井上下聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)淺析

李全中

(山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000)

·專題綜述·

井上下聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)淺析

李全中

(山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000)

井上下聯(lián)合抽采瓦斯是一項(xiàng)煤礦瓦斯治理的新技術(shù)，具有減少煤礦瓦斯災(zāi)害和節(jié)約利用資源的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了地面、煤礦井下以及井上下聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)，對各種抽采瓦斯的方法進(jìn)行了簡要的論述。井上下聯(lián)合抽采瓦斯的應(yīng)用結(jié)果表明：采用地面壓裂和井下聯(lián)合抽采技術(shù)，克服了低滲煤層地面壓裂效果差的缺陷，降低了抽采成本和瓦斯治理費(fèi)用，為中小煤礦瓦斯抽采和區(qū)域治理提供了有效手段，同時釋放了突出礦井產(chǎn)能。因此，具有一定的綜合效益，是煤炭與煤層氣開發(fā)的發(fā)展趨勢。

瓦斯；地面鉆孔抽采；井下鉆孔抽采；井上下聯(lián)合抽采

瓦斯災(zāi)害是破壞力極強(qiáng)的煤礦地質(zhì)災(zāi)害。煤礦瓦斯災(zāi)害事故有煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸兩種，強(qiáng)化瓦斯抽采是防止瓦斯災(zāi)害事故最有效的根本途徑。目前，煤礦瓦斯抽采技術(shù)主要有兩種，一種是井下鉆孔抽采技術(shù)，另一種是地面鉆井抽采技術(shù)[1-3]. 井下鉆孔抽采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、可靠性高，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，是各大礦區(qū)煤礦進(jìn)行瓦斯抽采的主要技術(shù)途徑[4，5]. 地面鉆井抽采技術(shù)則是近年來逐步發(fā)展起來的瓦斯抽采新技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是受井下生產(chǎn)影響小、安全性高，目前已經(jīng)在晉城、淮南、淮北等幾大礦區(qū)取得了理想的現(xiàn)場應(yīng)用效果[6-8]. 將井下抽采和地面抽采有機(jī)結(jié)合，建立井上井下瓦斯抽采技術(shù)模式，是提高礦井瓦斯治理能力、保證礦井安全生產(chǎn)的有效途徑。

1 地面鉆孔抽采技術(shù)

1.1 垂直井抽采瓦斯技術(shù)

垂直鉆井技術(shù)是世界煤層氣開發(fā)中最常用最簡單的技術(shù)，即從地面打豎井穿過煤層實(shí)現(xiàn)抽采煤層氣，具有設(shè)備簡單，作業(yè)簡單，投資小，機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但這一技術(shù)主要適應(yīng)于地形平坦、滲透性較好的厚煤層或煤層群。垂直井鉆井完成后，還需要完井、壓裂、排采，才能將煤層中的煤層氣采出。煤層氣井完井方式主要有裸眼完井、套管完井、混合完井3種。壓裂是在地面采用高壓大排量的泵，利用液體傳壓的原理，將具有一定黏度的液體，以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層吸收能力的速度向煤儲層注入，使井筒內(nèi)壓力逐漸增高。隨著外來力量的增加，在克服了煤層本身破裂時所需要的能量后，煤層在最薄弱的地方開始破裂，劈開形成一條或多條裂縫。繼續(xù)向煤層注入流體，裂縫就會擴(kuò)展，為了防止產(chǎn)生的裂縫閉合，向煤層中注入加有支撐劑的攜砂液，支撐產(chǎn)生的裂縫，然后注入頂替液，將井筒周圍支撐劑全部驅(qū)替進(jìn)入裂縫，建立一條連通井筒與煤層的裂隙通道，增加煤層的滲透性，提高煤層氣的抽采效果。垂直井井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，水力壓裂工藝流程圖見圖2.

圖1 垂直井井身結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水力壓裂工藝流程圖

1.2 水平井抽采瓦斯技術(shù)

水平井是指當(dāng)鉆井接近煤層后，將井身沿著煤層或煤層頂?shù)装邈@進(jìn)一定距離的井，其鉆井方法是從地面開孔，先打直井段，再造斜，進(jìn)入煤層后沿煤層鉆相當(dāng)長的水平段，幾百米甚至上千米，相對于垂直井來說，水平井可以增大儲層的裸露面積，提高煤層氣產(chǎn)量。目前煤層氣領(lǐng)域已有多種多樣的水平井，主要有U型井、多分支水平和羽狀水平井。U型井示意圖見圖3，多分支水平井示意圖見圖4.

圖3 U型井示意圖

圖4 多分支水平井示意圖

2 井下鉆孔抽采技術(shù)

2.1 本煤層抽采

利用鉆孔抽采本煤層瓦斯是我國煤礦常用的一種抽采方法，指在煤層巷道中設(shè)置鉆場，向煤層打平行鉆孔，進(jìn)行煤層瓦斯的抽采。這種方法鉆孔具有速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但常常因?yàn)槌椴蓵r間短，封孔效果等原因，抽采瓦斯氣體濃度低，抽采率一般只能達(dá)到20%左右。本煤層鉆孔示意圖見圖5.

圖5 本煤層鉆孔示意圖

2.2 鄰近層抽采

鄰近層抽采瓦斯也是煤礦瓦斯抽采的一種重要手段，是指煤層開采后，會對煤層上部或下部的煤層產(chǎn)生影響，造成變形或卸壓，產(chǎn)生裂隙。為了防止上部或下部煤層中瓦斯氣體通過這些裂隙進(jìn)入開采煤層，造成瓦斯?jié)舛壬?，就需要在開采煤層設(shè)計(jì)鉆孔抽采鄰近層瓦斯氣體。對于特厚煤層或近距離煤層群，為了提高抽采效果，可以在煤層底板穩(wěn)定的巖層中，開掘一條巷道，在這條巷道內(nèi)向煤層中打鉆孔，用于抽采瓦斯。穿層鉆孔抽采瓦斯時間長，抽采范圍大，抽采率高于本煤層瓦斯抽采，瓦斯抽采率一般超過50%.穿層鉆孔示意圖見圖6.

