張海軍

（山西沁和能源集團(tuán)，山西 晉城 048205）

晉城礦區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)的無煙煤產(chǎn)地，煤炭資源非常寶貴。寺河煤礦含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組，共含煤7～11 層，煤層總厚13.5 m，主采煤層為3#、9#和15#煤層。其中3#煤層均厚6 m，瓦斯含量10～38 m3/t，屬高瓦斯煤層，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。近年來由于礦井持續(xù)高強(qiáng)度開采，3#煤層低瓦斯區(qū)域資源逐漸枯竭，開采逐漸向高瓦斯甚至突出區(qū)域轉(zhuǎn)移，瓦斯治理工作十分嚴(yán)峻。因此，為進(jìn)一步提高井下煤層瓦斯抽采含量和利用率以及豐富煤層氣資源開發(fā)技術(shù)手段，在晉城寺河煤礦開展了采動(dòng)區(qū)卸壓瓦斯地面井抽采工藝試驗(yàn)研究。

1 采動(dòng)影響區(qū)地面井抽采技術(shù)原理

采動(dòng)影響區(qū)是指煤礦煤層回采過程中使得周圍鄰近巖層內(nèi)應(yīng)力重新分布而發(fā)生劇烈移動(dòng)變形的區(qū)域，通常指巖層沉降位移大于5 mm 的區(qū)域。

采動(dòng)影響區(qū)地面井技術(shù)通過在采場地表施工鉆井到煤層采動(dòng)可能形成的覆巖裂隙帶或煤層內(nèi)，利用開采煤層對其鄰近煤巖層的“卸壓增透”物理效應(yīng)，使用負(fù)壓抽采技術(shù)將采區(qū)卸壓瓦斯經(jīng)由煤巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)通道和鉆井直接抽采到地表，以達(dá)到降低回采工作面瓦斯涌出量，緩解瓦斯超限壓力和開發(fā)煤層氣的目的。該技術(shù)是我國近年來逐步發(fā)展起來的瓦斯抽采技術(shù)，相比較井下開采技術(shù)，具有抽放量大、抽放濃度高、抽放半徑大（可達(dá)200 m）、地面施工條件好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效利用煤層采動(dòng)的卸壓增透效應(yīng)，連續(xù)抽采工作面前方卸壓解吸瓦斯、上隅角瓦斯和采空區(qū)瓦斯。

2 地面井試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 工作面概況

寺河礦W2301 工作面海拔高度+1 019.11 m，最大相對高差為610.4 m，一般相對高差300～500 m，平均采深約420 m。工作面開采走向長度約1250 m，傾向長度約221.5 m，開采3 號煤層，平均厚度6 m，煤層傾角0～7°，平均2°。煤的容重1.46 t/m3，煤的硬度f 為1～2，地壓力為9.00～13.00 MPa。3 號煤層下方13 m 處有5 號煤層，厚0.75 m，3 號煤層下方26 m 處有7 號煤層，厚0.4 m。工作面絕對瓦斯涌出量約43 m3/min，煤層無自燃傾向，煤塵無爆炸性。

2.2 地面井施工方案

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)

地面井位于采場中線中段和回風(fēng)巷道之間的位置，可以大大降低地層移動(dòng)對井筒的損害，取得更好的煤層氣抽采效率[1-4]。根據(jù)工作面條件，試驗(yàn)井距切眼1100 m，距回風(fēng)巷道70 m。

在研究礦區(qū)地面井破壞規(guī)律和煤層氣地面開發(fā)特征的基礎(chǔ)上，提出煤層氣地面開采的技術(shù)措施。井筒結(jié)構(gòu)分為三個(gè)階段。

（1）第一段使用Φ444.5 mm 鉆頭鉆進(jìn)至10 m穩(wěn)定巖層后，放入套管，全段固井。

（2）第二段采用Φ347.6 mm 鉆頭鉆進(jìn)至煤層頂板上方80～90 m 處，放入套管，固井長度90 m。

（3）第三段采用Φ269.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)至3 號煤層頂板上方5 m 處。鉆完井后，采用懸掛器放入套管，不固井。

2.2.2 地面抽采系統(tǒng)

地面煤層氣抽采設(shè)備：水環(huán)真空泵、水封爆炸排氣口、反火裝置、氣水分離器、排氣口、循環(huán)水箱、循環(huán)水泵、引水管道系統(tǒng)等。

