煤矿采动区地面煤层气井抽采利用优化研究

刘龙斌

（山西省地质矿产研究院，太原 030001）

煤矿开采期间，底层容易发生剧烈活动，导致采动区上的覆岩层出现大量的裂隙、离层等情况，势必会显著提高煤岩层的透气性，使得由卸压煤层所释放的瓦斯可以在煤岩层中富集与流动，这也被称为煤层开采的“卸压增透效应”[1]。

采动区地面井抽采瓦斯技术也是在此基础上建立的，该技术一般是采区回采之前由地面向地下开采煤层垂直钻出300～450 mm直径的孔洞，钻孔一般钻至目标煤层的上方停止，在顶板垮落后，就可以使用钻孔从具有大量裂隙的直接顶冒落带抽取煤层气。因为该技术施工位置是地面，施工条件较为简单，并且对于煤炭回采不存在额外的影响，其能够确保采前预抽、采动抽采以及采空区抽采工作的连续开展，从而能够实现全过程抽采和控制煤层气，我国的各大矿区对此都较为青睐。煤矿区煤层气地面井抽采技术可以细分为地面井压裂预抽、采动发展区地面井抽采以及采动稳定区地面井抽采技术三个类别。

近年来，我国对于煤层气资源的开发重视程度越来越高，并且对于煤层气的开发利用出台了多项政策，有效促进煤层气资源的勘探、开发与利用相关技术的发展。在此环境下，地面井压裂预抽和采动发展区地面井抽采技术都获得了令人瞩目的成就，我国的诸多学者在煤与煤层气协调开采、地面井排采机理以及产量预测、煤层气流动特征、采动发展区地面井破坏机理与防护工艺、煤矿区地面钻进与压裂技术等方面都进行了大量的研究，并且取得了丰硕的研究成果[2]。当前已经建成了淮南煤层群开采条件煤层气抽采示范工程基地以及晋城单一厚煤层开采条件示范工程基地。采动稳定区煤层气地面井抽采技术的发展较其他而言相对较慢，该技术侧重煤层气资源的来源分析和储量评估模型构建，但是相关理论缺乏较多的现场试验[3]。

1 我国与发达国家就地面井抽采项目合作研究及国内试验情况

1.1 我国与澳大利亚在地面井抽采项目研究方面获得的进展

淮南矿业集团有限公司、中国煤炭科工集团重庆研究院以及澳大利亚联邦科学工业研究院在“十五”期间就开始就地面钻井抽采采动区域煤层气相关技术进行研究，在经历十数年理论和现场研究试验后，在钻井布置原则、布井间距以及钻井结构设计等多个方面都取得了令人瞩目的成果。其确定“地面钻井布置在距回风侧20～70 m内对于煤层气的抽采较为有利，布置在靠近回风侧30 m以内并且适当增加钻孔直径可以使得钻井稳定性显著提升”等科学结论，并且结合淮南矿区的煤层地质特征，分别设计出第一代、第二代以及第三代结构地面抽采井，使得采动区地面抽采井的有效运行时间明显增加。当前，淮南矿业集团已经逐渐形成了一套能够较适合“煤层群后表土层”地质条件的采动区煤层气地面井设计、施工以及抽采成套技术，其在各个大型矿区中得到了较为广泛的应用，使得各矿区的煤层气抽采效率和井下生产的安全系数得到显著提升，不仅促进了井下的安全生产，还能够有效控制经济成本。

1.2 地面井抽采在晋城的研究试验

晋城矿区存在工作面煤层气的治理难度较高、治理压力较大的问题，在与中国煤炭科工集团重庆研究院合作完城“十一五”“十二五”国家科技重大专项采动区地面井技术研究和现场试验后，采煤工作面、回风巷以及邻近层煤层气量较大、煤层气中瓦斯浓度较高等问题都得到了有效解决，使得煤矿井下安全生产问题得到有效解决。当前，晋城矿区存在9口矿井抽采煤层气，其中8口矿井的抽采效果较好[4]。通过对每口地面井实现专业的设计，对地面井覆岩的岩性进行系统分析，人们了解了地面井的变形规律，了解其主控因素的实效性，并得到采动区地面井变形破坏模型，提出晋城矿区地面井的破坏规律及布井原则，对采动影响区地面井设计进行优化，确定最为合适的井型结构，最终形成适合晋城煤矿区采动影响区地面井的开发模式。

