高瓦斯突出基建礦井的井上下聯合抽采實踐

2021-03-15 09:29:16楊茂茂

山西化工 2021年1期

韋雷，楊茂茂

(晉煤集團鄭莊礦井項目籌建處，山西晉城 048000)

引言

一直以來，煤礦瓦斯災害事故是制約煤礦安全生產的主要因素之一。尤其對于基建礦井而言，對其瓦斯治理效果不佳往往直接影響到該礦井的建設進度和后續生產的安全性。目前，應用于實際礦井瓦斯治理的主要方式為對工作面瓦斯的抽采，包括井下鉆孔抽采和地面鉆井抽采[1]。其中，井下鉆孔抽采已被廣泛應用且具有成本低、可靠性高的優勢；地面鉆井抽采作為瓦斯治理的新技術具有安全性高、對生產影響小的特點。為進一步提高礦井瓦斯治理效果和速度，采用井上下聯合抽采的方式對礦井瓦斯進行治理。本文以某基建礦井為例開展相關井上下聯合抽采的研究。

1 工程概況

鄭莊礦井位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮，礦井所處區域年氣溫-18.7 ℃～37.4 ℃,平均10.2 ℃,年降雨量412.5 mm～891.2 mm，年平均蒸發量為1 584.78 mm。雨季多集中于6月份～8月份。鄭莊礦井為新建礦井，現處于礦井項目手續辦理階段，礦井設計采用立井開拓方式，在工業場地內共布置3個井筒，即，主立井、副立井和中央回風立井，主要服務于首采區塊[2]。全井田劃分為8個盤區，其中首采區塊包括南一盤區、南二盤區。首采區塊可采儲量92.3 Mt，服務年限17.1年。礦井年設計生產能力4.00 Mt/a，井田內主采3號煤層，平均煤層厚度為5.29 m。經探測，該礦井煤層氣的探明儲量如表1所示。

表1 鄭莊礦井煤層氣的探明儲量估算

2 井上下聯合抽采技術

為提高鄭莊礦井的工作面瓦斯的抽采效率和抽采速度，采用井上下聯合抽采的方案對其工作面的瓦斯進行治理。井上下瓦斯聯合抽采的示意圖如圖1所示。

圖1 井上下瓦斯聯合抽采示意圖

如圖1所示，井上下瓦斯聯合抽采包括有地面井壓裂、井下長鉆孔抽采技術和煤層氣地面抽采技術。其中，面井壓裂、井下長鉆孔抽采技術實現了煤層透氣性的全覆蓋式提高及采動區煤層瓦斯高效抽采，解決了單一煤層煤炭開采區難以區域卸壓、瓦斯抽采效率低下、抽采達標時間較長等技術難題；采動區地面煤層氣地面抽采技術充分利用煤層回采的卸壓增透效應，運用地面鉆井抽采采動卸壓區、采空區煤層瓦斯，以解決采煤工作面回采過程中，采空區涌出瓦斯和上隅角瓦斯超限問題，結合鄭莊礦井特征，其地面抽采主要有采動直井和采動L型井[3]。

2.1 地面鉆井抽采實踐

結合鄭莊礦井的各種地質資料，并綜合對其地質條件進行評估，確定具體井的目標煤層段和鉆井時容易產生復雜事故的層段，在此基礎上，優化設計煤層氣井的井身結構。優化后鄭莊礦井鉆井的井身結果如圖2所示。

圖2 地面鉆井井身結構示意圖

鄭莊井田采用直井和叢式井相結合的方式進行地面抽采，叢式井平臺布置參考標準SY/T 6396-2014《叢式井平臺布置》。防碰要求參考標準Q/HS 2016-2010《叢式井防碰與碰后處理要求》[4]。主要抽采目的層有3號、9號、15號煤。地面鉆井涉及到的關鍵設備如表2所示。

表2 地面抽采主要鉆井設備

地面抽采的鉆井的實施方案分為一開作業和二開作業。一開作業：采用311.1 mm鉆井，以鉆穿地表黃土及松散巖石層，至基巖下10 m終孔為原則。二開作業：采用215.9 mm鉆至15號煤層底板以下40 m終孔。

2.2 井下瓦斯抽采

井下瓦斯抽采主要通過對煤層氣進行壓裂改造所實現[5]。在地面抽采的基礎上，結合油氣勘探開發所采用的水水力加砂壓裂將煤層中的瓦斯釋放出來。通過壓裂縫實現煤層天然裂縫和井筒的溝通；擴大排水降壓范圍，加速排水降壓速度，加快煤層氣的解吸，提高氣井產氣速度和產氣量。煤層氣井壓裂工程主要包括射孔和水力壓裂兩部分。

2.2.1 射孔

射孔是指井筒固井后，在井筒中下入射孔器，將封堵的套管、水泥環甚至煤層射開，為煤層氣流入井筒打開通道。根據射孔彈的類型，套管射孔完井通?？煞譃槠胀ㄉ淇淄昃蛷秃仙淇淄昃?。根據煤層強度低、易破碎的特點，該區設計采用普通射孔完井方式。結合以往煤層氣預抽項目的經驗，設計鄭莊井田煤層氣井的射孔采用常規電纜射孔方式，主要設備是：102射孔槍、YD102射孔彈，彈架、導爆索、射孔彈槍體、彈套、密封圈、減震器等。

2.2.2 水力壓裂

煤層壓裂是通過高壓管匯將壓裂液注入煤層，并在煤儲層中產生裂縫，在壓裂液注入的同時將支撐劑送入裂縫，以改善煤儲層與井筒間的連通性，達到提高氣井產能的目的。結合鄭莊礦井地質條件及儲層狀況，為保證煤層的最佳效果其對應的相關壓力施工工序及參數如下：施工砂比：壓裂過程中，施工砂比應逐步增加，平均砂比不低于15%；施工排量：煤層氣井單井施工平均排量不低于8 m3/min；施工壓力：采用光套管壓裂，施工泵壓不超過35 MPa。