采動區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)在含水地層礦區(qū)的應(yīng)用

付軍輝，李日富，王 然，江萬剛

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

采動區(qū)瓦斯(煤層氣)地面井抽采技術(shù)是20世紀(jì)90年代引入國內(nèi)的[1]，該技術(shù)是在工作面回采前，從地表向地下開采煤層施工直徑為200～400 mm的鉆孔，當(dāng)工作面推進(jìn)至地面井附近后，利用負(fù)壓從具有大量采動裂隙的斷裂帶內(nèi)抽采卸壓瓦斯[2]。由于其具有成本低、不影響井下采掘接替作業(yè)、抽采氣濃度高且便于利用等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為新興的煤礦區(qū)瓦斯開發(fā)技術(shù)研究熱點(diǎn)[3]，經(jīng)過20余年的發(fā)展，形成了“大孔徑地面直井”[4]、“地面井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”[5]、“地面L型頂板定向井”[6]等一系列技術(shù)成果，并在淮南、晉城、大同等各大礦區(qū)得到推廣應(yīng)用[7-9]。由于地面井施工需要貫穿整個(gè)采場覆巖層，井套受采動影響后可能發(fā)生變形破損，如果礦區(qū)覆巖內(nèi)含水層較多，地面井可能成為地下水涌入井下空間的通道，影響井下安全生產(chǎn)，因此含水地層賦存礦區(qū)一直是采動區(qū)地面井抽采技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)。業(yè)內(nèi)對含水地層條件下采動區(qū)地面井優(yōu)化研究成果較少，該技術(shù)在含水地層賦存礦區(qū)的應(yīng)用也未見報(bào)道，筆者在深入分析采動區(qū)地面井套變形破壞模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例對含水地層條件下采動區(qū)地面井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場應(yīng)用成果對類似條件礦區(qū)的技術(shù)應(yīng)用有一定的借鑒意義。

1 地面井套變形模式及防護(hù)技術(shù)

地面井套管與井壁圍巖緊密貼合，井套的變形與井壁圍巖的變形密切相關(guān)。研究表明井下煤層采出后，其上覆巖層在自重及圍巖應(yīng)力場作用下，會發(fā)生下沉、離層、斷裂、旋轉(zhuǎn)、擠壓和層間滑移等復(fù)雜運(yùn)動[10]，使地面瓦斯抽采井隨之發(fā)生橫向剪切、徑向擠壓、豎向拉伸和拉剪綜合等4種變形形式，其中橫向剪切破壞發(fā)生在組合巖層內(nèi)部的巖層界面處，徑向擠壓變形容易發(fā)生在深部單一厚硬巖層內(nèi)，豎向拉伸和拉剪綜合破壞主要發(fā)生在2個(gè)組合巖層交界面處[11]?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，由于巖層多孔介質(zhì)的不均勻性及巖層移動的復(fù)雜多變性，地面井套很少發(fā)生單純的橫向剪切、徑向擠壓和豎向拉伸變形，多表現(xiàn)為拉剪綜合破壞模式，因此采動區(qū)地面井的破壞主要發(fā)生在巖性差異大、離層位移大的組合巖層界面位置。地面井套變形現(xiàn)場觀測照片如圖1所示。

圖1 地面井套變形現(xiàn)場觀測照片

為攻克采動區(qū)地面井套受采場覆巖層移動影響易破斷，影響地面井運(yùn)行周期及其抽采效果的問題，孫東玲等基于“避”“讓”“防”“疏”的理念提出了包括井位合理布置、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、局部固井、防護(hù)裝置強(qiáng)化護(hù)井、懸掛完井等為核心內(nèi)容的采動區(qū)卸壓瓦斯地面井抽采技術(shù)[12-13]，并在弱含水地層礦區(qū)的現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用中獲得了成功。

2 含水地層礦區(qū)地面井試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工作面概況

沁和能源集團(tuán)端氏煤礦毗鄰晉城寺河煤礦，開采3#煤層，煤層厚度4.72～6.00 m，平均5.35 m，煤層傾角3°～15°，平均8°，厚度大且穩(wěn)定，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f≤3。煤層結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜，含1～4層泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層不易自燃，無自燃傾向性，無爆炸性，地溫正常。

試驗(yàn)工作面為3110工作面，其走向長度808.5 m，傾向長度243.0 m，采用長壁一次采全高綜采采煤法，全部垮落法處理頂板。工作面區(qū)域煤層埋深490～540 m，瓦斯壓力1.52～1.64 MPa，平均透氣性系數(shù)15.102 3 m2/(MPa2·d)，原始瓦斯含量17.92～18.48 m3/t，殘存瓦斯含量2.29 m3/t，采前預(yù)抽后瓦斯含量7.60 m3/t。工作面回采時(shí)預(yù)計(jì)瓦斯絕對涌出量43 m3/min左右，采用“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式，其中進(jìn)風(fēng)巷為3110輔助進(jìn)風(fēng)巷、3110進(jìn)風(fēng)巷，回風(fēng)巷為3110回風(fēng)巷。

2.2 地面井設(shè)計(jì)與施工

2.2.1 試驗(yàn)井初始設(shè)計(jì)

