孟 君

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

水平分支井技術(shù)在地面負(fù)壓抽采目的層瓦斯中的應(yīng)用

孟 君

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

為解決某礦主采3號(hào)煤層瓦斯含量高的難題，提出了水平分支井技術(shù)地面負(fù)壓抽采與井下瓦斯抽采鉆孔相結(jié)合的抽采技術(shù)。在N2202工作面實(shí)施瓦斯地面抽采試驗(yàn)水平井組施工項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)N2202工作面一段時(shí)間內(nèi)的鉆孔切入前后的抽采數(shù)據(jù)和水平分支井總體抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示LA-02H水平分支井抽采效果顯著，抽采瓦斯總量達(dá)到1.82736Mm3。水平分支井瓦斯地面抽采技術(shù)在該礦區(qū)主采煤層的可實(shí)施性及其抽采效果，為高瓦斯礦井實(shí)現(xiàn)邊采邊抽和解決礦井瓦斯隱患提出了很好的解決方式。

高瓦斯礦井；水平分支井；負(fù)壓抽采；井下鉆孔抽采

ApplicationofHorizontalMultilateralWellTechnologyinSurfaceDrainingMethaneinCoal-seam

我國(guó)煤層瓦斯存儲(chǔ)資源十分豐富，實(shí)行煤礦瓦斯抽采也有相當(dāng)悠久的歷史。近年來(lái)，隨著煤炭產(chǎn)量以及采深的急劇增加，高瓦斯礦井的比重也逐年增大，使得瓦斯抽采技術(shù)得到了多元化的發(fā)展?！跋瘸楹蟛伞⒛艹楸M抽、以用促抽”的思想[2]成為21世紀(jì)高瓦斯礦井開(kāi)采的重要指導(dǎo)方針。

瓦斯含量高的煤層進(jìn)行抽采措施可以實(shí)現(xiàn)：減少瓦斯涌出、預(yù)防瓦斯超標(biāo)、降低瓦斯聚集；降低煤層中存儲(chǔ)的瓦斯能量、提高煤體強(qiáng)度，防止煤與瓦斯突出；降低對(duì)環(huán)境的破壞以及獲得高效清潔的能源[3]。

某礦井田內(nèi)主采3號(hào)煤層，N2202工作面瓦斯含量達(dá)15m3/t，為安全開(kāi)采急需解放煤層瓦斯。N2202工作面在掘進(jìn)期間已經(jīng)實(shí)施了井下瓦斯抽采，但工作面中間部位抽采效果不佳，針對(duì)此問(wèn)題該礦在N2202工作面實(shí)施瓦斯地面抽采試驗(yàn)水平井組施工項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)井下瓦斯地面負(fù)壓強(qiáng)抽，達(dá)到瓦斯的快速抽放，解決了N2202工作面的瓦斯問(wèn)題。

1 水平分支井技術(shù)概況

某礦為高瓦斯礦井，自2006年試生產(chǎn)以來(lái)瓦斯涌出量逐年增大，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面風(fēng)排瓦斯量的平均比例為17.24%～25.86%，可見(jiàn)回采時(shí)采空區(qū)的瓦斯抽采至關(guān)重要。為了探索研究新的抽采工藝和方法來(lái)解決采空區(qū)的抽采問(wèn)題，提出在N2202工作面地表建設(shè)水平分支井，分支井與井下瓦斯抽采鉆孔相結(jié)合的抽采技術(shù)，以便快速抽放瓦斯。

水平分支井技術(shù)方案在N2202工作面實(shí)施，試驗(yàn)井組包括2口徑向水平分支井(LA-02H-1，LA-02H-3)和1口高抽巷水平井(LA-02H-2)，如圖1和圖2所示。

圖1 N2202工作面水平分支井設(shè)計(jì)布置

圖2 LA-02H水平分支井剖面示意

2 現(xiàn)場(chǎng)LA-02H水平井設(shè)計(jì)

2.1 水平井定向設(shè)計(jì)

