井上下聯(lián)合抽采技術(shù)在晉煤集團(tuán)的應(yīng)用

溫俊三

(晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 晉城 048006)

地面鉆井抽采是美國(guó)在20世紀(jì)80年代應(yīng)用成功的地面瓦斯抽采方法。20世紀(jì)90年代，中國(guó)開(kāi)始在各個(gè)礦區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)工作，經(jīng)過(guò)多年探索，地面瓦斯抽采取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但初期地面抽采瓦斯項(xiàng)目的重點(diǎn)在瓦斯抽采，對(duì)煤礦將來(lái)的采掘工作存在的問(wèn)題考慮較少，會(huì)給煤礦后期安全生產(chǎn)帶來(lái)一定的隱患[1-3]。

1 概 述

1995—1997年，晉煤集團(tuán)在潘莊井田試驗(yàn)了7口地面鉆井(PZ001～PZ007)(其中1口為取芯化驗(yàn)井)，單井日產(chǎn)氣量最高超過(guò)12 000 m3/d。2003年，又在潘莊井田施工了30口地面抽采瓦斯試驗(yàn)井；2004年在前期開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，又施工了70口地面抽采試驗(yàn)井。目前晉城礦區(qū)范圍內(nèi)共施工了3 103口井，其中在抽產(chǎn)氣井1 426口[1]。

晉煤集團(tuán)在井下瓦斯開(kāi)采方面進(jìn)行了積極探索研究，先后實(shí)施了邊采邊抽、邊掘邊抽、井下區(qū)域性遞進(jìn)式抽采、采空區(qū)抽放等瓦斯抽采方式，并在所屬高瓦斯礦井建設(shè)了永久瓦斯抽放系統(tǒng)[1]。

雖然晉煤集團(tuán)在井下瓦斯抽采技術(shù)方面取得了一定的成果，瓦斯抽采量在近幾年也快速增長(zhǎng)，一定程度上保證了礦井安全生產(chǎn)，然而依然存在抽采技術(shù)難題，主要包括：①井下傳統(tǒng)的瓦斯抽采影響半徑小，抽采覆蓋范圍不全，存在大量的抽采盲區(qū)和死角，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)，仍然存在安全隱患。②初期地面鉆井抽采每年可以使影響區(qū)內(nèi)的煤層瓦斯含量降低1～2 m3/t，到后期地面抽采衰減嚴(yán)重，通過(guò)地面抽采很難實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)[1]。

通過(guò)多年的探索和研究，晉煤集團(tuán)提出了煤礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采模式，統(tǒng)籌規(guī)劃礦井采掘和地面鉆井開(kāi)采，通過(guò)地面鉆井抽采、井下瓦斯抽采在空間和時(shí)間上與煤礦采掘相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)地面和井下抽采，為礦井采掘活動(dòng)創(chuàng)造安全條件，實(shí)現(xiàn)“以采氣保采煤，以采煤促采氣”[1]。

2 井上下聯(lián)合抽采技術(shù)

2.1 地面L型井技術(shù)

針對(duì)采面回采過(guò)程中上隅角瓦斯大的問(wèn)題，在寺河礦的3313面回風(fēng)側(cè)頂板裂隙帶施工了1口L型井(如圖1、圖2所示)。

圖1 3313工作面頂板L型井平面布置

圖2 3313工作面頂板L型井剖面布置

L型井2014年9月22日晚開(kāi)始正常運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行后濃度維持在70%～80%。到2015年4月停運(yùn)，最高日抽采瓦斯純量達(dá)到約3萬(wàn)m3，累計(jì)達(dá)到近300萬(wàn)m3，并進(jìn)行了利用。

3313工作面高位鉆孔瓦斯抽采量隨L型井氣量的增長(zhǎng)，出現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在L型地面井抽氣5 d后，采面高位鉆孔抽采總量由原來(lái)的18 m3/min減到5 m3/min；風(fēng)排瓦斯在L型地面井抽氣5 d后，由65 m3/min減至59 m3/min。隨著地面L型井投運(yùn)后，采面回風(fēng)巷口的瓦斯?jié)舛扔忻黠@的下降情況，且L型地面井運(yùn)行后，在采面日產(chǎn)量增加2 500 t的情況下，回風(fēng)巷口平均瓦斯?jié)舛冉档土思s0.11%(見(jiàn)圖3和圖4)[2]。

圖3 3313采面L型井、高位鉆孔、采空抽采量、風(fēng)排瓦斯量數(shù)據(jù)

圖4 3313工作面回風(fēng)產(chǎn)量、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)

地面L型井在寺河礦3313工作面的成功應(yīng)用，為工作面瓦斯治理提供了一種新方法[2]：

1) 有效解決了回采過(guò)程中采面回風(fēng)上隅角瓦斯大的問(wèn)題。

2) 地面L型井在一定條件下可以替代井下采面頂板高位鉆孔，且抽放量穩(wěn)定、濃度高。

3) 井下采面的準(zhǔn)備工程與地面L型井的施工互不影響，緩解采掘銜接緊張局面，節(jié)省了抽采時(shí)間。

4) 采面回采結(jié)束后，地面L型井可以繼續(xù)抽采一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)資源最大限度的回收。

