山腳樹(shù)煤礦礦井上下聯(lián)合瓦斯治理技術(shù)研究

馮云飛，張建龍，李榮雷

（貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 概 況

瓦斯是影響煤礦安全的重要因素，為了保證煤礦的安全開(kāi)采，必須要對(duì)瓦斯進(jìn)行治理。在瓦斯治理時(shí)，主要有兩種方式。一種是通過(guò)增加礦井的風(fēng)量，加快煤礦井下的瓦斯排出，這種方式不僅通風(fēng)壓力大，還會(huì)浪費(fèi)瓦斯這種清潔能源；另一種方式是通過(guò)對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采，這種方式不僅可以有效控制瓦斯災(zāi)害，還能對(duì)瓦斯進(jìn)行利用。但是，瓦斯抽采存在諸多問(wèn)題，主要是由于我國(guó)煤層透氣性普遍較低，直接抽采效果比較差。

對(duì)于瓦斯抽采，可以分為井上抽采和地面抽采兩種。井上抽采瓦斯?jié)舛雀?，但是抽采成本高；井下抽采成本低，但是抽采瓦斯?jié)舛鹊汀ｋS著煤層氣開(kāi)發(fā)大力推廣，井上下聯(lián)合抽采已經(jīng)成為了可能。本文結(jié)合了貴州山腳樹(shù)煤礦的具體情況，探討了井上下聯(lián)合瓦斯治理的效果。

2 瓦斯抽采工程

2.1 工作面概況

貴州山腳樹(shù)煤礦221015 回風(fēng)巷長(zhǎng)度1 189 m，221015 運(yùn)輸巷長(zhǎng)度1 282 m，221015 切眼長(zhǎng)度200 m。221015 工作面可采長(zhǎng)度為920 m，工作面長(zhǎng)為200 m，回采面積為184 000 m2，主要回采10 號(hào)煤層。煤層平均厚度為1.5 m，可采儲(chǔ)量為41.4 萬(wàn)t，水分為1.41%，灰分為8.28%，揮發(fā)分為29.90%，孔隙率為13.25%，真比重為1.51 g/cm3，視比重為1.31 g/cm3，堅(jiān)固性系數(shù)f 值為0.72。

在221015 運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷施工鉆孔，測(cè)得原始瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。由表1 可以發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯含量較高，會(huì)對(duì)煤層回采產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試，煤的瓦斯基本參數(shù)：吸附常數(shù)a 值為29.26 m3/t、b 值為0.57 MPa-1，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)β為0.024 1 d-1，煤層透氣性系數(shù)λ 為1.329 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度Δp 為8，表明煤層屬于低滲透性煤層。為了實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)和資源的高效利用，決定采用井上下聯(lián)合瓦斯抽采治理技術(shù)。

表1 抽采前煤層瓦斯參數(shù)Table 1 Coal seam gas parameters before extraction

2.2 地面鉆井抽采

為了加快煤層瓦斯抽采，在二采區(qū)221015 工作面布置5 口地面鉆孔井，如圖1 所示。其中，YP-3 井、YP-7 井和YP-8 井為先期原位（煤層未開(kāi)采時(shí)） 抽采井，YP-4 井為采動(dòng)卸壓井，YP-5 井為221013 采空區(qū)卸壓井。原位抽采井已經(jīng)施工完成，先后于2021 年12 月—2022 年1 月開(kāi)始排采，且YP-3 井于2023 年4 月開(kāi)始進(jìn)行負(fù)壓抽采。

圖1 地面鉆井抽采部署Fig.1 Ground drilling extraction deployment

2.3 井下鉆孔抽采

在221015 運(yùn)輸頂抽巷施工穿層鉆孔預(yù)抽221015 運(yùn)輸巷區(qū)段煤層瓦斯，每組7 個(gè)鉆孔，組間距為10 m，孔間距為2 m，施工95 組，共計(jì)665 個(gè)鉆孔。在221015 切眼頂抽巷施工穿層鉆孔預(yù)抽221015 切眼區(qū)段煤層瓦斯，每組7 個(gè)鉆孔，組間距為10 m，孔間距為2 m，施工21 組，共計(jì)147 個(gè)鉆孔。在221015 高位巷施工穿層鉆孔預(yù)抽221015 回風(fēng)巷區(qū)段煤層瓦斯，每組7 個(gè)鉆孔，組間距為10 m，孔間距為2 m，施工58 組，共計(jì)406 個(gè)鉆孔。

在221015 運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷施工順層鉆孔預(yù)抽221015 工作面煤層瓦斯，其中，221015 回風(fēng)巷施工173 個(gè)順層鉆孔，孔間距為6 m；221015 運(yùn)輸巷施工160 個(gè)順層鉆孔，孔間距為6 m。

