井上下联合抽采瓦斯技术的研究及应用

肖丽辉 李彦明 徐树斌

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区，400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市九龙坡区，400039)

煤矿瓦斯抽采技术主要有井下钻孔抽采技术和地面钻井抽采技术两种。煤层钻孔抽采瓦斯工艺作为防治煤矿瓦斯灾害事故的根本性措施之一，已被广泛应用，施工煤层瓦斯抽采钻孔具有速度快、费用低等优点，但缺点也较明显，如抽采时间短、抽采效率低、抽采掘接替紧张等问题。地面钻井抽采技术受井下生产影响小、安全性高，但其会因工作面的回采导致钻孔发生切孔、堵孔，瓦斯抽采效果不理想，同时其适用范围受限制，一般适用于地形平坦、渗透性较好的厚煤层或煤层群。

山西晋煤集团是我国优质无烟煤重要的生产基地，全国最大的煤化工企业集团和全国最大的煤层气抽采利用基地，目前大部分主力生产矿井均为高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井，瓦斯灾害问题越来越严重。晋煤集团寺河煤矿属于单一厚煤层开采，煤层埋藏较深，地应力和瓦斯含量较大，由于矿井抽采掘接替紧张，施工井下瓦斯抽采钻孔已不能很好地抽采煤层的大量瓦斯。因此，急需采用更有效的措施提前释放煤层瓦斯，实现安全生产。

考虑实际情况，煤矿决定采用井上下联合抽采技术，利用地面预抽井安设压裂油管连接井下钻孔进行定向扩孔压裂，增加煤层的渗透性，从而进行瓦斯抽出，进而加快煤(岩)巷的掘进速度。

1 井上下联合抽采瓦斯技术原理

井上下联合抽采瓦斯技术是在结合井下钻孔与地面钻井瓦斯抽采优势的基础上，进行了工艺再创新。首先在煤矿井下施工大直径定向钻孔，再通过地面压裂钻孔将压裂油管深入到大直径定向钻孔的煤层段内，在压裂油管中泵入压裂液进行压裂，井上下联合抽采示意图如图1所示。通过这种地面井定向扩容的压裂方式增加煤层的渗透性，增强瓦斯的解吸能力，最终通过定向钻孔和地面井相结合的方式进行瓦斯抽采。这种新的瓦斯抽采模式，在空间上体现了井上下结合，在时间上体现了井下先抽、地面井后抽的特点。

图1 井上下联合抽采示意图

要实现井上下联合抽采的良好抽采效果，井下定向钻孔的布置层位以及地面钻井与定向钻孔的连接位置的选择都很重要。根据“三带”理论可知，在采空区竖直方向，从下往上依次为冒落带、断裂带和弯曲下沉带。在采空区四周覆岩的下部存在裂隙发育区，称为“O”形圈。随着煤层工作面的开采，“O”形圈也以相同的速度向前发生移动，在采空区四周始终存在着“O”形圈裂隙区域，该区域为瓦斯聚集的主要场所。

根据以上分析可知，可选择裂隙带作为地面钻井与井下定向钻孔的连接区域，但同时考虑到地面钻井的稳定性和密封性，将连接段选择在裂隙带不是最优方案。综合考虑，既能满足抽采时所需的相互连通的裂隙通道，又能保证井筒的相对稳定性和密闭性，将地面钻井与井下定向钻孔的连接位置设计在裂隙带与弯曲下沉带界面附近的过渡区域。

2 工业性试验

本次试验地点为山西晋煤集团寺河矿，由于寺河矿西区大巷井下瓦斯涌出量较大，给掘进工作带来困难。单靠井下钻孔抽采瓦斯已经不能满足安全生产需求。为此，在该矿区进行了井上下联合抽采瓦斯试验。

2.1 煤层情况

试验地点煤层为3#煤层，煤层厚度5.64 m，埋深335 m，平均渗透率2.96 md，储层压力约2 MPa。在煤层下方约10.5 m进行岩巷掘进时，巷道发生较大的瓦斯涌出，严重影响巷道掘进工作，以致影响采煤接替。

2.2 钻孔施工过程

为确保后期套管顺利下入和水泥封孔质量，岩石孔段定向钻孔必须做到保直、保径。岩孔钻进采用“先导孔+扩孔”的方式成孔。

定向钻孔采用ø96 mm钻头+弯螺杆马达+随钻轨迹测量系统的组合钻具施工。施工时先采用弯螺杆马达驱动钻头钻进80 m，再采用复合钻进的方式划孔80 m。在采用弯螺杆马达钻进时，每1.5 m测量一次钻孔轨迹，以便随时修正钻孔轨迹，保证钻孔轨迹沿设计轨迹延伸。

