山脚树煤矿矿井上下联合瓦斯治理技术研究

冯云飞，张建龙，李荣雷

（贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550000）

1 概 况

瓦斯是影响煤矿安全的重要因素，为了保证煤矿的安全开采，必须要对瓦斯进行治理。在瓦斯治理时，主要有两种方式。一种是通过增加矿井的风量，加快煤矿井下的瓦斯排出，这种方式不仅通风压力大，还会浪费瓦斯这种清洁能源；另一种方式是通过对煤层中的瓦斯进行抽采，这种方式不仅可以有效控制瓦斯灾害，还能对瓦斯进行利用。但是，瓦斯抽采存在诸多问题，主要是由于我国煤层透气性普遍较低，直接抽采效果比较差。

对于瓦斯抽采，可以分为井上抽采和地面抽采两种。井上抽采瓦斯浓度高，但是抽采成本高；井下抽采成本低，但是抽采瓦斯浓度低。随着煤层气开发大力推广，井上下联合抽采已经成为了可能。本文结合了贵州山脚树煤矿的具体情况，探讨了井上下联合瓦斯治理的效果。

2 瓦斯抽采工程

2.1 工作面概况

贵州山脚树煤矿221015 回风巷长度1 189 m，221015 运输巷长度1 282 m，221015 切眼长度200 m。221015 工作面可采长度为920 m，工作面长为200 m，回采面积为184 000 m2，主要回采10 号煤层。煤层平均厚度为1.5 m，可采储量为41.4 万t，水分为1.41%，灰分为8.28%，挥发分为29.90%，孔隙率为13.25%，真比重为1.51 g/cm3，视比重为1.31 g/cm3，坚固性系数f 值为0.72。

在221015 运输巷、回风巷施工钻孔，测得原始瓦斯参数见表1。由表1 可以发现，煤层瓦斯含量较高，会对煤层回采产生一定的影响。经过测试，煤的瓦斯基本参数：吸附常数a 值为29.26 m3/t、b 值为0.57 MPa-1，钻孔瓦斯流量衰减系数β为0.024 1 d-1，煤层透气性系数λ 为1.329 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度Δp 为8，表明煤层属于低渗透性煤层。为了实现煤矿安全生产和资源的高效利用，决定采用井上下联合瓦斯抽采治理技术。

表1 抽采前煤层瓦斯参数Table 1 Coal seam gas parameters before extraction

2.2 地面钻井抽采

为了加快煤层瓦斯抽采，在二采区221015 工作面布置5 口地面钻孔井，如图1 所示。其中，YP-3 井、YP-7 井和YP-8 井为先期原位（煤层未开采时） 抽采井，YP-4 井为采动卸压井，YP-5 井为221013 采空区卸压井。原位抽采井已经施工完成，先后于2021 年12 月—2022 年1 月开始排采，且YP-3 井于2023 年4 月开始进行负压抽采。

图1 地面钻井抽采部署Fig.1 Ground drilling extraction deployment

2.3 井下钻孔抽采

在221015 运输顶抽巷施工穿层钻孔预抽221015 运输巷区段煤层瓦斯，每组7 个钻孔，组间距为10 m，孔间距为2 m，施工95 组，共计665 个钻孔。在221015 切眼顶抽巷施工穿层钻孔预抽221015 切眼区段煤层瓦斯，每组7 个钻孔，组间距为10 m，孔间距为2 m，施工21 组，共计147 个钻孔。在221015 高位巷施工穿层钻孔预抽221015 回风巷区段煤层瓦斯，每组7 个钻孔，组间距为10 m，孔间距为2 m，施工58 组，共计406 个钻孔。

在221015 运输巷和回风巷施工顺层钻孔预抽221015 工作面煤层瓦斯，其中，221015 回风巷施工173 个顺层钻孔，孔间距为6 m；221015 运输巷施工160 个顺层钻孔，孔间距为6 m。

3 井上井下联合瓦斯抽采分析

3.1 地面抽采

YP-3 井、YP-7 井、YP-8 井生产期间累计产气65.7 万m3，甲烷浓度93.5%～95%，抽采数据见表2。

表2 YP-3、YP-7、YP-8 井排采数据Table 2 YP-3,YP-7,YP-8 well drainage data

YP-3 井原为一口煤层气勘探直井，位于221015 工作面切眼向内20 m，压裂层位为12 号、18 号煤层，产量1 500～2 000 m3，稳产6 个月。之后，封堵12 号、18 号煤层钻井段，压裂10 号层钻井段并排采。该井于2021 年12 月17 日开始抽采，由于受到顶抽巷掘进的影响，不产水原位抽采失效，于2022 年6 月18 日停止抽采，采用间歇式生产方式。截止2022 年12 月31 日累计产水321.29 m3，最高日产气量626 m3/d，累计产气66 954.40 m3，排采曲线如图2 所示。该井于2023 年4 月开始负压抽采至今，累计产气量238 780 m3，平均甲烷含量95%。

图2 YP- 3 井原位期排采曲线Fig.2 YP-3 well in-situ drainage curve

YP-7 井为原位预抽抽采井，位于221015 工作面切眼向内288 m，压裂层位为10 号煤层，产量为600～1 000 m3/d。在顶抽巷推进到距离100 m 左右后，为保证井下安全作业，间歇停产。该井于2021 年12 月25 日开始抽采，6 月2 日由于受到顶抽巷掘进的影响，不产水地面原位抽采失效，累计产气80 410 m3，累计产水325.93 m3，排采曲线如图3 所示。该井于2022 年11 月开始负压抽采，累计产气量102 499 m3，平均甲烷含量达到95%。

