工作面地面井瓦斯治理技术的可行性论证

张尧兵

摘 要：新集二矿2401工作面煤体较为坚硬，渗透率低，瓦斯含量高，压力大，不具备保护层开采条件，常规的井下瓦斯治理措施已不再满足相关规定和下一步安全开采需要。基于晋能控股集团寺河矿矿区、沙曲矿的地面井预抽瓦斯效果，分析并论证了新集二矿地面井瓦斯治理的可行性。分析结论认为，2401工作面地面井预抽区域瓦斯治理技术在安全上具有可行性和可靠性。

关键词：煤矿;工作面;地面井;瓦斯治理;技术论证

中图分类号：TD712.62文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0081-03

Feasibility Demonstration of Gas Treatment Technology

in Working Face Surface Well

ZHANG Yaobing

（ChinaCoal Xinji Energy Co.， Ltd.，Fuyang Anhui 236234）

Abstract： The coal in 2401 working face of Xinji No. 2 Mine is relatively hard， with low permeability， high gas content， high pressure， which has no protective layer mining conditions， and conventional underground gas control measures no longer meet the relevant regulations and the next step of safe mining needs. Based on the pre-draining effect of gas in the surface wells of the Sihe Mine and Shaqu Mine of Jinneng Holding Group， this paper analyzes and demonstrates the feasibility of gas control in the surface wells of Xinji No. 2 Mine. The analysis concludes that the gas treatment technology in the pre-drainage area of surface wells in 2401 working face is feasible and reliable in terms of safety.

Keywords： coal mine;working face;surface well;gas treatment;technical demonstration

新集二礦2401采区1煤组（包括[1上]煤、1煤）为瓦斯突出煤层，经预测，深部瓦斯压力大于3.4 MPa，瓦斯含量高于10 m3/t。1煤组与上覆煤层的间距约为80 m，不具备保护层开采条件。目前，国内尚无井下远程钻机的成熟应用。除-750 m西翼运输大巷外，2401采区范围内无其他巷道，不具备煤层瓦斯预抽采条件。鉴于此，本文进行工作面地面井瓦斯治理技术论证。

1 技术论证基础条件

2401采区位于新集二矿二水平西翼1煤组采区，走向平均长度为2 123.8 m，倾斜平均长度为587.7 m;采区倾斜面积为132.2万m2。1煤组为突出煤层，2201采区地质勘探线1线以东、2201采区运煤行人上山巷道以西、-581.4 m标高以浅区域为无突出危险区。2401采区煤层底板标高介于-750～-650 m，属突出煤层突出危险区。根据2201采区、2301采区实测瓦斯含量预计，2401采区原始瓦斯含量为8～12 m3/t，瓦斯压力超过3.4 MPa。据预测，2401采区[1上]煤层（587.4万t）瓦斯储量为5 874万m3，1煤层（629.0万t）瓦斯储量为6 290万m3。

2 工作面地面井区域瓦斯治理的可行性

2.1 地面井预抽瓦斯技术应用现状

研究人员在新集一矿挖掘了四口地面垂直井，获取了新集矿区瓦斯赋存相关参数，并通过压裂、排采，获得了工业气流。淮南潘一矿、潘三矿和谢桥矿、淮北桃园矿和芦岭矿等矿井进行了地面井上覆被保护层卸压的瓦斯抽采技术研究。其中，淮北矿业集团桃园矿、朱仙庄矿等开采下保护层工作面时，采用地面井抽采上覆远距离采动区瓦斯的试验取得了成功，后来，该试验陆续在淮南矿业集团潘一矿、谢桥矿、潘三矿等矿获得成功，并取得了较好的抽采效果。在陕西焦萍矿区实施的七口地面垂直井中，单井最高日产量超过1 900 m3。2014年，鸡西矿区梨树煤矿实施了一组丛式井开发工程，稳产期平均日产气量超过1 800 m3。晋城潘庄矿施工的一组远端对接水平井是瓦斯抽采井，日产气量超过22 500 m3。山西潞安余吾矿顶板水平井于2019年10月31日排采，最高产气量为7 100 m3，累计产气超过132万m3。

