楊樹文，華明國，李 云

(山西潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

采空區(qū)地面鉆井是將鉆孔直接從地面打入采空區(qū)上方，主要用于采空區(qū)瓦斯抽采，預防瓦斯超限，確保煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。該技術是由美國率先研究并應用推廣。由于美國煤層埋深較淺且煤質(zhì)較好，因此，地面鉆井技術結合水力壓裂等增透方法，極大地提高了采空區(qū)瓦斯的抽采效率，取得了很好的經(jīng)濟社會效益。目前，地面鉆井瓦斯抽采技術與井下瓦斯抽采技術相比具有三方面明顯優(yōu)勢：①施工方便，不受井下巷道環(huán)境限制；②施工可采用更大型號的鉆機，有效提高瓦斯抽采效果；③地面瓦斯抽采工作易于管理和維護。

我國在地面瓦斯抽采鉆井技術上起步較晚，于20世紀70年代末期在撫順、陽泉、焦作和湖南等煤礦逐步開始工程試點研究，但由于我國煤層地質(zhì)條件復雜，透氣性較低，煤質(zhì)參差不齊，極大地增加了鉆孔技術的難度，即使開展水力壓裂等增透措施，瓦斯抽采效果也不理想[3-5]。2021年，以淮南煤礦為例，該礦區(qū)共施工40多口地面鉆井，但鉆孔失敗率高達40%.目前,我國對地面鉆井抽采技術的研究已積累了一定的工程實踐經(jīng)驗[6]，但是在低透氣性煤層綜放開采條件下如何提高地面鉆井施工成功率、滿足高強度開采條件下鉆井井身穩(wěn)定性需求等方面研究較少，缺乏理論指導，難以滿足煤礦工程實際需求。因此，為解決工作面回采過程中采空區(qū)瓦斯抽采困難這一問題，本文研究設計了一種地面鉆井方案，并在余吾煤業(yè)N2105工作面開展試驗研究。

1 工作面瓦斯治理概況

N2105工作面位于余吾煤業(yè)北翼采區(qū)，主采3號煤層，工作面原始瓦斯含量為10.049 6 m3/t，煤層瓦斯儲量5 069.6萬m3.該工作面采用“三進一回”的偏Y型通風方式。經(jīng)現(xiàn)場測量計算，N2105工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為85 m3/min，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，絕對瓦斯涌出量超過40 m3/min為高瓦斯礦井，必須進行瓦斯抽采。

2013年7月，余吾礦開始對N2105工作面進行采空區(qū)埋管抽采試驗研究。初期抽采結果發(fā)現(xiàn)，抽采效果較差，瓦斯抽采量僅為0.8 m3/min，不能有效達到采空區(qū)瓦斯治理的目的。因此，余吾礦采用地面鉆井技術進行采空區(qū)瓦斯抽采，并對地面鉆井進行優(yōu)化設計，為解決工作面回采過程中采空區(qū)瓦斯抽采提供新思路。

2 地面鉆井優(yōu)化設計

2.1 地面鉆井布置

為最大限度地進行采空區(qū)的瓦斯抽采，余吾礦將地面鉆井布置于靠近回風巷側(cè)，如圖1所示，先后完成了3口地面鉆井的施工并開展抽采試驗研究，分別為CC-1號鉆井、CC-2號鉆井和CC-3號鉆井。這樣布置不僅鉆孔穩(wěn)定性較高，還能抽采到“O”型圈裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)高濃度的瓦斯，有效提高瓦斯抽采效率。

圖1 管路連接示意

根據(jù)余吾礦北翼采區(qū)上覆巖層三帶測量試驗，將鉆孔布置于裂隙帶發(fā)育區(qū)。各鉆井布置參數(shù)如表1所示。

表1 N2105工作面地面鉆井位置參數(shù)