2.2.3 安全抽采監(jiān)測系統(tǒng)

為記錄煤層氣生產(chǎn)濃度，防止井下煤自燃，試驗(yàn)過程中監(jiān)測的參數(shù)包括：瓦斯?jié)舛取⒀鯕鉂舛?、抽采?fù)壓、抽采流量、抽采氣體組成等。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備包括：GD4 氣體排放多參數(shù)傳感器、氧氣傳感器、U 型差壓計(jì)、光干涉甲烷探測器。其中，GD4多參數(shù)瓦斯抽放傳感器和氧氣傳感器用于監(jiān)測日常自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。采用U 型差壓計(jì)和光干涉甲烷探測器，在監(jiān)測系統(tǒng)失效時(shí)，對管道內(nèi)煤層的瓦斯流量和濃度進(jìn)行人工監(jiān)測。

3 抽采試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 地面井抽采數(shù)據(jù)

地面井抽采系統(tǒng)于2019 年8 月5 日開始作業(yè)，試驗(yàn)觀察時(shí)間70 d，累計(jì)抽采煤層氣約33.7 萬m3。地面井部分作業(yè)數(shù)據(jù)的變化曲線如圖1。

圖1 地面井抽采數(shù)據(jù)圖

當(dāng)工作面超過地面井位3 m 時(shí)，從地面井中抽取的氣體純度和濃度逐漸趨于穩(wěn)定。地面井抽采瓦斯氣體的最大純量為12 000 m3/d，濃度約為85%。如圖2，當(dāng)工作面接近井位時(shí)，由于超前支承壓力的影響，負(fù)壓在短時(shí)間內(nèi)迅速增大。此時(shí)氣體的濃度和純度較低。工作面通過井位后，抽采負(fù)壓降至27 kPa 左右，氣體抽采純量保持在0.5 萬m3/d 左右，氣體濃度保持在40%左右。

圖2 地面井抽采數(shù)據(jù)與工作面推進(jìn)關(guān)系圖

3.2 地面井抽采對工作面瓦斯治理影響

圖3 為地面井抽采對工作面瓦斯?jié)舛鹊挠绊?。地面井未抽采時(shí)，工作面平均瓦斯?jié)舛容^高，工作面最大瓦斯?jié)舛葹?.76%。當(dāng)工作面距井60 m 時(shí)，地面井開始抽氣，工作面最大氣體濃度降至0.41%以下，平均為0.27%，工作面平均瓦斯?jié)舛冉档?6.5%，工作面平均排風(fēng)量降低到16.4 m3/min 以下，工作面瓦斯超標(biāo)的情況得到很好的緩解。

未抽采地面井時(shí)，工作面總回風(fēng)巷最大氣體濃度為0.92%。采煤工作面推過井位8 m 后，工作面總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽烤@著下降，瓦斯?jié)舛认陆?9.1%。

3.3 效果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用工作面采動(dòng)影響區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)方案后，利用地面井抽采工作面煤層瓦斯，工作面瓦斯?jié)舛绕骄档?6.5%，工作面平均排風(fēng)量降低至16.4 m3/min 以下，能夠有效降低回采工作面瓦斯涌出量，70 d 內(nèi)該工作面安全開采原煤106 萬t，確保了工作面安全高效回采，同時(shí)累計(jì)抽采煤層氣約33.7 萬m3，為開發(fā)利用煤層氣提供了保障，提高了煤層氣資源利用率。

圖3 工作面瓦斯?jié)舛扰c地面井抽采關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）地面井瓦斯抽采效果與工作面距離有一定關(guān)系，在距離地面井3 m 左右位置時(shí)，瓦斯抽采效果最好，采動(dòng)動(dòng)壓影響，地面井抽采瓦斯氣體的最大純量為12 000 m3/d，氣體濃度約為85%。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，瓦斯抽采純量和濃度逐漸降低。

（2）利用地面井抽采工作面煤層瓦斯，70 d 內(nèi)，累計(jì)抽采瓦斯約33.7 萬m3，工作面瓦斯?jié)舛绕骄档?6.5%，工作面平均排風(fēng)量降低至16.4 m3/min以下，工作面瓦斯超標(biāo)的情況得到了很好的緩解，工作面總回風(fēng)巷的氣體濃度和排放氣體量明顯降低，工作面總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉捣s39%。