井下煤层气抽采工艺的优化研究.pdf

总第2 16 期2023年第11期工程技术摘要：针对煤矿井下上隅角煤层气超限问题突出，现有的井下煤层气抽采受限制多、抽采效果差的情况。提出了一种新的地面直井抽采工艺技术，对直井井身结构进行了研究，确定抽采直井应穿过煤层并把筛管设置到采动裂隙带边缘到冒落带的“三开”井身。对直井抽采工艺方案进行了研究，结果表明新的抽采工艺能够将单井的产气量提升到1.47万m/d以上，将井下上隅角煤层气的体积分数降低7 7.5%,取得了极好的煤层气治理效果。关键词：煤层气；直井；采动裂隙带；抽采工艺中图分类号：TD84山西化工Shanxi Chemical Industry井下煤层气抽采工艺的优化研究甄少杰（中国石油天然气股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司，山西晋城0 4 8 0 0 0）文献标识码：ATotal 216No.11,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.11.069文章编号：10 0 4-7 0 50(2 0 2 3)11-0 17 7-0 20引言煤层气是影响煤矿井下综采作业安全的关键因素，目前对井下煤层气的抽采主要采用了邻近层抽采、顶板钻孔抽采、上隅角埋管抽采等方案 1,但受到井下空间和地质条件的限制较大，难以完全解决井下上隅角煤层气突出的问题,给井下作业安全带来了严重的影响。采动区煤层气地面井抽采技术是近年来新出现的一种煤层气抽取技术,其能够明显的提升井下煤层气的抽采效率,但目前缺少对地面井所涉及的采动卸压瓦斯移运及抽采井结构研究，而且应用范围较小。以某矿为研究对象，对地面井煤层气抽采机理、直井井筒布置方案、井身结构方案等进行了研究,形成了系统性的井下直井抽采工艺技术体系，不仅解决了覆岩裂隙带瓦斯集聚难抽采的问题,而且解决了井下上隅角处瓦斯超限的问题,极大的提升了井下作业的安全性。1采动区卸压瓦斯移运规律及负压抽采要求1.1井下采动区瓦斯移运规律某矿为单一煤层开采,其受采动区域主要是指受开采煤层作业影响的区域，根据井下煤层回采阶段及采动裂隙的形成机制，井下采动区的瓦斯移运及富集区域可以分为5个阶段，每个阶段状态如图1所示 2 。IV图1井下瓦斯移运及富集状态示意图阶段I。此阶段内瓦斯主要是以受采动影响煤层内的瓦斯吸附状态为主，在煤层综采扰动的作用下逐步解吸并慢慢的向着游离态转变。收稿日期：2 0 2 3-0 3-10作者简介：甄少杰，男，19 8 3 年出生，毕业于河北建筑工程学院，本科，工程师，现从事煤层气开发相关工作。阶段。涌出的瓦斯主要是从被破坏的煤层处释放出来的游离态的瓦斯为主,游离出来的瓦斯集聚在作业面狭窄的空间内，然后会随巷道内的风流进人到回风巷及井下巷道裂隙空间中。阶段和阶段IV。这两个阶段内的瓦斯主要是来源于采空区落煤裂解出来的瓦斯、煤壁及临近作业面解吸的瓦斯,所形成的瓦斯主要以游离态存在并不断的向作业面上侧的空间处汇集、移运。阶段V。此时采空区大的垮落带已处于压实状态，煤柱及临近煤层表面的瓦斯已经处于解吸平衡的状态，在落带内的瓦斯基本上都会移运到裂隙带内的“O型圈空间进行集聚。1.2地面井负压抽采要求地面井抽采瓦斯，主要是通过水环真空泵形成一个负压区,在外界大气压的作用下裂隙带内集聚的煤层气往负压区移运，然后通过地面井转移到地面。在工作过程中抽采系统的压损如式(1)所示 3：hi=9.811AQ?+P.Kds式中:hi为抽采管路内的煤层气移运阻力,Pa;L为抽采管路长度,m;为井下煤层气对空气的相对密度；K为抽采阻力系数;d为抽采管路的内径,m;Q 为抽采管路内的混合流量,m/h;P为抽采管路内的固有压损,Pa。由于在不同综采阶段，对井下煤层的综采扰动不一样,因此在井下负压抽采时，需要根据井下的采动卸压条件进行调控。结合实际分析和验证，确定了直井抽采时的工艺流程为：在综采位置和抽采直井的距离为50 m时进行负压泵启动试抽，如果此时没有出现煤层气急剧上升的情况，则先停泵，然后每前进一个循环(约6 m)便进行一次试抽,直到抽采负压、抽采量和煤层气的浓度相对稳定后可转人正常的抽采。(1)山西化工 第4 3 卷2买采动区直井布置及井身结构方案2.1直井井身布置方案采动区地面直井应该优先布置在回采作业面回风巷一侧地面的沉降点与作业面中线之间的区域。在采动区进行抽采直井布置的要求如下 4 ：井筒布置位置应该选择在地质结构相对稳定且有利于煤层气抽采的区域;因为综采面上方覆岩深度不同,其剪切位移的最大位置也不相同。根据探测岩层的最大离层位移主要发生在离层的中间位置,因此为了保证直井井身的稳定性，在进行布置位置选择时，需要将井筒布置在地面的沉降点与作业面中线之间的区域，提高稳定性。采动区直径布置位置结构,如图2 所示。回风巷地表沉降拐点连线地面直井地面L井地面采动井最优布井区域。采场中心线煤层运输巷图2 采动区直井布置位置示意图2.2直井井身结构优化由于在采动区的岩层会产生应力集中，导致井身受力发生切断、塌方等，因此为了提高井身的稳定性，需要对直井井身结构进行专项优化，提高抗应力变形能力。通过井筒的模拟破坏试验，发现井身附近的岩层的剪切滑移位移量、离层拉伸位移量是导致井身发生破坏的核心因素。因此可以通过增加采动区井身直径，保证岩层发生位移后井身任然具有足够的空间进行瓦斯抽采。同时，由于煤层气的密度较小，因此在综采作业的过程中煤层气会逐步向着采场上方移动。