导向孔施工完成后用ø96 mm+ø153 mm组合钻头+ø150 mm螺旋扶正器扩孔，完成扩孔后划孔1次。在第一次扩孔的基础上采用ø193 mm钻头+ø190 mm螺旋扶正器进行二次扩孔，完成扩孔后划孔2次以保证孔璧质量。两次扩孔的钻具组合如图2 所示。

图2 扩孔钻具组合图

煤矿井下施工的ø96 mm先导孔及一次扩孔至ø153 mm的定向钻孔要先在稳定岩层内延伸，当岩孔钻至设计孔深时退出钻具，用ø193 mm钻头扩孔10 m，下入10 m的ø153 mm钢套管封孔，并选用水泥进行封孔。待水泥凝固后用ø96 mm钻头钻进煤层水平孔，钻孔在煤层中延伸。当钻孔在煤层中延伸至目标层位后退钻，下入60 m长的ø89 mm油管，并进行封孔。封孔后连接好孔口装置，进行压裂和接抽。定向钻孔施工过程示意图如图3所示。

图3 定向钻孔施工过程示意图

2.3 压裂设计

本次试验施工ø118 mm地面钻井，井深为370 m，压裂试验的对比研究分为两个阶段。第一阶段施工1个穿层压裂孔和2个参照孔，穿层压裂孔煤层段长度为100 m，采用油管压力方式。第二阶段施工1个穿层压裂孔和2个顺层定向考察孔，2个顺层定向考察孔分别位于穿层压裂孔左侧40 m和110 m处，穿层压裂孔的煤层段为150 m，2个顺层定向考察孔的煤层段为240 m，并在未压裂、未抽采过的区域实施参照孔1个，参照孔煤层段长度为470 m。

2.4 瓦斯抽采对比分析

第一阶段压裂的穿层压裂孔岩层段长度为150 m，煤层段长度为100 m，施加的最大压裂油压为20.68 MPa，达到压裂产生大裂隙的要求。压裂完成后对穿层压裂孔进行瓦斯抽采，抽采时间为390 d，最高抽采量8.82 m3/min，平均抽采量为5.38 m3/min，平均抽采浓度为72.07%，累积抽采瓦斯纯量为218.66万m3，折算每米每天抽采瓦斯为56.07 m3/(d·m)。第一阶段压裂瓦斯抽采效果如图4所示。在压裂位置同一巷道施工对比孔2个，对比孔的抽采量平均为1 m3/(min·dm)，而压裂孔的瓦斯抽采量平均达到3.9 m3/(min·dm)，对比后可知，采用井上下联合抽采的方式使瓦斯抽出量增加了近3倍，达到了较好的压裂增透效果。

图4 第一阶段压裂瓦斯抽采效果

第二阶段压裂施加最大压裂油压为22.26 MPa，并在压裂液中添加了石英砂支撑剂。压裂增透试验后对3个孔的瓦斯进行抽采，抽采时间为179 d，抽采期间平均瓦斯抽采量为17.01 m3/min，平均瓦斯抽采浓度为71.13%，积累抽采瓦斯纯量达438.96万m3，折算每米每天抽采瓦斯62.88 m3/(d·m)。第二阶段压裂瓦斯抽采效果如图5所示。

图5 第二阶段压裂瓦斯抽采效果

参照孔抽采时间为130 d，抽采期间最高抽采瓦斯纯量为3.61 m3/min，平均抽采瓦斯纯量为1.11 m3/min，最高抽采瓦斯浓度为79.9%，平均抽采浓度为49.3%，累积抽采瓦斯量为16.31万m3，折算每米每天抽采瓦斯2.67m3/(d·m)。与压裂后每米每天抽采瓦斯62.88m3/(d·m)相比，压裂后瓦斯抽采量提高了22.6倍。由此可以看出，压裂后煤层瓦斯的增透效果非常显著。

3 结论

(1)由第一阶段的压裂效果可以看出，压裂后最高抽采量为8.82 m3/min，平均抽采量为5.38 m3/min，折算每米每天的瓦斯抽采量为56.07 m3/(d·m)，压裂后每米每天瓦斯抽采量是参照孔的4倍。

(2)由第二阶段的压裂效果可以看出，抽采期间的平均瓦斯抽采量为17.01 m3/min，折算每米每天抽采瓦斯62.88 m3/(d·m)。每米每天瓦斯抽采量是参照孔的23.55倍，效果非常显著。

(3)通过在寺河矿的应用可以看出，井上下联合抽采瓦斯技术是解决瓦斯突出的一种新途径，在渗透性较低的煤层及抽采掘接替很紧张的矿井可以得到很好的应用，有效地解放了生产力，提高了矿井的瓦斯抽采率。

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