海石灣礦井1100運輸石門過高壓油氣層施工技術(shù)

宿敬北 劉向陽

（1.甘肅金遠(yuǎn)煤業(yè)有限任公司，甘肅 環(huán)縣745700；2.甘肅煤炭第一工程有限責(zé)任公司,甘肅 白銀730913）

1 工程概況

海石灣礦井設(shè)計年產(chǎn)150 萬噸，從1993 年礦井建設(shè)開工至2005年首采面試生產(chǎn)，我公司承擔(dān)了大部分建井工程任務(wù)。 1100 運輸石門近600m 要穿過高壓油氣層，1100 石門設(shè)計長度為987.189m， 掘進(jìn)高度4.12m，掘進(jìn)寬度5.24m，均支護(hù)形式采用錨噴支護(hù)。

2 地層與油氣簡況

2.1 地層

從井口開始，自上而下發(fā)育的巖層分別是∶

①第四系（Q3m）風(fēng)積層黃土與（Q2l）洪積層未膠結(jié)的卵石層，充填中細(xì)粒散沙。

②白堊系下統(tǒng)河口群第四巖組（K1hk4）褐棕色泥巖組。

③侏羅系上統(tǒng)享堂群（J3xt）。 自上而下依次為∶第三巖組（J3xt3）為紅棕色、暗棕色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖與紫灰色、綠灰色粉細(xì)砂巖互層。 第二巖組（J3xt2）為蘭灰色、暗棕色泥巖與淺灰綠色中細(xì)砂巖互層。第一巖組（J3xt1）—下部為草綠色礫巖、礫狀砂巖、砂巖為主，微含油斑。

④侏羅系中統(tǒng)窯街群∶A、第五組砂泥巖段（J2yj5），為灰白、灰綠色砂巖和灰綠、淺棕色泥巖。 上部以砂巖為主，局部夾含油砂巖薄層，以油臭、油斑為主要特征，承壓。 中部為泥、砂巖互層，含油斑，油氣承高壓；下部以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。

B、第四組油頁巖、油砂巖段（J2yj4），上部為黑色、黑褐色巨厚油頁巖層，夾菱鐵礦條帶及薄層鮞狀菱鐵礦泥巖；中部為灰白、灰色長石石英砂巖及粉砂巖， 含油， 具油臭、 油斑及油浸狀， 含油氣承壓達(dá)6.83MPa；下部為灰色、灰白色石英細(xì)砂巖、粉砂巖、油頁巖互層，含油斑、高壓油氣。

C、第三組泥灰?guī)r段（J2yj3），由黑色、黑褐色及暗綠、墨綠色泥灰?guī)r組成。 普遍含菱鐵礦。

D、 第二組含煤段（J2yj2）。 E、 第一組砂礫巖段（J2yj1），底部為褐紅色砂礫巖、含鐵錳質(zhì)結(jié)核及條帶。下部為礫巖夾砂巖或礫狀砂巖，呈深灰色。

2.2 礦井油氣情況

海石灣井田區(qū)域的煤油共生田，分為北部的Fh-2與Fh-3斷層形成的斷鼻隆起帶和南部（Fh-3、Fx斷層以南、Fh-4西南）斷塊間坳陷兩個聚油圈閉。

北部為斷鼻隆起帶裂隙油藏，含油面積1.3km2，含油高度100m；南部為斷塊間坳陷巖性油藏，含油面積5km2，含油高度200m～400m，初步估算油田儲量大于180 萬噸。在南部湟水河兩岸的虎頭崖村與馬場垣村建有多個采油井（大于30 個），單井產(chǎn)量每天25 噸。

在以前建井過程中，風(fēng)立井穿侏羅系窯街群第四組（J2yj4）含油巖層時發(fā)生了砂巖與油氣突出，突出巖石2037.6t，涌出油氣0.9Mm3左右。在油砂巖層掘進(jìn)期間測得油氣壓力高達(dá)3.5～6.83MPa，并發(fā)生過油氣噴出50 余次，燃燒5 次。

