工作面地面井瓦斯治理技術(shù)的可行性論證

張堯兵

摘 要：新集二礦2401工作面煤體較為堅(jiān)硬，滲透率低，瓦斯含量高，壓力大，不具備保護(hù)層開采條件，常規(guī)的井下瓦斯治理措施已不再滿足相關(guān)規(guī)定和下一步安全開采需要?；跁x能控股集團(tuán)寺河礦礦區(qū)、沙曲礦的地面井預(yù)抽瓦斯效果，分析并論證了新集二礦地面井瓦斯治理的可行性。分析結(jié)論認(rèn)為，2401工作面地面井預(yù)抽區(qū)域瓦斯治理技術(shù)在安全上具有可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：煤礦;工作面;地面井;瓦斯治理;技術(shù)論證

中圖分類號：TD712.62文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0081-03

Feasibility Demonstration of Gas Treatment Technology

in Working Face Surface Well

ZHANG Yaobing

（ChinaCoal Xinji Energy Co.， Ltd.，F(xiàn)uyang 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采區(qū)1煤組（包括[1上]煤、1煤）為瓦斯突出煤層，經(jīng)預(yù)測，深部瓦斯壓力大于3.4 MPa，瓦斯含量高于10 m3/t。1煤組與上覆煤層的間距約為80 m，不具備保護(hù)層開采條件。目前，國內(nèi)尚無井下遠(yuǎn)程鉆機(jī)的成熟應(yīng)用。除-750 m西翼運(yùn)輸大巷外，2401采區(qū)范圍內(nèi)無其他巷道，不具備煤層瓦斯預(yù)抽采條件。鑒于此，本文進(jìn)行工作面地面井瓦斯治理技術(shù)論證。

1 技術(shù)論證基礎(chǔ)條件

2401采區(qū)位于新集二礦二水平西翼1煤組采區(qū)，走向平均長度為2 123.8 m，傾斜平均長度為587.7 m;采區(qū)傾斜面積為132.2萬m2。1煤組為突出煤層，2201采區(qū)地質(zhì)勘探線1線以東、2201采區(qū)運(yùn)煤行人上山巷道以西、-581.4 m標(biāo)高以淺區(qū)域?yàn)闊o突出危險區(qū)。2401采區(qū)煤層底板標(biāo)高介于-750～-650 m，屬突出煤層突出危險區(qū)。根據(jù)2201采區(qū)、2301采區(qū)實(shí)測瓦斯含量預(yù)計，2401采區(qū)原始瓦斯含量為8～12 m3/t，瓦斯壓力超過3.4 MPa。據(jù)預(yù)測，2401采區(qū)[1上]煤層（587.4萬t）瓦斯儲量為5 874萬m3，1煤層（629.0萬t）瓦斯儲量為6 290萬m3。

2 工作面地面井區(qū)域瓦斯治理的可行性

2.1 地面井預(yù)抽瓦斯技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

研究人員在新集一礦挖掘了四口地面垂直井，獲取了新集礦區(qū)瓦斯賦存相關(guān)參數(shù)，并通過壓裂、排采，獲得了工業(yè)氣流?；茨吓艘坏V、潘三礦和謝橋礦、淮北桃園礦和蘆嶺礦等礦井進(jìn)行了地面井上覆被保護(hù)層卸壓的瓦斯抽采技術(shù)研究。其中，淮北礦業(yè)集團(tuán)桃園礦、朱仙莊礦等開采下保護(hù)層工作面時，采用地面井抽采上覆遠(yuǎn)距離采動區(qū)瓦斯的試驗(yàn)取得了成功，后來，該試驗(yàn)陸續(xù)在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦、謝橋礦、潘三礦等礦獲得成功，并取得了較好的抽采效果。在陜西焦萍礦區(qū)實(shí)施的七口地面垂直井中，單井最高日產(chǎn)量超過1 900 m3。2014年，雞西礦區(qū)梨樹煤礦實(shí)施了一組叢式井開發(fā)工程，穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量超過1 800 m3。晉城潘莊礦施工的一組遠(yuǎn)端對接水平井是瓦斯抽采井，日產(chǎn)氣量超過22 500 m3。山西潞安余吾礦頂板水平井于2019年10月31日排采，最高產(chǎn)氣量為7 100 m3，累計產(chǎn)氣超過132萬m3。

祁東煤礦位于安徽省宿州市南部，礦井目前正在開采的Ⅱ三采區(qū)[71]煤瓦斯含量為10.08 m3/t，瓦斯壓力為2.70 MPa，其需要開展地面區(qū)域瓦斯治理工程。QD01水平井已于2019年9月施工完成，最高日產(chǎn)氣量為8 446 m3，排采期日均產(chǎn)氣量為3 392 m3，采收率為32%，煤體瓦斯含量由10 m3/t降至6.78 m3/t。祁東礦地面井7月5日單日瓦斯抽采量達(dá)6 126 m3，目前，累計產(chǎn)氣超56萬m3。地面井預(yù)抽項(xiàng)目的成功實(shí)施為皖北煤電集團(tuán)瓦斯治理提供一種新的技術(shù)途徑。

