采空區(qū)地面鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊樹文，華明國，李 云

(山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

采空區(qū)地面鉆井是將鉆孔直接從地面打入采空區(qū)上方，主要用于采空區(qū)瓦斯抽采，預(yù)防瓦斯超限，確保煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。該技術(shù)是由美國率先研究并應(yīng)用推廣。由于美國煤層埋深較淺且煤質(zhì)較好，因此，地面鉆井技術(shù)結(jié)合水力壓裂等增透方法，極大地提高了采空區(qū)瓦斯的抽采效率，取得了很好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。目前，地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)與井下瓦斯抽采技術(shù)相比具有三方面明顯優(yōu)勢(shì)：①施工方便，不受井下巷道環(huán)境限制；②施工可采用更大型號(hào)的鉆機(jī)，有效提高瓦斯抽采效果；③地面瓦斯抽采工作易于管理和維護(hù)。

我國在地面瓦斯抽采鉆井技術(shù)上起步較晚，于20世紀(jì)70年代末期在撫順、陽泉、焦作和湖南等煤礦逐步開始工程試點(diǎn)研究，但由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，透氣性較低，煤質(zhì)參差不齊，極大地增加了鉆孔技術(shù)的難度，即使開展水力壓裂等增透措施，瓦斯抽采效果也不理想[3-5]。2021年，以淮南煤礦為例，該礦區(qū)共施工40多口地面鉆井，但鉆孔失敗率高達(dá)40%.目前,我國對(duì)地面鉆井抽采技術(shù)的研究已積累了一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6]，但是在低透氣性煤層綜放開采條件下如何提高地面鉆井施工成功率、滿足高強(qiáng)度開采條件下鉆井井身穩(wěn)定性需求等方面研究較少，缺乏理論指導(dǎo)，難以滿足煤礦工程實(shí)際需求。因此，為解決工作面回采過程中采空區(qū)瓦斯抽采困難這一問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種地面鉆井方案，并在余吾煤業(yè)N2105工作面開展試驗(yàn)研究。

1 工作面瓦斯治理概況

N2105工作面位于余吾煤業(yè)北翼采區(qū)，主采3號(hào)煤層，工作面原始瓦斯含量為10.049 6 m3/t，煤層瓦斯儲(chǔ)量5 069.6萬m3.該工作面采用“三進(jìn)一回”的偏Y型通風(fēng)方式。經(jīng)現(xiàn)場測量計(jì)算，N2105工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為85 m3/min，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，絕對(duì)瓦斯涌出量超過40 m3/min為高瓦斯礦井，必須進(jìn)行瓦斯抽采。

2013年7月，余吾礦開始對(duì)N2105工作面進(jìn)行采空區(qū)埋管抽采試驗(yàn)研究。初期抽采結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抽采效果較差，瓦斯抽采量僅為0.8 m3/min，不能有效達(dá)到采空區(qū)瓦斯治理的目的。因此，余吾礦采用地面鉆井技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，并對(duì)地面鉆井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為解決工作面回采過程中采空區(qū)瓦斯抽采提供新思路。

2 地面鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 地面鉆井布置

為最大限度地進(jìn)行采空區(qū)的瓦斯抽采，余吾礦將地面鉆井布置于靠近回風(fēng)巷側(cè)，如圖1所示，先后完成了3口地面鉆井的施工并開展抽采試驗(yàn)研究，分別為CC-1號(hào)鉆井、CC-2號(hào)鉆井和CC-3號(hào)鉆井。這樣布置不僅鉆孔穩(wěn)定性較高，還能抽采到“O”型圈裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)高濃度的瓦斯，有效提高瓦斯抽采效率。

圖1 管路連接示意

根據(jù)余吾礦北翼采區(qū)上覆巖層三帶測量試驗(yàn)，將鉆孔布置于裂隙帶發(fā)育區(qū)。各鉆井布置參數(shù)如表1所示。

表1 N2105工作面地面鉆井位置參數(shù)

2.2 地面鉆井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

試驗(yàn)初期，CC-1號(hào)與CC-2號(hào)鉆井均采用了小孔徑設(shè)計(jì)。其中，CC-1號(hào)鉆井第一次掘進(jìn)地層鉆孔直徑為D311.1 mm，下入D244.5 mm套管固井；第二次掘進(jìn)地層開段鉆孔直徑D152 mm，下入D127 mm篩管。