試驗(yàn)工作面共施工了2口采動區(qū)地面井，編號為CD-01、CD-02?；凇氨堋薄白尅薄胺馈薄笆琛钡脑O(shè)計(jì)理念，地面井整體為3開井段結(jié)構(gòu)，其中一開井段采用直徑444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆入穩(wěn)定基巖10 m后，下入J55鋼級石油套管，全段水泥固井，返漿至地表；二開井段采用直徑347.6 mm鉆頭鉆進(jìn)至3#煤層頂板以上10 m，全段下入N80鋼級石油套管，雙端局部固井；三開井段采用直徑269.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至3#煤層內(nèi)3 m，下入88 m長N80鋼級石油篩孔管，懸掛完井。地面井井位設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 地面試驗(yàn)井井位參數(shù)

2.2.2 試驗(yàn)井優(yōu)化設(shè)計(jì)

CD-01井首先完成施工及抽采試驗(yàn)，鉆進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)二開井段在部分地層有地下水涌出，主要涌出水源分別在45～105 m、300～380 m區(qū)域，涌水量約為 30 m3/h。抽采試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CD-01井在運(yùn)行初期抽采氣量較大，平均抽采瓦斯純量達(dá)5 000 m3/d，但在運(yùn)行30 d后由于井筒內(nèi)部積水堵塞產(chǎn)氣通道，產(chǎn)氣量急劇下降，平均約300 m3/d，平均瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)約60%，累計(jì)抽采純瓦斯量15.95萬m3。分析認(rèn)為CD-01井產(chǎn)氣效果不佳的原因是地層水?dāng)y砂從井壁豁口涌入井套流至采動裂隙，使裂隙通道受堵，又因?yàn)榈貙?地表以下148 m)處涌水不斷，使得裂隙持續(xù)堵塞，只能抽采少量高濃度的瓦斯。為保證CD-02井抽采效果，對地面井結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化：①改變二開井段局部固井參數(shù)，延長固井段，使其穿越地下含水層層位；②改進(jìn)二開井段結(jié)構(gòu)，在二開套管內(nèi)部加設(shè)三開套管，形成雙層套管結(jié)構(gòu)，并在二開套管底部加設(shè)濾砂裝置，避免產(chǎn)氣裂隙被砂堵塞。優(yōu)化后的CD-02井結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的CD-02井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 地面井抽采數(shù)據(jù)分析

CD-02井自2017年11月16日正式抽采，累計(jì)正常運(yùn)行180 d，較常規(guī)CD-01井延長了5倍；抽采標(biāo)況純瓦斯量172.25萬m3，較常規(guī)CD-01井提高了10倍。CD-02井最高抽采標(biāo)況瓦斯純流量26.64 m3/min，平均抽采瓦斯純流量6.79 m3/min(0.97萬m3/d)；最高抽采瓦斯?jié)舛?5%，平均抽采瓦斯?jié)舛?6.6%，取得了良好的抽采效果。CD-02井部分抽采參數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 CD-02井抽采參數(shù)變化曲線

地面井運(yùn)行后，試驗(yàn)工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛认陆?9.60%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆?6.27%，在此期間采空區(qū)涌水量未有增加。工作面回風(fēng)巷和上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著下降，成功消除了采空區(qū)涌出瓦斯對工作面安全生產(chǎn)的影響。地面井運(yùn)行前后工作面瓦斯數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 地面井運(yùn)行前后工作面瓦斯數(shù)據(jù)對比

對比CD-01與CD-02地面井?dāng)?shù)據(jù)可以看出，在采取有針對性的優(yōu)化措施后，地面井抽采量大大提高，CD-02井較CD-01井抽采瓦斯總量提高了 10倍，表明采動區(qū)地面井技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后可以在含水層賦存礦區(qū)成功應(yīng)用。此技術(shù)一方面能夠保證井下工作面的安全開采，另一方面可極大提高煤礦區(qū)瓦斯抽采量，為礦區(qū)發(fā)電廠提供高濃度瓦斯氣源。

3 結(jié)論

1)采動區(qū)地面井受采動影響會發(fā)生橫向剪切、徑向擠壓、豎向拉伸和拉剪綜合等4種變形形式。由于巖層多孔介質(zhì)的不均勻性及巖層移動的復(fù)雜多變性，單純的橫向剪切、徑向擠壓和豎向拉伸變形很少出現(xiàn)，地面井的破壞多表現(xiàn)為拉剪綜合破壞模式，且破壞主要發(fā)生在巖性差異大、離層位移大的組合巖層界面位置。

2)常規(guī)的采動區(qū)卸壓瓦斯地面井抽采技術(shù)因較少考慮防水措施，難以適用于含水地層礦區(qū)，需要在分析井身破壞模式、確定含水地層位置的基礎(chǔ)上，對固護(hù)井工藝、井身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的CD-02井累計(jì)正常運(yùn)行180 d，較常規(guī)CD-01井延長了5倍；抽采標(biāo)況純瓦斯量172.25萬m3，較常規(guī)CD-01井提高了10倍。地面井運(yùn)行后工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉捣鶠?9.60%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛冉捣鶠?6.27%，成功消除了采空區(qū)涌出瓦斯對工作面安全生產(chǎn)的不利影響，表明采動區(qū)地面井技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后可以在含水層賦存礦區(qū)成功應(yīng)用。