新集二礦2401工作面1煤煤體較為堅(jiān)硬，滲透率低，瓦斯含量高、壓力大，不具備保護(hù)層開采條件，常規(guī)的井下瓦斯治理措施已不再滿足相關(guān)規(guī)定和下一步安全開采需要。

2.2 地面井預(yù)抽瓦斯技術(shù)適應(yīng)性分析

2.2.1 地質(zhì)條件對地面井井型的適應(yīng)性。鑒于新集二礦1煤組上覆6煤、8煤、11煤均已采動形成采空區(qū)，采用地面垂直井存在穿越采空區(qū)時鉆進(jìn)困難的問題，易發(fā)生塌孔卡鉆、鉆井液漏失等鉆孔事故，所以該類井型不適用于2401工作面1煤組的地面瓦斯抽采。而采用多分支水平井或梳狀水平井的布置方式雖然可規(guī)避采空區(qū)影響，減少地面場地平整、道路修整等費(fèi)用，但是其技術(shù)工藝相對復(fù)雜、投資較高、風(fēng)險也較大，尤其是后期儲層改造工程、排采工程實(shí)施困難。鑒于該區(qū)目前的瓦斯地質(zhì)勘探程度，結(jié)合國內(nèi)煤礦實(shí)施的梳狀水平井、多分支水平井的調(diào)研，目前不建議該區(qū)采取梳狀水平井、多分支水平井的方式進(jìn)行地面瓦斯抽采。水平對接井（U形井）和地面L型水平井技術(shù)工藝比較簡單，投資成本較低。通過對祁東礦、寺河礦、蘆嶺礦、沙曲礦等礦井的地面井調(diào)研，人們發(fā)現(xiàn)，水平對接井（U形井）和地面L形水平井瓦斯抽采效果較好，對煤礦安全生產(chǎn)的保障性強(qiáng)[1]。但是，水平對接井需要鉆進(jìn)地面垂直井進(jìn)行井下鉆孔對接，而2401工作面1煤組上覆6煤、8煤、11煤均已采動形成采空區(qū)，不具備布置地面垂直井條件，故水平對接井（U形井）不適于2401工作面地面井瓦斯抽采。

根據(jù)地面井瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，地面L型水平井施工一般受煤層力學(xué)性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和儲層壓力等因素影響。

一是新集二礦1煤組堅(jiān)固性系數(shù)大于0.7，煤層力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且其頂板為厚度較大的砂巖層，可進(jìn)行L形水平井施工;二是盡管2401工作面內(nèi)發(fā)育一些斷層，但結(jié)合礦井構(gòu)造揭露情況來看，斷層發(fā)育簡單，具備L型水平井施工的煤層條件;三是礦井1煤組透氣性系數(shù)為0.0837 m2/（MPa2·d），屬于難抽放煤層，因此必須采取壓裂措施，增加煤層滲透率，提高瓦斯抽采效果;四是儲層壓力較高，2401工作面1組煤層瓦斯含量為10 m3/t，瓦斯壓力超過3.4 MPa，有利于1煤組瓦斯地面井抽采。

2.2.2 2401工作面L型水平井水平段布置形式適應(yīng)性分析。由于工作面煤層強(qiáng)度低、煤體破碎、水敏性強(qiáng)，水平井段鉆井易出現(xiàn)垮孔、易膨脹、易堵塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致抱鉆、埋鉆問題，造成井眼不規(guī)則、成孔難、成孔短[2]。水平井水平段布置在煤層頂板的方式主要針對碎軟煤層鉆孔困難的問題，將水平段布置在煤層頂板較為堅(jiān)硬的巖層，可大幅度提高地面鉆井的成孔率。

2401工作面西南區(qū)域內(nèi)，1煤組煤層受沖刷作用影響，穩(wěn)定性差。根據(jù)地面物探資料推斷，該采區(qū)有四條物探斷層，斷層落差均在7 m以內(nèi)，但1煤組偽頂以泥巖為主，厚度為0.0～0.5 m?；趨^(qū)域地質(zhì)情況，本方案設(shè)計將抽采工作面瓦斯的地面井水平段布置在1煤組頂板0.5～2.0 m內(nèi)，以提高水平井鉆井成功率，擴(kuò)大壓裂影響范圍。