祁东煤矿位于安徽省宿州市南部，矿井目前正在开采的Ⅱ三采区[71]煤瓦斯含量为10.08 m3/t，瓦斯压力为2.70 MPa，其需要开展地面区域瓦斯治理工程。QD01水平井已于2019年9月施工完成，最高日产气量为8 446 m3，排采期日均产气量为3 392 m3，采收率为32%，煤体瓦斯含量由10 m3/t降至6.78 m3/t。祁东矿地面井7月5日单日瓦斯抽采量达6 126 m3，目前，累计产气超56万m3。地面井预抽项目的成功实施为皖北煤电集团瓦斯治理提供一种新的技术途径。

新集二矿2401工作面1煤煤体较为坚硬，渗透率低，瓦斯含量高、压力大，不具备保护层开采条件，常规的井下瓦斯治理措施已不再满足相关规定和下一步安全开采需要。

2.2 地面井预抽瓦斯技术适应性分析

2.2.1 地质条件对地面井井型的适应性。鉴于新集二矿1煤组上覆6煤、8煤、11煤均已采动形成采空区，采用地面垂直井存在穿越采空区时钻进困难的问题，易发生塌孔卡钻、钻井液漏失等钻孔事故，所以该类井型不适用于2401工作面1煤组的地面瓦斯抽采。而采用多分支水平井或梳状水平井的布置方式虽然可规避采空区影响，减少地面场地平整、道路修整等费用，但是其技术工艺相对复杂、投资较高、风险也较大，尤其是后期储层改造工程、排采工程实施困难。鉴于该区目前的瓦斯地质勘探程度，结合国内煤矿实施的梳状水平井、多分支水平井的调研，目前不建议该区采取梳状水平井、多分支水平井的方式进行地面瓦斯抽采。水平对接井（U形井）和地面L型水平井技术工艺比较简单，投资成本较低。通过对祁东矿、寺河矿、芦岭矿、沙曲矿等矿井的地面井调研，人们发现，水平对接井（U形井）和地面L形水平井瓦斯抽采效果较好，对煤矿安全生产的保障性强[1]。但是，水平对接井需要钻进地面垂直井进行井下钻孔对接，而2401工作面1煤组上覆6煤、8煤、11煤均已采动形成采空区，不具备布置地面垂直井条件，故水平对接井（U形井）不适于2401工作面地面井瓦斯抽采。

根据地面井瓦斯抽采经验，地面L型水平井施工一般受煤层力学性质、煤体结构、地质构造和储层压力等因素影响。

一是新集二矿1煤组坚固性系数大于0.7，煤层力学性质稳定，且其顶板为厚度较大的砂岩层，可进行L形水平井施工;二是尽管2401工作面内发育一些断层，但结合矿井构造揭露情况来看，斷层发育简单，具备L型水平井施工的煤层条件;三是矿井1煤组透气性系数为0.0837 m2/（MPa2·d），属于难抽放煤层，因此必须采取压裂措施，增加煤层渗透率，提高瓦斯抽采效果;四是储层压力较高，2401工作面1组煤层瓦斯含量为10 m3/t，瓦斯压力超过3.4 MPa，有利于1煤组瓦斯地面井抽采。

2.2.2 2401工作面L型水平井水平段布置形式适应性分析。由于工作面煤层强度低、煤体破碎、水敏性强，水平井段钻井易出现垮孔、易膨胀、易堵塞等现象，导致抱钻、埋钻问题，造成井眼不规则、成孔难、成孔短[2]。水平井水平段布置在煤层顶板的方式主要针对碎软煤层钻孔困难的问题，将水平段布置在煤层顶板较为坚硬的岩层，可大幅度提高地面钻井的成孔率。

2401工作面西南区域内，1煤组煤层受冲刷作用影响，稳定性差。根据地面物探资料推断，该采区有四条物探断层，断层落差均在7 m以内，但1煤组伪顶以泥岩为主，厚度为0.0～0.5 m。基于区域地质情况，本方案设计将抽采工作面瓦斯的地面井水平段布置在1煤组顶板0.5～2.0 m内，以提高水平井钻井成功率，扩大压裂影响范围。

2.3 地面井预抽瓦斯技术安全性分析

2.3.1 地表施工。地面瓦斯抽采需要根据压裂范围、排采工艺、卸压抽采影响范围及井下工作面的部署进行布井位置的具体选择。对于矿区具体区域，当采掘接替规划确定后，为了保证最佳的抽采效果和降低投资成本，各地面瓦斯抽采井的井位布置应该是基本确定的[3-5]。新集二矿除局部区域有采空区塌陷外，整体地表情况良好且具备基本道路通行条件，利于地面井施工。同时，方案采用的L形水平井可有效避免地面井穿越2401工作面上覆多层采空区的施工风险，地表施工总体安全可靠。

