井上下聯合抽采技術在晉煤集團的應用

溫俊三

(晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 通風處，山西 晉城 048006)

地面鉆井抽采是美國在20世紀80年代應用成功的地面瓦斯抽采方法。20世紀90年代，中國開始在各個礦區開展試驗工作，經過多年探索，地面瓦斯抽采取得了長足發展，但初期地面抽采瓦斯項目的重點在瓦斯抽采，對煤礦將來的采掘工作存在的問題考慮較少，會給煤礦后期安全生產帶來一定的隱患[1-3]。

1 概 述

1995—1997年，晉煤集團在潘莊井田試驗了7口地面鉆井(PZ001～PZ007)(其中1口為取芯化驗井)，單井日產氣量最高超過12 000 m3/d。2003年，又在潘莊井田施工了30口地面抽采瓦斯試驗井；2004年在前期開發的基礎上，又施工了70口地面抽采試驗井。目前晉城礦區范圍內共施工了3 103口井，其中在抽產氣井1 426口[1]。

晉煤集團在井下瓦斯開采方面進行了積極探索研究，先后實施了邊采邊抽、邊掘邊抽、井下區域性遞進式抽采、采空區抽放等瓦斯抽采方式，并在所屬高瓦斯礦井建設了永久瓦斯抽放系統[1]。

雖然晉煤集團在井下瓦斯抽采技術方面取得了一定的成果，瓦斯抽采量在近幾年也快速增長，一定程度上保證了礦井安全生產，然而依然存在抽采技術難題，主要包括：①井下傳統的瓦斯抽采影響半徑小，抽采覆蓋范圍不全，存在大量的抽采盲區和死角，無法實現全區域抽采達標，仍然存在安全隱患。②初期地面鉆井抽采每年可以使影響區內的煤層瓦斯含量降低1～2 m3/t，到后期地面抽采衰減嚴重，通過地面抽采很難實現抽采達標[1]。

通過多年的探索和研究，晉煤集團提出了煤礦區煤層氣三區聯動立體抽采模式，統籌規劃礦井采掘和地面鉆井開采，通過地面鉆井抽采、井下瓦斯抽采在空間和時間上與煤礦采掘相結合，最終實現地面和井下抽采，為礦井采掘活動創造安全條件，實現“以采氣保采煤，以采煤促采氣”[1]。

2 井上下聯合抽采技術

2.1 地面L型井技術

針對采面回采過程中上隅角瓦斯大的問題，在寺河礦的3313面回風側頂板裂隙帶施工了1口L型井(如圖1、圖2所示)。

圖1 3313工作面頂板L型井平面布置

圖2 3313工作面頂板L型井剖面布置

L型井2014年9月22日晚開始正常運行，連續運行后濃度維持在70%～80%。到2015年4月停運，最高日抽采瓦斯純量達到約3萬m3，累計達到近300萬m3，并進行了利用。

3313工作面高位鉆孔瓦斯抽采量隨L型井氣量的增長，出現遞減趨勢，在L型地面井抽氣5 d后，采面高位鉆孔抽采總量由原來的18 m3/min減到5 m3/min；風排瓦斯在L型地面井抽氣5 d后，由65 m3/min減至59 m3/min。隨著地面L型井投運后，采面回風巷口的瓦斯濃度有明顯的下降情況，且L型地面井運行后，在采面日產量增加2 500 t的情況下，回風巷口平均瓦斯濃度降低了約0.11%(見圖3和圖4)[2]。

圖3 3313采面L型井、高位鉆孔、采空抽采量、風排瓦斯量數據

圖4 3313工作面回風產量、瓦斯濃度數據

地面L型井在寺河礦3313工作面的成功應用，為工作面瓦斯治理提供了一種新方法[2]：

1) 有效解決了回采過程中采面回風上隅角瓦斯大的問題。

2) 地面L型井在一定條件下可以替代井下采面頂板高位鉆孔，且抽放量穩定、濃度高。

3) 井下采面的準備工程與地面L型井的施工互不影響，緩解采掘銜接緊張局面，節省了抽采時間。

4) 采面回采結束后，地面L型井可以繼續抽采一段時間，實現資源最大限度的回收。

2.2 U型井技術

趙莊礦煤層瓦斯含量高、透氣性差、煤體松軟，傳統的地面煤層氣井很難降低煤層瓦斯含量，嚴重影響后期的采掘生產。針對上述問題，利用連續油管壓裂水平井技術，在礦區北部規劃的七盤區團城背斜北翼，施工1口U型井(見圖5)，對煤層進行地面預抽，降低原始煤層瓦斯含量。

