井上下联合抽采瓦斯技术浅析

李全中

(山西工程技术学院 矿业工程系，山西 阳泉 045000)

·专题综述·

井上下联合抽采瓦斯技术浅析

李全中

(山西工程技术学院 矿业工程系，山西 阳泉 045000)

井上下联合抽采瓦斯是一项煤矿瓦斯治理的新技术，具有减少煤矿瓦斯灾害和节约利用资源的优点。本文介绍了地面、煤矿井下以及井上下联合抽采瓦斯技术，对各种抽采瓦斯的方法进行了简要的论述。井上下联合抽采瓦斯的应用结果表明：采用地面压裂和井下联合抽采技术，克服了低渗煤层地面压裂效果差的缺陷，降低了抽采成本和瓦斯治理费用，为中小煤矿瓦斯抽采和区域治理提供了有效手段，同时释放了突出矿井产能。因此，具有一定的综合效益，是煤炭与煤层气开发的发展趋势。

瓦斯；地面钻孔抽采；井下钻孔抽采；井上下联合抽采

瓦斯灾害是破坏力极强的煤矿地质灾害。煤矿瓦斯灾害事故有煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸两种，强化瓦斯抽采是防止瓦斯灾害事故最有效的根本途径。目前，煤矿瓦斯抽采技术主要有两种，一种是井下钻孔抽采技术，另一种是地面钻井抽采技术[1-3]. 井下钻孔抽采技术的优点是成本低、可靠性高，经过多年的发展已经比较成熟，是各大矿区煤矿进行瓦斯抽采的主要技术途径[4，5]. 地面钻井抽采技术则是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术，其优点是受井下生产影响小、安全性高，目前已经在晋城、淮南、淮北等几大矿区取得了理想的现场应用效果[6-8]. 将井下抽采和地面抽采有机结合，建立井上井下瓦斯抽采技术模式，是提高矿井瓦斯治理能力、保证矿井安全生产的有效途径。

1 地面钻孔抽采技术

1.1 垂直井抽采瓦斯技术

垂直钻井技术是世界煤层气开发中最常用最简单的技术，即从地面打竖井穿过煤层实现抽采煤层气，具有设备简单，作业简单，投资小，机动性强等优点，但这一技术主要适应于地形平坦、渗透性较好的厚煤层或煤层群。垂直井钻井完成后，还需要完井、压裂、排采，才能将煤层中的煤层气采出。煤层气井完井方式主要有裸眼完井、套管完井、混合完井3种。压裂是在地面采用高压大排量的泵，利用液体传压的原理，将具有一定黏度的液体，以远远大于煤层吸收能力的速度向煤储层注入，使井筒内压力逐渐增高。随着外来力量的增加，在克服了煤层本身破裂时所需要的能量后，煤层在最薄弱的地方开始破裂，劈开形成一条或多条裂缝。继续向煤层注入流体，裂缝就会扩展，为了防止产生的裂缝闭合，向煤层中注入加有支撑剂的携砂液，支撑产生的裂缝，然后注入顶替液，将井筒周围支撑剂全部驱替进入裂缝，建立一条连通井筒与煤层的裂隙通道，增加煤层的渗透性，提高煤层气的抽采效果。垂直井井身结构示意图见图1，水力压裂工艺流程图见图2.

图1 垂直井井身结构示意图

图2 水力压裂工艺流程图

1.2 水平井抽采瓦斯技术

水平井是指当钻井接近煤层后，将井身沿着煤层或煤层顶底板钻进一定距离的井，其钻井方法是从地面开孔，先打直井段，再造斜，进入煤层后沿煤层钻相当长的水平段，几百米甚至上千米，相对于垂直井来说，水平井可以增大储层的裸露面积，提高煤层气产量。目前煤层气领域已有多种多样的水平井，主要有U型井、多分支水平和羽状水平井。U型井示意图见图3，多分支水平井示意图见图4.

图3 U型井示意图

图4 多分支水平井示意图

2 井下钻孔抽采技术

2.1 本煤层抽采

利用钻孔抽采本煤层瓦斯是我国煤矿常用的一种抽采方法，指在煤层巷道中设置钻场，向煤层打平行钻孔，进行煤层瓦斯的抽采。这种方法钻孔具有速度快、费用低等优点，但常常因为抽采时间短，封孔效果等原因，抽采瓦斯气体浓度低，抽采率一般只能达到20%左右。本煤层钻孔示意图见图5.

图5 本煤层钻孔示意图

2.2 邻近层抽采

邻近层抽采瓦斯也是煤矿瓦斯抽采的一种重要手段，是指煤层开采后，会对煤层上部或下部的煤层产生影响，造成变形或卸压，产生裂隙。为了防止上部或下部煤层中瓦斯气体通过这些裂隙进入开采煤层，造成瓦斯浓度升高，就需要在开采煤层设计钻孔抽采邻近层瓦斯气体。对于特厚煤层或近距离煤层群，为了提高抽采效果，可以在煤层底板稳定的岩层中，开掘一条巷道，在这条巷道内向煤层中打钻孔，用于抽采瓦斯。穿层钻孔抽采瓦斯时间长，抽采范围大，抽采率高于本煤层瓦斯抽采，瓦斯抽采率一般超过50%.穿层钻孔示意图见图6.

