寺家庄矿地面钻井治理瓦斯对策及措施

杨昌永，王保玉，白建平，郝春生，刘亮亮，张　为

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西　晋城　048000)



·技术经验·

寺家庄矿地面钻井治理瓦斯对策及措施

杨昌永，王保玉，白建平，郝春生，刘亮亮，张为

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000)

摘要分析了寺家庄矿开采煤层瓦斯赋存、瓦斯涌出及突(喷)出特点及规律。基于“采煤采气一体化”瓦斯治理技术模式和地面钻井抽采瓦斯特点及功效，提出了矿井上下联合抽采、U型井+多段压裂抽采的本煤层增透消突地面钻井治理瓦斯技术，采动区、采空区防止回采工作面瓦斯超限和上隅角瓦斯积聚地面钻井治理瓦斯技术。结果表明，地面钻井治理瓦斯可为煤矿生产赢得时间和空间，实现煤矿采掘的有效衔接和有序递进。

关键词寺家庄矿；瓦斯特点；地面钻井；增透消突；采动区；采空区；瓦斯抽采

寺家庄矿隶属阳泉矿区，地处沁水煤田的东北边缘昔阳县境内。井田范围内煤系发育，为典型的多煤层叠置发育区，区内煤层含气量普遍较高且赋存极不均衡。特别是在采掘15号煤层过程中，存在瓦斯动力异常现象并且突(喷)出事故频发、瓦斯涌出量大或时显异常等瓦斯难题，瓦斯已成为制约其安全高效生产的瓶颈。笔者基于研究区瓦斯特点，提出了地面钻井治理瓦斯技术，以期实现煤矿安全、高效、经济、绿色开采。

1寺家庄矿瓦斯特点

1.1本煤层瓦斯含量低、邻近层瓦斯含量高

研究区含煤地层主要以陆相三角洲体系沉积为主且沉积连续，围岩多以致密、完整、不透气或透气性差的砂质泥岩、泥岩等组成，对煤层瓦斯起到良好的封盖作用，煤层瓦斯含量普遍较高。而15号煤层形成于三角洲朵叶之间的滨海沉积环境[1]，围岩主要由细砂岩、砂质泥岩及灰岩等组成，有时灰岩直接构成其顶板，其对煤层瓦斯的封闭性相对较差，加之煤化过程中生成的瓦斯部分通过围岩裂隙及溶洞向上邻近K2、K3、K4灰岩层运移、富集[2]. 再者，灰岩层亦为本区主要含水层，在漫长的地质年代中，地下水驱赶瓦斯逸散和携带溶解瓦斯逸散，使得该煤层瓦斯含量整体较低。

1.2瓦斯赋存极不均衡、突(喷)出现象显著

瓦斯是成煤过程中地质作用的产物，其产生、运移、赋存及富集等与地质条件密切相关并受其控制[3-6]，地质构造作为控制煤层瓦斯赋存最关键地质因素，其研究一直备受关注[7-10].地质构造对本区煤层瓦斯赋存的控制主要体现如下：

1) 褶皱构造轴部及背、向斜的过渡部位，由于压、剪应力相对集中而易于瓦斯积聚。

2) 不同期次、不同方向、不同构造类型的切割、阻断、归并部位，以及次级褶皱间相互干扰导致褶皱轴向的起伏和弯曲，形成的局部构造应力集中带和相对挤压带，均为高瓦斯(异常)区/带。

3) 褶皱成因所形成的层间小断层，因其往往不完全切穿煤(岩)层，且多为剪性、扭性应力作用的产物，故往往阻断煤层瓦斯的顺层运移，亦对其纵向逸散不利，进而为煤层瓦斯的局部富集提供了利好条件。

4) 因煤层与围岩能干性差异，在构造形变时，煤层的变形量相对较大，所以常发生煤层与顶、底板岩层间的相对滑动、揉搓等构造现象，导致大量构造煤的发育，构造煤增强了对瓦斯的吸附能力，使局部瓦斯含量富集增大或异常且加剧了煤层瓦斯赋存的横向差异性。

5) 陷落柱属开放型构造，有助于瓦斯的逸散，因此，陷落柱发育区或陷落柱的影响范围内，煤层瓦斯含量普遍较低。

同时，构造对煤与瓦斯突(喷)出的控制尤为显著。据区内采矿实践，瓦斯动力异常或煤与瓦斯(突)喷出的发生多与构造相关(诸如2009年15201工作面和2015年15203工作面发生的重大煤与瓦斯突出事故，分别发生在向斜轴部和断层附近等)。构造复杂带(或异常带)往往也是构造应力集中带和瓦斯局部聚集带，是煤与瓦斯突(喷)出易发、频发的有利场所。