地面井抽采时主要是利用了采动裂隙场的导通作用进行抽采的,因此需要把采动区地面井的生产套管设置在采动裂隙场的上侧。根据采场“竖三带”分布范围计算模型 5,能够较为精确的计算出不同矿区内的采动裂隙场高度,因此在进行井筒设置时井筒的长度要能够确保生产套管能够穿过整个裂隙场的发育区域。地面井直井井身结构,如图3 所示。3煤层气抽采工程应用某矿YCCD-02煤层气抽采井，设置在井下12 0 1作业面，该作业面采用了分层开采的模式，作业面的长度为159.2 m,抽采井和开切眼的距离为6 0 0 m,和回风巷的距离为4 0 m。根据对钻井破坏规律研究,再结合井下瓦斯移运及综采扰动范围的分析，设置直井的一开处于井下基岩以下约3 0 m的位置，套管则利二开套管高出地表0.3 mINININX套管一开结构水泥环悬挂器二开结构筛孔管三开结构煤层图3 井身结构示意图用了J55 型API套管 6 。二开设置在地表到裂隙带上开切眼采空区方的位置，为了增加抗变形能力,采用了抗剪切性极好的N80套管 7 ,同时在二开段采用了井筒加强技术,进一步提升井筒的结构强度。三开段的套管的透气孔则处于煤层上方约6 m的位置，三开段井身穿过煤层。目前该煤层气抽采井已经在2 0 18 年4 月2 6 日开始进行煤层气抽采，抽采纯量最大为3.8 2 万m/d，运行到2 0 2 3 年1月份后其平均抽采纯量约为1.4 7 万m%d,平均抽采体积分数为3 8.5%,井下煤层气抽采数据,如图4 所示。4.0F煤层气抽采量(P/,上)/鲁胖(3.53.02.52.01.51.00.500图4 竖井瓦斯抽采数据汇总表根据统计，在采用新的直井井筒抽采技术后，井下煤层作业面回风巷的瓦斯体积分数下降了57.7%，井下上隅角位置的瓦斯体积分数下降了57.1%。在上隅角位置瓦斯体积分数仅有0.2 4%，比优化前降低了77.5%，显著的降低了井下作业面上的煤层气浓度，极大的提升了井下综采作业的安全性。4结论井下采动区瓦斯移运可分为3 个过程。在未采动时，瓦斯主要处于吸附状态，在采动卸压作用下逐步(下转第 18 1 页)3.500-煤层气累计抽采量3.00025002.00015001000500012时间/a3452023年第11期炭行业是经济建设中占据着关键位置的产业生产活动,复杂程度高,具有一定的危险性,发生火灾事故问题，不仅威胁到了人员的安全，而且对于煤矿企业的经济建设也形成了负面的影响。加强对安全事故问题的防范,要在火灾问题的治理中,对通风防灭火技术进行合理运用，降低瓦斯的浓度水平，实现对火灾问题的防治，营造安全的生产环境，提高煤矿产业的生产效益。参考文献1】杜勇,张继华,冯旭阳.大埋深小煤柱沿空巷道掘进期间锚杆(索)Exploration and Practice of Ventilation and Fire Prevention Technology in Coal Mines(Nanyangpo Coal Mine,Jinneng Holding Group Tiefeng Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037200,Abstract:In the rapid development of the social economy,Chinas coal mining industry has developed efficiently in recent years,strengthening innovation in mining technology and improving production efficiency.In coal mining production,production quality,efficiency,and safety have always been key factors.In order to strengthen the prevention and management of fire problems in safetyproduction,the application of ventilation and fire extinguishing technology can improve the safety production level of coal mines.This articlediscusses the application points of ventilation and fire prevention technology in coal mines,as well as the forms of ventilation in coalmining,and proposes specific ventilation aspects or technical optimization plans.Key words:ventilation;fire prevention and extinguishing;technology;coal mine(上接第 17 8 页）转向游离状态；在采动活跃大的区域,落煤后集聚在煤层中的瓦斯被释放,并随着风流进人到采场上方的裂缝空间；在采动稳定的区域，从临近煤层所吸附的瓦斯通过竖向裂缝逐步集聚到“O”型圈裂隙内。采动区地面直井应该优先布置在回采作业面回风巷一侧地面的沉降点与作业面中线之间的区域,同时需要对直井井身进行结构加强，提高抵抗应力变形的能力。