地面垂直钻井瓦斯抽采技术在焦坪矿区的应用研究

杨宝锋

摘要：本文简要阐述了地面垂直井组瓦斯抽采的布置原则、施工及抽采工艺流程；分析了地面井组预抽瓦斯的抽采效率，提出了影响地面瓦斯抽采井组抽采效果的因素。

关键词：瓦斯抽采；地面垂直井；超前预抽

引言

铜川焦坪矿区矿区自然条件极其复杂，煤油气共生，水、火、瓦斯、顶板灾害俱全，特别是围岩富含瓦斯和油气，顶、底板岩性极差，属于国内少见的瓦斯、油气与自然发火并存、灾害严重矿区。随着焦坪矿区瓦斯灾害的严重程度加剧以及矿井采掘机械化程度和单进水平的提高，需要超前采取措施，在工作面掘进准备前，对未采区进行超前预抽。但是，受井下巷道条件限制，无法为未采动区瓦斯超前预抽提供充足的时间和空间条件，从井下进行区域性瓦斯超前治理制约因素多，实施难度较大，为此试验应用地面钻井进行区域预抽未采区瓦斯，超前进行区域性瓦斯治理。

1. 地面抽采井的布置原则

科学、合理、经济、有效的井网布置地面垂直瓦斯预抽井组布置一方面要以矿井安全高效生产为前提，实现有效治理瓦斯灾害的目的；另一方面要考虑矿井的生产接续和抽采井的服务年限，兼顾经济效益。因此需要选择煤层较厚、煤層赋存较稳定，煤层瓦斯含量大，构造相对简单，远离断层的位置布孔。同时，还要考虑地形、用水、用电等施工条件，最大限度的提高瓦斯抽采量和经济效益。

铜川矿业公司下石节煤矿2303条带包含可采煤层两层，主采煤层为黄陇侏罗纪煤田延安组4-2#煤层，平均厚度10m；3#煤为可采煤层，煤层厚度为3.55-6.29m。根据煤层瓦斯赋存规律和邻近工作面瓦斯涌出情况，预测该条带煤层瓦斯含量为7.2m?/t，瓦斯压力为0.65MPa。2009年以获取煤层气地质及生产相关参数为目的，在2303区段施工了煤层气参数-生产试验JPC-01井，在连续100天的求产期平均日产气量超过1100m3，创造了我国西北侏罗纪厚煤低透气性、高瓦斯煤层气井的新记录。后期以有效抽采半径250米、钻井深度穿过4-2#煤层底板60米为原则，继续在2303区段范围内部署“1+3”4口地面瓦斯抽采井组。

2.地面垂直钻井施工工艺

地面垂直钻井采用空潜孔锤钻进技术施工，工艺包括钻井、地质录井、测井、试井、固井、射孔、压裂等作业工序，完成瓦斯抽采井井身施工工程，然后采用抽油机排水采气，进行煤层瓦斯预抽。

地面垂直井采用二开井身结构，一开采用Φ311.15mm牙轮钻头钻至松散层下20m，下入Φ244.5mm表层套管，封固地表松散覆盖层，建立井口，固井水泥浆返至地面；二开采用Φ215.9mm钻头，钻至4-2号煤层底板以下60m完钻，下入Φ139.7mm生产套管，封固煤系及上覆地层，固井水泥浆返至地面，4-2号煤层底板不少于50m口袋。

3. 地面垂直井抽采情况及抽采效果分析

3.1地面垂直井抽采情况

JPC-01瓦斯抽采试验井最高日产气量达1512.3 m3/d，产气相对稳定阶段产量持续稳定在1000 m3/d左右，累积产气157万m3；JPC-02井最高日产气量达1594.8 m3/d，产气相对稳定阶段产量持续稳定在1200 m3/d左右，累积产气183万m3；JPC-03井最高日产气量达1900.9 m3/d，累积产气211万m3；JPC-04井最高日产气量达1698.2m3/d，累积产气77万m3，四口井累计抽采瓦斯量达到628万m3。

3.1 地面垂直井的抽采半径

JPC-04垂直井压裂过程中分别采用微地震和大地电位两种裂缝监测手段对煤体的两次压裂效果进行了监测。微地震监测显示，第一次压裂时裂缝方位为50.3°，裂缝总长度为202米，第二次压裂时裂缝方位为49.5°，裂缝总长度为221m，两次裂缝的影响高度均为15m左右。大地电位监测压裂裂缝的主要分布方向为37.5°和195°方向，通过数值模拟计算，37.5°方向裂缝长度为148m，195°方向裂缝长度为89m，裂缝总长度为237米。监测结果表明，两种监测方法测得的裂缝方位和裂缝长度基本接近，地面垂直井的瓦斯抽采半径范围可以达到100-120米。

