地面鉆井抽采采空區瓦斯技術及工程應用?

何宇雄劉應科韓 巍

(1.山西潞安集團余吾煤業有限責任公司,山西省長治市,046100; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 3.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

地面鉆井抽采采空區瓦斯技術及工程應用?

何宇雄1劉應科2,3韓 巍2

(1.山西潞安集團余吾煤業有限責任公司,山西省長治市,046100; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 3.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

余吾煤業公司采用放頂煤開采技術,針對低透氣性煤層提出了地面鉆井抽采采空區瓦斯技術,設計了防剪切破斷井身結構和最優布井位置,優化了鉆井設計方案。工程實踐結果表明,地面鉆井單井最長抽采期為57 d,純瓦斯抽采流量最大值為12.94 m3/min,單井累計抽采純瓦斯39.31×104m3,上隅角平均預警次數由抽采前8.3次降至1.03次,顯著降低了井下瓦斯超限頻率,保證了礦井安全高效生產。

低透氣性煤層 放頂煤開采 地面鉆井 瓦斯抽采 采空區瓦斯 預警次數

1 礦井及工作面概況

山西余吾煤業公司是一座高瓦斯礦井,目前,全礦井瓦斯涌出量337.4 m3/min。現主采3＃煤層,煤層平均厚6.31 m,平均傾角5°,平均瓦斯含量8.5 m3/t,瓦斯壓力0.42～0.87 MPa,煤體堅固性系數0.44～0.58,屬低透氣、強吸附性、難抽放煤層。

N2105工作面位于北風井東翼采區,東側、西側及北側均為實體煤,南側為南二采區5條下山巷(已掘),工作面平均埋深552 m。工作面走向長2170 m,傾斜長285 m,采高3.2±0.1 m,循環進度0.8 m。采用“三進一回”的Y型通風方式,采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高采煤工藝開采煤層,全部垮落法管理頂板。

N2105工作面原始瓦斯含量為10.0496 m3/t,工作面回采期間絕對瓦斯涌出量達85 m3/min,為了降低瓦斯涌出量,余吾煤業公司先后采取了采前預抽、裂隙帶抽采、千米鉆機抽采等瓦斯抽采方法,但瓦斯治理效果不明顯,回風瓦斯濃度仍高達0.96%,工作面瓦斯頻繁超限,嚴重影響了工作面的安全開采。為提高N2105工作面的瓦斯抽采效果,余吾煤業公司在N2105工作面開展了地面鉆井抽采采空區瓦斯的工程試驗。

2 地面鉆井抽采試驗

隨著N2105工作面的回采,采空區上覆巖層中彎曲下沉帶內產生大量離層裂隙和豎向裂隙,溝通了上、下巖層間的瓦斯流動通道,地面鉆井抽采采空區瓦斯就是通過將地面鉆井打進裂隙帶內,構建地面瓦斯抽采系統,將采空區瓦斯抽采至地面。

2.1 地面鉆井布井位置

N2105工作面回采期間,隨著工作面的推進,采動裂隙不斷發展,采空區中部采動裂隙最為發育,關鍵層破斷后,位于采空區中部的采動裂隙趨于壓實,而在采空區四周則存在一相互連通的采動裂隙發育區,稱為采動裂隙O型圈。根據卸壓瓦斯O型圈抽放理論和國內其他鉆井工程經驗,地面鉆井布置在距回風巷一側20～50 m內。根據N2105工作面實際條件,共布置3口試驗鉆井, 1＃鉆井沿走向距切眼469 m,沿傾向距回風巷道45 m;2＃鉆井與1＃鉆井間距303 m,沿傾向距回風巷道35 m;3＃鉆井與2＃鉆井間距494 m,沿傾向距回風巷道35 m,鉆井平面布置如圖1所示。

圖1 鉆井布置平面圖

2.2 地面鉆井井身結構

1＃、2＃鉆井采用常規直井的鉆井井身結構,開孔采用?311.1 mm孔徑穿過松散層,鉆至基巖以下15 m,下入?244.5 mm×8 mm表層套管并固井;二開段采用?215.9 mm孔徑鉆至預計裂隙帶頂部,下入?177.8 mm×9.19 mm石油套管,采用單層普通水泥固井;三開段采用?152.4 mm孔徑,下入?127 mm×8 mm纏絲篩管。由于N2105工作面開采強度高,推進速度快(平均推進速度為4 m/d),上覆巖層活動劇烈,對鉆井井身的破壞作用大,因此工作面推過鉆井約60 m時(工作面推過1＃鉆井57 m時鉆井發生失效,推過2＃鉆井64 m時鉆井發生失效,因此,此處取平均距離約為60 m),發生了鉆井失效,抽采流量大幅度降低。為延長鉆井有效抽采期,提高瓦斯抽采效果,對3＃鉆井井身結構進行了優化設計:增加鉆井孔徑、套管壁厚,開孔采用?570 mm孔徑穿過松散層,鉆至基巖面以下15 m,下入?508 mm×9 mm表層套管并固井;二開段采用?445 mm孔徑鉆至預計裂隙帶頂部,下入?339 mm×13.06 mm石油套管,采用分段固井技術實現雙層固井;三開段采用?266.7 mm孔徑,下入?219 mm×12.07 mm纏絲篩管;四開段裸孔段采用?177.9 mm孔徑,不固井。3＃鉆井井身結構如圖2所示。