2.3.2 地质构造对地面井的影响。根据2401工作面地面物探资料推断，该采区有四条物探断层，断层落差较小，均在7 m以内。方案设计采用地面L形水平井进行区域瓦斯治理，水平段均布置在1煤组顶板内，地面井受已揭露或探明断层的影响较小。

2.3.3 地面井施工工艺。地面井施工、压裂、排采及后期管理均有专业化队伍负责，采用的设备及钻进工艺先进，施工过程安全可靠。2401工作面内，煤层瓦斯含量大，瓦斯压力高，若继续采用井下瓦斯治理模式，极易发生钻孔顶钻、喷孔现象，甚至造成伤人事故。地面井施工工艺能够有效避免与高瓦斯压力煤层“短兵相接”，在提前降低瓦斯压力和瓦斯含量的情况下，为井下作业提高可靠保障。

2.4 地面井预抽瓦斯技术可靠性案例分析

由于煤层渗透性低、瓦斯抽采效果差，传统的瓦斯抽采手段难以满足煤矿区瓦斯高效抽采需要。地面井瓦斯预抽方式在煤矿瓦斯治理中取得了较好的效果，基于晋能控股集团寺河矿矿区、沙曲矿的地面井预抽瓦斯效果，笔者分析新集二矿地面井瓦斯治理的可行性。

寺河矿东西两井年核定生产能力为900万t/a，均为煤与瓦斯突出矿井。为保证井下抽掘采协调部署及瓦斯治理安全可靠，寺河矿在规划区布置地面预抽井进行区域瓦斯治理[4]。目前，寺河矿已布置地面垂直井800多口、L形井10口、U形井16口、多分支井3口，形成以地面井为主、多种井型共同抽采的地面井瓦斯治理模式。寺河矿历年瓦斯超限事故统计如图1所示，瓦斯治理效果显著。

沙曲矿地面井瓦斯治理模式实行以来，矿井采掘工作面实现瓦斯零超限。抽采后，2～5号煤层瓦斯的基础参数平均值如表1所示[5]。煤层突出危险性均已消除，虽然5号煤层瓦斯压力仍高于临界值，但相比原始瓦斯压

力，已显著降低，随着3号、4号的陆续回采以及本煤层瓦斯抽采时间的延长，该煤层瓦斯最终也能得到治理。沙曲模式不仅可以保障矿井安全生产，还实现了煤与瓦斯高效共采，经济与社会效益显著。

由寺河矿和沙曲矿预抽瓦斯效果分析可知，地面井的预抽瓦斯效果显著，它可以有效应用于区域内煤瓦斯消突。

3 结论

2401工作面1煤组属于中厚煤层，瓦斯含量高，已探明构造相对简单，煤体较为坚硬。研究发现，结合地面井技术发展现状、矿井瓦斯赋存特征和长期瓦斯抽采实际需求，采用地面L型水平井辅以储层改造，提高煤体的渗透性，增加卸压影响范围及瓦斯的抽采量，在技术工艺与施工能力方面具有可行性。地面井预抽具有足够长的瓦斯抽采时间和较好的抽采效果，可以保障2401工作面抽掘采平衡，确保有效防治煤与瓦斯突出，避免井下高瓦斯压力下出现喷孔等动力现象，提高瓦斯治理措施的安全性和可靠性。综合分析认为，2401工作面地面井预抽区域瓦斯治理技术在安全上具有可行性和可靠性。

参考文献：

[1]孙海涛，付军辉，张志刚，等.煤矿采动影响下地面井群瓦斯抽采范围研究[J].煤炭科学技术，2021（2）：109-114.

[2]温俊三.井上下联合抽采技术在晋煤集团的应用[J].煤，2021（3）：76-78.

[3]程志恒，陈亮，邹全乐，等.近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究：以山西吕梁沙曲矿区为例[J].煤炭科学技术，2021（2）：122-137.

[4]郑乃国.低透气性薄煤层地面钻孔抽放瓦斯技术研究[J].煤炭技术，2021（2）：127-129.

[5]张海军.煤矿采动影响区瓦斯地面井抽采试验研究[J].山东煤炭科技，2021（1）：110-112.