2 采动区地面井抽采所存在的主要问题及所使用的关键技术

当前，我国各大矿区采动区地面井抽采技术试验表明，部分采动区地面井在工作面推过后就很快会出现损毁的情况，煤层气的产气量快速下降，甚至不再出气，因此出现地面井实际使用寿命较短、抽采总量较小的情况。而没有被损毁的地面井都可以对工作面回采的卸压影响进行充分利用，从而抽采大量的煤层气，所以当前采动区地面井抽采技术发展的优化之处就是要如何避免地面井因为采动影响而损毁。

对此，中国煤炭科工集团重庆研究院深入研究分析了采动区地面井的破坏机理，确定地面井在采动影响下的变形破坏以钻井套管的S形剪切破坏以及拉伸径缩破坏为主，整体表现为综合破坏。经过十数年的研究，采动区地面井抽采技术已经获得了关键性的突破，主要体现在四个方面。

2.1 采动区地面井变形破坏理论和关键参数

通过构建煤矿采动区地面煤层气抽采钻井的拉、剪、挤以及综合变形破坏模型，人们逐渐创建了采动区地面井“层面拉剪变形”的理论框架，通过钻井套管、护井水泥环以及岩壁三域耦合作用模型，从而确定钻井套管最大的剪应力和最大拉伸应力函数。结果发现，钻井套管抗变形能力直接受到地面井套管的壁厚、井深半径以及钢级等参数的影响[5]。

2.2 采动区地面井身结构优化设计技术

结合极限分析理论，人们确定了判识地面井套管破坏石机的剪切安全系数和拉伸安全系数的概念，并且构建了地面井套管破坏高危位置P系数判识法，将其用于指导采动影响区地面井井身结构优化设计。

2.3 采动区地面减抗破坏防护结构及措施

地面井的损毁主要集中在部分关键位置，所以在坚持“以避为主、以抗为辅”的思想基础上，要确定能够显著提高地面井抗破坏性的剪切、拉伸、厚壁刚性等一系列的防护结构，制定钻固井的有效防护措施。

2.4 采动区地面井抽采成套技术体系

人们要考虑不同矿区煤层地质条件和煤矿采掘工艺特点，结合地面井身结构设计、井位布置优化、钻井施工方案设计、地面井抽采系统设计以及钻井工程防护技术等多种技术，探索和建立采动区地面井抽采成套技术体系。

3 煤矿采动区地面煤层气井抽采设备优化应用及效果

3.1 煤矿采动区地面煤层气井抽采设备优化应用

使用水环式真空泵进行煤层气抽采，并在水环泵后端串联喷油式螺杆增压机组，实现对所抽采的煤层气的集中运输和利用。水环泵通过多个传感器同时监测所抽采的煤层气的浓度、压力以及流量，并且在增压机组的进气口位置安装甲烷和氧气传感器，如果甲烷浓度低于55%或氧气浓度高于8%，则增压机组自动进行连锁停机操作。

针对部分采动区地面煤层气井的甲烷浓度较低、氧气含量较高的情况，可以为其安装提纯设备，实现气源的提纯处理，使得所抽采的煤层气能够得到有效的技术利用。提纯设备主要利用变压吸附原理来提高煤层气中甲烷含量。变压吸附系统主要由6台吸附塔、1台真空泵、1台产品气缓冲罐及相应的程控阀门共同组成。煤层气中的甲烷被变压吸附塔选择性地吸附，得以富集，而容易被吸附的大量空气则从煤层气中被分离，并释放到空气中。在吸附剂吸附甲烷饱和后，通过抽真空的方式收集提纯的甲烷，使得吸附剂释放甲烷，重新开始工作。收集的甲烷气体先在产品气缓冲罐中缓冲，再以产品气的形式直接输送到煤层气压缩机，进行技术利用[6]。

3.2 煤矿采动区地面煤层气井抽采设备的应用效果

在尚未增加提纯设备之前，煤层气抽采期间，甲烷含量不断下降，氧气浓度不断上升。由于增压机组设定的运行参数要求限制，所以抽采过程中停机时间明显增加，在增加提纯设备后，抽取的煤层气得到合理处理和有效利用，优化了采动区地面煤层气井抽采的煤层气的集输利用率。由此可见，煤矿采空区地面煤层气井增加煤层气的提纯设备，能够提升采动井地面抽采煤层气的效率。

4 结论

煤矿采空区地面煤层气井抽采属于低透气性煤层气抽采形式，其本身具有效率高、成本低的特点，不会受到井下时间和空间的限制，更容易操作。同时，人们要不断优化采动区地面煤层气井的抽采利用方式。抽采期间，针对甲烷浓度下降、氧气浓度上升的情况，煤矿企业要合理利用提纯设备，根据实际情况选择和安装煤层气提纯设备，同时应用低浓度煤层气短距离输送技术，将多口井抽采的煤层气集中起来进行提纯处理，以提高处理效率，降低处理成本。