采空區瓦斯地面抽采應用實踐

于澤蛟，何宜霏，王艷峰，葛慧敏，張勇

（漾泉藍焰煤層氣有限責任公司，山西 晉中 045399）

采空區瓦斯地面抽采還處在發展階段，相應技術措施還在進一步完善。因采空井普遍產氣量較低且難以推廣，為提高采空井的產氣量，及技術推廣性，遂在陽泉礦區寺家莊井田鉆采空井，在同一礦區采用兩種井身結構，加以對比探尋最優方式，加以技術推廣[1]。

由于采空區是密閉空間，且部分采空區封閉時間較久，所以在鉆井時要做好相應的防護措施，確保安全生產。

1 采空區地質參數

1.1 煤層與頂底板

礦區內可采煤層為8#、9#、12#、15#煤層，可采煤層特征如表1：

表1可采煤層特征

1.2 埋深與瓦斯含量

井田范圍內8#煤層瓦斯含量由東至西逐漸增大，最大瓦斯含量為4.36 m3/t,對應埋深176 m;

井田范圍內9#煤層瓦斯含量由東至西逐漸增大，最大瓦斯含量為4.58 m3/t,對應埋深188 m;15#煤層瓦斯含量在礦區東部較小，瓦斯含量值在1.8 m3/t以下，西北部瓦斯含量較大，瓦斯含量最大值為5.4 m3/t。

1.3 瓦斯涌出量

（1）8#煤層生產時，回采工作面絕對瓦斯涌出量為6.12 m3/min，回采工作面的相對瓦斯涌出量為5.16 m3/t，掘進工作面絕對瓦斯涌出量為0.634 m3/min，礦井最大瓦斯涌出量為9.73 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為7.71 m3/t。

（2）9#煤層生產時，回采工作面絕對瓦斯涌出量為2.44 m3/min,回采工作面的相對瓦斯涌出量為2.06 m3/t，掘進工作面絕對瓦斯涌出量為0.708 m3/min，礦井最大瓦斯涌出量為4.55 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為3.6 m3/t。

（3）15#煤層回采工作面絕對瓦斯涌出量為6.12 m3/min,后期最大絕對瓦斯涌出量為29.04 m3/min,最大相對瓦斯涌出量為23.01 m3/t。

1.4 煤的自燃傾向性

（1）8#煤層吸氧量為1.18 m3/g，自燃傾向性等級為III類，屬不易自燃煤層。

（2）9#煤層吸氧量為1.20 m3/g，自燃傾向性等級為III類，屬不易自燃煤層。

（3）15#煤層吸氧量為1.36 m3/g，自燃傾向性等級為III類，屬不易自燃煤層。

2 采空井鉆井技術要求

2.1 鉆井施工要求

①三開完井，目標層位置不返風停鉆。

②一開、二開前半段可使用空氣鉆，二開后關段必須使用水鉆，三開全程使用氮氣鉆進。

③距采空區30 m時，降低鉆進速度，防止出現卡鉆、掉鉆事故。

④在使用氮氣鉆進[2]時，換單根、上提鉆桿等環節，必須采取封堵措施，防止桿芯和環空倒吸空氣，減少著火風險。

⑤在施工過程中，應監測井口及巖粉反噴范圍內的CO、O2、CH4濃度，發現有CO，應立即停止鉆進。

⑥下套管時，必須使用相對應的液壓鉗。

2.2 井身結構

該井田15#煤層為采空區,為了防止確保靠近采空區時安全鉆進，所以井身結構采用三開。

一開：?311.15 mm鉆頭，鉆入穩定基巖10 m后，下入?273.1 mm表層套管固井；

二開：?241.3 mm鉆頭鉆至K7砂巖，停鉆，下入? 193.74mm套管固井；

三開：?171.4 mm鉆頭，裸眼完井，直接鉆至目的層，不返風停鉆。

一開二開泥漿鉆進，三開采用氮氣鉆進。兩種井深要求，第一種目的層位時K2砂巖層，第二種井型目的層位是15#煤采空區，K2位于采空區之上。兩種不同的鉆深井型[3]分別見如圖1、圖2。

圖1第一種采空井井身結構

圖2第二種采空井井身結構

3 采空井抽采工藝

3.1 抽采工藝流程

采空井地面工藝流程[4]為：

井口（壓力表）→閥門→單向閥→防爆器→阻火器→增壓機組→流量計→過濾器→閥門→管網。系統安裝基本工藝流程如圖3所示。

圖3系統安裝基本工藝流程

增壓機組前必須加裝CH4、O2、CO傳感器，抽采動力系統、監測監控系統及安全防護系統采購安裝標準按照晉煤集團企業標準《煤層氣采動（空）井井場布置、管線及安全抽采系統安裝、運行維護技術規范》執行。

4 兩種井型效果評價

4.1 各井數據及產氣效果

表2各井參數及產氣效果

4.2 井型1效果評價

以K2砂巖層為鉆井目的層的采空井，鉆井完成后井口都存在3 kPa左右的微正壓，打開井口有瓦斯氣體冒出。后期抽采產氣效果較好，平均單井日產氣3 000 m3，其中產氣量最高的單井為5 300 m3/d，而且抽采負壓為-2.5 kPa，隨著抽采負壓的升高，產氣量會進一步升高。

4.3 井型2效果評價

以15#煤采空區為鉆井目的層的采空井，鉆井完成后井口都存在40 kPa～100 kPa左右的正壓，打開井口有瓦斯氣體冒出。后期抽采產氣效果較差，單井產氣量最高的只有240 m3/d，其中大部分井的產氣量只有不到100 m3/d。同時在用井下窺視儀查看井內情況是發現，鉆至15#采空區的井內涌水量較大，各井筒內液面較高，最高的液面有90 m，而該區15#埋深最深不超過250 m，液面將采空區及含氣煤層淹沒，導致產氣效果不佳。

5 結論

（1）通過兩種不同井型產氣效果對比發現，以K2砂巖為目的層位的井產氣效果更好，值得在寺家莊井田加大試驗力度。針對其它積水較多的老采空區，也可以加強試驗性應用推廣。

（2）以15#煤采空區為目的層的鉆井方式產氣效果不佳，因為采空區積水較多，且該地區煤層埋深較淺，積水稍多就將煤層淹沒，不利于裂隙擴散發育，導致瓦斯無法大量涌出，導致該井型不適用于本礦區。

（3）兩種在本礦區有成功也有失敗，表明采空井開發受制于歷史因素，關閉礦井的資料很不健全，尤其是小煤礦，資料齊全度和準確度都很差，采空區鉆井極易鉆到煤柱或積水區等不同因素影響較大，開發難度和風險很高。

6 建議

（1）建議完善關閉煤礦采空區煤層氣勘查開發機制。從回收資源的角度，加大對關閉煤礦殘存煤層氣資源情況調查、勘查力度，并深入開展研究和開展綜合評價工作，使得企業在開發采空區時能掌握更為準確的資料，降低開發難度，減少不必要的試驗性投入，更充分高效的利用采空區煤層氣資源。

（2）建議在一些礦區開展相應的試點，開展采空區煤層氣資源利用試驗，積累經驗，同時借鑒英、德等國先進開發管理經驗，在煤礦關閉前著手建設采空區煤層氣開發利用基礎設施，使資源開發利用實現最大效益化。[5]