1100 運輸石門所穿地層處于煤一和煤二層超覆沉積零點邊界之外，將穿過J3xt3、J3xt2 的泥巖蓋層，進(jìn)入含油氣巖層J3xt1、J2yj5、J2yj4三層儲集油氣層。經(jīng)綜合分析，將主斜井1544m～1640m 段劃分為含低壓油氣無突出危險區(qū)；1100 石門0m～230m 為J2yj5 含高壓油氣層，存在嚴(yán)重突出危險性；230m～442m 段為J2yj4含承高壓油氣層組，存在嚴(yán)重突出危險性。

有濃烈煤油味，油氣包括液體原油及油氣體，油氣成分多達(dá)12 種之多，其中多數(shù)為有害、可燃、易爆氣體，主要是CH4。

3 施工技術(shù)方案

過高壓油氣的方案是∶“地質(zhì)勘查與分段探放”、“防治突出”、“防燃防爆”和“綜合治理”。

3.1 地質(zhì)勘查與分段探放方案∶堅持“有疑必探，先探后掘”的原則，從現(xiàn)有地質(zhì)預(yù)測圖上J2yj5層面法線向上100m 位置處的主斜井位置（1465m 處停止掘進(jìn)）開始進(jìn)行地質(zhì)勘查，探明油氣層具體層位和賦存情況，并據(jù)此確定分段探放方案。詳見圖1-5，1100 石門油氣層抽放鉆孔總體布置示意圖等。

3.2 防突方案∶根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《防突規(guī)定》，采用打鉆探放、突出危險性預(yù)測、效果檢驗、安全防護(hù)四位一體的防突方案，防突分為揭穿含油氣巖層防突和安全防護(hù)措施下掘進(jìn)的工作面防突。

3.3 防燃防爆方案∶采用“邊探邊掘、短段掘砌、超前預(yù)抽、邊抽邊掘、隔氧小炮、炮后滅火”和加強“一通三防”管理的方案，防止油氣突出、噴出、積聚超限和放炮引起的油氣燃燒、爆炸事故。

3.4 綜合治理方案∶成立以總工程師為核心的“過油氣巖層防突領(lǐng)導(dǎo)小組”，健全各項管理制度，配備過油氣層所需的安全設(shè)施與群防群治的綜合方案。

圖1 1100 石門油氣層探抽鉆孔總體布置示意圖

4 過油氣巖層施工方法與措施

4.1 地質(zhì)勘查

孔數(shù)設(shè)計為3 個，1# 孔設(shè)計長度85m、方位角46°、仰角-45°（巷底左部）；2# 孔設(shè)計長度85m、方位角40°、仰角-25°（巷中心）；3# 孔設(shè)計長度85m、方位角34°、仰角-45°（巷底右部）。 鉆孔直徑φ94mm，為取芯鉆孔。 鉆進(jìn)方法采用機(jī)械回轉(zhuǎn)孔底沖洗液環(huán)狀鉆進(jìn)與全孔取芯法。 沖洗液使用普通泥漿與鈉羧甲基纖維素化學(xué)泥漿。

4.2 分段探放方法

①區(qū)段劃分∶1100 車場繞道及1100 石門探放共分13 個區(qū)段，每段段長60m，預(yù)留10m 保護(hù)巖柱。 當(dāng)本次地質(zhì)勘查完成后，依據(jù)成果調(diào)整已劃分的探放區(qū)段。

②孔數(shù)的確定，孔數(shù)確定為3 個，作為基本孔。第一個為取芯前探鉆孔（1# 孔），鉆孔方位為40 度，仰角為-25 度，鉆孔孔徑為Φ94mm。鉆孔施工完畢后，及時封孔測壓，并詳細(xì)記錄各時間段瓦斯壓力情況，直至瓦斯壓力穩(wěn)定。

③主要鉆進(jìn)探放設(shè)施∶XY-2 型液壓煤礦安全鉆機(jī)2 臺，NBB——200/40 型泥漿泵2 臺，φ42mm 防突鉆桿，φ94mm 環(huán)形鉆頭、φ94mm 三翼復(fù)合鉆頭、球形復(fù)合鉆頭，鉆場系統(tǒng)，井內(nèi)供電、供水與供風(fēng)系統(tǒng)，排（抽）放管路系統(tǒng)。

