采瓦斯量为39.31×104m3。3＃钻井抽采纯瓦斯流量、混合流量、瓦斯浓度和抽采负压随工作面推过钻井距离的变化见图3。

图3 3＃钻井瓦斯抽采参数随工作面推过钻井距离变化曲线

由图3可以得出:

(1)当工作面推过3＃钻井15～20 m,瓦斯纯流量和浓度开始上升,表明顶板垮落采空区形成,钻井通过裂隙带与采空区沟通;与此同时,混合流量与抽采负压分别由原来的29 m3/min和13 kPa增大至52 m3/min和35 k Pa,这是由一台泵运行变为两台泵运行抽采工况点发生变化所致。

(2)当工作面推过钻井20～35 m,由于1＃抽采泵出现故障停止运行,抽采由两台泵变为一台泵运行,导致抽采工况点发生变化,混合流量与抽采负压分别减小至30 m3/min和18 k Pa;当工作面推过钻井35～40 m,故障泵修好,恢复为两台泵运行,混合流量与抽采负压分别增大至52 m3/min和32 kPa。

(3)当工作面推过钻井24.9～49.8 m,纯瓦斯流量和瓦斯浓度均呈现快速下降的趋势,纯瓦斯流量由10.98 m3/min下降至6.4 m3/min,瓦斯浓度由25.45%降至12.54%。这段时间可能由于顶板来压导致采空区垮塌加剧,裂隙大量闭合所致。

(4)当工作面推过钻井50～70 m,混合流量由50 m3/min降至19 m3/min,负压由40 k Pa增加至60 kPa,表明抽采阻力增大、井段开始出现破坏情况。当工作面推过钻井70 m之后,抽采负压稳定在60 kPa左右,混合流量稳定在15 m3/ min左右;纯瓦斯流量稳定在4 m3/min左右,瓦斯浓度稳定在25%左右,表明采空区上覆岩层活动趋于稳定,钻井进入稳定抽采期。

3.2 预警次数对比分析

经统计得到1＃、2＃和3＃钻井抽采前后N2105工作面上隅角平均预警次数,如图4所示。由图4可以看出,地面钻井抽采可以大幅度降低N2105工作面上隅角的瓦斯超限预警次数;1＃、2＃和3＃钻井抽采后的预警次数分别降低为抽采前的55.7%、25.5%和12.4%。1＃、2＃和3＃钻井的预警次数降低幅度依次增加;3＃钻井的瓦斯治理效果最优。

图4 瓦斯抽采预警次数对比分析

4 结语

(1)进行地面钻井抽采后,N2105工作面上隅角平均预警次数降低至抽采前的12.4%,平均预警次数降低至1.03,表明采用地面钻井抽采采空区瓦斯效果显著,能够显著降低工作面瓦斯涌出量,减轻井下瓦斯抽采压力,保证矿井安全高效生产。

(2)钻井设计方案优化后,3＃钻井抽采时间和抽采量均远大于1＃、2＃钻井,表明适当增加套管管壁厚度,采用分段固井技术实现双层固井能够增强井身抗剪切破坏能力,延长钻井抽采时间和增加产气量。

(3)1＃、2＃、3＃钻井平均瓦斯抽采浓度分别为35.76%、25.96%、21.08%,表明抽采瓦斯浓度与地面钻井的布井位置及与地面钻井的井底距采空区上层高度有关,采用合理的布井位置,更有利于抽出高浓度瓦斯。

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Gas drainage technique in goaf from ground boreholes and its application

He Yuxiong1,Liu Yingke1,2,Han Wei2
(1．Yuwu Coal Industry Co．,Ltd．,Shanxi Lu＇an Mining Group Co．,Ltd．,Changzhi,Shanxi 046100,China; 2．Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3．State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

In view of low permeability and the technical conditions of coal occurrence and topcoal caving of Yuwu Coal Mining Company,the ground drilling technique for the gas drainage in goaf was put forward,the anti-shear-fracture borehole and the optimal location of boreholes were designed,the drilling design scheme was optimized,and the engineering practice was carried out．The results show that the longest drainage is 57 days for single borehole from ground,and the maximum drainage rate is 12．94 m3/min．Furthermore,the total flow of pure gas for single borehole was 39．31×104m3,the average number of warning in the upper corner was decreased from 8．30 before drainage to 1．03,significantly reducing the overrun frequency of underground gas, ensuring the safe and high-efficient production in coal mine．

low permeability coal sean,top-coal caving mining,ground boreholes,gas drain age,gas in goaf,number of warning

TD712.6

A

何宇雄(1982－),男,陕西宝鸡人,工程师,现任潞安集团余吾煤业有限责任公司副矿长,长期从事于煤矿一线瓦斯治理工作。

(责任编辑 张艳华)

中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目(SKLCRSM13KFB04)