改造废弃预抽井抽采采空区瓦斯技术试验.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月在煤炭开采过程中，采空区瓦斯涌出是工作面瓦斯的主要来源之一，采空区瓦斯治理一直被广泛重视，特别是上隅角瓦斯治理。目前，施工顶板裂隙带高位钻孔抽采采空区瓦斯是最有效的方法之一，得到广泛应用。但在应用中还存在钻孔布置数量受限，抽采影响范围较小，钻孔施工工程量大，部分钻孔抽采浓度低等问题。随着地面抽采理念和抽采技术的不断进步，利用地面采动井治理采煤工作面采空区瓦斯，逐步形成了一套成熟的方法。地面钻井抽采可有效抽采采动影响区域的瓦斯，也可替代井下采空区瓦斯抽采1。以过采空区下伏岩层裂隙演化及瓦斯运移规律为研究基础，对过采空区钻井井身结构进行优化，形成了煤层气地面钻井过采空区成套技术体系2。结合采面上覆岩层“三带”分布情况及“O”形圈理论，通过优化采空区地面钻井的布井位置、钻井孔径、套管直径，同时增加筛管段等措施，可有效提升井身的稳定性及抽采效果，有效解决了工作面的瓦斯治理难题3。国内外学者以理论分析和数值模拟等理论研究为基础，通过现场试验的方法，进行了采空区瓦斯地面钻井抽采技术研究，取得较好的效果4-10。结合岳城煤矿 2301 工作面现场实际，以废弃的 YC-50 预抽煤层气井为基础，通过地面井改造工艺将废弃预抽井改造为采空区井，抽采采空区卸压瓦斯。1工作面及 YC-50 预抽煤层气井概况1.1工作面基本情况岳城煤矿 2301 工作面位于二盘区，主采 3#煤层，煤层平均厚度 6.02 m，采用走向长壁综合机械化采煤法分上下 2 层开采，先采上分层 3.00 m，再采下分层3.02 m。目前 2301（上）工作面回采上分层，工作面布置有 3 个切眼，一切眼布置长度 90 m，二切眼布置长度 145 m，三切眼布置长度 180 m；采用两进两回通风方式；23011 巷、23013 巷为进风巷，23012 巷、23014巷为回风巷，工作面走向长度 1 175 m。2301（上）工作面巷道布置及通风系统如图 1 所示。1.2YC-50 预抽煤层气井基本概况1.2.1位置概况YC-50 预抽煤层气井距 2301（上）工作面二切眼21 m，距 23012回风巷 33 m。YC-50 预抽煤层气井位置如图 2 所示。收稿日期：2023-05-24作者简介：罗华贵，1988 年生，男，四川荣县人，工程师，主要从事煤矿瓦斯治理工作。改造废弃预抽井抽采采空区瓦斯技术试验罗华贵（晋能控股装备制造集团技术中心，山西 晋城 048006）摘要：为解决采煤工作面上隅角瓦斯问题和保证采空区煤层气资源有效利用袁 提出了一种废弃预抽井改造为采空区煤层气井的工艺遥 对岳城煤矿 2301 工作面上方废弃的 YC-50 预抽煤层气井进行了改造试验遥 试验结果表明院 改造后的采空区煤层气井地面抽采袁 能降低采煤工作面上隅角瓦斯体积分数袁 同时又能使煤层气资源得到充分利用袁 减少对大气环境的污染遥关键词：废弃预抽井曰 改造工艺曰 采空区煤层气井曰 地面抽采中图分类号：TD712+.623文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0104-04Experiment of Gas Extraction Technology in Goaf by Transforming AbandonedPre-drainage WellsLUO Huagui(Technology Center of Jinneng Holding Equipment Manufacturing Group,Jincheng 048006,Shanxi,China)Abstract:In order to solve the gas problem in the upper corners of the coal mining face and ensure the effective utilization ofthe coalbed methane resources in the goaf,a process of transforming the abandoned pre-drainage well into the goaf coalbedmethane well in the goaf was proposed.The abandoned YC-50 pre-drainage coalbed methane well above the 2301 working faceof Yuecheng Coal Mine was reformed and tested.The test results show that the