4.3 預(yù)測孔

以1#孔，取巖芯確定層厚、層位，并作為井筒中心油氣壓力測量孔。 以2#～5#孔∶油氣壓力、流量測量孔，孔底距巷道周界5m。

4.4 突出危險性預(yù)測

①根據(jù)巖性法預(yù)測∶當(dāng)取出的巖芯中大部分長度在150mm 以上，且有裂隙圍繞，個別為小圓柱體或圓片時，預(yù)測為一般突出危險地帶；在取出的1m 長的巖芯內(nèi)，部分巖芯呈現(xiàn)出20～30 個圓片，其余巖芯長為50～100mm 的圓柱體并有環(huán)狀裂隙時， 預(yù)測為中等突出危險地帶；當(dāng)1m 長的巖芯內(nèi)具有20～40 個凹凸?fàn)顖A片時，預(yù)測為嚴(yán)重突出危險地帶；巖芯中沒有圓片和巖芯表面上沒有環(huán)狀裂隙時，預(yù)測為無突出危險地帶。

②根據(jù)鉆孔動力現(xiàn)象預(yù)測∶無油氣噴孔時可預(yù)測為無突出危險性。

③根據(jù)油氣壓力法預(yù)測∶當(dāng)油氣壓力小于0.74MPa 時，確定該油氣巖層無突出危險性；反之則具有突出危險性。

4.5 排放和抽放

①排放孔設(shè)計布置∶根據(jù)《防突細(xì)則》、《煤礦安全規(guī)程》，排放鉆孔布置到巷道周界3～5m 的油氣巖（煤）層；排放鉆孔的直徑為94mm，孔底間距5m；施工時先間隔施工鉆孔，然后對已施工鉆孔進(jìn)行抽放，若能達(dá)到預(yù)期效果，則剩余部分鉆孔可不施工或選擇施工。 在排放鉆孔的控制范圍內(nèi)，如果預(yù)測指標(biāo)降到突出危險臨界值以下，措施有效；

其中[α]是許用壓力角。δmax、δmin的最大可取值區(qū)間是[0,180]，由式(12)前2式知α1、α2的最大可取值區(qū)間是[-90,90]，由式(13)、式(15)有

②抽放鉆孔∶每個抽放段抽放孔總數(shù)量為41 個 （包括5 個觀測孔）。

圖2 鉆孔布置終孔位置圖

③抽放∶在油氣抽放孔終孔后接通管路到泵站抽放。 在地面按設(shè)一臺YWB-3 型移動抽放泵站（抽放量40m3/min，抽放負(fù)壓80kpa，電機(jī)功率55kw），配DN200mm 抽放管進(jìn)行抽

4.6 效果檢驗

通過對巖芯圓片數(shù)及孔內(nèi)穩(wěn)定壓力測定方法檢驗措施效果。檢驗孔孔數(shù)為4 個，其中巷道中間一個，位于措施孔之間（為取芯孔，對巖芯進(jìn)行觀測），其他3 個孔位于巷道上部和兩側(cè)，終孔位置位于措施控制范圍的邊緣線上。 檢驗指標(biāo)都符合《防突細(xì)則》要求（孔內(nèi)穩(wěn)定壓力小于0.74Mpa，巖芯中沒有圓片和巖芯表面上沒有環(huán)狀裂隙時），則認(rèn)為措施有效；反之，認(rèn)為措施無效，這時必須增設(shè)抽放鉆孔，延長抽放時間，直到檢驗孔壓力低于0.74MPa 即可停止抽放，進(jìn)行掘進(jìn)施工。