3 井上井下聯(lián)合瓦斯抽采分析

3.1 地面抽采

YP-3 井、YP-7 井、YP-8 井生產(chǎn)期間累計(jì)產(chǎn)氣65.7 萬(wàn)m3，甲烷濃度93.5%～95%，抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 YP-3、YP-7、YP-8 井排采數(shù)據(jù)Table 2 YP-3,YP-7,YP-8 well drainage data

YP-3 井原為一口煤層氣勘探直井，位于221015 工作面切眼向內(nèi)20 m，壓裂層位為12 號(hào)、18 號(hào)煤層，產(chǎn)量1 500～2 000 m3，穩(wěn)產(chǎn)6 個(gè)月。之后，封堵12 號(hào)、18 號(hào)煤層鉆井段，壓裂10 號(hào)層鉆井段并排采。該井于2021 年12 月17 日開(kāi)始抽采，由于受到頂抽巷掘進(jìn)的影響，不產(chǎn)水原位抽采失效，于2022 年6 月18 日停止抽采，采用間歇式生產(chǎn)方式。截止2022 年12 月31 日累計(jì)產(chǎn)水321.29 m3，最高日產(chǎn)氣量626 m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣66 954.40 m3，排采曲線如圖2 所示。該井于2023 年4 月開(kāi)始負(fù)壓抽采至今，累計(jì)產(chǎn)氣量238 780 m3，平均甲烷含量95%。

圖2 YP- 3 井原位期排采曲線Fig.2 YP-3 well in-situ drainage curve

YP-7 井為原位預(yù)抽抽采井，位于221015 工作面切眼向內(nèi)288 m，壓裂層位為10 號(hào)煤層，產(chǎn)量為600～1 000 m3/d。在頂抽巷推進(jìn)到距離100 m 左右后，為保證井下安全作業(yè)，間歇停產(chǎn)。該井于2021 年12 月25 日開(kāi)始抽采，6 月2 日由于受到頂抽巷掘進(jìn)的影響，不產(chǎn)水地面原位抽采失效，累計(jì)產(chǎn)氣80 410 m3，累計(jì)產(chǎn)水325.93 m3，排采曲線如圖3 所示。該井于2022 年11 月開(kāi)始負(fù)壓抽采，累計(jì)產(chǎn)氣量102 499 m3，平均甲烷含量達(dá)到95%。

圖3 YP- 7 井原位期排采曲線Fig.3 In-situ drainage curve of YP-7 well

YP-8 井為一定向井，原設(shè)計(jì)在221015 工作面內(nèi)，因山腳樹(shù)煤礦工作面縮短調(diào)整，遠(yuǎn)離了工作面，僅對(duì)10 號(hào)煤層進(jìn)行壓裂改造。該井于2022 年12 月23 日開(kāi)始抽采，2022 年3 月16 日解吸見(jiàn)套壓，6 月初受井下頂抽巷道開(kāi)切眼段施工，不產(chǎn)水產(chǎn)氣量在1 個(gè)月后開(kāi)始下降，最高日產(chǎn)氣量880 m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣168 070.4 m3，濃度98.5%，累計(jì)產(chǎn)水513.82 m3，排采曲線如圖4 所示。

圖4 YP- 8 井排采曲線Fig.4 Drainage curve of YP-8 well

YP-4 井、YP-5 井為工作面內(nèi)布置的采動(dòng)區(qū)瓦斯卸壓抽采井，井底位于首采層（10 號(hào)煤） 頂板，并以篩管完井無(wú)壓裂改造。由于采煤工作面距離YP-4 井、YP-5 井較遠(yuǎn)，暫未開(kāi)始抽采試驗(yàn)及相關(guān)測(cè)試。

在YP-3 井開(kāi)展了“一井多用”工程試驗(yàn)。隨著工作面推進(jìn)，已割掉YP-3 井在10 號(hào)煤處的套管。目前，YP-3 井已經(jīng)改為負(fù)壓抽采，產(chǎn)量為1 700～980 m3/d，產(chǎn)量隨著采面推進(jìn)而遞減，甲烷濃度為94%以上，相較原位抽采時(shí)產(chǎn)量提升了2倍，這表明采動(dòng)區(qū)瓦斯卸壓井負(fù)壓抽采效果較好。

3.2 井下瓦斯抽采

221015 運(yùn)輸巷的瓦斯抽采鉆孔于2022 年11月21 日開(kāi)始施工，至2023 年3 月14 日施工完畢，共施工156 個(gè)；回風(fēng)巷于的瓦斯抽采鉆孔2021 年12 月6 日開(kāi)始施工，至2023 年2 月22 日施工完畢，共施工158 個(gè)。

