肖麗輝 李彥明 徐樹斌

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

煤礦瓦斯抽采技術(shù)主要有井下鉆孔抽采技術(shù)和地面鉆井抽采技術(shù)兩種。煤層鉆孔抽采瓦斯工藝作為防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本性措施之一，已被廣泛應(yīng)用，施工煤層瓦斯抽采鉆孔具有速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也較明顯，如抽采時(shí)間短、抽采效率低、抽采掘接替緊張等問(wèn)題。地面鉆井抽采技術(shù)受井下生產(chǎn)影響小、安全性高，但其會(huì)因工作面的回采導(dǎo)致鉆孔發(fā)生切孔、堵孔，瓦斯抽采效果不理想，同時(shí)其適用范圍受限制，一般適用于地形平坦、滲透性較好的厚煤層或煤層群。

山西晉煤集團(tuán)是我國(guó)優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤重要的生產(chǎn)基地，全國(guó)最大的煤化工企業(yè)集團(tuán)和全國(guó)最大的煤層氣抽采利用基地，目前大部分主力生產(chǎn)礦井均為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災(zāi)害問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。晉煤集團(tuán)寺河煤礦屬于單一厚煤層開采，煤層埋藏較深，地應(yīng)力和瓦斯含量較大，由于礦井抽采掘接替緊張，施工井下瓦斯抽采鉆孔已不能很好地抽采煤層的大量瓦斯。因此，急需采用更有效的措施提前釋放煤層瓦斯，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

考慮實(shí)際情況，煤礦決定采用井上下聯(lián)合抽采技術(shù)，利用地面預(yù)抽井安設(shè)壓裂油管連接井下鉆孔進(jìn)行定向擴(kuò)孔壓裂，增加煤層的滲透性，從而進(jìn)行瓦斯抽出，進(jìn)而加快煤(巖)巷的掘進(jìn)速度。

1 井上下聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)原理

井上下聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)是在結(jié)合井下鉆孔與地面鉆井瓦斯抽采優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工藝再創(chuàng)新。首先在煤礦井下施工大直徑定向鉆孔，再通過(guò)地面壓裂鉆孔將壓裂油管深入到大直徑定向鉆孔的煤層段內(nèi)，在壓裂油管中泵入壓裂液進(jìn)行壓裂，井上下聯(lián)合抽采示意圖如圖1所示。通過(guò)這種地面井定向擴(kuò)容的壓裂方式增加煤層的滲透性，增強(qiáng)瓦斯的解吸能力，最終通過(guò)定向鉆孔和地面井相結(jié)合的方式進(jìn)行瓦斯抽采。這種新的瓦斯抽采模式，在空間上體現(xiàn)了井上下結(jié)合，在時(shí)間上體現(xiàn)了井下先抽、地面井后抽的特點(diǎn)。

圖1 井上下聯(lián)合抽采示意圖

要實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合抽采的良好抽采效果，井下定向鉆孔的布置層位以及地面鉆井與定向鉆孔的連接位置的選擇都很重要。根據(jù)“三帶”理論可知，在采空區(qū)豎直方向，從下往上依次為冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。在采空區(qū)四周覆巖的下部存在裂隙發(fā)育區(qū)，稱為“O”形圈。隨著煤層工作面的開采，“O”形圈也以相同的速度向前發(fā)生移動(dòng)，在采空區(qū)四周始終存在著“O”形圈裂隙區(qū)域，該區(qū)域?yàn)橥咚咕奂闹饕獔?chǎng)所。

根據(jù)以上分析可知，可選擇裂隙帶作為地面鉆井與井下定向鉆孔的連接區(qū)域，但同時(shí)考慮到地面鉆井的穩(wěn)定性和密封性，將連接段選擇在裂隙帶不是最優(yōu)方案。綜合考慮，既能滿足抽采時(shí)所需的相互連通的裂隙通道，又能保證井筒的相對(duì)穩(wěn)定性和密閉性，將地面鉆井與井下定向鉆孔的連接位置設(shè)計(jì)在裂隙帶與彎曲下沉帶界面附近的過(guò)渡區(qū)域。

2 工業(yè)性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為山西晉煤集團(tuán)寺河礦，由于寺河礦西區(qū)大巷井下瓦斯涌出量較大，給掘進(jìn)工作帶來(lái)困難。單靠井下鉆孔抽采瓦斯已經(jīng)不能滿足安全生產(chǎn)需求。為此，在該礦區(qū)進(jìn)行了井上下聯(lián)合抽采瓦斯試驗(yàn)。

2.1 煤層情況

試驗(yàn)地點(diǎn)煤層為3#煤層，煤層厚度5.64 m，埋深335 m，平均滲透率2.96 md，儲(chǔ)層壓力約2 MPa。在煤層下方約10.5 m進(jìn)行巖巷掘進(jìn)時(shí)，巷道發(fā)生較大的瓦斯涌出，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)工作，以致影響采煤接替。

2.2 鉆孔施工過(guò)程

為確保后期套管順利下入和水泥封孔質(zhì)量，巖石孔段定向鉆孔必須做到保直、保徑。巖孔鉆進(jìn)采用“先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔”的方式成孔。

定向鉆孔采用?96 mm鉆頭+彎螺桿馬達(dá)+隨鉆軌跡測(cè)量系統(tǒng)的組合鉆具施工。施工時(shí)先采用彎螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)80 m，再采用復(fù)合鉆進(jìn)的方式劃孔80 m。在采用彎螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)時(shí)，每1.5 m測(cè)量一次鉆孔軌跡，以便隨時(shí)修正鉆孔軌跡，保證鉆孔軌跡沿設(shè)計(jì)軌跡延伸。