2.3 地面井預(yù)抽瓦斯技術(shù)安全性分析

2.3.1 地表施工。地面瓦斯抽采需要根據(jù)壓裂范圍、排采工藝、卸壓抽采影響范圍及井下工作面的部署進(jìn)行布井位置的具體選擇。對于礦區(qū)具體區(qū)域，當(dāng)采掘接替規(guī)劃確定后，為了保證最佳的抽采效果和降低投資成本，各地面瓦斯抽采井的井位布置應(yīng)該是基本確定的[3-5]。新集二礦除局部區(qū)域有采空區(qū)塌陷外，整體地表情況良好且具備基本道路通行條件，利于地面井施工。同時，方案采用的L形水平井可有效避免地面井穿越2401工作面上覆多層采空區(qū)的施工風(fēng)險，地表施工總體安全可靠。

2.3.2 地質(zhì)構(gòu)造對地面井的影響。根據(jù)2401工作面地面物探資料推斷，該采區(qū)有四條物探斷層，斷層落差較小，均在7 m以內(nèi)。方案設(shè)計采用地面L形水平井進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，水平段均布置在1煤組頂板內(nèi)，地面井受已揭露或探明斷層的影響較小。

2.3.3 地面井施工工藝。地面井施工、壓裂、排采及后期管理均有專業(yè)化隊(duì)伍負(fù)責(zé)，采用的設(shè)備及鉆進(jìn)工藝先進(jìn)，施工過程安全可靠。2401工作面內(nèi)，煤層瓦斯含量大，瓦斯壓力高，若繼續(xù)采用井下瓦斯治理模式，極易發(fā)生鉆孔頂鉆、噴孔現(xiàn)象，甚至造成傷人事故。地面井施工工藝能夠有效避免與高瓦斯壓力煤層“短兵相接”，在提前降低瓦斯壓力和瓦斯含量的情況下，為井下作業(yè)提高可靠保障。

2.4 地面井預(yù)抽瓦斯技術(shù)可靠性案例分析

由于煤層滲透性低、瓦斯抽采效果差，傳統(tǒng)的瓦斯抽采手段難以滿足煤礦區(qū)瓦斯高效抽采需要。地面井瓦斯預(yù)抽方式在煤礦瓦斯治理中取得了較好的效果，基于晉能控股集團(tuán)寺河礦礦區(qū)、沙曲礦的地面井預(yù)抽瓦斯效果，筆者分析新集二礦地面井瓦斯治理的可行性。

寺河礦東西兩井年核定生產(chǎn)能力為900萬t/a，均為煤與瓦斯突出礦井。為保證井下抽掘采協(xié)調(diào)部署及瓦斯治理安全可靠，寺河礦在規(guī)劃區(qū)布置地面預(yù)抽井進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理[4]。目前，寺河礦已布置地面垂直井800多口、L形井10口、U形井16口、多分支井3口，形成以地面井為主、多種井型共同抽采的地面井瓦斯治理模式。寺河礦歷年瓦斯超限事故統(tǒng)計如圖1所示，瓦斯治理效果顯著。

沙曲礦地面井瓦斯治理模式實(shí)行以來，礦井采掘工作面實(shí)現(xiàn)瓦斯零超限。抽采后，2～5號煤層瓦斯的基礎(chǔ)參數(shù)平均值如表1所示[5]。煤層突出危險性均已消除，雖然5號煤層瓦斯壓力仍高于臨界值，但相比原始瓦斯壓

力，已顯著降低，隨著3號、4號的陸續(xù)回采以及本煤層瓦斯抽采時間的延長，該煤層瓦斯最終也能得到治理。沙曲模式不僅可以保障礦井安全生產(chǎn)，還實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯高效共采，經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著。

由寺河礦和沙曲礦預(yù)抽瓦斯效果分析可知，地面井的預(yù)抽瓦斯效果顯著，它可以有效應(yīng)用于區(qū)域內(nèi)煤瓦斯消突。

3 結(jié)論

2401工作面1煤組屬于中厚煤層，瓦斯含量高，已探明構(gòu)造相對簡單，煤體較為堅(jiān)硬。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合地面井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、礦井瓦斯賦存特征和長期瓦斯抽采實(shí)際需求，采用地面L型水平井輔以儲層改造，提高煤體的滲透性，增加卸壓影響范圍及瓦斯的抽采量，在技術(shù)工藝與施工能力方面具有可行性。地面井預(yù)抽具有足夠長的瓦斯抽采時間和較好的抽采效果，可以保障2401工作面抽掘采平衡，確保有效防治煤與瓦斯突出，避免井下高瓦斯壓力下出現(xiàn)噴孔等動力現(xiàn)象，提高瓦斯治理措施的安全性和可靠性。綜合分析認(rèn)為，2401工作面地面井預(yù)抽區(qū)域瓦斯治理技術(shù)在安全上具有可行性和可靠性。

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