221015 運(yùn)輸巷的瓦斯抽采從2022 年11 月22日至2023 年3 月24 日，共123 d，累計(jì)抽采瓦斯總量為377 673.30 m3；221015 回風(fēng)巷的瓦斯抽采從2021 年12 月7 日至2023 年3 月24 日，共472 d，累計(jì)抽采瓦斯總量為1 397 671.83 m3，詳見(jiàn)表3。截止2023 年3 月底，總的瓦斯抽采量176 萬(wàn)m3，運(yùn)輸巷的瓦斯?jié)舛仍?0%左右，回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛仍?5%～45%。

表3 221015 采煤工作面瓦斯抽采數(shù)據(jù)Table 3 Gas extraction data of 221015 coal mining face

4 井上下聯(lián)合抽采效果評(píng)價(jià)

4.1 地面抽采效果

通過(guò)在221015 工作面切眼頂抽巷、運(yùn)輸頂抽巷、高位巷鉆孔取芯，對(duì)煤層壓裂影響范圍和抽采效果、因采動(dòng)影響下地面抽采變化特征規(guī)律、壓裂波及區(qū)井下抽采鉆孔抽采效果等進(jìn)行評(píng)價(jià)。井下煤層鉆孔取芯測(cè)得煤層的瓦斯含量如圖5 所示。在井下鉆孔對(duì)煤層含氣量測(cè)試，對(duì)比未壓裂區(qū)域和YP-3 井、YP-7 井周邊煤層瓦斯含量，發(fā)現(xiàn)在井筒為中心50 m 半徑范圍6 個(gè)月內(nèi)含氣量降低1～2 m3/t。

圖5 井下鉆孔瓦斯含量Fig.5 Underground borehole gas content

4.2 井下抽采效果

221015 工作面每日瓦斯抽采量曲線如圖6 所示。由此可以見(jiàn)，在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷抽采前期，隨著鉆孔數(shù)量的增加產(chǎn)量逐漸增加，鉆孔數(shù)量不再增加抽采量趨于穩(wěn)定。根據(jù)每日抽采量和鉆孔數(shù)取平均值，得到單個(gè)鉆孔的日平均抽采量，如圖7 所示。根據(jù)鉆孔施工位置和施工時(shí)間與井下工作面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，初步估算在壓裂范圍內(nèi)鉆孔的貢獻(xiàn)能力。

圖6 221015 工作面每日瓦斯抽采量曲線Fig.6 Daily gas extraction curve of 221015 working face

圖7 221015 工作面單孔日均瓦斯抽采量曲線Fig.7 Single hole daily average gas drainage curve of 221015 working face

YP-7 井壓裂影響范圍主要在井筒為中心的100 m 左右的范圍，即在靠近221015 運(yùn)輸巷范圍內(nèi)煤層滲透性有較大的改善。隨著井下瓦斯抽采鉆孔施工到壓裂影響范圍內(nèi)，運(yùn)輸巷瓦斯抽采量快速提高，單孔日均抽采量也快速升高達(dá)到峰值。由于回風(fēng)巷受壓裂的影響較小，瓦斯抽采量沒(méi)有明顯的變化。對(duì)221015 運(yùn)輸巷瓦斯抽采量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鉆孔未到壓裂影響時(shí)，單孔日均瓦斯抽采量為118 m3/d；鉆孔施工到壓裂影響范圍時(shí)，單孔日均瓦斯抽采量為247 m3/d，抽采能力提高了109%。在地面YP-7 井、YP-3 井對(duì)10 號(hào)煤進(jìn)行壓裂增大煤層透氣性，井下鉆孔瓦斯抽采主管濃度相對(duì)于221013 工作面的瓦斯抽采主管濃度增加10%，抽采時(shí)間大大縮短。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)貴州山腳樹(shù)煤礦的煤層瓦斯，采用了井上下聯(lián)合瓦斯治理模式，地面抽采和井下瓦斯抽采同時(shí)進(jìn)行。在生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)地面抽采不僅抽采瓦斯?jié)舛雀撸页椴赏咚沽看?，瓦斯?jié)舛瓤梢苑€(wěn)定在90%以上。井下抽采瓦斯?jié)舛绕骄梢赃_(dá)30%，且地面抽采可以對(duì)井下抽采起著一定的加速作用，表明井上下聯(lián)合瓦斯抽采模式對(duì)低滲透性煤層瓦斯治理效果良好，保障了山腳樹(shù)煤礦的安全高效生產(chǎn)。