图6 穿层钻孔示意图

2.3 采空区抽采瓦斯

采空区瓦斯涌出是工作面瓦斯超限的主要原因之一，其涌出量在矿井瓦斯总涌出量中占有很大比例，一些矿井高达40%～50%，所以也需要对采空区瓦斯进行抽采。采空区瓦斯抽采一般采用埋管抽采、高位钻孔抽采和上隅角抽采等方式，在一些煤矿采空区抽采效果明显，抽采瓦斯浓度高达60%～80%. 采空区瓦斯抽放示意图见图7.

图7 采空区瓦斯抽放示意图

3 井上下联合抽采技术

井上下联合抽采就是将煤层气地面开发与井下瓦斯治理有机结合起来。煤层气的地面抽采，对于煤炭开采具有一定的意义，但也存在一些缺陷，容易造成瓦斯抽采盲区，在一些低渗煤层抽采效果并不理想，影响煤炭的开采。同样，煤炭的开采对煤层气的开发也有影响，一方面是煤炭回采造成覆岩移动变形对煤层气地面井的破坏，严重破坏地面煤层气钻孔的井身结构，导致钻孔失效；另一方面是煤炭的回采在造成覆岩移动破坏的同时，使得采面附近及采动影响区内的煤层产生应力释放，原有裂缝充分张开，并产生新的裂缝，总体上改造了煤层的渗透性，使得抽采更加容易。因此，需要采取适当的技术和工艺措施克服煤炭生产与煤层气开发之间的不利影响，加强并充分利用两者之间的正面影响。采用地面压裂和井下抽采技术，克服了低渗煤层地面压裂效果差的缺陷，大幅度降低了抽采成本和瓦斯治理费用，实现了煤矿的“先抽后采”、“采煤采气一体化”，尤其适用于不具备井下压裂的中小煤矿，为中小煤矿瓦斯抽采和区域治理提供了有效措施，同时释放了突出矿井产能[9]. 井上下联合抽采技术原理图见图8.

图8 井上下联合抽采技术原理图

4 结 论

实践表明，井上下联合抽采煤层气：1) 可以降低煤层中的瓦斯含量，减少瓦斯涌出量和回采工作面的瓦斯浓度，防止煤与瓦斯突出，达到安全生产的目的。2) 抽采出来的煤层气可以作为高效能源加以利用，一定程度上改变能源结构。3) 可以减少煤矿和煤层气公司的利益争端问题。因此，具有一定的综合效益，是煤炭与煤层气开发的一种趋势。

[1] 袁 亮.煤与瓦斯共采领跑煤炭科学开采[J].能源与节能，2011(4)：1-4.

[2] 卢 平，袁 亮，程 桦，等.低透气性煤层高瓦斯采煤工作面强化抽采卸压瓦斯机理及试验[J].煤炭学报，2010，35(4)：580-585.

[3] 袁 亮.高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术[J].煤炭学报，2006，31(2)：174-178.

[4] 袁 亮.低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术[J].煤炭学报，2008，33(12)：1362-1367.

[5] 汪有刚，李宏艳，齐庆新，等.采动煤层渗透率演化预卸压瓦斯抽放技术[J].煤炭学报，2010，35(3)：406-410.

[6] 胡国忠，王宏图，李晓红，等.急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计[J].煤炭学报，2009，34(1):9-14.

[7] 袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J]．煤炭学报，2009，34(1):1-8.

[8] 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):127-139.

[9] 袁 亮，郭 华，沈宝堂，等.低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[J]．煤炭学报，2011，36(3):357-365．

Analysis of Combined Gas Drainage Technology from Ground and Underground

LI Quanzhong

The combined extraction of gas from ground and underground is a new technology for coal mine, which has the advantages of reducing the risk of coal mine gas disaster and maximally utilizing resources. The paper introduces the ground and underground coal mine gas drainage technology, a variety of methods of gas extraction were briefly discussed. The results show that the use of ground fracturing pumping, together with the underground drilling technology, can greatly overcome the low permeability of solely the ground fracturing mode, greatly reducing the drainage treatment cost and gas costs, provides effective means for small and medium sized coal mines in gas drainage and environmental friendly protection, greatly released production capacity in case of gas outburst conditions. Comprehensive benefit achieved, the model has become the development trend in coal and CBM rich coalmines.

Gas; Ground drilling drainage; Underground borehole extraction; Combined extraction from ground and underground

2016-07-13

李全中(1986—)，男，河南周口人，2014年毕业于河南理工大学，硕士研究生，助教，主要从事瓦斯地质与煤层气勘探开发工作

(E-mail)2227966066@qq.com

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