采空區(qū)瓦斯地面抽采鉆井工藝研究及應(yīng)用

喬煒 牛國(guó)斌 姬曉燕

摘要： 煤礦采空區(qū)瓦斯通常采用井下埋管、頂板巷、高位鉆孔等措施抽采，但采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律具有“O”形圈特征，瓦斯主要分布在上“三帶”中的裂隙帶層位。傳統(tǒng)的井下抽采措施受井下施工條件限制，存在鉆孔在裂隙帶有效長(zhǎng)度短及鉆孔封閉性差等制約。地面抽采鉆孔由于終孔層位準(zhǔn)確、波及面積大，能夠有效規(guī)避以上問(wèn)題。大量實(shí)踐證明，空氣鉆井工藝能夠克服以往泥漿鉆井中漏孔、裂隙帶堵塞等難題，是一種較優(yōu)的采空區(qū)瓦斯地面抽采方法。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；瓦斯；地面抽采；空氣鉆井

隨著礦井工作面回采工作的推進(jìn)，周期來(lái)壓后，采空區(qū)上“三帶”逐漸形成，采空區(qū)殘留煤瓦斯及圍巖和鄰近層瓦斯大量釋放涌向工作面，其涌出量占全礦井的20%～45%，造成工作面上隅角瓦斯超限，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的威脅。因此，如何高效的抽采采空區(qū)瓦斯是煤礦瓦斯治理的一個(gè)重要任務(wù)。選擇合理的地面鉆井工藝可保證成孔率和瓦斯運(yùn)移通道的暢通，而空氣鉆井工藝能夠克服漏孔、裂隙帶堵塞及抽采濃度低等難題。

1 采空區(qū)瓦斯賦存特征分析

采空區(qū)上覆“三帶”及“O”形圈特征共同決定了瓦斯運(yùn)移和分布規(guī)律[1]。當(dāng)工作面回采時(shí)，進(jìn)入工作面的風(fēng)流一部分經(jīng)工作面后從回風(fēng)巷排出，另一部分進(jìn)入后方采空區(qū)，并攜帶采空區(qū)內(nèi)瓦斯返出涌向工作面，最終被回風(fēng)帶走。其遠(yuǎn)離作業(yè)面的深部地段，瓦斯主要聚集在有裂隙及各種形式的空間內(nèi)，處于較穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)移緩慢。

因采空區(qū)中間部分被壓實(shí)，瓦斯集中賦存在頂部裂隙帶和兩側(cè)未壓實(shí)區(qū)域（如圖1）。從瓦斯成分角度來(lái)看，冒落帶內(nèi)主要為空氣與甲烷的混合氣體；裂隙帶濃度可達(dá)到90%以上。

a.垂向上 b.平面上

圖1 采空區(qū)瓦斯賦存及運(yùn)移示意圖

在采空區(qū)平面上，瓦斯主要分布在壓實(shí)區(qū)周?chē)摹癘”形圈通道內(nèi)（圖1b）。因工作面與采空區(qū)連通，在漏風(fēng)作用下，采空區(qū)瓦斯大量涌向回風(fēng)巷一側(cè)，形成從進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷逐漸增高的趨勢(shì)。后方壓實(shí)區(qū)因空隙大量被壓縮，瓦斯不斷運(yùn)移到壓實(shí)區(qū)四周的離層區(qū)，在平面上形成了“O”形圈的特征。

根據(jù)采空區(qū)瓦斯賦存及運(yùn)移特征，采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔布置遵循如下原則：①在平面處于壓實(shí)區(qū)周?chē)摹癘”形圈通道內(nèi)；②垂向上終孔于裂隙中下部較為合理。

