地面鉆井瓦斯抽采效果分析

秦金輝

（山西焦煤霍州煤電 李雅莊煤礦，霍州 山西 031400）

對(duì)于低透氣性煤層，施工地面鉆井，不僅可以抽采采空區(qū)瓦斯，也可以鄰近煤層瓦斯，是解決回采工作面瓦斯超限的有效手段[1-3]。地面鉆井作為治瓦斯的主要技術(shù)之一，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，我國淮南、淮北、晉城、平頂山、唐山、潞安等礦區(qū)已進(jìn)行地面鉆井抽采采動(dòng)影響區(qū)瓦斯，并取得豐碩的成果[4-6]。

2016年，霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦在2-612工作面進(jìn)行了地面鉆井抽采采空區(qū)瓦斯試驗(yàn)，主要存在鉆井穩(wěn)定差、固井成功率低、抽氣量少。為了對(duì)比分析高位鉆場(chǎng)和地面鉆井瓦斯抽采效果，以及不同鉆井布置層位對(duì)抽采效果的影響，在2-605布置了高位鉆場(chǎng)及不同層位的地面鉆井。

1 2 -605 工作面地質(zhì)條件

李雅莊煤礦位于山西省南部臨汾盆地的北緣，系霍州礦區(qū)北端的一個(gè)井田，處在靈石隆起之什林撓褶斷裂帶北盤和霍山斷裂帶之西。2-605工作面原始瓦斯壓力0.697 MPa，噸煤原始瓦斯含量6.314m3/t，可解吸瓦斯量為5.08m3/t，不可解吸量為1.234m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.4625 m2/MPa2·d，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.043 d-1，屬于可以抽采煤層。經(jīng)過預(yù)抽，在回采前工作面煤層瓦斯含量5.564m3/t，可解吸瓦斯量為4.33m3/t，不可解吸量為1.234m3/t，瓦斯壓力0.475 MPa。

2 抽采設(shè)計(jì)

2-605工作面回風(fēng)巷1217 m，運(yùn)輸巷1184 m，切巷215 m。為對(duì)地面鉆井抽采效果進(jìn)行針對(duì)性的對(duì)比分析，在605工作面回風(fēng)側(cè)靠近切巷處依次設(shè)計(jì)了4個(gè)高位鉆場(chǎng)和9口不同布置位置的地面鉆井。

2.1 高位鉆場(chǎng)布置

高位鉆場(chǎng)在回風(fēng)巷非回采側(cè)開口，沿30°上山施工，掘進(jìn)15 m后向切巷方向拐彎掘進(jìn)3 m，再沿30°上山向回采側(cè)掘進(jìn)30 m。在迎頭和12 m處施工兩個(gè)鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)向切巷方向施工鉆孔，形成高、低位裂隙抽采孔，鉆孔長(zhǎng)度150 m，鉆場(chǎng)間距120 m，鉆孔壓茬30 m。

2.2 地面鉆井布置

為了精確定位地面鉆井布置層位，利用UDEC模擬軟件對(duì)采空區(qū)覆巖垂直應(yīng)力、位移進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，工作面后方120 m后采動(dòng)壓力開始逐漸恢復(fù)，160 m后壓力逐漸趨于穩(wěn)定，在采空區(qū)兩側(cè)存在寬度35～46 m的卸壓區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合在2-612地面鉆井試驗(yàn)結(jié)果，地面鉆井應(yīng)布置在距回風(fēng)巷45 m處，鉆井間距設(shè)計(jì)位110 m。

3 井身結(jié)構(gòu)及固井方法

鉆井整體結(jié)構(gòu)為三次鉆井設(shè)計(jì)，一開鉆井終孔位置鉆過風(fēng)化帶巖層至基巖以下10 m位置，二開鉆井終孔位置為距煤層頂板40 m，三開為通井，二開水泥候凝后三開掃孔至孔底，確保井筒內(nèi)暢通。井身結(jié)構(gòu)見圖1。

一開采用Φ480mm牙輪鉆頭，鉆穿基巖風(fēng)化帶10 m后，預(yù)計(jì)井深40 m（以實(shí)鉆地層為準(zhǔn)），下Φ377.7mm×10mm無縫鋼管，封固地表疏松層，水泥返高至地面。

二開采用Φ311.1mm鉆頭鉆進(jìn)至2#煤層頂板40 m處終孔，下Φ244.5mm×8.94mm套管，水泥返高至終孔以上200 m。

三開采用Φ215.9mm鉆頭掃孔，鉆進(jìn)至2#煤層下5 m結(jié)束。

4 瓦斯抽采量和抽采率分析

4.1 高位鉆場(chǎng)抽采

前期在605工作面布置了4個(gè)高位鉆場(chǎng)，其中2#、3#高位鉆場(chǎng)服務(wù)期間工作面配采，推進(jìn)度較慢，處于非正常回采，4#高位鉆場(chǎng)服務(wù)后期1#地面鉆井開始工作，抽采效果受影響較大。2#地面鉆井在工作面推過62.8 m后破壞，3#鉆井還在抽采，為了和地面鉆井進(jìn)行針對(duì)性的對(duì)比分析，僅對(duì)1#高位鉆場(chǎng)和1#地面鉆井抽采效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1#高位鉆場(chǎng)抽采期間，平均抽采濃度40.63%，平均抽采純量3.66m3/min，工作面平均抽采率59.74%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葷舛缺３衷?.43%上下波動(dòng)，回風(fēng)隅角日最高瓦斯?jié)舛葹?.8%。35天共計(jì)抽采瓦斯18.45萬m3。

