山腳樹煤礦礦井上下聯合瓦斯治理技術研究

馮云飛，張建龍，李榮雷

（貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550000）

1 概 況

瓦斯是影響煤礦安全的重要因素，為了保證煤礦的安全開采，必須要對瓦斯進行治理。在瓦斯治理時，主要有兩種方式。一種是通過增加礦井的風量，加快煤礦井下的瓦斯排出，這種方式不僅通風壓力大，還會浪費瓦斯這種清潔能源；另一種方式是通過對煤層中的瓦斯進行抽采，這種方式不僅可以有效控制瓦斯災害，還能對瓦斯進行利用。但是，瓦斯抽采存在諸多問題，主要是由于我國煤層透氣性普遍較低，直接抽采效果比較差。

對于瓦斯抽采，可以分為井上抽采和地面抽采兩種。井上抽采瓦斯濃度高，但是抽采成本高；井下抽采成本低，但是抽采瓦斯濃度低。隨著煤層氣開發大力推廣，井上下聯合抽采已經成為了可能。本文結合了貴州山腳樹煤礦的具體情況，探討了井上下聯合瓦斯治理的效果。

2 瓦斯抽采工程

2.1 工作面概況

貴州山腳樹煤礦221015 回風巷長度1 189 m，221015 運輸巷長度1 282 m，221015 切眼長度200 m。221015 工作面可采長度為920 m，工作面長為200 m，回采面積為184 000 m2，主要回采10 號煤層。煤層平均厚度為1.5 m，可采儲量為41.4 萬t，水分為1.41%，灰分為8.28%，揮發分為29.90%，孔隙率為13.25%，真比重為1.51 g/cm3，視比重為1.31 g/cm3，堅固性系數f 值為0.72。

在221015 運輸巷、回風巷施工鉆孔，測得原始瓦斯參數見表1。由表1 可以發現，煤層瓦斯含量較高，會對煤層回采產生一定的影響。經過測試，煤的瓦斯基本參數：吸附常數a 值為29.26 m3/t、b 值為0.57 MPa-1，鉆孔瓦斯流量衰減系數β為0.024 1 d-1，煤層透氣性系數λ 為1.329 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度Δp 為8，表明煤層屬于低滲透性煤層。為了實現煤礦安全生產和資源的高效利用，決定采用井上下聯合瓦斯抽采治理技術。

表1 抽采前煤層瓦斯參數Table 1 Coal seam gas parameters before extraction

2.2 地面鉆井抽采

為了加快煤層瓦斯抽采，在二采區221015 工作面布置5 口地面鉆孔井，如圖1 所示。其中，YP-3 井、YP-7 井和YP-8 井為先期原位（煤層未開采時） 抽采井，YP-4 井為采動卸壓井，YP-5 井為221013 采空區卸壓井。原位抽采井已經施工完成，先后于2021 年12 月—2022 年1 月開始排采，且YP-3 井于2023 年4 月開始進行負壓抽采。

圖1 地面鉆井抽采部署Fig.1 Ground drilling extraction deployment

2.3 井下鉆孔抽采

在221015 運輸頂抽巷施工穿層鉆孔預抽221015 運輸巷區段煤層瓦斯，每組7 個鉆孔，組間距為10 m，孔間距為2 m，施工95 組，共計665 個鉆孔。在221015 切眼頂抽巷施工穿層鉆孔預抽221015 切眼區段煤層瓦斯，每組7 個鉆孔，組間距為10 m，孔間距為2 m，施工21 組，共計147 個鉆孔。在221015 高位巷施工穿層鉆孔預抽221015 回風巷區段煤層瓦斯，每組7 個鉆孔，組間距為10 m，孔間距為2 m，施工58 組，共計406 個鉆孔。

在221015 運輸巷和回風巷施工順層鉆孔預抽221015 工作面煤層瓦斯，其中，221015 回風巷施工173 個順層鉆孔，孔間距為6 m；221015 運輸巷施工160 個順層鉆孔，孔間距為6 m。

3 井上井下聯合瓦斯抽采分析

3.1 地面抽采

YP-3 井、YP-7 井、YP-8 井生產期間累計產氣65.7 萬m3，甲烷濃度93.5%～95%，抽采數據見表2。

表2 YP-3、YP-7、YP-8 井排采數據Table 2 YP-3,YP-7,YP-8 well drainage data

YP-3 井原為一口煤層氣勘探直井，位于221015 工作面切眼向內20 m，壓裂層位為12 號、18 號煤層，產量1 500～2 000 m3，穩產6 個月。之后，封堵12 號、18 號煤層鉆井段，壓裂10 號層鉆井段并排采。該井于2021 年12 月17 日開始抽采，由于受到頂抽巷掘進的影響，不產水原位抽采失效，于2022 年6 月18 日停止抽采，采用間歇式生產方式。截止2022 年12 月31 日累計產水321.29 m3，最高日產氣量626 m3/d，累計產氣66 954.40 m3，排采曲線如圖2 所示。該井于2023 年4 月開始負壓抽采至今，累計產氣量238 780 m3，平均甲烷含量95%。

圖2 YP- 3 井原位期排采曲線Fig.2 YP-3 well in-situ drainage curve

YP-7 井為原位預抽抽采井，位于221015 工作面切眼向內288 m，壓裂層位為10 號煤層，產量為600～1 000 m3/d。在頂抽巷推進到距離100 m 左右后，為保證井下安全作業，間歇停產。該井于2021 年12 月25 日開始抽采，6 月2 日由于受到頂抽巷掘進的影響，不產水地面原位抽采失效，累計產氣80 410 m3，累計產水325.93 m3，排采曲線如圖3 所示。該井于2022 年11 月開始負壓抽采，累計產氣量102 499 m3，平均甲烷含量達到95%。

