王廣宏

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

新疆礦區(qū)是典型的多煤組礦區(qū)，不僅煤層松軟，鉆孔施工困難，成孔率低，而且煤層透氣性差，抽采瓦斯效率低。新疆焦煤集團(tuán)各礦、新疆大黃山煤礦及南疆的庫拜煤田部分煤礦等開采的煤炭，都是優(yōu)質(zhì)主焦煤或配焦煤，目前都面臨瓦斯含量高的問題。為了提升新疆煤炭戰(zhàn)略地位，建設(shè)大型煤炭基地，積極推進(jìn)瓦斯抽采與利用，解決新疆區(qū)域瓦斯抽采率較低問題，國家和新疆自治區(qū)政府先后出臺(tái)了一系列政策，“十三五”期間設(shè)立了重大專項(xiàng)課題，專門研究新疆大傾角多煤組煤礦區(qū)瓦斯抽采與利用問題，以期提高煤層瓦斯抽采效率，確保煤礦安全采掘，盡快實(shí)現(xiàn)新疆煤層氣開發(fā)利用初步產(chǎn)業(yè)化[1-2]。

筆者以新疆艾維爾溝礦區(qū)為試驗(yàn)點(diǎn)，針對大傾角多煤組地表巖層移動(dòng)與覆巖破壞特征，分析了艾維爾溝礦區(qū)大傾角多煤組地面井失穩(wěn)機(jī)制，合理設(shè)計(jì)了地面井位置，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)及鉆固井工藝，并進(jìn)行了適用性試驗(yàn)考察，為新疆礦區(qū)大傾角多煤組地面井高效抽采瓦斯提供了技術(shù)支撐及示范作用。

1 礦區(qū)概況

新疆艾維爾溝礦區(qū)位于天山山脈，礦區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育，橫切斷層稀少，多為規(guī)模較大的走向斷層。試驗(yàn)工作面開采4#煤層，工作面煤層瓦斯含量為6.15 m3/t，殘存瓦斯含量為1.53 m3/t；煤層平均傾角為28°，煤層平均厚度為2.8 m，含2～3層夾矸，可采厚度2.0～2.6 m，為全礦井大部分可采的穩(wěn)定煤層。4#煤層上方1#及2#煤層缺失，上距3#煤層平均為17.54 m，下距5#煤層平均為34.51 m。

2 地面井布置

2.1 井位選擇

從工程安全、抽采瓦斯效果及施工條件等方面考慮，地面井位置選擇主要考慮2個(gè)方面[3-6]：

1)地面井位置應(yīng)為采動(dòng)影響下采場覆巖層運(yùn)動(dòng)影響綜合效應(yīng)較弱的位置，以最大程度地回避巖層剪切、離層、擠壓等運(yùn)動(dòng)對鉆井套管的破壞作用；

2)地面井位置應(yīng)選在鉆井抽采效果顯著，且有利于最大程度抽采回采工作面附近瓦斯的位置。

井下煤層開采后，其頂板巖層會(huì)發(fā)生破壞、垮落及移動(dòng)變形。從煤層頂板到地表劃分為“三帶”：垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。根據(jù)新疆大傾角煤層開采時(shí)地表沉降下沉特征，在工作面端部的傾斜度最大，巖層間的相對錯(cuò)動(dòng)也最大，反而在工作面中部由于整體巖層的下沉導(dǎo)致中部附近巖層間的相對錯(cuò)動(dòng)較小。如果地面井布置在煤層傾向靠近中部位置，則可以減小由于巖層錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的地面井剪切變形[7-12]。

大傾角煤層開采卸壓情況與水平及近水平煤層存在一定的差異，新疆大傾角煤層開采后的卸壓范圍大致可以描述為如圖1所示的形狀。

圖1 大傾角煤層開采卸壓范圍示意圖

由圖1可以看出，煤層傾斜方向兩端的卸壓區(qū)垂直長度較短，如果地面井布置在靠近煤層傾斜方向兩端的位置，則可以有效減小地面井穿過巖層破碎帶的長度，極大地降低破碎巖體對地面井的擠壓變形作用。

根據(jù)理論的采動(dòng)卸壓區(qū)域，可將地面井布置于上、中、下3個(gè)區(qū)域，根據(jù)實(shí)際工程量、預(yù)期抽采瓦斯效果、地面井穿過破碎帶的長度等因素，比較這3種布井方式，見表1。

