采动区瓦斯地面井抽采技术在含水地层矿区的应用

付军辉，李日富，王 然，江万刚

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

采动区瓦斯(煤层气)地面井抽采技术是20世纪90年代引入国内的[1]，该技术是在工作面回采前，从地表向地下开采煤层施工直径为200～400 mm的钻孔，当工作面推进至地面井附近后，利用负压从具有大量采动裂隙的断裂带内抽采卸压瓦斯[2]。由于其具有成本低、不影响井下采掘接替作业、抽采气浓度高且便于利用等优点，迅速成为新兴的煤矿区瓦斯开发技术研究热点[3]，经过20余年的发展，形成了“大孔径地面直井”[4]、“地面井优化设计方法”[5]、“地面L型顶板定向井”[6]等一系列技术成果，并在淮南、晋城、大同等各大矿区得到推广应用[7-9]。由于地面井施工需要贯穿整个采场覆岩层，井套受采动影响后可能发生变形破损，如果矿区覆岩内含水层较多，地面井可能成为地下水涌入井下空间的通道，影响井下安全生产，因此含水地层赋存矿区一直是采动区地面井抽采技术应用的难点。业内对含水地层条件下采动区地面井优化研究成果较少，该技术在含水地层赋存矿区的应用也未见报道，笔者在深入分析采动区地面井套变形破坏模式的基础上，结合工程实例对含水地层条件下采动区地面井结构进行优化设计，现场应用成果对类似条件矿区的技术应用有一定的借鉴意义。

1 地面井套变形模式及防护技术

地面井套管与井壁围岩紧密贴合，井套的变形与井壁围岩的变形密切相关。研究表明井下煤层采出后，其上覆岩层在自重及围岩应力场作用下，会发生下沉、离层、断裂、旋转、挤压和层间滑移等复杂运动[10]，使地面瓦斯抽采井随之发生横向剪切、径向挤压、竖向拉伸和拉剪综合等4种变形形式，其中横向剪切破坏发生在组合岩层内部的岩层界面处，径向挤压变形容易发生在深部单一厚硬岩层内，竖向拉伸和拉剪综合破坏主要发生在2个组合岩层交界面处[11]。现场实践表明，由于岩层多孔介质的不均匀性及岩层移动的复杂多变性，地面井套很少发生单纯的横向剪切、径向挤压和竖向拉伸变形，多表现为拉剪综合破坏模式，因此采动区地面井的破坏主要发生在岩性差异大、离层位移大的组合岩层界面位置。地面井套变形现场观测照片如图1所示。

图1 地面井套变形现场观测照片

为攻克采动区地面井套受采场覆岩层移动影响易破断，影响地面井运行周期及其抽采效果的问题，孙东玲等基于“避”“让”“防”“疏”的理念提出了包括井位合理布置、井身结构优化、局部固井、防护装置强化护井、悬挂完井等为核心内容的采动区卸压瓦斯地面井抽采技术[12-13]，并在弱含水地层矿区的现场试验应用中获得了成功。

2 含水地层矿区地面井试验

2.1 试验工作面概况

沁和能源集团端氏煤矿毗邻晋城寺河煤矿，开采3#煤层，煤层厚度4.72～6.00 m，平均5.35 m，煤层倾角3°～15°，平均8°，厚度大且稳定，煤层坚固性系数f≤3。煤层结构简单—复杂，含1～4层泥岩或炭质泥岩夹矸。煤层不易自燃，无自燃倾向性，无爆炸性，地温正常。

试验工作面为3110工作面，其走向长度808.5 m，倾向长度243.0 m，采用长壁一次采全高综采采煤法，全部垮落法处理顶板。工作面区域煤层埋深490～540 m，瓦斯压力1.52～1.64 MPa，平均透气性系数15.102 3 m2/(MPa2·d)，原始瓦斯含量17.92～18.48 m3/t，残存瓦斯含量2.29 m3/t，采前预抽后瓦斯含量7.60 m3/t。工作面回采时预计瓦斯绝对涌出量43 m3/min左右，采用“两进一回”W型通风方式，其中进风巷为3110辅助进风巷、3110进风巷，回风巷为3110回风巷。

