韋 雷， 楊茂茂

(晉煤集團(tuán)鄭莊礦井項(xiàng)目籌建處，山西 晉城 048000)

引 言

一直以來，煤礦瓦斯災(zāi)害事故是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。尤其對于基建礦井而言，對其瓦斯治理效果不佳往往直接影響到該礦井的建設(shè)進(jìn)度和后續(xù)生產(chǎn)的安全性。目前，應(yīng)用于實(shí)際礦井瓦斯治理的主要方式為對工作面瓦斯的抽采，包括井下鉆孔抽采和地面鉆井抽采[1]。其中，井下鉆孔抽采已被廣泛應(yīng)用且具有成本低、可靠性高的優(yōu)勢；地面鉆井抽采作為瓦斯治理的新技術(shù)具有安全性高、對生產(chǎn)影響小的特點(diǎn)。為進(jìn)一步提高礦井瓦斯治理效果和速度，采用井上下聯(lián)合抽采的方式對礦井瓦斯進(jìn)行治理。本文以某基建礦井為例開展相關(guān)井上下聯(lián)合抽采的研究。

1 工程概況

鄭莊礦井位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮(zhèn)，礦井所處區(qū)域年氣溫-18.7 ℃～37.4 ℃,平均10.2 ℃,年降雨量412.5 mm～891.2 mm，年平均蒸發(fā)量為1 584.78 mm。雨季多集中于6月份～8月份。鄭莊礦井為新建礦井，現(xiàn)處于礦井項(xiàng)目手續(xù)辦理階段，礦井設(shè)計(jì)采用立井開拓方式，在工業(yè)場地內(nèi)共布置3個井筒，即，主立井、副立井和中央回風(fēng)立井，主要服務(wù)于首采區(qū)塊[2]。全井田劃分為8個盤區(qū)，其中首采區(qū)塊包括南一盤區(qū)、南二盤區(qū)。首采區(qū)塊可采儲量92.3 Mt，服務(wù)年限17.1年。礦井年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.00 Mt/a，井田內(nèi)主采3號煤層，平均煤層厚度為5.29 m。經(jīng)探測，該礦井煤層氣的探明儲量如表1所示。

表1 鄭莊礦井煤層氣的探明儲量估算

2 井上下聯(lián)合抽采技術(shù)

為提高鄭莊礦井的工作面瓦斯的抽采效率和抽采速度，采用井上下聯(lián)合抽采的方案對其工作面的瓦斯進(jìn)行治理。井上下瓦斯聯(lián)合抽采的示意圖如圖1所示。

圖1 井上下瓦斯聯(lián)合抽采示意圖

如圖1所示，井上下瓦斯聯(lián)合抽采包括有地面井壓裂、井下長鉆孔抽采技術(shù)和煤層氣地面抽采技術(shù)。其中，面井壓裂、井下長鉆孔抽采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤層透氣性的全覆蓋式提高及采動區(qū)煤層瓦斯高效抽采，解決了單一煤層煤炭開采區(qū)難以區(qū)域卸壓、瓦斯抽采效率低下、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較長等技術(shù)難題；采動區(qū)地面煤層氣地面抽采技術(shù)充分利用煤層回采的卸壓增透效應(yīng)，運(yùn)用地面鉆井抽采采動卸壓區(qū)、采空區(qū)煤層瓦斯，以解決采煤工作面回采過程中，采空區(qū)涌出瓦斯和上隅角瓦斯超限問題，結(jié)合鄭莊礦井特征，其地面抽采主要有采動直井和采動L型井[3]。

2.1 地面鉆井抽采實(shí)踐

結(jié)合鄭莊礦井的各種地質(zhì)資料，并綜合對其地質(zhì)條件進(jìn)行評估，確定具體井的目標(biāo)煤層段和鉆井時(shí)容易產(chǎn)生復(fù)雜事故的層段，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)煤層氣井的井身結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后鄭莊礦井鉆井的井身結(jié)果如圖2所示。

圖2 地面鉆井井身結(jié)構(gòu)示意圖

鄭莊井田采用直井和叢式井相結(jié)合的方式進(jìn)行地面抽采，叢式井平臺布置參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6396-2014《叢式井平臺布置》。防碰要求參考標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 2016-2010《叢式井防碰與碰后處理要求》[4]。主要抽采目的層有3號、9號、15號煤。地面鉆井涉及到的關(guān)鍵設(shè)備如表2所示。