图3 YP- 7 井原位期排采曲线Fig.3 In-situ drainage curve of YP-7 well

YP-8 井为一定向井，原设计在221015 工作面内，因山脚树煤矿工作面缩短调整，远离了工作面，仅对10 号煤层进行压裂改造。该井于2022 年12 月23 日开始抽采，2022 年3 月16 日解吸见套压，6 月初受井下顶抽巷道开切眼段施工，不产水产气量在1 个月后开始下降，最高日产气量880 m3/d，累计产气168 070.4 m3，浓度98.5%，累计产水513.82 m3，排采曲线如图4 所示。

图4 YP- 8 井排采曲线Fig.4 Drainage curve of YP-8 well

YP-4 井、YP-5 井为工作面内布置的采动区瓦斯卸压抽采井，井底位于首采层（10 号煤） 顶板，并以筛管完井无压裂改造。由于采煤工作面距离YP-4 井、YP-5 井较远，暂未开始抽采试验及相关测试。

在YP-3 井开展了“一井多用”工程试验。随着工作面推进，已割掉YP-3 井在10 号煤处的套管。目前，YP-3 井已经改为负压抽采，产量为1 700～980 m3/d，产量随着采面推进而递减，甲烷浓度为94%以上，相较原位抽采时产量提升了2倍，这表明采动区瓦斯卸压井负压抽采效果较好。

3.2 井下瓦斯抽采

221015 运输巷的瓦斯抽采钻孔于2022 年11月21 日开始施工，至2023 年3 月14 日施工完毕，共施工156 个；回风巷于的瓦斯抽采钻孔2021 年12 月6 日开始施工，至2023 年2 月22 日施工完毕，共施工158 个。

221015 运输巷的瓦斯抽采从2022 年11 月22日至2023 年3 月24 日，共123 d，累计抽采瓦斯总量为377 673.30 m3；221015 回风巷的瓦斯抽采从2021 年12 月7 日至2023 年3 月24 日，共472 d，累计抽采瓦斯总量为1 397 671.83 m3，详见表3。截止2023 年3 月底，总的瓦斯抽采量176 万m3，运输巷的瓦斯浓度在30%左右，回风巷的瓦斯浓度在35%～45%。

表3 221015 采煤工作面瓦斯抽采数据Table 3 Gas extraction data of 221015 coal mining face

4 井上下联合抽采效果评价

4.1 地面抽采效果

通过在221015 工作面切眼顶抽巷、运输顶抽巷、高位巷钻孔取芯，对煤层压裂影响范围和抽采效果、因采动影响下地面抽采变化特征规律、压裂波及区井下抽采钻孔抽采效果等进行评价。井下煤层钻孔取芯测得煤层的瓦斯含量如图5 所示。在井下钻孔对煤层含气量测试，对比未压裂区域和YP-3 井、YP-7 井周边煤层瓦斯含量，发现在井筒为中心50 m 半径范围6 个月内含气量降低1～2 m3/t。

图5 井下钻孔瓦斯含量Fig.5 Underground borehole gas content

4.2 井下抽采效果

221015 工作面每日瓦斯抽采量曲线如图6 所示。由此可以见，在回风巷和运输巷抽采前期，随着钻孔数量的增加产量逐渐增加，钻孔数量不再增加抽采量趋于稳定。根据每日抽采量和钻孔数取平均值，得到单个钻孔的日平均抽采量，如图7 所示。根据钻孔施工位置和施工时间与井下工作面的对应关系，初步估算在压裂范围内钻孔的贡献能力。

图6 221015 工作面每日瓦斯抽采量曲线Fig.6 Daily gas extraction curve of 221015 working face

图7 221015 工作面单孔日均瓦斯抽采量曲线Fig.7 Single hole daily average gas drainage curve of 221015 working face

YP-7 井压裂影响范围主要在井筒为中心的100 m 左右的范围，即在靠近221015 运输巷范围内煤层渗透性有较大的改善。随着井下瓦斯抽采钻孔施工到压裂影响范围内，运输巷瓦斯抽采量快速提高，单孔日均抽采量也快速升高达到峰值。由于回风巷受压裂的影响较小，瓦斯抽采量没有明显的变化。对221015 运输巷瓦斯抽采量进行分析，发现钻孔未到压裂影响时，单孔日均瓦斯抽采量为118 m3/d；钻孔施工到压裂影响范围时，单孔日均瓦斯抽采量为247 m3/d，抽采能力提高了109%。在地面YP-7 井、YP-3 井对10 号煤进行压裂增大煤层透气性，井下钻孔瓦斯抽采主管浓度相对于221013 工作面的瓦斯抽采主管浓度增加10%，抽采时间大大缩短。

5 结 语

针对贵州山脚树煤矿的煤层瓦斯，采用了井上下联合瓦斯治理模式，地面抽采和井下瓦斯抽采同时进行。在生产过程中，发现地面抽采不仅抽采瓦斯浓度高，而且抽采瓦斯量大，瓦斯浓度可以稳定在90%以上。井下抽采瓦斯浓度平均可以达30%，且地面抽采可以对井下抽采起着一定的加速作用，表明井上下联合瓦斯抽采模式对低渗透性煤层瓦斯治理效果良好，保障了山脚树煤矿的安全高效生产。