圖2 3＃鉆井井身結構示意圖

3 效果分析

3.1 瓦斯抽采參數分析

2014年5月5日,3＃鉆井開始聯網抽采瓦斯,至2014年6月30日,3＃鉆井抽采天數為57 d,共計抽采瓦斯量為39.31×104m3。3＃鉆井抽采純瓦斯流量、混合流量、瓦斯濃度和抽采負壓隨工作面推過鉆井距離的變化見圖3。

圖3 3＃鉆井瓦斯抽采參數隨工作面推過鉆井距離變化曲線

由圖3可以得出:

(1)當工作面推過3＃鉆井15～20 m,瓦斯純流量和濃度開始上升,表明頂板垮落采空區形成,鉆井通過裂隙帶與采空區溝通;與此同時,混合流量與抽采負壓分別由原來的29 m3/min和13 kPa增大至52 m3/min和35 k Pa,這是由一臺泵運行變為兩臺泵運行抽采工況點發生變化所致。

(2)當工作面推過鉆井20～35 m,由于1＃抽采泵出現故障停止運行,抽采由兩臺泵變為一臺泵運行,導致抽采工況點發生變化,混合流量與抽采負壓分別減小至30 m3/min和18 k Pa;當工作面推過鉆井35～40 m,故障泵修好,恢復為兩臺泵運行,混合流量與抽采負壓分別增大至52 m3/min和32 kPa。

(3)當工作面推過鉆井24.9～49.8 m,純瓦斯流量和瓦斯濃度均呈現快速下降的趨勢,純瓦斯流量由10.98 m3/min下降至6.4 m3/min,瓦斯濃度由25.45%降至12.54%。這段時間可能由于頂板來壓導致采空區垮塌加劇,裂隙大量閉合所致。

(4)當工作面推過鉆井50～70 m,混合流量由50 m3/min降至19 m3/min,負壓由40 k Pa增加至60 kPa,表明抽采阻力增大、井段開始出現破壞情況。當工作面推過鉆井70 m之后,抽采負壓穩定在60 kPa左右,混合流量穩定在15 m3/ min左右;純瓦斯流量穩定在4 m3/min左右,瓦斯濃度穩定在25%左右,表明采空區上覆巖層活動趨于穩定,鉆井進入穩定抽采期。

3.2 預警次數對比分析

經統計得到1＃、2＃和3＃鉆井抽采前后N2105工作面上隅角平均預警次數,如圖4所示。由圖4可以看出,地面鉆井抽采可以大幅度降低N2105工作面上隅角的瓦斯超限預警次數;1＃、2＃和3＃鉆井抽采后的預警次數分別降低為抽采前的55.7%、25.5%和12.4%。1＃、2＃和3＃鉆井的預警次數降低幅度依次增加;3＃鉆井的瓦斯治理效果最優。

圖4 瓦斯抽采預警次數對比分析

4 結語

(1)進行地面鉆井抽采后,N2105工作面上隅角平均預警次數降低至抽采前的12.4%,平均預警次數降低至1.03,表明采用地面鉆井抽采采空區瓦斯效果顯著,能夠顯著降低工作面瓦斯涌出量,減輕井下瓦斯抽采壓力,保證礦井安全高效生產。

(2)鉆井設計方案優化后,3＃鉆井抽采時間和抽采量均遠大于1＃、2＃鉆井,表明適當增加套管管壁厚度,采用分段固井技術實現雙層固井能夠增強井身抗剪切破壞能力,延長鉆井抽采時間和增加產氣量。

(3)1＃、2＃、3＃鉆井平均瓦斯抽采濃度分別為35.76%、25.96%、21.08%,表明抽采瓦斯濃度與地面鉆井的布井位置及與地面鉆井的井底距采空區上層高度有關,采用合理的布井位置,更有利于抽出高濃度瓦斯。

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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,陜西寶雞人,工程師,現任潞安集團余吾煤業有限責任公司副礦長,長期從事于煤礦一線瓦斯治理工作。

(責任編輯 張艷華)

中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放基金項目(SKLCRSM13KFB04)