寺家莊礦地面鉆井治理瓦斯對策及措施

楊昌永，王保玉，白建平，郝春生，劉亮亮，張　為

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西　晉城　048000)

?

·技術經驗·

寺家莊礦地面鉆井治理瓦斯對策及措施

楊昌永，王保玉，白建平，郝春生，劉亮亮，張為

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048000)

摘要分析了寺家莊礦開采煤層瓦斯賦存、瓦斯涌出及突(噴)出特點及規律。基于“采煤采氣一體化”瓦斯治理技術模式和地面鉆井抽采瓦斯特點及功效，提出了礦井上下聯合抽采、U型井+多段壓裂抽采的本煤層增透消突地面鉆井治理瓦斯技術，采動區、采空區防止回采工作面瓦斯超限和上隅角瓦斯積聚地面鉆井治理瓦斯技術。結果表明，地面鉆井治理瓦斯可為煤礦生產贏得時間和空間，實現煤礦采掘的有效銜接和有序遞進。

關鍵詞寺家莊礦；瓦斯特點；地面鉆井；增透消突；采動區；采空區；瓦斯抽采

寺家莊礦隸屬陽泉礦區，地處沁水煤田的東北邊緣昔陽縣境內。井田范圍內煤系發育，為典型的多煤層疊置發育區，區內煤層含氣量普遍較高且賦存極不均衡。特別是在采掘15號煤層過程中，存在瓦斯動力異常現象并且突(噴)出事故頻發、瓦斯涌出量大或時顯異常等瓦斯難題，瓦斯已成為制約其安全高效生產的瓶頸。筆者基于研究區瓦斯特點，提出了地面鉆井治理瓦斯技術，以期實現煤礦安全、高效、經濟、綠色開采。

1寺家莊礦瓦斯特點

1.1本煤層瓦斯含量低、鄰近層瓦斯含量高

研究區含煤地層主要以陸相三角洲體系沉積為主且沉積連續，圍巖多以致密、完整、不透氣或透氣性差的砂質泥巖、泥巖等組成，對煤層瓦斯起到良好的封蓋作用，煤層瓦斯含量普遍較高。而15號煤層形成于三角洲朵葉之間的濱海沉積環境[1]，圍巖主要由細砂巖、砂質泥巖及灰巖等組成，有時灰巖直接構成其頂板，其對煤層瓦斯的封閉性相對較差，加之煤化過程中生成的瓦斯部分通過圍巖裂隙及溶洞向上鄰近K2、K3、K4灰巖層運移、富集[2]. 再者，灰巖層亦為本區主要含水層，在漫長的地質年代中，地下水驅趕瓦斯逸散和攜帶溶解瓦斯逸散，使得該煤層瓦斯含量整體較低。

1.2瓦斯賦存極不均衡、突(噴)出現象顯著

瓦斯是成煤過程中地質作用的產物，其產生、運移、賦存及富集等與地質條件密切相關并受其控制[3-6]，地質構造作為控制煤層瓦斯賦存最關鍵地質因素，其研究一直備受關注[7-10].地質構造對本區煤層瓦斯賦存的控制主要體現如下：

1) 褶皺構造軸部及背、向斜的過渡部位，由于壓、剪應力相對集中而易于瓦斯積聚。

2) 不同期次、不同方向、不同構造類型的切割、阻斷、歸并部位，以及次級褶皺間相互干擾導致褶皺軸向的起伏和彎曲，形成的局部構造應力集中帶和相對擠壓帶，均為高瓦斯(異常)區/帶。

3) 褶皺成因所形成的層間小斷層，因其往往不完全切穿煤(巖)層，且多為剪性、扭性應力作用的產物，故往往阻斷煤層瓦斯的順層運移，亦對其縱向逸散不利，進而為煤層瓦斯的局部富集提供了利好條件。

4) 因煤層與圍巖能干性差異，在構造形變時，煤層的變形量相對較大，所以常發生煤層與頂、底板巖層間的相對滑動、揉搓等構造現象，導致大量構造煤的發育，構造煤增強了對瓦斯的吸附能力，使局部瓦斯含量富集增大或異常且加劇了煤層瓦斯賦存的橫向差異性。

5) 陷落柱屬開放型構造，有助于瓦斯的逸散，因此，陷落柱發育區或陷落柱的影響范圍內，煤層瓦斯含量普遍較低。

同時，構造對煤與瓦斯突(噴)出的控制尤為顯著。據區內采礦實踐，瓦斯動力異常或煤與瓦斯(突)噴出的發生多與構造相關(諸如2009年15201工作面和2015年15203工作面發生的重大煤與瓦斯突出事故，分別發生在向斜軸部和斷層附近等)。構造復雜帶(或異常帶)往往也是構造應力集中帶和瓦斯局部聚集帶，是煤與瓦斯突(噴)出易發、頻發的有利場所。