2.2 地面鉆井結構優(yōu)化設計

試驗初期，CC-1號與CC-2號鉆井均采用了小孔徑設計。其中，CC-1號鉆井第一次掘進地層鉆孔直徑為D311.1 mm，下入D244.5 mm套管固井；第二次掘進地層開段鉆孔直徑D152 mm，下入D127 mm篩管。

CC-1號鉆井試驗期間，在工作面推過鉆井60 m后瓦斯抽采量迅速衰減，直至90 m后由于煤層瓦斯壓力劇烈變化導致鉆井發(fā)生破壞無法繼續(xù)抽采瓦斯。為此,對CC-2號鉆井在CC-1號鉆井基礎上進行了改進，將第三次掘進地層產(chǎn)氣實管連到地面采用雙層組合套管。

試驗結果發(fā)現(xiàn)CC-2號鉆井與CC-1號試驗結果相似，均在工作面推過鉆井60 m后瓦斯抽采量迅速衰減，在100 m后，由于煤層瓦斯壓力劇烈變化導致試驗過程中鉆井出現(xiàn)了不同程度的變形破壞及抽采濃度下降問題。因此,對CC-3號鉆井進行了優(yōu)化設計，增加了鉆孔直徑，并在外層套管充填水泥。CC-3號大直徑鉆井的井身結構如下：第一次掘進地層直徑D570 mm，下入D508 mm套管固井；第二次掘進地層直徑D445 mm，下入D339 mm套管固井；第三次掘進地層直徑D266.7 mm，下部下入D219.1 mm篩管，篩管上再加實管至地面；第四次掘進地層直徑D177.9 mm，采用裸眼完井。其中二開套管與生產(chǎn)套管采用分段固井，充填水泥環(huán)。

3 瓦斯抽采效果分析

為試驗1號、2號、3號鉆孔瓦斯抽采效果，安裝2臺瓦斯抽采泵，管路連接如圖2所示(抽采泵一用一備)。

圖2 瓦斯抽采總量對比

3.1 瓦斯抽采總量分析

3個鉆井瓦斯抽采效果如圖3和圖4所示。1號鉆井于2013年10月8日至2013年10月28日進行抽采試驗，由于鉆井發(fā)生破壞，共計抽采天數(shù)為21 d，期間瓦斯抽采量總計為19.7萬m3；2號鉆井于2013年12月28日至2014年1月23日進行抽采試驗，由于鉆井發(fā)生破壞，總計抽采天數(shù)為27 d，期間瓦斯抽采量與1號鉆井相當，共計為19.56萬m3；3號鉆井于2014年5月5日至2014年7月9日進行抽采試驗，共計抽采天數(shù)為66 d，期間瓦斯抽采量總計為39.31萬m3.

圖3 瓦斯天數(shù)對比

圖4 純瓦斯流量范圍

由圖3和圖4可知，3號鉆井的瓦斯抽采時間最長，瓦斯抽采總量也最多，這證明增加水泥環(huán)的3號鉆井管路比1號、2號鉆井更堅固、穩(wěn)定，增加管路直徑也能大幅度提高抽采效率，因此3號鉆井的抽采技術最優(yōu)。

3.2 純瓦斯流量分析

如圖5所示，1號鉆井的純瓦斯抽采流量變化范圍為0.55～12.94 m3/min，2號鉆井的純瓦斯抽采流量為0.57～9.09 m3/min，3號鉆井的純瓦斯抽采流量為2.70～10.98 m3/min。 純瓦斯抽采流量平均值1號鉆井為6.51 m3/min，2號鉆井為5.03 m3/min；3號鉆井為4.14 m3/min.