瓦斯地面抽采試驗(yàn)水平井LA-02H布置方式如圖1、圖2所示，其中LA-02H-1，LA-02H-3分支井布置于二疊系山西組3號(hào)煤層內(nèi)，LA-02H-2井布置于煤層頂板上方29m左右(二疊系下石盒子組)。以LA-02H-1分支井為例，其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸如圖3所示，分3段鉆井：第1段為直井段，采用φ311.2mm牙輪鉆頭鉆穿基巖風(fēng)化帶10m后，預(yù)計(jì)井深80m(以實(shí)鉆地層為準(zhǔn))，下入φ244.5mm表層套管，封固地表疏松層、礫石層，注水泥全封固；第2段為造斜段，采用φ215.9mm牙輪鉆頭，鉆達(dá)井深618m，垂深520m，井斜86.4°，下入φ177.8mm技術(shù)套管固井，水泥返至300m；第3段為水平段，采用φ158.7mm鉆頭，沿3號(hào)煤層水平鉆井至N2202工作面切眼位置，下入φ152.4mm的PE管完井。

圖3 LA-02H井身結(jié)構(gòu)示意

其中直井段30～50m單點(diǎn)測(cè)斜，通井時(shí)測(cè)多點(diǎn)，10m一點(diǎn)數(shù)據(jù)；造斜段采用MWD隨鉆監(jiān)測(cè)導(dǎo)向，測(cè)量間距10m；水平段采用EMWD電子隨鉆測(cè)量?jī)x進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，跟蹤監(jiān)控井眼軌跡，每10～20m取一組數(shù)據(jù)，取全基準(zhǔn)軌跡數(shù)據(jù)。其中MWD，EMWD導(dǎo)向可以清楚地區(qū)分煤層等低伽瑪層與泥巖圍巖的區(qū)別，并能判斷鉆頭穿頂還是穿底，從而及時(shí)地調(diào)整導(dǎo)向軌跡[4-5]。

2.2 水平井固井方案

采用泥漿對(duì)LA-02H水平分支井進(jìn)行加固維護(hù)。第1段直井段使用坂土-CMC(中)鉆井液；第2段造斜段采用聚合物鉆井完井液體系；第3段水平段針對(duì)目的層鉆進(jìn)，鉆井液使用絨囊鉆井液泥漿體系[6-7]。

現(xiàn)場(chǎng)配漿時(shí)，要做到黏度大于40s，密度控制在0.90g/cm3左右，失水小于5mL，切力(3～20)/(5～25)mg/cm3，動(dòng)切力大于15mg/cm3，塑性黏度大于18r/min，pH控制在9～10，要求絨囊囊泡均勻分布于鉆井液中。當(dāng)鉆進(jìn)易漏地層時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)有滲漏，根據(jù)實(shí)測(cè)dc指數(shù)、地層孔隙壓力、地層壓漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及氣測(cè)數(shù)據(jù)，立即調(diào)整鉆井液的密度和流變性能。嚴(yán)格控制失水，增強(qiáng)鉆井液的抑制性能，提高護(hù)壁質(zhì)量，防止井壁垮塌。

2.3 水平井抽采技術(shù)

水平分支井泵站位于N2202工作面上方地面，由4臺(tái)ZWY270/355-G-0P型煤礦用移動(dòng)式瓦斯抽放泵組成，額定抽氣量265m3/min，電機(jī)功率250kW，極限真空度-81kPa。由于隨著N2202工作面的推進(jìn)，采面的上覆巖層自下而上會(huì)形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶?？迓鋷Ш土芽p帶下部的強(qiáng)裂隙區(qū)為采煤后虧空卸壓形成的滲透性極強(qiáng)的區(qū)帶，存在著大量的新生裂縫，這些新生裂縫是混合氣的主要儲(chǔ)集空間和抽采的主要運(yùn)移通道。

通過(guò)在裂縫帶提前布置水平井眼，隨著工作面的掘進(jìn)，當(dāng)井眼周?chē)饾u形成事實(shí)裂縫帶時(shí)，通過(guò)地面真空泵的抽吸，可以獲得較高的瓦斯抽采量。這種地面抽采井，因其水平段位于垮落形成的強(qiáng)裂縫帶內(nèi)，瓦斯抽采效率高，抽出的瓦斯?jié)舛纫哺?。井在采煤以后可以長(zhǎng)期使用，用以抽采采空區(qū)瓦斯。工作面進(jìn)入開(kāi)采階段前，地面負(fù)壓抽吸排采，可大大降低工作面內(nèi)的瓦斯，可防止開(kāi)采過(guò)程中瓦斯出現(xiàn)異常情況。采空后水平井可繼續(xù)抽采，以排采地層蠕動(dòng)后煤層上部聚集的瓦斯。地面鉆探成井后，在煤礦井下抽采的同時(shí)，采用地面負(fù)壓抽采，實(shí)現(xiàn)瓦斯與煤聯(lián)動(dòng)開(kāi)采，效果顯著。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