表1 布井方式比較

從瓦斯富集情況的角度來看，大傾角煤層采動(dòng)區(qū)分為5 個(gè)階段(Ⅰ～Ⅴ)，如圖2所示。

圖2 瓦斯運(yùn)移情況及富集區(qū)示意圖

在大傾角煤層回采過程中，第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ階段為采動(dòng)活躍區(qū)，瓦斯涌出量大，采場上方的裂隙場屬于瓦斯富集區(qū)，為地面井抽采瓦斯重點(diǎn)區(qū)域；第Ⅴ階段為采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，斷裂帶內(nèi)的“O”形圈屬于瓦斯富集區(qū)，該區(qū)域也是地面井抽采的重點(diǎn)區(qū)域[13]。

因此，大傾角煤層開采地面井位置的選擇需要綜合分析巖層移動(dòng)對地面井的影響、抽采瓦斯效果及煤層卸壓范圍等因素。結(jié)合新疆大傾角煤層開采具體情況，地面井走向應(yīng)盡量布置在靠近工作面回風(fēng)巷一側(cè)，傾斜方向應(yīng)盡量布置在端部與中部之間的區(qū)域。

2.2 地面井結(jié)構(gòu)

1)抽采層位確定

工作面回采后，隨著巖層的下沉，在層與層之間出現(xiàn)沿層裂隙，巖層下沉破斷形成豎向破斷裂隙，根據(jù)這一運(yùn)動(dòng)特征，采動(dòng)裂隙可被劃分為“橫三區(qū)”和“豎三帶”[14]。試驗(yàn)工作面煤層開采厚度為2.4 m，經(jīng)計(jì)算得到垮落帶高度為10.25～12.65 m，斷裂帶高度為47.18～51.18 m。因此，將地面井抽采層位布置在開采煤層頂板12.65 m以上。

2)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)新疆大傾角煤層開采特點(diǎn)，套管利用雙層組合結(jié)構(gòu)來有效減弱非均布載荷對其的影響，通過較軟的水泥環(huán)，不僅使外層套管能承受部分載荷，吸收一部分應(yīng)變能，而且將剩余的非均勻載荷重新分布后，比較均勻地傳遞到內(nèi)層套管上，如圖3 所示[15-16]。

圖3 套管在非均布載荷作用下的示意圖

1號(hào)井設(shè)計(jì)三開結(jié)構(gòu)，分段施工，鉆井深度166 m。一開采用?444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆入穩(wěn)定基巖10 m后下套管，套管固井水泥施工深度30 m;二開采用?347.6 mm鉆頭鉆進(jìn)至煤層底板以上60 m處，采用水泥漿上端局部固井工藝，固井長度70 m;三開采用?241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)至4#煤層底板下方5 m處，下篩管至4#煤層頂板，不固井。三開篩管作為抽采瓦斯采集管，為保證其強(qiáng)度，篩管上半段30 m的透氣孔尺寸為200 mm×40 mm，下半段30 m的透氣孔尺寸為200 mm×20 mm，透氣孔呈間隔軸對稱布置，彼此間距200 mm。地面井結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面井結(jié)構(gòu)示意圖

3)套管防護(hù)裝置

受采動(dòng)影響，地面井套管將發(fā)生拉伸、剪切及拉剪綜合型破壞，因此在鉆井套管容易發(fā)生破壞的位置應(yīng)安裝防止套管受各種類型破壞的防護(hù)結(jié)構(gòu)，依靠防護(hù)結(jié)構(gòu)減弱套管受剪切、拉伸等的破壞作用，保障采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采的順利進(jìn)行[17]。

①地面井套管偏轉(zhuǎn)防護(hù)裝置

為防止地面井套管受采動(dòng)影響而發(fā)生剪切破壞，在易發(fā)生剪切破壞的部位安裝套管偏轉(zhuǎn)防護(hù)裝置，設(shè)計(jì)原理及實(shí)物如圖5所示。

圖5 偏轉(zhuǎn)防護(hù)裝置設(shè)計(jì)原理及實(shí)物圖

②地面井套管伸縮防護(hù)裝置

為防止地面井套管受采動(dòng)影響而發(fā)生離層拉伸破壞，在易發(fā)生拉伸破壞的部位安裝套管伸縮防護(hù)裝置，設(shè)計(jì)原理及實(shí)物如圖6所示。

