基于“O”型圈理論的超長工作面瓦斯抽采工藝

王 謙，楊 洲，賈沛強，張世春

(陜西新泰能源有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

彬長礦區(qū)大佛寺井田具有低階煤煤層的高滲透性、低含氣量，但總體煤層氣儲量大的特點。雖然近年實施了多分支水平井、V型井、U型井(遠端對接井)等多種井型進行地面煤層氣井原儲層提前預抽，但解決礦井高瓦斯工作還任重道遠[1-5]。同時，根據(jù)當前國家煤礦安全監(jiān)察局擬逐步取消高抽巷的政策導向，煤礦瓦斯治理工作、安全生產(chǎn)迎來新的挑戰(zhàn)。特別是高瓦斯礦井，亟需新的瓦斯治理工藝來保障礦井安全生產(chǎn)，并在一定程度上緩解瓦斯治理安全費用高的問題?；陔u西盆地煤炭資源枯竭礦區(qū)杏花煤礦“采動區(qū)”“采空區(qū)”瓦斯抽采利用工作實踐獲得的安全監(jiān)控手段及經(jīng)驗，結(jié)合大佛寺井田煤層自燃特性(自燃Ι類)、國家政策導向，通過理論分析，設(shè)計了一套新型適合于超長工作面的瓦斯抽采工藝。

1 瓦斯抽采新工藝實踐

雞西盆地煤炭資源枯竭礦區(qū)杏花煤礦“采動區(qū)”“采空區(qū)”瓦斯治理利用工作已獲得長足進展。2019年9月至2020年4月，分別實施黑雞地3井“采空區(qū)”瓦斯治理、黑雞地4井“采動區(qū)”瓦斯治理，采用“大口徑”直井鉆井，通過鉆井目的層位優(yōu)化分析，負壓抽采監(jiān)測指標值測試及設(shè)定、安全閾值測試及設(shè)定、抽采強度及抽采周期試驗，獲得了較好的商業(yè)氣流及抽采效果，排采曲線如圖1所示，抽采參考線見表1。其中，黑雞地3井混流量97.20～876.50 m3/h，平均CH4濃度37.31%，6個月累計抽采混流量1.34×106m3；黑雞地3井混流量561.9～2 087.4 m3/h，平均CH4濃度81.81%，6個月累計抽采混流量3.97×106m3。初步形成了較為科學有效、安全可靠的“采動區(qū)”“采空區(qū)”瓦斯治理抽采技術(shù)體系。

圖1 黑雞地4井排采曲線(關(guān)聯(lián)負壓、CO濃度等)Fig.1 Extraction curve of Heijidi well 4(related negative pressure and CO concentration)

表1 黑雞地3井防控煤層自燃抽采參考線

楊柳煤礦10號煤層1071工作面、寺河煤礦3號煤層3313工作面“采動區(qū)”“L”型井的實施，取得豐富的工程經(jīng)驗并獲取了較好的抽采效果。二者均基于“O”型圈理論，將“L”型井水平段在縱向上布置于主采煤層頂板之上裂隙帶內(nèi)，并著重布置于破斷裂隙向離層裂隙過渡的交界部位。以楊柳煤礦10號煤層1071工作面“L”型井為例，將水平井眼布置于煤層頂板以上“豎三帶”內(nèi)的裂隙帶內(nèi)，保障井眼在采動過程中通過裂隙通道抽采瓦斯，并一定程度上維持水平井眼通常(不被完全破壞)。楊柳煤礦10號煤層1071工作面“L”型井6個月抽采總量約0.41×106m3，平均濃度74.1%；寺河煤礦3號煤層3313工作面“L”型井6個月抽采總量約3.5×106m3，平均濃度78%。并且兩者均采取監(jiān)測監(jiān)控安全抽采體系建立，保障抽采期間礦井生產(chǎn)安全。

2 新型工作面治理工藝系統(tǒng)

2.1 工藝系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

基于大佛寺煤礦40204工作面設(shè)計新型工作面瓦斯治理系統(tǒng)。該工作面呈南北向布置，工作面1 730 m，停采線位于工作面北側(cè)150 m范圍，切眼處于南側(cè)。當前我國大型煤礦綜放工作面走向長度大多介于1 100～1 400 m，40204工作面停采線至切眼長度1 730 m，屬于超長工作面。本次設(shè)計的系統(tǒng)主體為煤層頂板上方水平井眼，作為瓦斯抽放、運移的主要通道，需要將水平段井眼布置、覆蓋整個工作面停采線至切眼區(qū)域。根據(jù)華北油田、勝利油田、蘇格里油田長水平段水平井鉆井技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，位垂比0.63～4.02，且大部分鉆井位垂比不大于1；造斜位移約300～600 m；河南油田井樓一二區(qū)東北部的主力層油層埋深150～190 m，實施的超淺層大位移水平井鉆井位垂比2.3～2.6[6-8]。40204工作面4號煤層頂板埋深為417～570 m，工作面南北方向停采區(qū)域長度約為150 m。據(jù)此，為保障工藝工程實施的可操作性(要保障工程斜井與直井在停采區(qū)域內(nèi)完成對接)，并兼顧成本(實現(xiàn)大垂深比的措施費用較高)，要實現(xiàn)連續(xù)水平井眼超長工作面一次性跨越覆蓋，須通過水平井眼接力覆蓋形式，即實施兩口水平定向井，將該工作面區(qū)域兩口水平定向井的水平段進行對接連通。

