地面钻井瓦斯抽采效果分析

秦金辉

（山西焦煤霍州煤电 李雅庄煤矿，霍州 山西 031400）

对于低透气性煤层，施工地面钻井，不仅可以抽采采空区瓦斯，也可以邻近煤层瓦斯，是解决回采工作面瓦斯超限的有效手段[1-3]。地面钻井作为治瓦斯的主要技术之一，在世界范围内得到广泛应用，我国淮南、淮北、晋城、平顶山、唐山、潞安等矿区已进行地面钻井抽采采动影响区瓦斯，并取得丰硕的成果[4-6]。

2016年，霍州煤电集团李雅庄煤矿在2-612工作面进行了地面钻井抽采采空区瓦斯试验，主要存在钻井稳定差、固井成功率低、抽气量少。为了对比分析高位钻场和地面钻井瓦斯抽采效果，以及不同钻井布置层位对抽采效果的影响，在2-605布置了高位钻场及不同层位的地面钻井。

1 2 -605 工作面地质条件

李雅庄煤矿位于山西省南部临汾盆地的北缘，系霍州矿区北端的一个井田，处在灵石隆起之什林挠褶断裂带北盘和霍山断裂带之西。2-605工作面原始瓦斯压力0.697 MPa，吨煤原始瓦斯含量6.314m3/t，可解吸瓦斯量为5.08m3/t，不可解吸量为1.234m3/t，煤层透气性系数为0.4625 m2/MPa2·d，钻孔流量衰减系数为0.043 d-1，属于可以抽采煤层。经过预抽，在回采前工作面煤层瓦斯含量5.564m3/t，可解吸瓦斯量为4.33m3/t，不可解吸量为1.234m3/t，瓦斯压力0.475 MPa。

2 抽采设计

2-605工作面回风巷1217 m，运输巷1184 m，切巷215 m。为对地面钻井抽采效果进行针对性的对比分析，在605工作面回风侧靠近切巷处依次设计了4个高位钻场和9口不同布置位置的地面钻井。

2.1 高位钻场布置

高位钻场在回风巷非回采侧开口，沿30°上山施工，掘进15 m后向切巷方向拐弯掘进3 m，再沿30°上山向回采侧掘进30 m。在迎头和12 m处施工两个钻场，在钻场内向切巷方向施工钻孔，形成高、低位裂隙抽采孔，钻孔长度150 m，钻场间距120 m，钻孔压茬30 m。

2.2 地面钻井布置

为了精确定位地面钻井布置层位，利用UDEC模拟软件对采空区覆岩垂直应力、位移进行模拟。根据模拟结果，工作面后方120 m后采动压力开始逐渐恢复，160 m后压力逐渐趋于稳定，在采空区两侧存在宽度35～46 m的卸压区。根据模拟结果，结合在2-612地面钻井试验结果，地面钻井应布置在距回风巷45 m处，钻井间距设计位110 m。

3 井身结构及固井方法

钻井整体结构为三次钻井设计，一开钻井终孔位置钻过风化带岩层至基岩以下10 m位置，二开钻井终孔位置为距煤层顶板40 m，三开为通井，二开水泥候凝后三开扫孔至孔底，确保井筒内畅通。井身结构见图1。

一开采用Φ480mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带10 m后，预计井深40 m（以实钻地层为准），下Φ377.7mm×10mm无缝钢管，封固地表疏松层，水泥返高至地面。

二开采用Φ311.1mm钻头钻进至2#煤层顶板40 m处终孔，下Φ244.5mm×8.94mm套管，水泥返高至终孔以上200 m。

三开采用Φ215.9mm钻头扫孔，钻进至2#煤层下5 m结束。

4 瓦斯抽采量和抽采率分析

4.1 高位钻场抽采

前期在605工作面布置了4个高位钻场，其中2#、3#高位钻场服务期间工作面配采，推进度较慢，处于非正常回采，4#高位钻场服务后期1#地面钻井开始工作，抽采效果受影响较大。2#地面钻井在工作面推过62.8 m后破坏，3#钻井还在抽采，为了和地面钻井进行针对性的对比分析，仅对1#高位钻场和1#地面钻井抽采效果进行对比分析。

1#高位钻场抽采期间，平均抽采浓度40.63%，平均抽采纯量3.66m3/min，工作面平均抽采率59.74%，回风流瓦斯浓度浓度保持在0.43%上下波动，回风隅角日最高瓦斯浓度为0.8%。35天共计抽采瓦斯18.45万m3。

4.2 地面钻井

1#地面钻井布置在距回风巷46 m处，工作面推过地面钻井20.8～68 m之间，纯流量较大，平均为13.77m3/min。工作面推过地面钻井68 m后，抽采纯量明显下降，平均为5.97m3/min。在抽采期间，平均抽采浓度为15.94%，平均抽采纯量8.74m3/min，工作面平均抽采率64.63%，回风流瓦斯浓度浓度保持在0.42%上下波动，回风隅角日最高瓦斯浓度为0.78%。5月20日投入使用，6月24日停抽，期间停泵三天，33天共计抽采瓦斯41.53万m3。