CC-1號(hào)鉆井試驗(yàn)期間，在工作面推過鉆井60 m后瓦斯抽采量迅速衰減，直至90 m后由于煤層瓦斯壓力劇烈變化導(dǎo)致鉆井發(fā)生破壞無法繼續(xù)抽采瓦斯。為此,對(duì)CC-2號(hào)鉆井在CC-1號(hào)鉆井基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將第三次掘進(jìn)地層產(chǎn)氣實(shí)管連到地面采用雙層組合套管。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)CC-2號(hào)鉆井與CC-1號(hào)試驗(yàn)結(jié)果相似，均在工作面推過鉆井60 m后瓦斯抽采量迅速衰減，在100 m后，由于煤層瓦斯壓力劇烈變化導(dǎo)致試驗(yàn)過程中鉆井出現(xiàn)了不同程度的變形破壞及抽采濃度下降問題。因此,對(duì)CC-3號(hào)鉆井進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了鉆孔直徑，并在外層套管充填水泥。CC-3號(hào)大直徑鉆井的井身結(jié)構(gòu)如下：第一次掘進(jìn)地層直徑D570 mm，下入D508 mm套管固井；第二次掘進(jìn)地層直徑D445 mm，下入D339 mm套管固井；第三次掘進(jìn)地層直徑D266.7 mm，下部下入D219.1 mm篩管，篩管上再加實(shí)管至地面；第四次掘進(jìn)地層直徑D177.9 mm，采用裸眼完井。其中二開套管與生產(chǎn)套管采用分段固井，充填水泥環(huán)。

3 瓦斯抽采效果分析

為試驗(yàn)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔瓦斯抽采效果，安裝2臺(tái)瓦斯抽采泵，管路連接如圖2所示(抽采泵一用一備)。

圖2 瓦斯抽采總量對(duì)比

3.1 瓦斯抽采總量分析

3個(gè)鉆井瓦斯抽采效果如圖3和圖4所示。1號(hào)鉆井于2013年10月8日至2013年10月28日進(jìn)行抽采試驗(yàn)，由于鉆井發(fā)生破壞，共計(jì)抽采天數(shù)為21 d，期間瓦斯抽采量總計(jì)為19.7萬m3；2號(hào)鉆井于2013年12月28日至2014年1月23日進(jìn)行抽采試驗(yàn)，由于鉆井發(fā)生破壞，總計(jì)抽采天數(shù)為27 d，期間瓦斯抽采量與1號(hào)鉆井相當(dāng)，共計(jì)為19.56萬m3；3號(hào)鉆井于2014年5月5日至2014年7月9日進(jìn)行抽采試驗(yàn)，共計(jì)抽采天數(shù)為66 d，期間瓦斯抽采量總計(jì)為39.31萬m3.

圖3 瓦斯天數(shù)對(duì)比

圖4 純瓦斯流量范圍

由圖3和圖4可知，3號(hào)鉆井的瓦斯抽采時(shí)間最長，瓦斯抽采總量也最多，這證明增加水泥環(huán)的3號(hào)鉆井管路比1號(hào)、2號(hào)鉆井更堅(jiān)固、穩(wěn)定，增加管路直徑也能大幅度提高抽采效率，因此3號(hào)鉆井的抽采技術(shù)最優(yōu)。

3.2 純瓦斯流量分析

如圖5所示，1號(hào)鉆井的純瓦斯抽采流量變化范圍為0.55～12.94 m3/min，2號(hào)鉆井的純瓦斯抽采流量為0.57～9.09 m3/min，3號(hào)鉆井的純瓦斯抽采流量為2.70～10.98 m3/min。 純瓦斯抽采流量平均值1號(hào)鉆井為6.51 m3/min，2號(hào)鉆井為5.03 m3/min；3號(hào)鉆井為4.14 m3/min.