2 采空區(qū)瓦斯地面抽采鉆井工藝

2.1 傳統(tǒng)鉆井工藝及存在的主要問(wèn)題

目前大部分地面鉆井工程采用泥漿循環(huán)鉆進(jìn)工藝，具有一定粘度的泥漿能夠起到保護(hù)孔壁，防止坍塌的作用。這種鉆井工藝適合于完整的地層，若出現(xiàn)鉆遇破碎地層，則極易出現(xiàn)嚴(yán)重的泥漿漏失，無(wú)法正常循環(huán)返渣，造成井內(nèi)事故。對(duì)于煤礦采空區(qū)而言，上覆地層發(fā)生強(qiáng)烈的剪切破壞，存在大量裂縫。泥漿鉆進(jìn)時(shí)，泵入孔內(nèi)的循環(huán)泥漿“有去無(wú)來(lái)”，輕則造成卡鉆，重則造成塌孔埋鉆等重大井內(nèi)事故。對(duì)于常規(guī)地層出現(xiàn)裂隙漏液時(shí)，通常采用堵漏措施，即增加泥漿稠度或者向孔內(nèi)投入一些粒徑較大物體封堵裂隙。但對(duì)于采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔而言，堵漏往往會(huì)使孔內(nèi)大量裂隙發(fā)生封堵，成孔后抽采時(shí)，瓦斯運(yùn)移的通道幾乎被堵死，大大減少了瓦斯的抽采量，嚴(yán)重影響了抽采效果。

2.2 空氣鉆井工藝研究

2.2.1 空氣鉆井工藝特點(diǎn)

空氣鉆井工藝技術(shù)是以壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)的一種欠平衡鉆井技術(shù)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①鉆進(jìn)效率高。②井底清渣干凈，鉆頭使用壽命長(zhǎng)。③使用空氣錘鉆頭，防斜效果好。④不利地層對(duì)鉆進(jìn)影響小。⑤孔壁裂隙侵入破壞小，有利于后期抽采。

2.2.2 關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于空氣鉆井工藝來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是空壓機(jī)風(fēng)量和壓力的合理選擇。同時(shí)，鉆機(jī)要求轉(zhuǎn)速較低，一般要求500轉(zhuǎn)/min以下。井身結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。對(duì)于500米以淺的采空區(qū)破碎地層中的瓦斯抽采鉆孔施工，選擇表1中的鉆井參數(shù)較合理。但隨著井深的增加，需要的最小風(fēng)量也增加，并呈一定的線性增長(zhǎng)關(guān)系。

表1 采空區(qū)瓦斯地面抽采鉆孔空氣鉆進(jìn)參數(shù)

孔深

（m） 孔徑

（mm） 風(fēng)量

（m3/min） 風(fēng)壓

（MPa） 轉(zhuǎn)速

（r/min）

50 311 28 1.2 35

250 216 56 1.2-2.4 40

500 152 80 2.4-2.8 40

2.2.3 鉆孔井身結(jié)構(gòu)

采空區(qū)復(fù)雜地層下的鉆井必須要考慮到因塌孔造成的無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，此時(shí)要進(jìn)行下管固井作業(yè)，然后進(jìn)行變徑鉆進(jìn)。鉆井設(shè)計(jì)為多徑結(jié)構(gòu)，預(yù)留變徑的空間。通用井身結(jié)構(gòu)為：一開(kāi)穿過(guò)松散層為止，采用￠311mm孔徑；二開(kāi)鉆進(jìn)至彎曲下沉帶頂界為止，采用￠216mm孔徑；三開(kāi)鉆至終孔，采用￠152mm孔徑。一開(kāi)及二開(kāi)結(jié)束后均要進(jìn)行下管固井作業(yè)，三開(kāi)結(jié)束后可采用兩種完井方式：①若采空區(qū)形成時(shí)間已久，地層受力較穩(wěn)定，宜采用裸眼完井方式，其抽采效果更佳。②若成孔時(shí)采空區(qū)還未形成或者剛剛形成不久，地層還未完全穩(wěn)定，要對(duì)三開(kāi)段下入瓦斯抽采花管，防止地層剪切嚴(yán)重破壞井眼。

