煤矿采动影响区瓦斯地面井抽采试验研究

张海军

（山西沁和能源集团，山西 晋城 048205）

晋城矿区是我国优质的无烟煤产地，煤炭资源非常宝贵。寺河煤矿含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组，共含煤7～11 层，煤层总厚13.5 m，主采煤层为3#、9#和15#煤层。其中3#煤层均厚6 m，瓦斯含量10～38 m3/t，属高瓦斯煤层，瓦斯灾害严重。近年来由于矿井持续高强度开采，3#煤层低瓦斯区域资源逐渐枯竭，开采逐渐向高瓦斯甚至突出区域转移，瓦斯治理工作十分严峻。因此，为进一步提高井下煤层瓦斯抽采含量和利用率以及丰富煤层气资源开发技术手段，在晋城寺河煤矿开展了采动区卸压瓦斯地面井抽采工艺试验研究。

1 采动影响区地面井抽采技术原理

采动影响区是指煤矿煤层回采过程中使得周围邻近岩层内应力重新分布而发生剧烈移动变形的区域，通常指岩层沉降位移大于5 mm 的区域。

采动影响区地面井技术通过在采场地表施工钻井到煤层采动可能形成的覆岩裂隙带或煤层内，利用开采煤层对其邻近煤岩层的“卸压增透”物理效应，使用负压抽采技术将采区卸压瓦斯经由煤岩体的裂隙网络通道和钻井直接抽采到地表，以达到降低回采工作面瓦斯涌出量，缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。该技术是我国近年来逐步发展起来的瓦斯抽采技术，相比较井下开采技术，具有抽放量大、抽放浓度高、抽放半径大（可达200 m）、地面施工条件好等优点，可以有效利用煤层采动的卸压增透效应，连续抽采工作面前方卸压解吸瓦斯、上隅角瓦斯和采空区瓦斯。

2 地面井试验方案设计

2.1 工作面概况

寺河矿W2301 工作面海拔高度+1 019.11 m，最大相对高差为610.4 m，一般相对高差300～500 m，平均采深约420 m。工作面开采走向长度约1250 m，倾向长度约221.5 m，开采3 号煤层，平均厚度6 m，煤层倾角0～7°，平均2°。煤的容重1.46 t/m3，煤的硬度f 为1～2，地压力为9.00～13.00 MPa。3 号煤层下方13 m 处有5 号煤层，厚0.75 m，3 号煤层下方26 m 处有7 号煤层，厚0.4 m。工作面绝对瓦斯涌出量约43 m3/min，煤层无自燃倾向，煤尘无爆炸性。

2.2 地面井施工方案

2.2.1 井身结构

地面井位于采场中线中段和回风巷道之间的位置，可以大大降低地层移动对井筒的损害，取得更好的煤层气抽采效率[1-4]。根据工作面条件，试验井距切眼1100 m，距回风巷道70 m。

在研究矿区地面井破坏规律和煤层气地面开发特征的基础上，提出煤层气地面开采的技术措施。井筒结构分为三个阶段。

（1）第一段使用Φ444.5 mm 钻头钻进至10 m稳定岩层后，放入套管，全段固井。

（2）第二段采用Φ347.6 mm 钻头钻进至煤层顶板上方80～90 m 处，放入套管，固井长度90 m。

（3）第三段采用Φ269.9 mm 钻头钻进至3 号煤层顶板上方5 m 处。钻完井后，采用悬挂器放入套管，不固井。

2.2.2 地面抽采系统

地面煤层气抽采设备：水环真空泵、水封爆炸排气口、反火装置、气水分离器、排气口、循环水箱、循环水泵、引水管道系统等。

2.2.3 安全抽采监测系统

为记录煤层气生产浓度，防止井下煤自燃，试验过程中监测的参数包括：瓦斯浓度、氧气浓度、抽采负压、抽采流量、抽采气体组成等。监测系统设备包括：GD4 气体排放多参数传感器、氧气传感器、U 型差压计、光干涉甲烷探测器。其中，GD4多参数瓦斯抽放传感器和氧气传感器用于监测日常自动监测系统的相关参数。采用U 型差压计和光干涉甲烷探测器，在监测系统失效时，对管道内煤层的瓦斯流量和浓度进行人工监测。

3 抽采试验数据分析

3.1 地面井抽采数据

地面井抽采系统于2019 年8 月5 日开始作业，试验观察时间70 d，累计抽采煤层气约33.7 万m3。地面井部分作业数据的变化曲线如图1。

图1 地面井抽采数据图

当工作面超过地面井位3 m 时，从地面井中抽取的气体纯度和浓度逐渐趋于稳定。地面井抽采瓦斯气体的最大纯量为12 000 m3/d，浓度约为85%。如图2，当工作面接近井位时，由于超前支承压力的影响，负压在短时间内迅速增大。此时气体的浓度和纯度较低。工作面通过井位后，抽采负压降至27 kPa 左右，气体抽采纯量保持在0.5 万m3/d 左右，气体浓度保持在40%左右。

图2 地面井抽采数据与工作面推进关系图

3.2 地面井抽采对工作面瓦斯治理影响

图3 为地面井抽采对工作面瓦斯浓度的影响。地面井未抽采时，工作面平均瓦斯浓度较高，工作面最大瓦斯浓度为0.76%。当工作面距井60 m 时，地面井开始抽气，工作面最大气体浓度降至0.41%以下，平均为0.27%，工作面平均瓦斯浓度降低26.5%，工作面平均排风量降低到16.4 m3/min 以下，工作面瓦斯超标的情况得到很好的缓解。

未抽采地面井时，工作面总回风巷最大气体浓度为0.92%。采煤工作面推过井位8 m 后，工作面总回风巷瓦斯浓度和瓦斯涌出量均显著下降，瓦斯浓度下降39.1%。

3.3 效果分析

试验结果表明，采用工作面采动影响区瓦斯地面井抽采技术方案后，利用地面井抽采工作面煤层瓦斯，工作面瓦斯浓度平均降低26.5%，工作面平均排风量降低至16.4 m3/min 以下，能够有效降低回采工作面瓦斯涌出量，70 d 内该工作面安全开采原煤106 万t，确保了工作面安全高效回采，同时累计抽采煤层气约33.7 万m3，为开发利用煤层气提供了保障，提高了煤层气资源利用率。

图3 工作面瓦斯浓度与地面井抽采关系图

4 结论

（1）地面井瓦斯抽采效果与工作面距离有一定关系，在距离地面井3 m 左右位置时，瓦斯抽采效果最好，采动动压影响，地面井抽采瓦斯气体的最大纯量为12 000 m3/d，气体浓度约为85%。随着工作面继续向前推进，瓦斯抽采纯量和浓度逐渐降低。

（2）利用地面井抽采工作面煤层瓦斯，70 d 内，累计抽采瓦斯约33.7 万m3，工作面瓦斯浓度平均降低26.5%，工作面平均排风量降低至16.4 m3/min以下，工作面瓦斯超标的情况得到了很好的缓解，工作面总回风巷的气体浓度和排放气体量明显降低，工作面总回风巷瓦斯浓度降幅约39%。