表2 地面抽采主要鉆井設(shè)備

地面抽采的鉆井的實(shí)施方案分為一開作業(yè)和二開作業(yè)。一開作業(yè)：采用311.1 mm鉆井，以鉆穿地表黃土及松散巖石層，至基巖下10 m終孔為原則。二開作業(yè)：采用215.9 mm鉆至15號煤層底板以下40 m終孔。

2.2 井下瓦斯抽采

井下瓦斯抽采主要通過對煤層氣進(jìn)行壓裂改造所實(shí)現(xiàn)[5]。在地面抽采的基礎(chǔ)上，結(jié)合油氣勘探開發(fā)所采用的水水力加砂壓裂將煤層中的瓦斯釋放出來。通過壓裂縫實(shí)現(xiàn)煤層天然裂縫和井筒的溝通；擴(kuò)大排水降壓范圍，加速排水降壓速度，加快煤層氣的解吸，提高氣井產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣量。煤層氣井壓裂工程主要包括射孔和水力壓裂兩部分。

2.2.1 射孔

射孔是指井筒固井后，在井筒中下入射孔器，將封堵的套管、水泥環(huán)甚至煤層射開，為煤層氣流入井筒打開通道。根據(jù)射孔彈的類型，套管射孔完井通常可分為普通射孔完井和復(fù)合射孔完井。根據(jù)煤層強(qiáng)度低、易破碎的特點(diǎn)，該區(qū)設(shè)計(jì)采用普通射孔完井方式。結(jié)合以往煤層氣預(yù)抽項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)鄭莊井田煤層氣井的射孔采用常規(guī)電纜射孔方式，主要設(shè)備是：102射孔槍、YD102射孔彈，彈架、導(dǎo)爆索、射孔彈槍體、彈套、密封圈、減震器等。

2.2.2 水力壓裂

煤層壓裂是通過高壓管匯將壓裂液注入煤層，并在煤儲層中產(chǎn)生裂縫，在壓裂液注入的同時(shí)將支撐劑送入裂縫，以改善煤儲層與井筒間的連通性，達(dá)到提高氣井產(chǎn)能的目的。結(jié)合鄭莊礦井地質(zhì)條件及儲層狀況，為保證煤層的最佳效果其對應(yīng)的相關(guān)壓力施工工序及參數(shù)如下：施工砂比：壓裂過程中，施工砂比應(yīng)逐步增加，平均砂比不低于15%；施工排量：煤層氣井單井施工平均排量不低于8 m3/min；施工壓力：采用光套管壓裂，施工泵壓不超過35 MPa。

3 井上下聯(lián)合瓦斯治理效果

結(jié)合上述井上下聯(lián)合抽采方案，將其應(yīng)用于鄭莊礦井的瓦斯治理中，并對治理后的五口測試井的瓦斯含量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如第102頁表3所示。

如表3所示，采用井上下聯(lián)合抽采方案后鄭莊礦井的瓦斯預(yù)抽率可達(dá)30%以上。而且，經(jīng)實(shí)測可知，鄭莊礦首采南一盤區(qū)原始煤層瓦斯含量預(yù)測為11.5 m3/t～21.5 m3/t，經(jīng)地面煤層氣井抽采，預(yù)計(jì)首采一盤區(qū)殘余瓦斯含量為8.05 m3/t～15.05 m3/t。

表3 井上下聯(lián)合瓦斯治療效果

4 結(jié)論

礦井瓦斯治理是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵舉措。因此，實(shí)現(xiàn)對高瓦斯礦井的高效、高速治理十分有必要。本文針對鄭莊基建礦井采用井上下聯(lián)合抽采方式對其瓦斯進(jìn)行治理，具體總結(jié)如下：

1)采用地面抽采與煤層水力壓裂相結(jié)合的方式可對工作面瓦斯治理的抽采率達(dá)到30%以上；且瓦斯的殘余含量為8.05 m3/t～15.05 m3/t；

2)盡管采用井上下聯(lián)合抽采對工作面瓦斯抽采率可達(dá)30%，但其瓦斯殘余量仍具有危險(xiǎn)性。因此，在實(shí)際建井過程中還需采取相應(yīng)的防突措施。