地面钻井抽采突出煤层群保护层开采卸压瓦斯技术

地面钻井抽采突出煤层群保护层开采卸压瓦斯技术神华宁夏煤业集团公司乌兰煤矿一、矿井概况及项目研究意义乌兰煤矿是神华宁夏煤业集团公司所属重点矿井之一，是公司的焦煤生产基地，始建于1966年，1975年建成投产。井田位于内蒙古阿拉善盟左旗的呼鲁斯太矿区，走向长约5km，倾斜宽约3km，面积为15km2。矿井原设计年产能力90万t，后来经改扩建，2007年矿井实际产量187万t。矿井主采2号、3号、7号、8号煤层。2号煤为中厚煤层，平均煤厚3.28m；3号煤为特厚煤层，平均煤厚9.22m，储量占全矿井57％；7号煤平均煤厚1.89m；8号煤平均煤厚2.77m。煤层倾角为20°~25°，2号与3号煤的平均层间距为31.5m，3号与7号煤的平均层间距为75m，7号与8号煤的平均层间距为4.2m。煤种为肥煤和1/3焦煤，现矿井地质储量13363.9万t，可采储量8143万t。乌兰煤矿为煤与瓦斯突出矿井。2007年矿井瓦斯绝对涌出量为104.64m3/min，相对瓦斯涌出量为29.96m3/t。2号和8号煤层均为突出煤层，3号和7号煤层为非突出煤层。1987年1月11日在1350水平北一采区二石门掘进揭2号煤时发生了煤与瓦斯突出，突出煤量90t、瓦斯1.5万m3，2号煤层被定为突出煤层，随后5232、5233机巷掘进中先后发生倾出，从此2号煤层再未开采。8号煤层在5867风、机巷掘进过程中曾多次出现突出预兆，2007年8月14日发生煤与瓦斯倾出，倾出煤量3~5t，瓦斯1600m3，后经鉴定8号煤为突出煤层。矿井各煤层透气性差，属较难抽放煤层。经测定，3号煤层透气性系数为0.025～0.98mD，矿井瓦斯预抽率仅为10.17％，远远达不到标准规定的要求。2号煤层因发生煤与瓦斯突出事故而被迫停采，矿井将生产重点转为开采下层的3号煤层。由于2号煤层与3号煤层之间的平均间距为31.5m，3号煤层开采期间本层涌出的瓦斯和邻近的2号煤层涌出的瓦斯严重制约了3号煤层的安全生产，虽采取了地面钻井抽放、埋管抽放、顺层钻孔抽放、穿层钻孔抽放、顶板高位巷引排等技术措施，但是工作面和上隅角的瓦斯仍时常超限;2号主焦煤层停采后造成了大量资源浪费，对宁夏焦煤产量造成了严重影响。因此，针对矿井煤层群开采的实际情况，如何采用有效的瓦斯治理方法彻底解决2号、8号煤层的突出问题及3号煤层的高瓦斯问题，确保安全地开采2号主焦煤层。2005年5月国家煤矿安全技术“会诊”第八专家组对乌兰矿井进行安全“会诊”，要求从矿井开拓系统及开采方式上研讨治理瓦斯方案，研究出针对乌兰矿实际情况的瓦斯治理技术。2006年4～5月，神宁集团、乌兰矿和中国矿业大学经过调研论证后，提出了开展“地面钻井抽采突出煤层群保护层开采卸压瓦斯”的技术方案。二、技术方案（一）总体方案经过技术、经济的综合计算，确定的总体方案为：首采7号煤层，保护下部8号煤层，再采8号煤层，7号、8号煤层开采对2号、3号煤层进行二次保护，两次卸压抽采，消除其突出危险性。开采顺序为7号→8号→2号→3号煤层，2号、3号煤层的卸压瓦斯采取地面钻井抽采，首采工作面选择在二水平二阶段的5757工作面，抽出瓦斯用于发电。地面瓦斯抽采钻井抽采卸压瓦斯如图1所示。图1乌兰煤矿煤与瓦斯卸压共采原理图（二）首采工作面基本参数5757工作面位于乌兰井田南翼采区12~13勘探线之间的二水平二阶段，工作面距地表最小垂深为211.4m。5757工作面区域内沉积稳定，煤层结构简单，煤层厚度变化不大，适合于单一煤层走向长壁炮采法，全部冒落法管理顶板。工作面参数为：工作面走向长：600m；工作面倾斜长：210m；煤层厚度：1.4～2.3m，平均1.9m；煤层倾角：15°～25°，平均20°；首采区的地表地势平坦，空旷无物，部分地区存在裸露的基岩，部分地区覆盖有1～7m厚的表土层，车辆可以通行，适于开展地面工程。三、地面钻井设计及施工（一）地面考察钻井为了考察2号煤层的瓦斯压力变化及卸压边界，在首采区内布置8个瓦斯压力测压钻井。（1）布井。测压钻井P1～P3布置在开切眼处，用来考察此处边界压力及卸压边界的变化；因为风巷处旁边的3号煤层已采，2号煤层冒落，所以布置测压钻井P4～P6在机巷处，用来考察此处边界压力及卸压边界的变化；测压钻井P7～P8布置在中部，用来考察抽放孔之间的卸压范围和效果。P1～P8钻头都钻至2号煤层底板以下10m的位置完钻。P1～P2相距20m，P2～P3相距18m，P4～P5相距15m，P5～P6相距12m，P3～P7相距120m，P7～P8相距230m。（2）钻井工程。一开：用φ311mm潜孔锤钻头开孔，钻进至基岩3～5m后下套管，然后用水泥封固套管。二开：换φ215.9mm潜孔锤钻头钻至2号煤层顶板以上10m处。三开：换φ114mm潜孔锤钻头钻至2号煤层底板以下10m的位置完钻。（3）完井工程。三开钻完后，下入φ50mm钢管到2号煤层顶板以上2m处，用密度为（1.50～1.75）×103kg/m3的水泥浆固井，固井段从2号煤层顶板以上10m至孔口。测压钻井的井身结构如图2所示。图2测压钻井井身结构图图3地面钻井及抽采系统布置图（二）地面抽放钻井（1）布井。