該U型井在壓裂后5個月開始產氣，大約半年后進入穩產階段，穩定在5 000 m3/d左右。在該U型井附近的4口普通的地面預抽井日總產氣量為480 m3，不足U型井產氣量的十分之一。

圖5 U型井示意

2.3 徑向井地面壓裂揭煤技術

為了縮短揭煤預抽時間，提高揭煤地點煤層的透氣性，改善瓦斯抽采效果，降低突出危險，實現安全快速揭穿突出煤層的目的。在趙莊礦南蘇進風井揭煤時，利用南蘇進風井附近的ZZFT-013防突井進行徑向孔壓裂[6]。

井筒施工至距3號煤層頂板法距7 m時，利用ZZFT-013防突井進行徑向孔壓裂，ZZFT-013防突井生產套管底部2 m處(約730.34 m)，向南蘇進風井方向徑向鉆第一個分支， 鉆進方位143°，向上每隔0.4 m增加1個徑向分支，共鉆8個徑向孔，8個徑向孔均鉆進到南蘇進風立井底部，鉆進距離43.85 m。徑向孔施工如圖6所示。

圖6 ZZFT-013防突井徑向施工示意(m)

徑向井壓裂過程中，最大壓力達到7.4 MPa，達到最大壓力后，壓力突然釋放，井底瓦斯傳感器值由0.04%左右突然上升到1.3%，在井筒測得瓦斯濃度達到0.6%。整個壓裂過程中壓入總液量517.08 m3，沙量11.89 m3。壓裂結束后井底中部有多條裂隙，底板有明顯鼓起現象，底板位移量達到500～600 mm。

從11月3日壓裂至12月12日累計瓦斯量排放103 428 m3，超過設計瓦斯可抽量91 550.9 m3，經計算,瓦斯含量降到7.61 m3/t。在確保安全的前提下，達到了快速揭煤的目的。

2.4 井上壓裂井下長鉆孔技術

利用地面預抽井與井下底板巷道布置壓裂油管，對穿層鉆孔進行煤層段長鉆孔壓裂(如圖7所示)，解決寺河礦西三盤區巷道掘進過程中瓦斯大的問題。

圖7 井上壓裂井上長鉆孔施工示意

壓裂試驗抽采效果：最高抽采量8.8 m3/min，平均抽采量5.21 m3/min，最高抽采濃度92%，平均抽采濃度為72.5%，累積抽采時間達9個月，累積抽采瓦斯純量為204.81萬m3(見圖8)。與壓裂位置同一巷道的千米孔百米抽采量平均為1 m3/min，而壓裂孔的百米抽采瓦斯量達到5.21 m3/min(壓裂孔煤層段長度為102 m)，提高了5倍，達到了較好的壓裂增透效果，使抽采瓦斯量大幅提升。

圖8 壓裂孔抽采量數據

3 結 語

井上下聯合抽采技術作為晉煤集團的特色，經過長時間的探索和實踐取得了一定的效果，但在實際應用中還存在一些問題：

1) L型井技術雖然取得了成功，由于成本較高和地面施工條件等問題，應用存在一定的局限性。

2) U型井作為解決松軟低透性地面抽采解決方案具有良好的發展前景，下一步需要不斷改進鉆井工藝、優化技術參數、提高鉆井排采管理水平。

3) 徑向井揭煤技術是利用已有的地面井進行施工，重新施工地面井進行徑向井揭煤，會導致成本增加。

4) 井上壓裂井下長鉆孔項目選擇透氣性較好的寺河礦進行試驗，對于透氣性較差的松軟煤層還缺乏實踐經驗。