據(jù)上述，地面設(shè)計2組近端對接井，1組“V1+H1”井，1組“V2+H2”井，如圖2所示。V1井處于40204工作面停采線三維空間內(nèi)，V2井處于工作面南側(cè)三維空間內(nèi)，H1井處于V1井北部利于定向連通位置；H2井位于V2井北部利于定向連通位置。H1、H2為“L”型定向井，水平段位于煤層之上巖層，H1、H2形成的水平段最終形成相互貫通的階梯水平井眼，H2水平段末端處于40204工作面開切眼末端，如圖3所示。井下在抽放工藝系統(tǒng)，通過在回風巷實施V1、V2實現(xiàn)與V1、V2對應(yīng)連通，并于井下瓦斯抽放管道連接。水平段整體由北向南下傾，水平段及V1、V2、V1、V2井下部分、礦井瓦斯抽放管道最終形成該工藝工作面瓦斯抽放系統(tǒng)，實現(xiàn)采中、采后瓦斯抽采。

圖2 40204工作面瓦斯抽采2組井配合示意Fig.2 Cooperation of two groups of gas extraction wells in 40204 working face

圖3 井下抽放工藝系統(tǒng)示意Fig.3 Underground extraction process system

2.2 水平井段層位選擇

通過地質(zhì)調(diào)研，在勘探時期對40204工作面1501、1502、1503、b3、b4、b5這6個勘探孔對該區(qū)域進行了控制勘察，發(fā)現(xiàn)煤層之上鄰近層巖性主要為細砂巖、中砂巖、粉砂巖，含3～4層薄煤層，厚度32～53 m，38～150 m之間巖性主要為含礫砂巖、砂質(zhì)泥巖。為利于水平井眼軌跡控制及階梯水平段連通，選擇均質(zhì)性較好、利于鉆進的不含礫砂巖層，即煤層之上鄰近層32～53 m內(nèi)，作為本次設(shè)計的水平井眼目標層位范圍。依據(jù)付玉平、宋選民等[9]對于煤礦工作面形成的“三帶”研究，并結(jié)合國家規(guī)范計算要求，對40204工作面垮落帶、裂隙帶進行了計算、推算，由于40204工作面區(qū)域內(nèi)煤層厚度為5.4～12.45 m，平均10 m，采煤工藝為一次采全高放頂煤工藝。最終確定40204工作面，垮落帶高度為(15.15±2.2)～24.9 m，裂隙帶高度為(51±5.6)～95 m。為在一定程度上確保水平井眼在采中和采后不被破壞，并保障較好的裂隙網(wǎng)絡(luò)溝通性，將水平井眼位置設(shè)置為煤層頂之上24.9～56.6 m。綜上，水平井段目標層位設(shè)定為煤層頂起25～53 m。

2.3 水平井眼水平方向位置

考慮40204工作面“U”型通風特點以及鉆壓安全施工距離，將水平井眼設(shè)置在靠近40204工作面回順區(qū)域?；凇癘”型圈理論[10-12]，通過推算，設(shè)定水平方向上水平井眼距40204工作面回順30～50 m，井眼充分溝通裂隙條件下，保障井眼穩(wěn)定性，便于礦井下井眼對接。

2.4 井下連通及排采

2.4.1 井下連通

地面2組近端對接井形成后，在礦井下實施井眼聯(lián)通對接，如圖4所示。本次設(shè)計形成的V1、V2為鉆穿煤層的直井，在該次設(shè)計的系統(tǒng)中，可只使用V1井，也可V1、V2井同時或階梯式使用。只使用V1井時，在V1井附近的回順硐室實施定向井，與之對接聯(lián)通。若為增加水平井眼抽放能力，可V1、V2井同時或階梯式使用。井下系統(tǒng)連接，通過礦井原有瓦斯抽放管道提供抽放動力，由于水平井眼設(shè)計為自北向南下傾，實際生產(chǎn)過程中，水及煤、巖粉運移至采空區(qū)，不需人為處理；當出現(xiàn)井眼通道不暢時，可組織地面井實施通洗井處理。

圖4 井下對接連通示意Fig.4 Underground connection of extraction wells

2.4.2 排采安全

排采(抽采)安全是“采動區(qū)”“采空區(qū)”瓦斯抽采井生產(chǎn)運行中的重中之重。通過結(jié)合礦井密閉墻瓦斯抽放要求(各礦井自行制定的相應(yīng)規(guī)范規(guī)程)、礦井通風特征等的試驗性試抽，分析獲取負壓抽采的抽采影響半徑、井下通風與地面抽采的關(guān)系、監(jiān)測指標、安全閾值、抽采強度、服務(wù)時間各項安全評價參數(shù)，進而總結(jié)地面井場建設(shè)、安全距離、監(jiān)測安全設(shè)備選型等經(jīng)驗，建立適合礦井瓦斯賦存、礦井通風、采空區(qū)管理特性的“采動區(qū)”“采空區(qū)”抽采工藝和抽采制度體系。保障煤礦主體生產(chǎn)安全，保障抽采井的安全、連續(xù)運行。

3 結(jié)論

(1)基于“O”型圈理論的超長工作面瓦斯抽采可實現(xiàn)采中(采面)、采空區(qū)瓦斯抽采，同時也可對早期運移并儲存在砂巖中的瓦斯進行抽采。

(2)停采線內(nèi)直井可留于后期專做采空區(qū)地面抽采井，水平井眼在一定程度上規(guī)避了下套管壓裂后，井眼變形導致套管扭曲、井眼堵塞，處理難的問題；地面井作為生產(chǎn)運行中井下井眼不通暢問題的措施井。

(3)該抽采系統(tǒng)的運行以保障礦井安全生產(chǎn)為前提，具有較強可操作性，運行安全可靠。針對實際實施過程中細節(jié)性問題特別是安全管控工藝問題，安全監(jiān)測監(jiān)控的主要安全參數(shù)量化值優(yōu)化至關(guān)重要，而井上井下聯(lián)控、聯(lián)測的智能一體化是未來科學可靠的趨勢性手段。