地面垂直鉆井瓦斯抽采技術(shù)在焦坪礦區(qū)的應(yīng)用研究

楊寶鋒

摘要：本文簡(jiǎn)要闡述了地面垂直井組瓦斯抽采的布置原則、施工及抽采工藝流程；分析了地面井組預(yù)抽瓦斯的抽采效率，提出了影響地面瓦斯抽采井組抽采效果的因素。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；地面垂直井；超前預(yù)抽

引言

銅川焦坪礦區(qū)礦區(qū)自然條件極其復(fù)雜，煤油氣共生，水、火、瓦斯、頂板災(zāi)害俱全，特別是圍巖富含瓦斯和油氣，頂、底板巖性極差，屬于國(guó)內(nèi)少見的瓦斯、油氣與自然發(fā)火并存、災(zāi)害嚴(yán)重礦區(qū)。隨著焦坪礦區(qū)瓦斯災(zāi)害的嚴(yán)重程度加劇以及礦井采掘機(jī)械化程度和單進(jìn)水平的提高，需要超前采取措施，在工作面掘進(jìn)準(zhǔn)備前，對(duì)未采區(qū)進(jìn)行超前預(yù)抽。但是，受井下巷道條件限制，無法為未采動(dòng)區(qū)瓦斯超前預(yù)抽提供充足的時(shí)間和空間條件，從井下進(jìn)行區(qū)域性瓦斯超前治理制約因素多，實(shí)施難度較大，為此試驗(yàn)應(yīng)用地面鉆井進(jìn)行區(qū)域預(yù)抽未采區(qū)瓦斯，超前進(jìn)行區(qū)域性瓦斯治理。

1. 地面抽采井的布置原則

科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、有效的井網(wǎng)布置地面垂直瓦斯預(yù)抽井組布置一方面要以礦井安全高效生產(chǎn)為前提，實(shí)現(xiàn)有效治理瓦斯災(zāi)害的目的；另一方面要考慮礦井的生產(chǎn)接續(xù)和抽采井的服務(wù)年限，兼顧經(jīng)濟(jì)效益。因此需要選擇煤層較厚、煤層賦存較穩(wěn)定，煤層瓦斯含量大，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)離斷層的位置布孔。同時(shí)，還要考慮地形、用水、用電等施工條件，最大限度的提高瓦斯抽采量和經(jīng)濟(jì)效益。

銅川礦業(yè)公司下石節(jié)煤礦2303條帶包含可采煤層兩層，主采煤層為黃隴侏羅紀(jì)煤田延安組4-2#煤層，平均厚度10m；3#煤為可采煤層，煤層厚度為3.55-6.29m。根據(jù)煤層瓦斯賦存規(guī)律和鄰近工作面瓦斯涌出情況，預(yù)測(cè)該條帶煤層瓦斯含量為7.2m?/t，瓦斯壓力為0.65MPa。2009年以獲取煤層氣地質(zhì)及生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)為目的，在2303區(qū)段施工了煤層氣參數(shù)-生產(chǎn)試驗(yàn)JPC-01井，在連續(xù)100天的求產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量超過1100m3，創(chuàng)造了我國(guó)西北侏羅紀(jì)厚煤低透氣性、高瓦斯煤層氣井的新記錄。后期以有效抽采半徑250米、鉆井深度穿過4-2#煤層底板60米為原則，繼續(xù)在2303區(qū)段范圍內(nèi)部署“1+3”4口地面瓦斯抽采井組。

2.地面垂直鉆井施工工藝

地面垂直鉆井采用空潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)施工，工藝包括鉆井、地質(zhì)錄井、測(cè)井、試井、固井、射孔、壓裂等作業(yè)工序，完成瓦斯抽采井井身施工工程，然后采用抽油機(jī)排水采氣，進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽。

地面垂直井采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開采用Φ311.15mm牙輪鉆頭鉆至松散層下20m，下入Φ244.5mm表層套管，封固地表松散覆蓋層，建立井口，固井水泥漿返至地面；二開采用Φ215.9mm鉆頭，鉆至4-2號(hào)煤層底板以下60m完鉆，下入Φ139.7mm生產(chǎn)套管，封固煤系及上覆地層，固井水泥漿返至地面，4-2號(hào)煤層底板不少于50m口袋。

3. 地面垂直井抽采情況及抽采效果分析

3.1地面垂直井抽采情況

JPC-01瓦斯抽采試驗(yàn)井最高日產(chǎn)氣量達(dá)1512.3 m3/d，產(chǎn)氣相對(duì)穩(wěn)定階段產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定在1000 m3/d左右，累積產(chǎn)氣157萬m3；JPC-02井最高日產(chǎn)氣量達(dá)1594.8 m3/d，產(chǎn)氣相對(duì)穩(wěn)定階段產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定在1200 m3/d左右，累積產(chǎn)氣183萬m3；JPC-03井最高日產(chǎn)氣量達(dá)1900.9 m3/d，累積產(chǎn)氣211萬m3；JPC-04井最高日產(chǎn)氣量達(dá)1698.2m3/d，累積產(chǎn)氣77萬m3，四口井累計(jì)抽采瓦斯量達(dá)到628萬m3。

