井上下联合抽采技术在晋煤集团的应用

2021-03-22温俊三

煤 2021年3期

温俊三

(晋城无烟煤矿业集团有限责任公司通风处，山西晋城 048006)

地面钻井抽采是美国在20世纪80年代应用成功的地面瓦斯抽采方法。20世纪90年代，中国开始在各个矿区开展试验工作，经过多年探索，地面瓦斯抽采取得了长足发展，但初期地面抽采瓦斯项目的重点在瓦斯抽采，对煤矿将来的采掘工作存在的问题考虑较少，会给煤矿后期安全生产带来一定的隐患[1-3]。

1 概述

1995—1997年，晋煤集团在潘庄井田试验了7口地面钻井(PZ001～PZ007)(其中1口为取芯化验井)，单井日产气量最高超过12 000 m3/d。2003年，又在潘庄井田施工了30口地面抽采瓦斯试验井；2004年在前期开发的基础上，又施工了70口地面抽采试验井。目前晋城矿区范围内共施工了3 103口井，其中在抽产气井1 426口[1]。

晋煤集团在井下瓦斯开采方面进行了积极探索研究，先后实施了边采边抽、边掘边抽、井下区域性递进式抽采、采空区抽放等瓦斯抽采方式，并在所属高瓦斯矿井建设了永久瓦斯抽放系统[1]。

虽然晋煤集团在井下瓦斯抽采技术方面取得了一定的成果，瓦斯抽采量在近几年也快速增长，一定程度上保证了矿井安全生产，然而依然存在抽采技术难题，主要包括：①井下传统的瓦斯抽采影响半径小，抽采覆盖范围不全，存在大量的抽采盲区和死角，无法实现全区域抽采达标，仍然存在安全隐患。②初期地面钻井抽采每年可以使影响区内的煤层瓦斯含量降低1～2 m3/t，到后期地面抽采衰减严重，通过地面抽采很难实现抽采达标[1]。

通过多年的探索和研究，晋煤集团提出了煤矿区煤层气三区联动立体抽采模式，统筹规划矿井采掘和地面钻井开采，通过地面钻井抽采、井下瓦斯抽采在空间和时间上与煤矿采掘相结合，最终实现地面和井下抽采，为矿井采掘活动创造安全条件，实现“以采气保采煤，以采煤促采气”[1]。

2 井上下联合抽采技术

2.1 地面L型井技术

针对采面回采过程中上隅角瓦斯大的问题，在寺河矿的3313面回风侧顶板裂隙带施工了1口L型井(如图1、图2所示)。

图1 3313工作面顶板L型井平面布置

图2 3313工作面顶板L型井剖面布置

L型井2014年9月22日晚开始正常运行，连续运行后浓度维持在70%～80%。到2015年4月停运，最高日抽采瓦斯纯量达到约3万m3，累计达到近300万m3，并进行了利用。

3313工作面高位钻孔瓦斯抽采量随L型井气量的增长，出现递减趋势，在L型地面井抽气5 d后，采面高位钻孔抽采总量由原来的18 m3/min减到5 m3/min；风排瓦斯在L型地面井抽气5 d后，由65 m3/min减至59 m3/min。随着地面L型井投运后，采面回风巷口的瓦斯浓度有明显的下降情况，且L型地面井运行后，在采面日产量增加2 500 t的情况下，回风巷口平均瓦斯浓度降低了约0.11%(见图3和图4)[2]。

图3 3313采面L型井、高位钻孔、采空抽采量、风排瓦斯量数据

图4 3313工作面回风产量、瓦斯浓度数据

地面L型井在寺河矿3313工作面的成功应用，为工作面瓦斯治理提供了一种新方法[2]：

1) 有效解决了回采过程中采面回风上隅角瓦斯大的问题。

2) 地面L型井在一定条件下可以替代井下采面顶板高位钻孔，且抽放量稳定、浓度高。

3) 井下采面的准备工程与地面L型井的施工互不影响，缓解采掘衔接紧张局面，节省了抽采时间。

4) 采面回采结束后，地面L型井可以继续抽采一段时间，实现资源最大限度的回收。

2.2 U型井技术

赵庄矿煤层瓦斯含量高、透气性差、煤体松软，传统的地面煤层气井很难降低煤层瓦斯含量，严重影响后期的采掘生产。针对上述问题，利用连续油管压裂水平井技术，在矿区北部规划的七盘区团城背斜北翼，施工1口U型井(见图5)，对煤层进行地面预抽，降低原始煤层瓦斯含量。

该U型井在压裂后5个月开始产气，大约半年后进入稳产阶段，稳定在5 000 m3/d左右。在该U型井附近的4口普通的地面预抽井日总产气量为480 m3，不足U型井产气量的十分之一。

图5 U型井示意

2.3 径向井地面压裂揭煤技术

为了缩短揭煤预抽时间，提高揭煤地点煤层的透气性，改善瓦斯抽采效果，降低突出危险，实现安全快速揭穿突出煤层的目的。在赵庄矿南苏进风井揭煤时，利用南苏进风井附近的ZZFT-013防突井进行径向孔压裂[6]。

井筒施工至距3号煤层顶板法距7 m时，利用ZZFT-013防突井进行径向孔压裂，ZZFT-013防突井生产套管底部2 m处(约730.34 m)，向南苏进风井方向径向钻第一个分支，钻进方位143°，向上每隔0.4 m增加1个径向分支，共钻8个径向孔，8个径向孔均钻进到南苏进风立井底部，钻进距离43.85 m。径向孔施工如图6所示。

图6 ZZFT-013防突井径向施工示意(m)

径向井压裂过程中，最大压力达到7.4 MPa，达到最大压力后，压力突然释放，井底瓦斯传感器值由0.04%左右突然上升到1.3%，在井筒测得瓦斯浓度达到0.6%。整个压裂过程中压入总液量517.08 m3，沙量11.89 m3。压裂结束后井底中部有多条裂隙，底板有明显鼓起现象，底板位移量达到500～600 mm。

从11月3日压裂至12月12日累计瓦斯量排放103 428 m3，超过设计瓦斯可抽量91 550.9 m3，经计算,瓦斯含量降到7.61 m3/t。在确保安全的前提下，达到了快速揭煤的目的。

2.4 井上压裂井下长钻孔技术

利用地面预抽井与井下底板巷道布置压裂油管，对穿层钻孔进行煤层段长钻孔压裂(如图7所示)，解决寺河矿西三盘区巷道掘进过程中瓦斯大的问题。

图7 井上压裂井上长钻孔施工示意

压裂试验抽采效果：最高抽采量8.8 m3/min，平均抽采量5.21 m3/min，最高抽采浓度92%，平均抽采浓度为72.5%，累积抽采时间达9个月，累积抽采瓦斯纯量为204.81万m3(见图8)。与压裂位置同一巷道的千米孔百米抽采量平均为1 m3/min，而压裂孔的百米抽采瓦斯量达到5.21 m3/min(压裂孔煤层段长度为102 m)，提高了5倍，达到了较好的压裂增透效果，使抽采瓦斯量大幅提升。