4.2 地面鉆井

1#地面鉆井布置在距回風(fēng)巷46 m處，工作面推過地面鉆井20.8～68 m之間，純流量較大，平均為13.77m3/min。工作面推過地面鉆井68 m后，抽采純量明顯下降，平均為5.97m3/min。在抽采期間，平均抽采濃度為15.94%，平均抽采純量8.74m3/min，工作面平均抽采率64.63%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葷舛缺３衷?.42%上下波動(dòng)，回風(fēng)隅角日最高瓦斯?jié)舛葹?.78%。5月20日投入使用，6月24日停抽，期間停泵三天，33天共計(jì)抽采瓦斯41.53萬m3。

2#地面鉆井布置在距回風(fēng)巷28 m處，由于距回風(fēng)巷較近，抽采效果較差。6月25日投入使用，6月26日抽采純量達(dá)到最大，僅為8.39m3/min，之后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，7月11日工作面推過地面鉆井62.8 m，抽采純量降低至0.76m3/min，7月12日關(guān)井停抽。之后進(jìn)行了窺探，井壁套管出現(xiàn)多處變形，在587 m處變形嚴(yán)重，井壁閉合。

3#地面鉆井布置在距回風(fēng)巷22 m處，由于距回風(fēng)巷較近，抽采效果較差。7月21日投入使用，在8月18日調(diào)壓之前抽采純量較低，平均僅為5.84m3/min。8月18抽采負(fù)壓由24 kPa調(diào)高至38 kPa，抽采純量升高至平均11.17m3/min。

5 抽采效果比較分析

5.1 地面鉆井和高位鉆場(chǎng)抽采比較分析

由于2#地面鉆井變形嚴(yán)重，抽采效果沒有可比性，因此不進(jìn)行比較。在605工作面回采期間地面鉆井和高位鉆場(chǎng)抽采效果比較如表1、圖2所示，各數(shù)值均為平均值。

從表1、圖2可以看出，高位鉆場(chǎng)抽采濃度高于地面鉆井，而在瓦斯抽采純量、抽采總量方面明顯不如地面鉆井。主要是由于高位鉆場(chǎng)鉆孔布置在裂隙帶內(nèi)的上部，抽采裂隙帶內(nèi)及附近集聚的瓦斯，所以存在抽采濃度高，而抽采量低的現(xiàn)象。地面采動(dòng)井終孔施工至煤層底板下5 m，在抽采裂隙帶瓦斯的同時(shí)，大量抽采冒落帶瓦斯，所以呈現(xiàn)抽采量大，而抽采濃度低的現(xiàn)象。另外，地面鉆井抽采期間回風(fēng)流及回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛染陀诟呶汇@場(chǎng)，抽采率高于高位鉆場(chǎng)，說明地面鉆井投入使用后，工作面瓦斯治理效果好于高位鉆場(chǎng)。

表1 地面鉆井和高位鉆場(chǎng)抽采效果比較

圖2 1#高位鉆場(chǎng)和1#地面鉆井抽采濃度抽采純量的變化曲線

圖3 地面鉆井抽采濃度和純量變化曲線

5.2 地面鉆井抽采比較

到目前為止，李雅莊礦605工作面已施工完成5口地面抽采鉆井，部分鉆井抽采數(shù)據(jù)如表2和圖3所示。

從表2和圖3可以看出，1#地面鉆井在回采面推過65.6 m左右開始破壞，抽采純量由平均12.50m3/min降為6.04m3/min；2#、3#鉆井在工作面推過后抽采純量一直較低，2#鉆井抽采純量由平均為6.36m3/min，推過62.8 m后降至0.67m3/min，3#鉆井抽采純量平均為5.84m3/min，在工作面推過89.4 m調(diào)高抽采負(fù)壓后，抽采濃度出現(xiàn)顯著升高，平均達(dá)到11.17m3/min。說明地面鉆井破壞后，調(diào)高抽采負(fù)壓能顯著提高抽采效果。抽采效果表明，隨著地面鉆井布置位置靠近回風(fēng)巷，鉆井井身的穩(wěn)定性和抽采效果呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，地面鉆井布置不宜靠近回風(fēng)巷。

表2 地面鉆井抽采情況

6 結(jié)語

1）地面鉆井抽采效果明顯好于高位鉆場(chǎng)，抽采純量比高位鉆場(chǎng)提高139%，抽采總量提高124%（地面鉆井33 d抽采量，高位鉆場(chǎng)35 d抽采量），回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔捎?.43%降低至0.42%。

2）利用UDEC模擬軟件對(duì)采空區(qū)覆巖垂直應(yīng)力、位移進(jìn)行模擬，并結(jié)合2-612工作面地面鉆井試驗(yàn)結(jié)果，獲得地面鉆井布置位置依據(jù)，即地面鉆井布置在距回風(fēng)巷45 d處，布井間距為110 d。

3）1#地面鉆井布置在距回風(fēng)巷48 d處，抽采濃度、純量相對(duì)于2#地面鉆井分別提高了165%和46%；相對(duì)于3#地面鉆井抽采濃度、純量分別提高了79%和29%。 1#地面鉆井抽采效果明顯優(yōu)于2#和3#。

4）李雅莊礦605工作面應(yīng)用表明，地面鉆井布置位置過度靠近回風(fēng)巷，工作面推過后即遭到破壞，抽采效果較差。地面鉆井距回風(fēng)巷48 m時(shí)，在工作面推過65 m左右遭到破壞。所以，地面鉆井隨著布置位置靠近回風(fēng)巷，井身的穩(wěn)定性和抽采效果呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。

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