新的抽采工艺能够将单井的产气量提升到1.47万m%d以上，将井下上隅角煤层气的体积分数降低7 7.5%，有效解决了煤层气集聚对井下综采安全的影响。Optimization Research on Underground Coalbed Methane Extraction Technology(Shanxi Coalbed Methane Exploration and Development Branch of PetroChina Company Limited,JinchengAbstract:In response to the prominent problem of coalbed methane exceeding the limit in the upper corner of coal mines,the existingunderground coalbed methane extraction is subject to many restrictions and has poor extraction efficiency.A new surface vertical wellextraction technology has been proposed,and the structure of the vertical well has been studied.It has been determined that the extractionof the vertical well should pass through the coal seam and the sieve tube should be set to the three openings wellbore from the edge ofthe mining fracture zone to the caving zone.A study was conducted on the vertical well extraction process plan,and the results showed thatthe new extraction process can increase the gas production of a single well to over 14 700 m/d,reduce the volume fraction of coalbedmethane in the upper corner of the underground by 77.5%,and achieve excellent coalbed methane treatment results.Key words:coalbed methane;vertical well;mining induced fracture zone;extraction process尹智伟：关于通风防灭火技术在煤矿中的实践探析2022,43(3):59-61.6尚玉强，许兴亮.浅埋深薄基岩软岩条件下工作面巷道支护优化研究 J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3):6 2-6 7.Yin ZhiweiChina)1】孙东玲,付军辉，孙海涛，等.采动区瓦斯地面井破断防护研究及应用 J.煤炭科学技术,2 0 18,4 6(6):17-2 3.2张碧川成庄矿3#煤顶板采动裂隙场演化及其对瓦斯高效抽采的影响 D.北京：煤炭科学研究总院，2 0 18.3赵继展.煤矿采动区煤层气井产能数值模拟及应用研究 D.北京：煤炭科学研究总院，2 0 18.4文光才，孙海涛，李日富，等.煤矿采动稳定区煤层气资源评估方法及其应用 J.煤炭学报，,2 0 18,4 3(1)：16 0-16 7.5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.煤炭学报,2 0 2 0,4 5(7)：2 552-2 56 1.6孟召平，李国富，杨宇，等.晋城寺河井区煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术研究 J.煤炭科学技术，2 0 2 1,4 9(1)：2 4 0-2 4 7.7徐凤银，肖芝华，陈东，等.我国煤层气开发技术现状与发展方向J.煤炭科学技术,2 0 19,4 7(10):2 0 5-2 15.Zhen ShaojieShanxi 048000,China)181.工作性能研究 J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3)：7-12.2杨海阁，贺鹏.特厚煤层综放工作面放煤工艺优化研究 J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3):13-18.3雷明.小煤柱工作面低位放顶煤技术覆岩运动与变形控制研究 J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3):2 9-3 5.4李明航，侯紫清，宋波，等.架空乘人装置断绳抓捕器的设计研究J.煤炭科技,2 0 2 2,4 3(3):54-58.5梅瑞.液压支架顶梁和掩梁检修平台设计与应用 J.煤炭科技，参考文献