由圖5可得，3個(gè)鉆井的純瓦斯流量的波動(dòng)范圍為3號(hào)鉆井最小，其日均純瓦斯抽采流量最小值為2.70 m3/min，遠(yuǎn)大于1號(hào)鉆井、2號(hào)鉆井的日均純瓦斯抽采流量最小值。對(duì)于平均純瓦斯流量范圍，3號(hào)鉆井也大于1號(hào)和2號(hào)鉆井，由此可進(jìn)一步印證在抽采過程中，3號(hào)鉆井的設(shè)計(jì)是最優(yōu)的，其穩(wěn)定性和防破壞能力是最好的。因此，在鉆井設(shè)計(jì)過程中，只有增加地面鉆井管段的強(qiáng)度才能防止抽采過程中的變形破壞，保障地面鉆井的高抽采效率。

圖5 瓦斯?jié)舛确秶?/p>

3.3 瓦斯?jié)舛确治?/h3>

如圖6所示，1號(hào)鉆井的瓦斯?jié)舛确秶鸀?1.01%～66.13%，2號(hào)鉆井的瓦斯?jié)舛确秶鸀?.05%～45.65%，3號(hào)鉆井的瓦斯?jié)舛?.63%～32.80%.1號(hào)鉆井瓦斯平均濃度為35.76%，2號(hào)鉆井平均濃度為25.96%，3號(hào)鉆井平均濃度為21.08%.瓦斯?jié)舛鹊牟▌?dòng)范圍也表現(xiàn)出3號(hào)鉆井的抽采效果最為穩(wěn)定；瓦斯?jié)舛茸畲笾岛推骄禐?號(hào)鉆井最大，其原因是1號(hào)鉆井為首采鉆井，在初期的瓦斯抽采量最大，但是由于鉆孔穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致有效抽采時(shí)間很短，在抽采后期瓦斯抽采下限很低。因此，綜合考慮分析，3號(hào)鉆井抽采穩(wěn)定，抽采設(shè)計(jì)方案最優(yōu)。

圖6 瓦斯抽采預(yù)警次數(shù)對(duì)比分析

4 地面鉆井瓦斯抽采對(duì)井下影響

4.1 預(yù)警次數(shù)對(duì)比分析

圖7為3個(gè)鉆井在抽采前后工作面上隅角的日平均瓦斯預(yù)警次數(shù)。從圖7可以得到如下結(jié)論：

1) 經(jīng)過抽采后，3個(gè)鉆井抽采后的平均報(bào)警次數(shù)均顯著降低。1號(hào)鉆井抽采后的平均預(yù)警次數(shù)約為抽采前的二分之一，2號(hào)鉆井抽采后的平均預(yù)警次數(shù)約為抽采前的四分之一，3號(hào)鉆井抽采后的平均預(yù)警次數(shù)約為抽采前的十分之一。

2) 1號(hào)和2號(hào)鉆井抽采后報(bào)警次數(shù)雖然下降，但其日平均報(bào)警次數(shù)仍然維持在兩位數(shù)，經(jīng)3號(hào)鉆井抽采后，其平均報(bào)警次數(shù)降低約為1次，大大提高了井下安全生產(chǎn)效率，證明3號(hào)鉆孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案最好。

圖7 2號(hào)鉆井抽采瓦斯涌出量變化

4.2 瓦斯涌出量

對(duì)比分析2號(hào)、3號(hào)鉆井抽采前后工作面瓦斯涌出量情況如圖8所示。

圖8 3號(hào)鉆井抽采瓦斯涌出量變化

可知，3號(hào)鉆井抽采前瓦斯涌出量在60 m3/min附近波動(dòng)，抽采初期瓦斯涌出量迅速降低，瓦斯抽采效果很好，但由于鉆孔破壞原因，導(dǎo)致后期瓦斯涌出量回升。3號(hào)鉆井抽采前瓦斯涌出量峰值在50 m3/min波動(dòng)，開始抽采后瓦斯涌出量穩(wěn)步持續(xù)下降，沒有出現(xiàn)過度反彈跡象，證明3號(hào)鉆孔抽采效果最優(yōu)。

5 結(jié) 語

1) 余吾礦開展地面鉆井抽采瓦斯試驗(yàn)，證明地面鉆井是一種較好的瓦斯抽采方法，可有效提高瓦斯抽采率。

2) 經(jīng)過在余吾礦開展CC-1號(hào)、CC-2號(hào)、CC-3號(hào)鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究證明，CC-3號(hào)鉆井采用充填水泥環(huán)設(shè)計(jì)，可有效提高鉆孔的堅(jiān)固性，使抽采效果更加穩(wěn)定。

3) 經(jīng)過對(duì)鉆孔抽采量、抽采天數(shù)、瓦斯流量、瓦斯?jié)舛?、平均預(yù)警次數(shù)和瓦斯涌出量對(duì)比考察，CC-3號(hào)鉆井效果最好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鉆井優(yōu)化對(duì)工作面瓦斯治理具有重要作用。