2.2 地面井设计与施工

2.2.1 试验井初始设计

试验工作面共施工了2口采动区地面井，编号为CD-01、CD-02。基于“避”“让”“防”“疏”的设计理念，地面井整体为3开井段结构，其中一开井段采用直径444.5 mm钻头钻进，钻入稳定基岩10 m后，下入J55钢级石油套管，全段水泥固井，返浆至地表；二开井段采用直径347.6 mm钻头钻进至3#煤层顶板以上10 m，全段下入N80钢级石油套管，双端局部固井；三开井段采用直径269.9 mm钻头钻进至3#煤层内3 m，下入88 m长N80钢级石油筛孔管，悬挂完井。地面井井位设计参数见表1。

表1 地面试验井井位参数

2.2.2 试验井优化设计

CD-01井首先完成施工及抽采试验，钻进时发现二开井段在部分地层有地下水涌出，主要涌出水源分别在45～105 m、300～380 m区域，涌水量约为 30 m3/h。抽采试验发现CD-01井在运行初期抽采气量较大，平均抽采瓦斯纯量达5 000 m3/d，但在运行30 d后由于井筒内部积水堵塞产气通道，产气量急剧下降，平均约300 m3/d，平均瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)约60%，累计抽采纯瓦斯量15.95万m3。分析认为CD-01井产气效果不佳的原因是地层水携砂从井壁豁口涌入井套流至采动裂隙，使裂隙通道受堵，又因为地层(地表以下148 m)处涌水不断，使得裂隙持续堵塞，只能抽采少量高浓度的瓦斯。为保证CD-02井抽采效果，对地面井结构进行如下优化：①改变二开井段局部固井参数，延长固井段，使其穿越地下含水层层位；②改进二开井段结构，在二开套管内部加设三开套管，形成双层套管结构，并在二开套管底部加设滤砂装置，避免产气裂隙被砂堵塞。优化后的CD-02井结构如图2所示。

图2 优化后的CD-02井井身结构示意图

2.3 地面井抽采数据分析

CD-02井自2017年11月16日正式抽采，累计正常运行180 d，较常规CD-01井延长了5倍；抽采标况纯瓦斯量172.25万m3，较常规CD-01井提高了10倍。CD-02井最高抽采标况瓦斯纯流量26.64 m3/min，平均抽采瓦斯纯流量6.79 m3/min(0.97万m3/d)；最高抽采瓦斯浓度55%，平均抽采瓦斯浓度36.6%，取得了良好的抽采效果。CD-02井部分抽采参数变化曲线如图3所示。

图3 CD-02井抽采参数变化曲线

地面井运行后，试验工作面回风巷瓦斯浓度下降29.60%，工作面上隅角瓦斯浓度下降46.27%，在此期间采空区涌水量未有增加。工作面回风巷和上隅角瓦斯浓度显著下降，成功消除了采空区涌出瓦斯对工作面安全生产的影响。地面井运行前后工作面瓦斯数据对比见表2。

表2 地面井运行前后工作面瓦斯数据对比

对比CD-01与CD-02地面井数据可以看出，在采取有针对性的优化措施后，地面井抽采量大大提高，CD-02井较CD-01井抽采瓦斯总量提高了 10倍，表明采动区地面井技术经过优化改进后可以在含水层赋存矿区成功应用。此技术一方面能够保证井下工作面的安全开采，另一方面可极大提高煤矿区瓦斯抽采量，为矿区发电厂提供高浓度瓦斯气源。

3 结论

1)采动区地面井受采动影响会发生横向剪切、径向挤压、竖向拉伸和拉剪综合等4种变形形式。由于岩层多孔介质的不均匀性及岩层移动的复杂多变性，单纯的横向剪切、径向挤压和竖向拉伸变形很少出现，地面井的破坏多表现为拉剪综合破坏模式，且破坏主要发生在岩性差异大、离层位移大的组合岩层界面位置。

2)常规的采动区卸压瓦斯地面井抽采技术因较少考虑防水措施，难以适用于含水地层矿区，需要在分析井身破坏模式、确定含水地层位置的基础上，对固护井工艺、井身结构等关键技术进行优化改进。

3)结构优化后的CD-02井累计正常运行180 d，较常规CD-01井延长了5倍；抽采标况纯瓦斯量172.25万m3，较常规CD-01井提高了10倍。地面井运行后工作面回风巷瓦斯浓度降幅为29.60%，工作面上隅角瓦斯浓度降幅为46.27%，成功消除了采空区涌出瓦斯对工作面安全生产的不利影响，表明采动区地面井技术经过优化改进后可以在含水层赋存矿区成功应用。