根据相关矿区的地面卸压瓦斯的抽放工程实践，卸压抽放活跃期内地面钻井的单孔瓦斯流量高达2.2万m3/d，CH4浓度大于80％，经计算乌兰矿需要采用流量不低于60m3/min的移动瓦斯抽放泵。预计单孔瓦斯流量为14m3/min，即每天2万m3，透气性系数增加1500倍，即λ=60m2／(MPa2·d)，则可计算得：按单井连续有效抽放时间90a计算，得直径139.7mm钻井的有效间距为60～130m，同时抽放钻井数为14个。为了考察相关钻井抽采参数，采用非均匀布井法。瓦斯抽采钻井沿煤层走向两排布置，如图3所示。(2)钻井工程。一开：用φ245mm潜孔锤钻头开孔，钻进至基岩3～5m后，下φ244mm套管，然后用水泥封固套管。二开：换φ219.5mm潜孔锤钻头钻至50m，下φ193.7mm套管，用密度为(1.50～1.75)×103kg/m3的水泥浆固井至地面。三开：换φ177mm潜孔锤钻头钻至7号煤层顶板以上10m的位置完钻。(3)完井工程。三开钻完后，下入φ139.7mm套管。在0～110m左右处下实管，到2号煤层顶板以上10m处下筛管，直到7号煤层顶板以上10m处。抽放孔的井身结构如图4所示。图4抽放钻井井身结构图四、实施效果（一）地面抽采钻井抽采瓦斯总结及分析2007年6月，5757保护层工作面开始正常回采，8月受采动卸压的作用，地面1号、2号孔先后涌出瓦斯，并连管抽采。截止2008年1月31日，矿井保护层开采区域已经抽出纯瓦斯4635574m3，其中单孔最大抽采量达到17000m3/d，抽采半径达到96m，取得了显著的效果。1～6号钻井、加1号和加2号钻井的抽采瓦斯情况见表1，其浓度和标准纯瓦斯流量曲线分别如图5～图12所示。图51号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图62号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图73号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图84号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图95号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图106号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图11加1号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图12加2号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图各钻井的单月抽采总量见表2和图13所示。图14给出了每个钻井的抽采量，由图可知2号钻井的抽采量达到1319381m3，已停抽；1号孔的抽采量达到1309545m3，仍然在持续抽采之中。图15给出了每个月份地面钻井的抽采量，8月份由于地面钻井刚进入卸压区，抽采的钻井数少，抽采量最少，为532466m3；9月份采动卸压作用活跃，抽采量最多，达到918774m3；2007年10月～2008年1月份随着西北地区气温降低，特别是严寒对抽采管路的防积水工作造成影响，抽采量有所下降，但各月份抽采总量差别不大，表明卸压瓦斯抽采工作进入正常期。图13各个钻井每月的抽采瓦斯量图14各个钻井抽采总量对比图15各月份抽采总量对比（二）2号和3号煤层残余瓦斯分析5757工作面向前推进之后，2号和3号煤层被保护，其卸压瓦斯被地面抽采钻井抽出。通过对地面抽采区域打钻取2号、3号煤层煤样进行分析，测定得出2号和3号煤层卸压范围内瓦斯抽采参数，见表3。在没有采取保护层开采和地面钻井抽采卸压瓦斯时，3号煤层的瓦斯抽采率仅为10.17％，与现阶段2号、3号煤层卸压范围内的瓦斯抽采率对比关系如图16所示。不同时期煤层瓦斯抽采量对比如图17所示。图16煤层瓦斯抽采率对比图17不同时期煤层瓦斯抽采量对比图18P3、P4和P7测压井的表压变化曲线地面测压井测定2号煤层瓦斯压力，从5757工作面开始回采至2008年1月，P3、P4和P7测压井的表压见表4。通过上述实测数据分析，当8号煤层开采后，2号和3号煤层的瓦斯压力还将进一步降低，瓦斯含量将进一步减少。五、总结乌兰煤矿突出煤层群煤与瓦斯安全高效共采项目虽在试验阶段，但所取得的成果是有成效的。(1)提出了煤层群开采多重保护层的概念，并进行了工程设计，本项目中7号煤层既是2号、3号煤层的下保护层，又是8号煤层的上保护层。(2)提出了保护层开采地面钻井抽采和测压钻井考察的新方法，为高效抽采卸压瓦斯和监测卸压煤层的残余瓦斯压力以及考察卸压边界提供了技术手段。(3)在气候恶劣的条件下，2007年8月1日～2008年1月31日，地面钻井累计抽采标准纯瓦斯4635574m3，其中单孔最大瓦斯抽放量达到17000m3/d。(4)乌兰煤矿地面钻井抽采高瓦斯突出煤层群保护层开采卸压瓦斯技术在我国西部浅埋藏、高瓦斯的类似矿区具有重要的推广前景，对我国建设西部能源基地、保障国家能源的安全供给和改善生态环境具有深远的战略意义。