2#地面钻井布置在距回风巷28 m处，由于距回风巷较近，抽采效果较差。6月25日投入使用，6月26日抽采纯量达到最大，仅为8.39m3/min，之后呈现逐渐下降趋势，7月11日工作面推过地面钻井62.8 m，抽采纯量降低至0.76m3/min，7月12日关井停抽。之后进行了窥探，井壁套管出现多处变形，在587 m处变形严重，井壁闭合。

3#地面钻井布置在距回风巷22 m处，由于距回风巷较近，抽采效果较差。7月21日投入使用，在8月18日调压之前抽采纯量较低，平均仅为5.84m3/min。8月18抽采负压由24 kPa调高至38 kPa，抽采纯量升高至平均11.17m3/min。

5 抽采效果比较分析

5.1 地面钻井和高位钻场抽采比较分析

由于2#地面钻井变形严重，抽采效果没有可比性，因此不进行比较。在605工作面回采期间地面钻井和高位钻场抽采效果比较如表1、图2所示，各数值均为平均值。

从表1、图2可以看出，高位钻场抽采浓度高于地面钻井，而在瓦斯抽采纯量、抽采总量方面明显不如地面钻井。主要是由于高位钻场钻孔布置在裂隙带内的上部，抽采裂隙带内及附近集聚的瓦斯，所以存在抽采浓度高，而抽采量低的现象。地面采动井终孔施工至煤层底板下5 m，在抽采裂隙带瓦斯的同时，大量抽采冒落带瓦斯，所以呈现抽采量大，而抽采浓度低的现象。另外，地面钻井抽采期间回风流及回风隅角瓦斯浓度均低于高位钻场，抽采率高于高位钻场，说明地面钻井投入使用后，工作面瓦斯治理效果好于高位钻场。

表1 地面钻井和高位钻场抽采效果比较

图2 1#高位钻场和1#地面钻井抽采浓度抽采纯量的变化曲线

图3 地面钻井抽采浓度和纯量变化曲线

5.2 地面钻井抽采比较

到目前为止，李雅庄矿605工作面已施工完成5口地面抽采钻井，部分钻井抽采数据如表2和图3所示。

从表2和图3可以看出，1#地面钻井在回采面推过65.6 m左右开始破坏，抽采纯量由平均12.50m3/min降为6.04m3/min；2#、3#钻井在工作面推过后抽采纯量一直较低，2#钻井抽采纯量由平均为6.36m3/min，推过62.8 m后降至0.67m3/min，3#钻井抽采纯量平均为5.84m3/min，在工作面推过89.4 m调高抽采负压后，抽采浓度出现显著升高，平均达到11.17m3/min。说明地面钻井破坏后，调高抽采负压能显著提高抽采效果。抽采效果表明，随着地面钻井布置位置靠近回风巷，钻井井身的稳定性和抽采效果呈现减弱趋势，地面钻井布置不宜靠近回风巷。

表2 地面钻井抽采情况

6 结语

1）地面钻井抽采效果明显好于高位钻场，抽采纯量比高位钻场提高139%，抽采总量提高124%（地面钻井33 d抽采量，高位钻场35 d抽采量），回风流瓦斯浓度由于0.43%降低至0.42%。

2）利用UDEC模拟软件对采空区覆岩垂直应力、位移进行模拟，并结合2-612工作面地面钻井试验结果，获得地面钻井布置位置依据，即地面钻井布置在距回风巷45 d处，布井间距为110 d。

3）1#地面钻井布置在距回风巷48 d处，抽采浓度、纯量相对于2#地面钻井分别提高了165%和46%；相对于3#地面钻井抽采浓度、纯量分别提高了79%和29%。 1#地面钻井抽采效果明显优于2#和3#。

4）李雅庄矿605工作面应用表明，地面钻井布置位置过度靠近回风巷，工作面推过后即遭到破坏，抽采效果较差。地面钻井距回风巷48 m时，在工作面推过65 m左右遭到破坏。所以，地面钻井随着布置位置靠近回风巷，井身的稳定性和抽采效果呈现减弱趋势。

〔1〕袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34（1）：5－12.

〔2〕袁 亮，郭 华，李 平，等.大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术[J].煤炭学报，2015，38（1）：1-8.

〔3〕张臻豪，刘 涛.深厚表土层高地应力矿井地面钻井抽采瓦斯技术[C].第三届全国煤矿机械安全装备技术发展高层论坛暨新产品技术交流会论文集，2012，292-296.

〔4〕张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

〔5〕梁运培.淮南矿区地面钻井抽采瓦斯技术实践[J].采矿与安全工程学报，2007，24（4）：409-413.

〔6〕乔 鑫.余吾煤业地面钻井抽采采空区瓦斯的技术实践[J].煤炭技术，2015，34（10）：158-160.