3.1 鉆孔切入前后的抽采效果

N2202工作面推進(jìn)的過(guò)程中，水平分支井在不斷地被切入，切入點(diǎn)前后瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化。通過(guò)對(duì)該礦6月份的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出水平分支井被切入前后的瓦斯?jié)舛群图兞髁孔兓€，如圖4所示。

圖4 N2202工作面水平分支井抽采參數(shù)

由圖4可以看出隨著工作面的不斷推進(jìn)，瓦斯?jié)舛群图兞髁慷荚谥鸩教嵘?月11日至6月12日瓦斯?jié)舛扔?%突增至18%，直至6月23日瓦斯?jié)舛然颈３衷?0%以上，可見(jiàn)水平分支井已經(jīng)開(kāi)始對(duì)裂縫帶起抽采作用了。經(jīng)研究決定將水平分支井的負(fù)壓由原來(lái)26kPa調(diào)至45kPa，以便起到更好的效果。6月23日將抽采負(fù)壓由26kPa提升到45kPa后瓦斯?jié)舛扔稍瓉?lái)35%提升到43%，瓦斯純流量由5.47m3/min提升到18.92m3/min。由此可以推斷水平分支井已經(jīng)對(duì)N2202裂縫帶抽采有了明顯的效果，并且隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)水平分支井的作用將越來(lái)越明顯。

3.2 水平分支井總體抽采效果

LA-02H水平分支井自2012年6月開(kāi)始試運(yùn)行，2012年6月28日8點(diǎn)班水平分支井泵站V錐出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)情況，隨后不顯示濃度和流量，經(jīng)分析是分支井鉆孔堵孔造成。6月28日至8月26日進(jìn)行下管、洗孔，此期間無(wú)抽采數(shù)據(jù)，2012年8月26日8點(diǎn)班，泵站重新帶抽，重新帶抽后至2013年5月止的抽采效果如表1所示。

表1 N2202工作面瓦斯總體抽采效果數(shù)據(jù)

通過(guò)表1數(shù)據(jù)變化規(guī)律情況可以看出在水平分支井地面泵站重新帶抽后，泵站負(fù)壓基本保持在45kPa左右時(shí)，瓦斯進(jìn)氣管濃度和純流量平均值均能保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，且隨著抽采日期的延續(xù)，其值有變小的趨勢(shì)，說(shuō)明該技術(shù)確實(shí)對(duì)工作面煤體內(nèi)的瓦斯起到了抽采的效果，使得工作面煤體內(nèi)的瓦斯含量降低。

與該礦以前所采用的抽采方案相比較，水平分支井方案由于覆蓋范圍廣、層位穩(wěn)定，對(duì)裂縫帶具有很好的抽采效果，從N2202水平分支井投運(yùn)到現(xiàn)在，平均抽采瓦斯量為4.5m3/min，共抽采瓦斯總量1.82736Mm3。

4 結(jié)論

(1)N2202工作面采用水平分支井抽采瓦斯后，隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯?jié)舛群图兞髁烤鸩教嵘瑥腘2202水平分支井投運(yùn)至今，平均抽采瓦斯量為4.5m3/min，總共抽采瓦斯總量為1.82736Mm3，該技術(shù)對(duì)工作面煤體內(nèi)的瓦斯抽采效果顯著。

(2)水平分支井由于覆蓋范圍廣，層位穩(wěn)定，對(duì)裂縫帶的瓦斯抽采效果顯著。水平分支井抽采瓦斯技術(shù)可實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)利用煤層氣資源；實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井邊采邊抽，應(yīng)抽盡抽的目標(biāo)。

(3)水平分支井技術(shù)也存在諸多缺陷亟待改善，比如造價(jià)昂貴，施工難度比較大。由于水平分支井井筒直徑比較小，當(dāng)負(fù)壓大時(shí)，氣體阻尼效應(yīng)明顯，容易攜帶巖屑順管道前移、堆積，造成堵塞，后期維護(hù)困難等。

[1]王魁軍，張興華.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].中國(guó)煤層氣，2006，3 (1)：13-17.

[2]龍伍見(jiàn).我國(guó)煤礦低濃度瓦斯利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及前景展望[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(4)：74-77.

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

2013-12-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.024

孟 君(1972-)，男，內(nèi)蒙古商都人，高級(jí)工程師，從事煤礦開(kāi)采和瓦斯抽放等方面研究。

孟 君.水平分支井技術(shù)在地面負(fù)壓抽采目的層瓦斯中的應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(5)：86-88.

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