1.3礦井瓦斯涌出以鄰近層為主、本煤層次之

研究區為多煤層疊置發育區，煤層累計厚度大、含氣量高。當前主采15號煤層屬于厚煤層開采，采動影響范圍較廣，據理論計算，導氣裂隙帶高度可達80.45 m(約15倍采高)。因此，回采過程中鄰近層高瓦斯卸壓解吸并大量涌入回采工作面，導致回采工作面瓦斯急劇增加或異常。同時，因開采煤層瓦斯含量整體較低，采動卸壓解吸出來的瓦斯量有限，使得區內礦井瓦斯涌出量以鄰近層為主(82%)，本煤層次之(18%).

2礦井瓦斯地面綜合治理對策及措施

2.1本煤層增透消突技術

2.1.1井上下聯合抽采技術

通過地面鉆井壓裂開采煤層，利用定向施工本煤層長鉆孔與壓裂影響區溝通，形成人工裂縫與長鉆孔構成的立體抽采網絡，實現煤層的大面積增透消突和瓦斯抽采，在局部防突中優勢顯著(見圖1).該技術將采煤卸壓區與地面壓裂改造技術有效耦合起來，解決了單一低滲、低透氣性煤層開采瓦斯抽采效率低、抽采達標時間長、消突難等技術難題。目前，沁南趙莊、成莊等井田已相繼采用了井上下聯合抽采煤層瓦斯技術，使井下抽采孔百米鉆孔流量提高了7倍，瓦斯抽采量平均提高了9倍，瓦斯抽采達標時間縮短了近60%，未發生突出事故。

1—地面垂直鉆孔　2—采掘巷道　3—采煤工作面　4—壓裂影響區　5—裂縫伸展方向　6—井下水平長鉆孔　7—采掘巷道　8—井下水平孔鉆場　9—主采煤層圖1　礦井上下聯合抽采示意圖

2.1.2U型井+多段壓裂技術

針對研究區掘進中煤與瓦斯突出頻發，回采中少發的特點，采取防突以掘進為主，回采為輔的思路和方針。在待掘進巷道區域施工地面U型井，并對其多段壓裂和預抽，實現大范圍卸壓“增透消突”和高效抽采煤層瓦斯等(見圖2).該技術充分彌補了地面垂直壓裂井“增透消突”范圍小、抽采量有限等客觀不利因素，在區域防突中優勢顯著。目前，在沁南趙莊等部分礦井松軟、低滲、高煤階煤炭開采中應用，瓦斯抽采和防突效果良好。

圖2　U型對接井+多段壓裂示意圖

2.2防止回采工作面瓦斯超限技術

2.2.1采動區瓦斯抽采技術

充分利用回采過程中覆巖層卸壓增透增流效應，運用地面鉆井抽采卸壓區裂隙帶內解析的煤層瓦斯(見圖3)，以有效遏制或消除回采工作面瓦斯超限。為保證抽采成效，平面井位應布置在“O”形圈裂隙帶內且靠近回風巷一側[11-13]，剖面上鉆井終孔在覆巖卸壓區導氣裂隙帶內[14-16].

圖3　采動井布置示意圖

考慮到地面直井抽采瓦斯范圍有限，覆蓋的采動區范圍較小，為此在地面直井的基礎上加一段水平孔，使其位于采動裂隙帶內形成“L”型地面井抽采方式，實現抽采范圍廣、抽采瓦斯好的效果。目前，在晉城礦區寺河礦已成功運用了該技術，有效解決了采動區鄰近層卸壓解析瓦斯大量涌入回采工作面使其瓦斯超限和上隅角瓦斯積聚等問題。

2.2.2采空區瓦斯抽采技術

從地面向開采層上方施工垂直井，平面井位布置于“O”形圈范圍內，鉆井終孔在采空區覆巖裂隙帶內[17-19]. 自2013年以來，晉煤集團在晉城礦區部分廢棄礦井和煤礦采空區的近20口地面采空井進行抽采瓦斯試驗，單井平均抽采量達到2 500 m3/d，甲烷濃度為60%～97%，不僅充分利用了采空區瓦斯，同時增強了煤礦的安全效益。

3結論

1) 寺家莊礦為多煤層疊置發育區，煤層瓦斯含量高，厚煤層開采條件下覆巖層卸壓范圍廣，卸壓解析瓦斯大量涌入回采空間。同時，開采煤層瓦斯賦存的極不均衡性和突(噴)出頻發，加劇了礦井瓦斯防治難度。

2) 地面鉆井治理煤層瓦斯，是一種高效、易于大規模推廣實施的新技術。可為煤礦生產贏得時間和提供安全保障，提高采掘銜接速度。

3) 基于礦井生產銜接規劃和各區瓦斯特點，研究相應的地面鉆井治理瓦斯技術，可實現礦井安全、高效、經濟、綠色開采。

參考文獻

[1]葛寶勛,尹國勛,李春生.山西陽泉礦區含煤巖系沉積環境及聚煤規律探討[J].沉積學報,1985,3(3):33-42.