2.2.4 高效抽采因素分析

（1）鉆井工藝：采空區(qū)瓦斯地面抽采通常是通過(guò)鉆孔導(dǎo)通了采空區(qū)裂隙帶，在泵站負(fù)壓作用下其內(nèi)賦存的大量瓦斯通過(guò)錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙運(yùn)移出井口，如果這些裂隙通道被堵塞，瓦斯就無(wú)法抽出。空氣鉆井工藝因采用的循環(huán)介質(zhì)為空氣，無(wú)法徹底堵塞孔內(nèi)裂隙，保留了后期抽采時(shí)瓦斯的運(yùn)移通道。相比之下，泥漿鉆井工藝中，泥漿大量滲漏到裂隙中，使瓦斯運(yùn)移的通道大部分被堵塞。

（2）終孔層位：由1.2節(jié)可知，采空區(qū)瓦斯主要分布于裂隙帶內(nèi)，這就要求抽采鉆孔必須終孔于裂隙帶中部，抽采時(shí)不但流量較大，而且瓦斯?jié)舛群芨撸ǔＧ闆r下可達(dá)到50%～70%以上。若終孔于冒落帶，雖然抽采流量十分大，但其瓦斯?jié)舛韧ǔＰ∮?5%。若終孔于上部彎曲下沉帶，幾乎沒(méi)有流量。

3 應(yīng)用效果分析

依據(jù)“O”形圈理論及結(jié)合空氣鉆井工藝的優(yōu)點(diǎn)，寧夏煤田地質(zhì)局已在山西、甘肅等地成功實(shí)施多口鉆井。其中山西離石地區(qū)沙曲煤礦24202采空區(qū)處于密閉狀態(tài)，瓦斯儲(chǔ)集量大。在采空區(qū)停采線附近采用空氣鉆井成功實(shí)施一口地面直井（圖2左）。根據(jù)施工結(jié)果，裂隙帶高度約為78米，冒落帶高度約為20米，實(shí)際終孔層位距4#煤層頂板約為28米。抽采結(jié)果表明[2]，日均抽采瓦斯純量為8000m3，瓦斯?jié)舛冗_(dá)80% 。

圖2 采空區(qū)瓦斯地面抽采工程布置圖

甘肅平川區(qū)魏家地煤礦東102工作面采空區(qū)遺煤多，造成工作面瓦斯涌出量大。此外，1#煤層開(kāi)采過(guò)程中，3#煤層受采動(dòng)影響產(chǎn)生卸壓作用，卸壓瓦斯通過(guò)裂隙涌入回采工作面及其采空區(qū)，增大了回風(fēng)瓦斯?jié)舛?，特別是上隅角的瓦斯?jié)舛?。在東102及東103工作面靠近工作面回風(fēng)巷約15-20米處，井間距為200米，終孔于開(kāi)采煤層頂板以下5米的原則布置了6口地面直井（圖2右），用以提前卸壓抽采煤層瓦斯和解決上隅角瓦斯超限。在地面泵站抽采負(fù)壓10-20kpa下，單井日均產(chǎn)氣量在10000 m3以上，瓦斯?jié)舛仍?0%-70%。抽采效果明顯[3]，使井下回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉档土?.1%，取代了該工作面井下的頂板巷和上隅角埋管抽采。

4 結(jié)論

（1）采空區(qū)瓦斯賦存在水平方向上具有“O”形圈特征，垂向上主要集中在裂隙帶。

（2）采用空氣鉆井工藝能夠保留孔內(nèi)大量裂隙通道，可有效提高瓦斯抽采效果。

（3）地面抽采鉆孔布置時(shí)，在平面上要避開(kāi)壓實(shí)區(qū)，距離回風(fēng)巷15-30米為最佳；垂向上終孔于裂隙帶中下部，不得鉆穿裂隙帶。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉應(yīng)科（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)）.魏家地煤礦東102工作面地面鉆井抽采采動(dòng)卸壓瓦斯技術(shù)研究報(bào)告[R].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011，35-40.