導(dǎo)向孔施工完成后用?96 mm+?153 mm組合鉆頭+?150 mm螺旋扶正器擴(kuò)孔，完成擴(kuò)孔后劃孔1次。在第一次擴(kuò)孔的基礎(chǔ)上采用?193 mm鉆頭+?190 mm螺旋扶正器進(jìn)行二次擴(kuò)孔，完成擴(kuò)孔后劃孔2次以保證孔璧質(zhì)量。兩次擴(kuò)孔的鉆具組合如圖2 所示。

圖2 擴(kuò)孔鉆具組合圖

煤礦井下施工的?96 mm先導(dǎo)孔及一次擴(kuò)孔至?153 mm的定向鉆孔要先在穩(wěn)定巖層內(nèi)延伸，當(dāng)巖孔鉆至設(shè)計(jì)孔深時(shí)退出鉆具，用?193 mm鉆頭擴(kuò)孔10 m，下入10 m的?153 mm鋼套管封孔，并選用水泥進(jìn)行封孔。待水泥凝固后用?96 mm鉆頭鉆進(jìn)煤層水平孔，鉆孔在煤層中延伸。當(dāng)鉆孔在煤層中延伸至目標(biāo)層位后退鉆，下入60 m長(zhǎng)的?89 mm油管，并進(jìn)行封孔。封孔后連接好孔口裝置，進(jìn)行壓裂和接抽。定向鉆孔施工過(guò)程示意圖如圖3所示。

圖3 定向鉆孔施工過(guò)程示意圖

2.3 壓裂設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)施工?118 mm地面鉆井，井深為370 m，壓裂試驗(yàn)的對(duì)比研究分為兩個(gè)階段。第一階段施工1個(gè)穿層壓裂孔和2個(gè)參照孔，穿層壓裂孔煤層段長(zhǎng)度為100 m，采用油管壓力方式。第二階段施工1個(gè)穿層壓裂孔和2個(gè)順層定向考察孔，2個(gè)順層定向考察孔分別位于穿層壓裂孔左側(cè)40 m和110 m處，穿層壓裂孔的煤層段為150 m，2個(gè)順層定向考察孔的煤層段為240 m，并在未壓裂、未抽采過(guò)的區(qū)域?qū)嵤﹨⒄湛?個(gè)，參照孔煤層段長(zhǎng)度為470 m。

2.4 瓦斯抽采對(duì)比分析

第一階段壓裂的穿層壓裂孔巖層段長(zhǎng)度為150 m，煤層段長(zhǎng)度為100 m，施加的最大壓裂油壓為20.68 MPa，達(dá)到壓裂產(chǎn)生大裂隙的要求。壓裂完成后對(duì)穿層壓裂孔進(jìn)行瓦斯抽采，抽采時(shí)間為390 d，最高抽采量8.82 m3/min，平均抽采量為5.38 m3/min，平均抽采濃度為72.07%，累積抽采瓦斯純量為218.66萬(wàn)m3，折算每米每天抽采瓦斯為56.07 m3/(d·m)。第一階段壓裂瓦斯抽采效果如圖4所示。在壓裂位置同一巷道施工對(duì)比孔2個(gè)，對(duì)比孔的抽采量平均為1 m3/(min·dm)，而壓裂孔的瓦斯抽采量平均達(dá)到3.9 m3/(min·dm)，對(duì)比后可知，采用井上下聯(lián)合抽采的方式使瓦斯抽出量增加了近3倍，達(dá)到了較好的壓裂增透效果。

圖4 第一階段壓裂瓦斯抽采效果

第二階段壓裂施加最大壓裂油壓為22.26 MPa，并在壓裂液中添加了石英砂支撐劑。壓裂增透試驗(yàn)后對(duì)3個(gè)孔的瓦斯進(jìn)行抽采，抽采時(shí)間為179 d，抽采期間平均瓦斯抽采量為17.01 m3/min，平均瓦斯抽采濃度為71.13%，積累抽采瓦斯純量達(dá)438.96萬(wàn)m3，折算每米每天抽采瓦斯62.88 m3/(d·m)。第二階段壓裂瓦斯抽采效果如圖5所示。

圖5 第二階段壓裂瓦斯抽采效果

參照孔抽采時(shí)間為130 d，抽采期間最高抽采瓦斯純量為3.61 m3/min，平均抽采瓦斯純量為1.11 m3/min，最高抽采瓦斯?jié)舛葹?9.9%，平均抽采濃度為49.3%，累積抽采瓦斯量為16.31萬(wàn)m3，折算每米每天抽采瓦斯2.67m3/(d·m)。與壓裂后每米每天抽采瓦斯62.88m3/(d·m)相比，壓裂后瓦斯抽采量提高了22.6倍。由此可以看出，壓裂后煤層瓦斯的增透效果非常顯著。

3 結(jié)論

(1)由第一階段的壓裂效果可以看出，壓裂后最高抽采量為8.82 m3/min，平均抽采量為5.38 m3/min，折算每米每天的瓦斯抽采量為56.07 m3/(d·m)，壓裂后每米每天瓦斯抽采量是參照孔的4倍。

(2)由第二階段的壓裂效果可以看出，抽采期間的平均瓦斯抽采量為17.01 m3/min，折算每米每天抽采瓦斯62.88 m3/(d·m)。每米每天瓦斯抽采量是參照孔的23.55倍，效果非常顯著。

(3)通過(guò)在寺河礦的應(yīng)用可以看出，井上下聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)是解決瓦斯突出的一種新途徑，在滲透性較低的煤層及抽采掘接替很緊張的礦井可以得到很好的應(yīng)用，有效地解放了生產(chǎn)力，提高了礦井的瓦斯抽采率。

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