[2]金元斌.陽泉礦區K3巖層的沼氣形成和儲氣構造[J].煤炭學報,1982(2):77-81.

[3]焦作礦業學院瓦斯地質研究室.瓦斯地質概論[M].北京:煤炭工業出版社,1990:1-2.

[4]袁崇孚.我國瓦斯地質的發展與應用[J].煤炭學報,1997,22(6):566-570.

[5]王桂梁,徐鳳銀.芙蓉礦區層滑構造對瓦斯形成富集的制約作用[J].中國礦業大學學報,1999,28(1):9-13.

[6]魏國營,王保軍,閆江偉,等.平頂山八礦突出煤層瓦斯地質控制特征[J].煤炭學報,2015,40(3):555-561.

[7]李恒樂,秦勇,張玉貴,等.淮北礦區祁東井田構造對瓦斯賦存的控制作用[J].煤炭科學技術,2014,42(8):42-46，50.

[8]郭德勇,韓德馨,王新義.煤與瓦斯突出的構造物理環境及其應用[J].北京科技大學學報,2002,24(6):581-584，592.

[9]張國輝,韓軍,宋衛華.地質構造形式對瓦斯賦存狀態的影響分析[J].遼寧工程技術大學學報,2005,24(1):19-22.

[10]王懷勐,朱炎銘,李伍,等.煤層氣賦存的兩大控制因素[J].煤炭學報,2011,36(7):1129-1134.

[11]錢鳴高,許家林.覆巖采動裂隙分布的“O”形圈特征研究[J].煤炭學報,1998,23(5):466-469.

[12]寇曉明,馬忠軍,邵柏庫,等.采動壓力影響區瓦斯抽放鉆孔的布置及參數選擇[J].礦業安全與環保,2003,30(4):42-44.

[13]李樹剛,林海飛,趙鵬翔,等.采動裂隙橢拋帶動態演化及煤與甲烷共采[J].煤炭學報,2014,39(8):1455-1462.

[14]陳金華,胡千庭.地面鉆井抽采采動區卸壓瓦斯來源分析[J].煤炭科學技術,2009,37(12):38-42.

[15]孫東玲,孫海濤.煤礦采動區地面井瓦斯抽采技術及其應用前景分析[J].煤炭科學技術,2014,42(6):49-52.

[16]李源,蘇明金.采動區瓦斯地面抽采鉆井結構與布井優化設計[J].煤礦安全,2015,46(4):152-154,158.

[17]李日富,梁運培,張軍.地面鉆孔抽采采空區瓦斯效率影響因素[J].煤炭學報,2009,34(7):942-946.

[18]秦偉,許家林,彭小亞,等.老采空區瓦斯抽采地面鉆井的井網布置方法[J].采礦與安全工程學報,2013,30(2):289-295.

[19]陳鵬,張浪,鄒東起.基于“O”形圈理論的采空區三維滲透率分布研究[J].礦業安全與環保,2015,42(5):38-41.

Gas Control Countermeasures and Measures for Surface Drilling of Sijiazhuang Coal Mine

YANG Changyong, WANG Baoyu, BAI Jianping, HAO Chunsheng, LIU Liangliang, ZHANG Wei

AbstractAnalyzes the characteristics and laws of gas occurrence, gas emission and gas outburst in Sijiazhuang mine working seam. Bases on the gas control technology mode of coal gas production integration and the characteristics and effects of ground drilling gas drainage, puts forward the coal seam antireflection and elimination outburst technology and preventing the working face gas overrun technology. The results show that the ground drilling gas control can gain time and space for coal production, and realizes the effective connection and orderly progression of coal mining.

Key wordsSijiazhuang coal mine; Gas characteristic; Ground drilling; Antireflection and elimination outburst; Mining subsidence area; Goaf; Gas extraction

中圖分類號：TD712

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0009-03

作者簡介：楊昌永(1981—)，男，貴州銅仁人，2012年畢業于河南理工大學，碩士研究生，助理工程師，主要從事瓦斯地質與地面煤層氣勘探開發及利用等工作，(E-mail)yangchangy520@163.com

收稿日期：2015-12-20

基金項目：國家科技重大專項(2011ZX05063)；山西省科技重大專項(20111101001)；山西省煤層氣聯合研究基金項目(2015012003)