4.7 揭穿油氣層施工

在揭穿油氣層施工前，對工作面上以前留下的勘探孔、抽排孔、檢驗孔等全部按規(guī)程規(guī)定用水泥砂漿封堵。

在施工工作面距油氣層5～2m（垂距）時，采用短支短掘、淺孔爆破的施工方法施工；當(dāng)工作面距油氣層2m（垂距）時，采用深孔爆破一次性全斷面揭穿油氣層。 炮眼深度不小于2.6m。

揭穿油氣層后，連續(xù)通風(fēng)2 小時，然后在井口回風(fēng)流中檢測瓦斯、CO2、CO 濃度，觀察監(jiān)測探頭顯示的瓦斯、CO2、CO 濃度數(shù)據(jù)，符合安全要求時，施工人員可入井施工。

5 防爆防燃措施

5.1 在施工過程中必須堅持“封、堵、引、防、排、抽”的原則，嚴(yán)格加強安全防與燃防突管理工作。

5.2 掘進(jìn)施工必須采取遠(yuǎn)距離淺眼爆破，放炮地點設(shè)在井口處。 炮眼最大深度不得大于2m， 施工中嚴(yán)格按照掘進(jìn)措施爆破圖表的要求鉆眼、裝藥。

5.4 爆破用的炸藥必須采用三級煤礦許用安全乳化炸藥。 引爆的雷管必須采用8# 覆銅毫秒延期電雷管（雷管腳線不小于3m，總延期時間不超過130 毫秒）。 嚴(yán)禁混合使用不同廠家生產(chǎn)的炸藥、雷管，不合格或變質(zhì)的炸藥、雷管嚴(yán)禁使用，裝藥前炮眼必須洗吹干凈。

5.5 每個裝藥眼裝完藥卷后，先向炮眼內(nèi)裝150g 用防水袋裝的食鹽（起消焰作用），再在食鹽上部裝2 節(jié)水炮泥，剩余部分的炮眼必須嚴(yán)格按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的炮泥充填封堵嚴(yán)實，充填長度必須符合不小于0.5m 的要求。

5.6 裝藥前， 對已打的露在工作面的排放鉆孔和所打的超前探眼必須用黃土∶水泥∶砂子（1∶0.5∶2）的混合物充填嚴(yán)實，封泥長度不小于3m，超前小探眼的封泥長度不小于2m。

5.7 瓦檢員嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”制度，放炮地點及其附近20m 范圍內(nèi)油氣濃度超過0.5%，嚴(yán)禁放炮。 不裝藥的炮眼和有油氣涌溢的炮眼必須用黃土、水泥、砂子的混合物充填嚴(yán)實。

5.8 聯(lián)線方式必須采用串聯(lián)。 爆破時必須采用正向爆破，嚴(yán)禁反向起爆。

5.9 放炮前，必須由瓦檢員檢查工作面的瓦斯、CO2等氣體濃度，符合《煤礦安全規(guī)程》要求后，方可由放炮員聯(lián)線放炮，否則嚴(yán)禁裝藥放炮。放炮前切斷該巷道內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備電源。

5.10 放炮后，等待通風(fēng)排煙1 小時以后，通過監(jiān)測系統(tǒng)檢查工作面油氣、溫度、CO2、CO 濃度無異常時，先由專業(yè)安全瓦斯油氣檢測人員入井檢查井筒及工作面的油氣、CO、CO2的濃度，確認(rèn)無問題后，方可通知其他人員入井作業(yè)。

6 結(jié)論

我公司的過高壓油氣層施工技術(shù)，是一項成熟技術(shù)，本次通過應(yīng)用上述 “過高壓油氣層施工技術(shù)”， 有一次得到了驗證。 海石灣礦井1100 運輸石門自2008 年6 月以來，到2010 年8 月，歷時26 個月，共打地質(zhì)鉆孔12 萬余米， 抽放油氣30 萬立方米， 將油氣壓力從6.83 MPa 降到0.74 MPa 以下。 井巷工程安全高效地穿過了800 余米高壓油氣層，圓滿地實現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)；此技術(shù)即為企業(yè)解決了井巷施工難題，也為國家節(jié)約了寶貴資金。 也必然給國內(nèi)同類工程提供了了良好的技術(shù)參考。

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