3.1 地面垂直井的抽采半徑

JPC-04垂直井壓裂過程中分別采用微地震和大地電位兩種裂縫監(jiān)測(cè)手段對(duì)煤體的兩次壓裂效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。微地震監(jiān)測(cè)顯示，第一次壓裂時(shí)裂縫方位為50.3°，裂縫總長(zhǎng)度為202米，第二次壓裂時(shí)裂縫方位為49.5°，裂縫總長(zhǎng)度為221m，兩次裂縫的影響高度均為15m左右。大地電位監(jiān)測(cè)壓裂裂縫的主要分布方向?yàn)?7.5°和195°方向，通過數(shù)值模擬計(jì)算，37.5°方向裂縫長(zhǎng)度為148m，195°方向裂縫長(zhǎng)度為89m，裂縫總長(zhǎng)度為237米。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，兩種監(jiān)測(cè)方法測(cè)得的裂縫方位和裂縫長(zhǎng)度基本接近，地面垂直井的瓦斯抽采半徑范圍可以達(dá)到100-120米。

3.3地面垂直井的瓦斯抽采率

根據(jù)礦區(qū)瓦斯賦存規(guī)律，煤層埋深在500-700m條件下，煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度存在如下關(guān)系：

W=0.019H-4.1252

據(jù)此，預(yù)測(cè)2303區(qū)段煤層瓦斯含量為5.37-7.24 m?/t。

根據(jù)下石節(jié)礦2303工作面掘進(jìn)過程中瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)實(shí)測(cè)情況，該區(qū)域煤層瓦斯含量為2.06-5.13 m?/t，較預(yù)測(cè)煤層瓦斯含量降低2.11-3.31 m?/t，較預(yù)測(cè)煤層瓦斯含量煤層瓦斯抽采率達(dá)到29%以上。

4抽采效率影響因素分析

4.1煤層裂隙發(fā)育程度

地面鉆井預(yù)抽瓦斯效果的好壞主要取決于抽采井洗井與壓裂環(huán)節(jié)施工質(zhì)量的好壞，射孔和壓裂環(huán)節(jié)主要是人為對(duì)低透氣性煤層進(jìn)行改造，改善煤層的滲流條件，使原始煤層產(chǎn)生人工裂隙，并用壓裂砂支撐裂隙，形成瓦斯溢出通道。射孔與壓裂環(huán)節(jié)施工質(zhì)量好，則通過人為造成煤層裂隙充分發(fā)育，內(nèi)部孔隙率高，形成良好的瓦斯流通通道，有利于瓦斯的抽采，提高瓦斯抽采效率。

4.2煤層瓦斯賦存狀況

地面鉆井區(qū)域預(yù)抽瓦斯穩(wěn)定性的首要條件是煤層的瓦斯含量、壓力及煤層的透氣性，如果煤層瓦斯含量不高，透氣性差，地面鉆井區(qū)域預(yù)抽瓦斯的濃度和流量衰減過快，經(jīng)濟(jì)性不合理。因此，地面鉆井區(qū)域預(yù)抽技術(shù)在高瓦斯煤層及煤層群區(qū)域預(yù)抽方面抽采效果更佳，經(jīng)濟(jì)性更合理。

4.3抽采負(fù)壓

地面鉆孔抽采瓦斯的本質(zhì)是利用地面與地下的壓力差把瓦斯抽采出地面的。因此，壓力差的大小將會(huì)影響到抽采流速的大小，從而影響抽采效率。如果抽采負(fù)壓過小，會(huì)導(dǎo)致流量過小，達(dá)不到理想抽采效率。當(dāng)抽采負(fù)壓保持在合理穩(wěn)定的范圍時(shí)，單個(gè)鉆孔達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的抽采濃度和抽采流量，鉆孔進(jìn)入正常抽采期，抽采效率最佳。

4.4鉆孔數(shù)量和間距

地面鉆孔具有一定的抽采能力，而一個(gè)單元內(nèi)煤層瓦斯儲(chǔ)量有限，如果一個(gè)單元內(nèi)布置的鉆孔數(shù)量過多，鉆孔間距過小，就會(huì)發(fā)生鉆孔之間彼此影響，導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛冉档停档统椴尚剩斐山?jīng)濟(jì)、工程上的極大浪費(fèi)。

5.結(jié)語

（1）地面井組瓦斯預(yù)抽技術(shù)在焦坪礦區(qū)的成功應(yīng)用，表明在地面地貌條件允許的情況下，實(shí)行地面井組瓦斯抽采是可行的，為焦坪礦區(qū)及其相同地質(zhì)條件的礦區(qū)超前抽采防治瓦斯災(zāi)害提供了一種行之有效的新技術(shù)。

（2）地面井組預(yù)抽瓦斯不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超前長(zhǎng)時(shí)間預(yù)抽，也不需要專門的抽采巷道，較井下鉆孔抽采可以減少與井下生產(chǎn)的相互影響，為安全高效掘進(jìn)提供了保障，可以有效緩解井下采掘接續(xù)任務(wù)緊張的狀況。

（3）在后續(xù)生產(chǎn)過程中，可以實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)地面垂直井組的一井多用，即可用于3#煤層和下鄰近層4-2煤層的瓦斯預(yù)抽，又可服務(wù)于回采過程及回采結(jié)束后的采空區(qū)瓦斯抽采利用，可實(shí)現(xiàn)預(yù)抽井-采動(dòng)區(qū)井-采空區(qū)井，一井多次利用最大限度的抽采煤層的瓦斯，提高經(jīng)濟(jì)性。

（4）地面鉆井抽采瓦斯能長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定地抽采煤層瓦斯，既能改善礦井安全生產(chǎn)條件，又可兼作煤層氣開發(fā)井，是一項(xiàng)煤與瓦斯共采的綠色開采技術(shù)，具有十分廣闊發(fā)展前景。

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