2.2 U型井技術(shù)

趙莊礦煤層瓦斯含量高、透氣性差、煤體松軟，傳統(tǒng)的地面煤層氣井很難降低煤層瓦斯含量，嚴(yán)重影響后期的采掘生產(chǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，利用連續(xù)油管壓裂水平井技術(shù)，在礦區(qū)北部規(guī)劃的七盤(pán)區(qū)團(tuán)城背斜北翼，施工1口U型井(見(jiàn)圖5)，對(duì)煤層進(jìn)行地面預(yù)抽，降低原始煤層瓦斯含量。

該U型井在壓裂后5個(gè)月開(kāi)始產(chǎn)氣，大約半年后進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段，穩(wěn)定在5 000 m3/d左右。在該U型井附近的4口普通的地面預(yù)抽井日總產(chǎn)氣量為480 m3，不足U型井產(chǎn)氣量的十分之一。

圖5 U型井示意

2.3 徑向井地面壓裂揭煤技術(shù)

為了縮短揭煤預(yù)抽時(shí)間，提高揭煤地點(diǎn)煤層的透氣性，改善瓦斯抽采效果，降低突出危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全快速揭穿突出煤層的目的。在趙莊礦南蘇進(jìn)風(fēng)井揭煤時(shí)，利用南蘇進(jìn)風(fēng)井附近的ZZFT-013防突井進(jìn)行徑向孔壓裂[6]。

井筒施工至距3號(hào)煤層頂板法距7 m時(shí)，利用ZZFT-013防突井進(jìn)行徑向孔壓裂，ZZFT-013防突井生產(chǎn)套管底部2 m處(約730.34 m)，向南蘇進(jìn)風(fēng)井方向徑向鉆第一個(gè)分支， 鉆進(jìn)方位143°，向上每隔0.4 m增加1個(gè)徑向分支，共鉆8個(gè)徑向孔，8個(gè)徑向孔均鉆進(jìn)到南蘇進(jìn)風(fēng)立井底部，鉆進(jìn)距離43.85 m。徑向孔施工如圖6所示。

圖6 ZZFT-013防突井徑向施工示意(m)

徑向井壓裂過(guò)程中，最大壓力達(dá)到7.4 MPa，達(dá)到最大壓力后，壓力突然釋放，井底瓦斯傳感器值由0.04%左右突然上升到1.3%，在井筒測(cè)得瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.6%。整個(gè)壓裂過(guò)程中壓入總液量517.08 m3，沙量11.89 m3。壓裂結(jié)束后井底中部有多條裂隙，底板有明顯鼓起現(xiàn)象，底板位移量達(dá)到500～600 mm。

從11月3日壓裂至12月12日累計(jì)瓦斯量排放103 428 m3，超過(guò)設(shè)計(jì)瓦斯可抽量91 550.9 m3，經(jīng)計(jì)算,瓦斯含量降到7.61 m3/t。在確保安全的前提下，達(dá)到了快速揭煤的目的。

2.4 井上壓裂井下長(zhǎng)鉆孔技術(shù)

利用地面預(yù)抽井與井下底板巷道布置壓裂油管，對(duì)穿層鉆孔進(jìn)行煤層段長(zhǎng)鉆孔壓裂(如圖7所示)，解決寺河礦西三盤(pán)區(qū)巷道掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯大的問(wèn)題。

圖7 井上壓裂井上長(zhǎng)鉆孔施工示意

壓裂試驗(yàn)抽采效果：最高抽采量8.8 m3/min，平均抽采量5.21 m3/min，最高抽采濃度92%，平均抽采濃度為72.5%，累積抽采時(shí)間達(dá)9個(gè)月，累積抽采瓦斯純量為204.81萬(wàn)m3(見(jiàn)圖8)。與壓裂位置同一巷道的千米孔百米抽采量平均為1 m3/min，而壓裂孔的百米抽采瓦斯量達(dá)到5.21 m3/min(壓裂孔煤層段長(zhǎng)度為102 m)，提高了5倍，達(dá)到了較好的壓裂增透效果，使抽采瓦斯量大幅提升。

圖8 壓裂孔抽采量數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語(yǔ)

井上下聯(lián)合抽采技術(shù)作為晉煤集團(tuán)的特色，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索和實(shí)踐取得了一定的效果，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題：

1) L型井技術(shù)雖然取得了成功，由于成本較高和地面施工條件等問(wèn)題，應(yīng)用存在一定的局限性。

2) U型井作為解決松軟低透性地面抽采解決方案具有良好的發(fā)展前景，下一步需要不斷改進(jìn)鉆井工藝、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)、提高鉆井排采管理水平。

3) 徑向井揭煤技術(shù)是利用已有的地面井進(jìn)行施工，重新施工地面井進(jìn)行徑向井揭煤，會(huì)導(dǎo)致成本增加。

4) 井上壓裂井下長(zhǎng)鉆孔項(xiàng)目選擇透氣性較好的寺河礦進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于透氣性較差的松軟煤層還缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。