1.3矿井瓦斯涌出以邻近层为主、本煤层次之

研究区为多煤层叠置发育区，煤层累计厚度大、含气量高。当前主采15号煤层属于厚煤层开采，采动影响范围较广，据理论计算，导气裂隙带高度可达80.45 m(约15倍采高)。因此，回采过程中邻近层高瓦斯卸压解吸并大量涌入回采工作面，导致回采工作面瓦斯急剧增加或异常。同时，因开采煤层瓦斯含量整体较低，采动卸压解吸出来的瓦斯量有限，使得区内矿井瓦斯涌出量以邻近层为主(82%)，本煤层次之(18%).

2矿井瓦斯地面综合治理对策及措施

2.1本煤层增透消突技术

2.1.1井上下联合抽采技术

通过地面钻井压裂开采煤层，利用定向施工本煤层长钻孔与压裂影响区沟通，形成人工裂缝与长钻孔构成的立体抽采网络，实现煤层的大面积增透消突和瓦斯抽采，在局部防突中优势显著(见图1).该技术将采煤卸压区与地面压裂改造技术有效耦合起来，解决了单一低渗、低透气性煤层开采瓦斯抽采效率低、抽采达标时间长、消突难等技术难题。目前，沁南赵庄、成庄等井田已相继采用了井上下联合抽采煤层瓦斯技术，使井下抽采孔百米钻孔流量提高了7倍，瓦斯抽采量平均提高了9倍，瓦斯抽采达标时间缩短了近60%，未发生突出事故。

1—地面垂直钻孔　2—采掘巷道　3—采煤工作面　4—压裂影响区　5—裂缝伸展方向　6—井下水平长钻孔　7—采掘巷道　8—井下水平孔钻场　9—主采煤层图1　矿井上下联合抽采示意图

2.1.2U型井+多段压裂技术

针对研究区掘进中煤与瓦斯突出频发，回采中少发的特点，采取防突以掘进为主，回采为辅的思路和方针。在待掘进巷道区域施工地面U型井，并对其多段压裂和预抽，实现大范围卸压“增透消突”和高效抽采煤层瓦斯等(见图2).该技术充分弥补了地面垂直压裂井“增透消突”范围小、抽采量有限等客观不利因素，在区域防突中优势显著。目前，在沁南赵庄等部分矿井松软、低渗、高煤阶煤炭开采中应用，瓦斯抽采和防突效果良好。

图2　U型对接井+多段压裂示意图

2.2防止回采工作面瓦斯超限技术

2.2.1采动区瓦斯抽采技术

充分利用回采过程中覆岩层卸压增透增流效应，运用地面钻井抽采卸压区裂隙带内解析的煤层瓦斯(见图3)，以有效遏制或消除回采工作面瓦斯超限。为保证抽采成效，平面井位应布置在“O”形圈裂隙带内且靠近回风巷一侧[11-13]，剖面上钻井终孔在覆岩卸压区导气裂隙带内[14-16].

图3　采动井布置示意图

考虑到地面直井抽采瓦斯范围有限，覆盖的采动区范围较小，为此在地面直井的基础上加一段水平孔，使其位于采动裂隙带内形成“L”型地面井抽采方式，实现抽采范围广、抽采瓦斯好的效果。目前，在晋城矿区寺河矿已成功运用了该技术，有效解决了采动区邻近层卸压解析瓦斯大量涌入回采工作面使其瓦斯超限和上隅角瓦斯积聚等问题。

2.2.2采空区瓦斯抽采技术

从地面向开采层上方施工垂直井，平面井位布置于“O”形圈范围内，钻井终孔在采空区覆岩裂隙带内[17-19]. 自2013年以来，晋煤集团在晋城矿区部分废弃矿井和煤矿采空区的近20口地面采空井进行抽采瓦斯试验，单井平均抽采量达到2 500 m3/d，甲烷浓度为60%～97%，不仅充分利用了采空区瓦斯，同时增强了煤矿的安全效益。

3结论

1) 寺家庄矿为多煤层叠置发育区，煤层瓦斯含量高，厚煤层开采条件下覆岩层卸压范围广，卸压解析瓦斯大量涌入回采空间。同时，开采煤层瓦斯赋存的极不均衡性和突(喷)出频发，加剧了矿井瓦斯防治难度。

2) 地面钻井治理煤层瓦斯，是一种高效、易于大规模推广实施的新技术。可为煤矿生产赢得时间和提供安全保障，提高采掘衔接速度。

3) 基于矿井生产衔接规划和各区瓦斯特点，研究相应的地面钻井治理瓦斯技术，可实现矿井安全、高效、经济、绿色开采。

参考文献

[1]葛宝勋,尹国勋,李春生.山西阳泉矿区含煤岩系沉积环境及聚煤规律探讨[J].沉积学报,1985,3(3):33-42.