圖6 伸縮防護(hù)裝置設(shè)計(jì)原理及實(shí)物圖

3 地面井抽采數(shù)據(jù)及影響分析

1)瓦斯抽采濃度及抽采量

地面井抽采瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù)，下同)和抽采瓦斯量與煤層賦存條件、工作面推進(jìn)速度、周期來壓和抽采時(shí)間等因素有關(guān)。地面井抽采瓦斯與工作面距1號(hào)地面井距離關(guān)系如圖7所示(過井距離，沒有推過為“-”，推過為“+”；井下工作面數(shù)據(jù)自工作面過井距離-30 m開始收集)。

圖7 地面井日抽采瓦斯量、瓦斯?jié)舛扰c工作面距地面井距離的關(guān)系

由圖7可以看出，隨著工作面逐步向鉆孔推進(jìn)，受工作面頂板來壓影響，上覆煤巖層產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，煤層的透氣性增加，抽采瓦斯?jié)舛仍龈?，日抽采瓦斯量也逐漸增大，在33 m附近時(shí)，最大抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到30.5%，最大日抽采瓦斯量達(dá)到1 207 m3。隨著采空區(qū)不斷壓實(shí)，抽采瓦斯?jié)舛扔兴陆担刻斐椴赏咚沽恐饾u減少，維持在700～800 m3。

當(dāng)工作面推進(jìn)至地面井附近時(shí)，瓦斯?jié)舛冉档?，每天的抽采瓦斯量急速減小，主要是由于地面井井底距煤層頂板較近，漏風(fēng)嚴(yán)重造成的，因此，應(yīng)將地面井井底上提，上提合理距離為10～15 m，并在后期進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

在抽采過程中，地面井平均抽采瓦斯?jié)舛葹?5.67%，瓦斯?jié)舛绕?，可能是由于開采煤層埋深較淺，地面井二開封孔深度(僅70 m)不足，導(dǎo)致地面井通過采動(dòng)裂隙與地表貫通造成的，因此，預(yù)計(jì)合理封孔深度應(yīng)在100 m以上，需要在后期進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

2)工作面瓦斯涌出量

工作面瓦斯抽采率是指工作面回采期間，從工作面抽采出來的瓦斯量占采動(dòng)卸壓涌出瓦斯量的比例。由于試驗(yàn)工作面開采煤層原始瓦斯含量較低(6.15 m3/t)，使用通風(fēng)系統(tǒng)可以治理正常的采掘卸壓涌出瓦斯，所以未采取井下抽采瓦斯技術(shù)。因此，試驗(yàn)工作面總的卸壓瓦斯涌出量為地面井抽采瓦斯量與井下風(fēng)排瓦斯量之和，即地面井抽采瓦斯量比例為卸壓涌出瓦斯抽采率，地面井抽采瓦斯占卸壓瓦斯涌出量比例如圖8所示。

圖8 地面井日抽采瓦斯量占工作面瓦斯涌出量比例

由圖8可以看出，隨著工作面逐步向地面井推進(jìn)，地面井正常運(yùn)行情況下，抽采瓦斯比例為37%～63%，平均比例為53%，表明地面井在工作面推過后井身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防護(hù)措施得當(dāng)，套管基本未發(fā)生異常變形破壞，能夠確保地面井持續(xù)穩(wěn)定地抽采瓦斯。

4 結(jié)論

1)大傾角煤層地面井應(yīng)布置在沿走向靠近工作面回風(fēng)巷一側(cè)，沿傾斜方向應(yīng)布置于端部與中部之間的區(qū)域，不僅能有效減少地面井穿過巖層破碎帶的長度，而且可高效抽采瓦斯。

2)設(shè)計(jì)了地面井套管偏轉(zhuǎn)防護(hù)裝置和伸縮防護(hù)裝置，確保地面井套管能在局部位置發(fā)生小量的偏轉(zhuǎn)和伸縮，降低了地面井局部發(fā)生失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。工作面推過地面井后套管基本未發(fā)生異常變形破壞，抽采瓦斯持續(xù)穩(wěn)定。

3)當(dāng)工作面推進(jìn)至地面井附近時(shí)，瓦斯?jié)舛冉档?，其原因主要是由于地面井抽采層位距煤層頂板較近，漏風(fēng)嚴(yán)重造成的。抽采過程中，地面井平均抽采瓦斯?jié)舛绕?，其原因主要是由于地面井二開封孔深度(僅70 m)不足，導(dǎo)致地面井通過采動(dòng)裂隙與地表貫通造成的。