由圖5可得，3個鉆井的純瓦斯流量的波動范圍為3號鉆井最小，其日均純瓦斯抽采流量最小值為2.70 m3/min，遠大于1號鉆井、2號鉆井的日均純瓦斯抽采流量最小值。對于平均純瓦斯流量范圍，3號鉆井也大于1號和2號鉆井，由此可進一步印證在抽采過程中，3號鉆井的設計是最優(yōu)的，其穩(wěn)定性和防破壞能力是最好的。因此，在鉆井設計過程中，只有增加地面鉆井管段的強度才能防止抽采過程中的變形破壞，保障地面鉆井的高抽采效率。

圖5 瓦斯?jié)舛确秶?/p>

3.3 瓦斯?jié)舛确治?/h3>

如圖6所示，1號鉆井的瓦斯?jié)舛确秶鸀?1.01%～66.13%，2號鉆井的瓦斯?jié)舛确秶鸀?.05%～45.65%，3號鉆井的瓦斯?jié)舛?.63%～32.80%.1號鉆井瓦斯平均濃度為35.76%，2號鉆井平均濃度為25.96%，3號鉆井平均濃度為21.08%.瓦斯?jié)舛鹊牟▌臃秶脖憩F(xiàn)出3號鉆井的抽采效果最為穩(wěn)定；瓦斯?jié)舛茸畲笾岛推骄禐?號鉆井最大，其原因是1號鉆井為首采鉆井，在初期的瓦斯抽采量最大，但是由于鉆孔穩(wěn)定性較差，導致有效抽采時間很短，在抽采后期瓦斯抽采下限很低。因此，綜合考慮分析，3號鉆井抽采穩(wěn)定，抽采設計方案最優(yōu)。

圖6 瓦斯抽采預警次數(shù)對比分析

4 地面鉆井瓦斯抽采對井下影響

4.1 預警次數(shù)對比分析

圖7為3個鉆井在抽采前后工作面上隅角的日平均瓦斯預警次數(shù)。從圖7可以得到如下結論：

1) 經(jīng)過抽采后，3個鉆井抽采后的平均報警次數(shù)均顯著降低。1號鉆井抽采后的平均預警次數(shù)約為抽采前的二分之一，2號鉆井抽采后的平均預警次數(shù)約為抽采前的四分之一，3號鉆井抽采后的平均預警次數(shù)約為抽采前的十分之一。

2) 1號和2號鉆井抽采后報警次數(shù)雖然下降，但其日平均報警次數(shù)仍然維持在兩位數(shù)，經(jīng)3號鉆井抽采后，其平均報警次數(shù)降低約為1次，大大提高了井下安全生產(chǎn)效率，證明3號鉆孔的優(yōu)化設計方案最好。

圖7 2號鉆井抽采瓦斯涌出量變化

4.2 瓦斯涌出量

對比分析2號、3號鉆井抽采前后工作面瓦斯涌出量情況如圖8所示。

圖8 3號鉆井抽采瓦斯涌出量變化

可知，3號鉆井抽采前瓦斯涌出量在60 m3/min附近波動，抽采初期瓦斯涌出量迅速降低，瓦斯抽采效果很好，但由于鉆孔破壞原因，導致后期瓦斯涌出量回升。3號鉆井抽采前瓦斯涌出量峰值在50 m3/min波動，開始抽采后瓦斯涌出量穩(wěn)步持續(xù)下降，沒有出現(xiàn)過度反彈跡象，證明3號鉆孔抽采效果最優(yōu)。

5 結 語

1) 余吾礦開展地面鉆井抽采瓦斯試驗，證明地面鉆井是一種較好的瓦斯抽采方法，可有效提高瓦斯抽采率。

2) 經(jīng)過在余吾礦開展CC-1號、CC-2號、CC-3號鉆井優(yōu)化設計研究證明，CC-3號鉆井采用充填水泥環(huán)設計，可有效提高鉆孔的堅固性，使抽采效果更加穩(wěn)定。

3) 經(jīng)過對鉆孔抽采量、抽采天數(shù)、瓦斯流量、瓦斯?jié)舛取⑵骄A警次數(shù)和瓦斯涌出量對比考察，CC-3號鉆井效果最好，實驗結果表明鉆井優(yōu)化對工作面瓦斯治理具有重要作用。