[2]金元斌.阳泉矿区K3岩层的沼气形成和储气构造[J].煤炭学报,1982(2):77-81.

[3]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论[M].北京:煤炭工业出版社,1990:1-2.

[4]袁崇孚.我国瓦斯地质的发展与应用[J].煤炭学报,1997,22(6):566-570.

[5]王桂梁,徐凤银.芙蓉矿区层滑构造对瓦斯形成富集的制约作用[J].中国矿业大学学报,1999,28(1):9-13.

[6]魏国营,王保军,闫江伟,等.平顶山八矿突出煤层瓦斯地质控制特征[J].煤炭学报,2015,40(3):555-561.

[7]李恒乐,秦勇,张玉贵,等.淮北矿区祁东井田构造对瓦斯赋存的控制作用[J].煤炭科学技术,2014,42(8):42-46，50.

[8]郭德勇,韩德馨,王新义.煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用[J].北京科技大学学报,2002,24(6):581-584，592.

[9]张国辉,韩军,宋卫华.地质构造形式对瓦斯赋存状态的影响分析[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(1):19-22.

[10]王怀勐,朱炎铭,李伍,等.煤层气赋存的两大控制因素[J].煤炭学报,2011,36(7):1129-1134.

[11]钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究[J].煤炭学报,1998,23(5):466-469.

[12]寇晓明,马忠军,邵柏库,等.采动压力影响区瓦斯抽放钻孔的布置及参数选择[J].矿业安全与环保,2003,30(4):42-44.

[13]李树刚,林海飞,赵鹏翔,等.采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采[J].煤炭学报,2014,39(8):1455-1462.

[14]陈金华,胡千庭.地面钻井抽采采动区卸压瓦斯来源分析[J].煤炭科学技术,2009,37(12):38-42.

[15]孙东玲,孙海涛.煤矿采动区地面井瓦斯抽采技术及其应用前景分析[J].煤炭科学技术,2014,42(6):49-52.

[16]李源,苏明金.采动区瓦斯地面抽采钻井结构与布井优化设计[J].煤矿安全,2015,46(4):152-154,158.

[17]李日富,梁运培,张军.地面钻孔抽采采空区瓦斯效率影响因素[J].煤炭学报,2009,34(7):942-946.

[18]秦伟,许家林,彭小亚,等.老采空区瓦斯抽采地面钻井的井网布置方法[J].采矿与安全工程学报,2013,30(2):289-295.

[19]陈鹏,张浪,邹东起.基于“O”形圈理论的采空区三维渗透率分布研究[J].矿业安全与环保,2015,42(5):38-41.

Gas Control Countermeasures and Measures for Surface Drilling of Sijiazhuang Coal Mine

YANG Changyong, WANG Baoyu, BAI Jianping, HAO Chunsheng, LIU Liangliang, ZHANG Wei

AbstractAnalyzes the characteristics and laws of gas occurrence, gas emission and gas outburst in Sijiazhuang mine working seam. Bases on the gas control technology mode of coal gas production integration and the characteristics and effects of ground drilling gas drainage, puts forward the coal seam antireflection and elimination outburst technology and preventing the working face gas overrun technology. The results show that the ground drilling gas control can gain time and space for coal production, and realizes the effective connection and orderly progression of coal mining.

Key wordsSijiazhuang coal mine; Gas characteristic; Ground drilling; Antireflection and elimination outburst; Mining subsidence area; Goaf; Gas extraction

中图分类号：TD712

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)02-0009-03

作者简介：杨昌永(1981—)，男，贵州铜仁人，2012年毕业于河南理工大学，硕士研究生，助理工程师，主要从事瓦斯地质与地面煤层气勘探开发及利用等工作，(E-mail)yangchangy520@163.com

收稿日期：2015-12-20

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05063)；山西省科技重大专项(20111101001)；山西省煤层气联合研究基金项目(2015012003)