圖3 YP- 7 井原位期排采曲線Fig.3 In-situ drainage curve of YP-7 well

YP-8 井為一定向井，原設計在221015 工作面內，因山腳樹煤礦工作面縮短調整，遠離了工作面，僅對10 號煤層進行壓裂改造。該井于2022 年12 月23 日開始抽采，2022 年3 月16 日解吸見套壓，6 月初受井下頂抽巷道開切眼段施工，不產水產氣量在1 個月后開始下降，最高日產氣量880 m3/d，累計產氣168 070.4 m3，濃度98.5%，累計產水513.82 m3，排采曲線如圖4 所示。

圖4 YP- 8 井排采曲線Fig.4 Drainage curve of YP-8 well

YP-4 井、YP-5 井為工作面內布置的采動區瓦斯卸壓抽采井，井底位于首采層（10 號煤） 頂板，并以篩管完井無壓裂改造。由于采煤工作面距離YP-4 井、YP-5 井較遠，暫未開始抽采試驗及相關測試。

在YP-3 井開展了“一井多用”工程試驗。隨著工作面推進，已割掉YP-3 井在10 號煤處的套管。目前，YP-3 井已經改為負壓抽采，產量為1 700～980 m3/d，產量隨著采面推進而遞減，甲烷濃度為94%以上，相較原位抽采時產量提升了2倍，這表明采動區瓦斯卸壓井負壓抽采效果較好。

3.2 井下瓦斯抽采

221015 運輸巷的瓦斯抽采鉆孔于2022 年11月21 日開始施工，至2023 年3 月14 日施工完畢，共施工156 個；回風巷于的瓦斯抽采鉆孔2021 年12 月6 日開始施工，至2023 年2 月22 日施工完畢，共施工158 個。

221015 運輸巷的瓦斯抽采從2022 年11 月22日至2023 年3 月24 日，共123 d，累計抽采瓦斯總量為377 673.30 m3；221015 回風巷的瓦斯抽采從2021 年12 月7 日至2023 年3 月24 日，共472 d，累計抽采瓦斯總量為1 397 671.83 m3，詳見表3。截止2023 年3 月底，總的瓦斯抽采量176 萬m3，運輸巷的瓦斯濃度在30%左右，回風巷的瓦斯濃度在35%～45%。

表3 221015 采煤工作面瓦斯抽采數據Table 3 Gas extraction data of 221015 coal mining face

4 井上下聯合抽采效果評價

4.1 地面抽采效果

通過在221015 工作面切眼頂抽巷、運輸頂抽巷、高位巷鉆孔取芯，對煤層壓裂影響范圍和抽采效果、因采動影響下地面抽采變化特征規律、壓裂波及區井下抽采鉆孔抽采效果等進行評價。井下煤層鉆孔取芯測得煤層的瓦斯含量如圖5 所示。在井下鉆孔對煤層含氣量測試，對比未壓裂區域和YP-3 井、YP-7 井周邊煤層瓦斯含量，發現在井筒為中心50 m 半徑范圍6 個月內含氣量降低1～2 m3/t。

圖5 井下鉆孔瓦斯含量Fig.5 Underground borehole gas content

4.2 井下抽采效果

221015 工作面每日瓦斯抽采量曲線如圖6 所示。由此可以見，在回風巷和運輸巷抽采前期，隨著鉆孔數量的增加產量逐漸增加，鉆孔數量不再增加抽采量趨于穩定。根據每日抽采量和鉆孔數取平均值，得到單個鉆孔的日平均抽采量，如圖7 所示。根據鉆孔施工位置和施工時間與井下工作面的對應關系，初步估算在壓裂范圍內鉆孔的貢獻能力。

圖6 221015 工作面每日瓦斯抽采量曲線Fig.6 Daily gas extraction curve of 221015 working face

圖7 221015 工作面單孔日均瓦斯抽采量曲線Fig.7 Single hole daily average gas drainage curve of 221015 working face

YP-7 井壓裂影響范圍主要在井筒為中心的100 m 左右的范圍，即在靠近221015 運輸巷范圍內煤層滲透性有較大的改善。隨著井下瓦斯抽采鉆孔施工到壓裂影響范圍內，運輸巷瓦斯抽采量快速提高，單孔日均抽采量也快速升高達到峰值。由于回風巷受壓裂的影響較小，瓦斯抽采量沒有明顯的變化。對221015 運輸巷瓦斯抽采量進行分析，發現鉆孔未到壓裂影響時，單孔日均瓦斯抽采量為118 m3/d；鉆孔施工到壓裂影響范圍時，單孔日均瓦斯抽采量為247 m3/d，抽采能力提高了109%。在地面YP-7 井、YP-3 井對10 號煤進行壓裂增大煤層透氣性，井下鉆孔瓦斯抽采主管濃度相對于221013 工作面的瓦斯抽采主管濃度增加10%，抽采時間大大縮短。

5 結 語

針對貴州山腳樹煤礦的煤層瓦斯，采用了井上下聯合瓦斯治理模式，地面抽采和井下瓦斯抽采同時進行。在生產過程中，發現地面抽采不僅抽采瓦斯濃度高，而且抽采瓦斯量大，瓦斯濃度可以穩定在90%以上。井下抽采瓦斯濃度平均可以達30%，且地面抽采可以對井下抽采起著一定的加速作用，表明井上下聯合瓦斯抽采模式對低滲透性煤層瓦斯治理效果良好，保障了山腳樹煤礦的安全高效生產。