圖6 穿層鉆孔示意圖

2.3 采空區(qū)抽采瓦斯

采空區(qū)瓦斯涌出是工作面瓦斯超限的主要原因之一，其涌出量在礦井瓦斯總涌出量中占有很大比例，一些礦井高達(dá)40%～50%，所以也需要對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。采空區(qū)瓦斯抽采一般采用埋管抽采、高位鉆孔抽采和上隅角抽采等方式，在一些煤礦采空區(qū)抽采效果明顯，抽采瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)60%～80%. 采空區(qū)瓦斯抽放示意圖見圖7.

圖7 采空區(qū)瓦斯抽放示意圖

3 井上下聯(lián)合抽采技術(shù)

井上下聯(lián)合抽采就是將煤層氣地面開發(fā)與井下瓦斯治理有機(jī)結(jié)合起來。煤層氣的地面抽采，對于煤炭開采具有一定的意義，但也存在一些缺陷，容易造成瓦斯抽采盲區(qū)，在一些低滲煤層抽采效果并不理想，影響煤炭的開采。同樣，煤炭的開采對煤層氣的開發(fā)也有影響，一方面是煤炭回采造成覆巖移動變形對煤層氣地面井的破壞，嚴(yán)重破壞地面煤層氣鉆孔的井身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鉆孔失效；另一方面是煤炭的回采在造成覆巖移動破壞的同時，使得采面附近及采動影響區(qū)內(nèi)的煤層產(chǎn)生應(yīng)力釋放，原有裂縫充分張開，并產(chǎn)生新的裂縫，總體上改造了煤層的滲透性，使得抽采更加容易。因此，需要采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和工藝措施克服煤炭生產(chǎn)與煤層氣開發(fā)之間的不利影響，加強(qiáng)并充分利用兩者之間的正面影響。采用地面壓裂和井下抽采技術(shù)，克服了低滲煤層地面壓裂效果差的缺陷，大幅度降低了抽采成本和瓦斯治理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了煤礦的“先抽后采”、“采煤采氣一體化”，尤其適用于不具備井下壓裂的中小煤礦，為中小煤礦瓦斯抽采和區(qū)域治理提供了有效措施，同時釋放了突出礦井產(chǎn)能[9]. 井上下聯(lián)合抽采技術(shù)原理圖見圖8.

圖8 井上下聯(lián)合抽采技術(shù)原理圖

4 結(jié) 論

實(shí)踐表明，井上下聯(lián)合抽采煤層氣：1) 可以降低煤層中的瓦斯含量，減少瓦斯涌出量和回采工作面的瓦斯?jié)舛?，防止煤與瓦斯突出，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。2) 抽采出來的煤層氣可以作為高效能源加以利用，一定程度上改變能源結(jié)構(gòu)。3) 可以減少煤礦和煤層氣公司的利益爭端問題。因此，具有一定的綜合效益，是煤炭與煤層氣開發(fā)的一種趨勢。

[1] 袁 亮.煤與瓦斯共采領(lǐng)跑煤炭科學(xué)開采[J].能源與節(jié)能，2011(4)：1-4.

[2] 盧 平，袁 亮，程 樺，等.低透氣性煤層高瓦斯采煤工作面強(qiáng)化抽采卸壓瓦斯機(jī)理及試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(4)：580-585.

[3] 袁 亮.高瓦斯礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(2)：174-178.

[4] 袁 亮.低透氣煤層群首采關(guān)鍵層卸壓開采采空側(cè)瓦斯分布特征與抽采技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(12)：1362-1367.

[5] 汪有剛，李宏艷，齊慶新，等.采動煤層滲透率演化預(yù)卸壓瓦斯抽放技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(3)：406-410.

[6] 胡國忠，王宏圖，李曉紅，等.急傾斜俯偽斜上保護(hù)層開采的卸壓瓦斯抽采優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(1):9-14.

[7] 袁 亮.卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術(shù)體系[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(1):1-8.

[8] 程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(2):127-139.

[9] 袁 亮，郭 華，沈?qū)毺?，?低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(3):357-365．

Analysis of Combined Gas Drainage Technology from Ground and Underground

LI Quanzhong

The combined extraction of gas from ground and underground is a new technology for coal mine, which has the advantages of reducing the risk of coal mine gas disaster and maximally utilizing resources. The paper introduces the ground and underground coal mine gas drainage technology, a variety of methods of gas extraction were briefly discussed. The results show that the use of ground fracturing pumping, together with the underground drilling technology, can greatly overcome the low permeability of solely the ground fracturing mode, greatly reducing the drainage treatment cost and gas costs, provides effective means for small and medium sized coal mines in gas drainage and environmental friendly protection, greatly released production capacity in case of gas outburst conditions. Comprehensive benefit achieved, the model has become the development trend in coal and CBM rich coalmines.

Gas; Ground drilling drainage; Underground borehole extraction; Combined extraction from ground and underground

2016-07-13

李全中(1986—)，男，河南周口人，2014年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，碩士研究生，助教，主要從事瓦斯地質(zhì)與煤層氣勘探開發(fā)工作

(E-mail)2227966066@qq.com

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1672-0652(2016)09-0050-03