3.3地面垂直井的瓦斯抽采率

根据矿区瓦斯赋存规律，煤层埋深在500-700m条件下，煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度存在如下关系：

W=0.019H-4.1252

据此，预测2303区段煤层瓦斯含量为5.37-7.24 m?/t。

根据下石节矿2303工作面掘进过程中瓦斯基础参数实测情况，该区域煤层瓦斯含量为2.06-5.13 m?/t，较预测煤层瓦斯含量降低2.11-3.31 m?/t，较预测煤层瓦斯含量煤层瓦斯抽采率达到29%以上。

4抽采效率影响因素分析

4.1煤层裂隙发育程度

地面钻井预抽瓦斯效果的好坏主要取决于抽采井洗井与压裂环节施工质量的好坏，射孔和压裂环节主要是人为对低透气性煤层进行改造，改善煤层的渗流条件，使原始煤层产生人工裂隙，并用压裂砂支撑裂隙，形成瓦斯溢出通道。射孔与压裂环节施工质量好，则通过人为造成煤层裂隙充分发育，内部孔隙率高，形成良好的瓦斯流通通道，有利于瓦斯的抽采，提高瓦斯抽采效率。

4.2煤层瓦斯赋存状况

地面钻井区域预抽瓦斯稳定性的首要条件是煤层的瓦斯含量、压力及煤层的透气性，如果煤层瓦斯含量不高，透气性差，地面钻井区域预抽瓦斯的浓度和流量衰减过快，经济性不合理。因此，地面钻井区域预抽技术在高瓦斯煤层及煤层群区域预抽方面抽采效果更佳，经济性更合理。

4.3抽采负压

地面钻孔抽采瓦斯的本质是利用地面与地下的压力差把瓦斯抽采出地面的。因此，压力差的大小将会影响到抽采流速的大小，从而影响抽采效率。如果抽采负压过小，会导致流量过小，达不到理想抽采效率。当抽采负压保持在合理稳定的范围时，单个钻孔达到一个稳定的抽采浓度和抽采流量，钻孔进入正常抽采期，抽采效率最佳。

4.4钻孔数量和间距

地面钻孔具有一定的抽采能力，而一个单元内煤层瓦斯储量有限，如果一个单元内布置的钻孔数量过多，钻孔间距过小，就会发生钻孔之间彼此影响，导致抽采瓦斯浓度降低，降低抽采效率，造成经济、工程上的极大浪费。

5.结语

（1）地面井组瓦斯预抽技术在焦坪矿区的成功应用，表明在地面地貌条件允许的情况下，实行地面井组瓦斯抽采是可行的，为焦坪矿区及其相同地质条件的矿区超前抽采防治瓦斯灾害提供了一种行之有效的新技术。

（2）地面井组预抽瓦斯不仅能够实现超前长时间预抽，也不需要专门的抽采巷道，较井下钻孔抽采可以减少与井下生产的相互影响，为安全高效掘进提供了保障，可以有效缓解井下采掘接续任务紧张的状况。

（3）在后续生产过程中，可以实验实现地面垂直井组的一井多用，即可用于3#煤层和下邻近层4-2煤层的瓦斯预抽，又可服务于回采过程及回采结束后的采空区瓦斯抽采利用，可实现预抽井-采动区井-采空区井，一井多次利用最大限度的抽采煤层的瓦斯，提高经济性。

（4）地面钻井抽采瓦斯能长期、连续、稳定地抽采煤层瓦斯，既能改善矿井安全生产条件，又可兼作煤层气开发井，是一项煤与瓦斯共采的绿色开采技术，具有十分广阔发展前景。

参考文献：

[1]李国军、胡立国.铁法矿区井下瓦斯抽采与地面煤层气开发[J].中国煤层气.2008. 6（4）.3-7

[2]李明好、胡海军、严涛等.地面垂直钻孔抽放采空区瓦斯的尝试[J].矿业安全与环保.2000. 27（4）.6-7

[3]周昀涵.地面钻井抽采瓦斯技术的研究与发展[J].能源技术与管理.2011. 2.32-34