ground drainage of the goaf coalbed methane wellcan reduce the gas volume fraction in the upper corners of the coal mining face,and at the same time make full use of thecoalbed methane resources and reduce the pollution to the atmospheric environment.Key words:abandoned pre-drainage well;reconstruction technology;goaf coalbed methane well;surface drainage（总第 216 期）技术研究1042023 年第 9 期2023 年 9 月图 2YC-50 预抽煤层气井位置示意图图 12301（上）工作面巷道布置及通风系统图1.2.2井身结构YC-50 预抽煤层气井为 3#煤层垂直预抽煤层气井，井身结构采用二开。一开采用椎311.5 mm 钻头，钻至地表以下 31 m 停钻，下入椎244.5 mm 套管固井；二开采用椎215.9 mm 钻头，钻至地表以下 306.2 m（煤层底板以下 40 m）停钻，下入椎139.7 mm 套管固井。YC-50预抽煤层气井井身结构如图 3 所示。1.2.3排采情况YC-50 预抽煤层气井排采时间为 2008 年 10 月至2016 年 3 月，平均排采量为 793.78 m3/d，最高排采量为 1 500 m3/d，累计排采量约 2.147 1661010m3。YC-50预抽煤层气井具体排采情况如表 1 所示。2地面井改造方案预抽井改采空区井的改造原则是：地面井结构稳定，煤层气抽采通道畅通。改造的主要方法：改造前通井、洗井、堵漏，确定抽采瓦斯井段位置，采用射孔装置进行生产井段射孔作业，形成抽采瓦斯通道；安设井身防护套管，确保煤层气抽采通道畅通。2.1地面井改造前准备预抽地面井报废后采用水泥浆封孔，在地面井改造前需进行通井、洗井、井底堵漏工作。2.1.1通井洗井工作在废弃预抽井改造前，需采用通井规限速通至井底，如果遇阻则在该段进行磨洗，直至通井规能顺利到达井底为止。通井规下放速度应小于 0.5 m/s，防止顿、溜钻事故。通井结束后，采用清水反复洗井，直至没有岩屑、煤粉、铁粉返出为止。2.1.2井底堵漏工作为保证井下安全及射孔作业顺利进行，需进行井23013 巷23011 巷2301（上）工作面一切眼23012芋巷2301（上）工作面二切眼2301（上）工作面三切眼23012域巷23012 巷23014 巷工作面切眼辅助回风巷停采线工作面一切眼工作面二切眼工作面三切眼23012芋巷23012域巷工作面切眼辅助回风巷YC-50 井21 m表 1YC-50 预抽煤层气井基本情况图 3YC-50 预抽煤层气井井身结构井号运行时间累计排采量/（104m3）最高排采量/（m3 d-1）平均排采量/（m3 d-1）YC-502008 年 10 月至2016 年 3 月2 147 1661 500793.78生产套管高出地面 0.28 m水泥返深 5.10 m地表一开钻进：椎311.5 mm 伊 31.00 m下套管：椎244.5 mm 伊 30.70 m3#煤层厚度：6.02 m海拔：259.48 265.50 m人工井底 301.20 m阻流环位 301.38 m二开钻进：椎215.9 mm 伊 306.20 m下套管：椎139.7 mm 伊 303.94 m罗华贵：改造废弃预抽井抽采采空区瓦斯技术试验1052023 年第 9 期2023 年 9 月下防漏处理。在通洗井合格后，首先进行填砂作业，采用多粒径的砂子进行充填，填砂高度约 10 m；待砂子沉淀稳定 1 h 后进行注浆作业，注浆高度约 20 m；待浆液凝固 48 h 后，注水至井口。如果漏失量较大，则钻开水泥柱下桥塞封堵，需保证堵漏质量。之后，进行射孔作业。2.2射孔工艺为建立改造地面井的抽采通道，对地面井的防护套管进行射孔作业。射孔段应布置在裂隙带，射孔长度约等于裂隙带高度，确保地面井的护孔管与裂隙带沟通，形成瓦斯抽采通道。2.2.1确定工作面裂隙带高度岳城煤矿覆岩主要为泥岩、砂质泥岩及中砂岩等。依据 GB 1271991 矿区水文地质工程地质勘探规范 ，岳城煤矿覆岩为中硬岩层条件，其导水裂缝带高度的计算公式为：Ht=100M3.3n+3.8+5.1，(1)式中：Ht为导水裂缝带高度（包括冒落高度）的数值，单位 m；M为累计采厚的数值，单位 m；n为煤分层层数。2.2.2射孔长度确定根据上述导水裂缝带高度的计算公式，计算得到岳城煤矿 2301 工作面上、下分层均开采完的裂隙带高度约 63 m，结合煤层上方 YC-50 预抽煤层气井深度约260 m 和射孔对液面高度的要求等，综合确定在煤层顶板上方 51.2 m 全段射孔。2.2.3射孔方法采用专用射孔器射穿套管及水泥环，将射孔器用专用仪器设备输送到井下预定深度，对准目的层引爆射孔器，穿透套管及水泥环，并在岩体内产生孔道，建立地层与井筒之间的连通渠道，射孔技术示意图如图 4 所示。射孔器材主要包括聚能射孔弹、电雷管、导爆索、传爆管、射孔枪等。图 4射孔技术示意图2.3护井套管安设射孔完成后，根据地面井安全防护设计要求，采用外径 114.3 mm 的无接箍螺纹套管，套管钢级为 P110，套管壁厚选择 12.7 mm，护井深度为地面至煤层顶板5 m。射孔段采用筛管护井。改造井安全防护套管设计如图 5 所示。3改造井抽采效果分析地面井改造完成后，连接地面抽采系统进行瓦斯抽采。改造后的 YC-50 预抽煤层气井于 2019 年 8 月22日开始抽采，累计运行时间约 1 a。平均每天抽采煤层气 0.41104m3左右，平均抽采体积分数 50%左右，最高日抽采煤层气 1.77104m3，累计抽采煤层气1.454 4106m3。瓦斯抽采数据如图 6 所示。工作面回采后，在工作面采至 YC-50 预抽煤层气井前，工作面上隅角瓦斯体积分数出现两次较高的现象，分别为 0.77%，0.70%。在 YC-50 改造井运行后，工作面上隅角瓦斯再未出现体积分数较高的现象。由于工作面切眼附近井下瓦斯抽采时间长、措施较完善，在 YC-50 改造井抽采运行后，上隅角瓦斯体积分数未见显著大幅度降低现象。经比较，上隅角瓦斯体积分数最大值从 0.77%降至 0.40%，对采煤工作面上隅角瓦斯治理发挥了重要作用，抑制了工作面上隅角瓦斯超限。YC-50 改造井抽采前后采煤工作面上隅角瓦斯变化情况如图 7 所示。h1钻井一开深度；h2射孔段长度；h3筛管安装段长度；h4煤层底板至地面井长度；h5煤层顶板至地表深度。图 5改造井安全防护套管设计固定装置地表一开深度为 h1，固井并安设套管射孔形成的抽采孔筛孔段二开穿透煤层 h3，固井并安设套管。射孔井段长度为煤层底板向采动裂隙带上部煤层1062023 年第 9 期2023 年 9 月图 6YC-50 改造井瓦斯抽采数据瓦斯抽采纯量；抽采体积分数。2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2090807060504030201002019-08-132019-09-272019-11-112019-12-262020-02-092020-03-252020-05-09日期图 7YC-50 改造井抽采前后采煤工作面上隅角瓦斯变化情况4结束语废弃的地面预抽井通过改造工艺试验后，一方面解决了采煤工作面回采时的瓦斯问题，另一方面长期采空区瓦斯抽采解决了采空区、邻近层等的瓦斯隐患，同时资源得到充分利用，减少了有害气体排放，降低了对大气环境的污染，发挥了“一举多得”的作用。参考文献：1 袁亮，薛俊华.中国煤矿瓦斯治理理论与技术 C/2010 年安徽省科协年会：煤炭工业可持续发展专题研讨会论文集.合肥：安徽省科学技术协会学会部，2010：5-18.2 张江华，李国富，孟召平，等.过采空区煤层气井地面抽采关键技术 J/OL.煤炭学报，2020，45(7)：2552-2561 2023-05-20.https：/ 延安君.采空区地面钻井井身结构优化设计研究 J.当代化工研究，2020(22)：43-44.4 胡千庭，梁运培，林府进.采空区瓦斯地面钻孔抽采技术试验研究 J.中国煤层气，2006，3(2)：3-6.5 任仲久.基于地面钻孔抽采技术的采空区瓦斯治理 J.能源技术与管理，2013，38(6)：24-25.6 曲晓明.岳城煤矿采空区地面钻孔瓦斯抽采技术研究 D.阜新：辽宁工程技术大学，2014.7 曹文梁，年军，王会斌.采空区地面钻孔瓦斯抽采技术分析 J.煤炭技术，2015，34(4)：169-171.8 王争.潘庄井田试验区采空区地面井抽采制度及配套工艺研究 J/OL.中国煤层气，2018，15(1)：1-4 2023-05-20.https：/ 于泽蛟，何宜霏，王艳峰，等.采空区瓦斯地面抽采应用实践 J.同煤科技，2019(6)：24-26.10 赵向东.山西省废弃矿井采空区煤层气地面抽采实践 J.中国煤层气，2020，17(1)：35-38.（编辑：高志凤）0.90.80.70.60.50.40.30.20.102019-07-042019-08-232019-10-122019-12-012020-01-202020-03-10日期罗华贵：改造废弃预抽井抽采采空区瓦斯技术试验107