煤礦區(qū)煤層氣井地面抽采技術(shù)及應用

煤礦區(qū)煤層氣井地面抽采技術(shù)及應用摘要：煤礦開采期間，底層容易發(fā)生劇烈活動，導致采動區(qū)上的覆巖層出現(xiàn)大量的裂隙、離層等情況，勢必會顯著提高煤巖層的透氣性，使得由卸壓煤層所釋放的瓦斯可以在煤巖層中富集與流動，這也被稱為煤層開采的"卸壓增透效應〃。本文基于煤礦區(qū)煤層氣井地面抽采技術(shù)及應用展開論述。關(guān)鍵詞：煤礦區(qū)煤層氣井地面抽采技術(shù)及應用引言采礦工程過程中不安全的因素客觀存在，如果不能有效地控制，發(fā)生安全事故的概率會增加，妨礙工程順利進行，威脅到工人的生命安全。因此，各煤礦必須加強礦山安全管理，制定完善的礦山工程不安全因素分析處理規(guī)范，將具體礦山工程特點與施工要求相結(jié)合，分析具體不安全因素類型，提出相應的解決對策，提高煤礦開采工程建設(shè)的合理性和科學性，確保礦山工程施工效率，提高煤礦的安全生產(chǎn)意識，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。1煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)模式煤與煤層甲烷的共生決定煤炭開采與煤層甲烷開發(fā)密切聯(lián)系及相互作用。關(guān)于加快煤礦瓦斯（CBM）排放利用的一些意見》（國家發(fā)行[2006]47）明確提出了“先開采瓦斯，后開采煤炭，再開采煤炭的瓦斯一體化〃煤層氣開發(fā)原則。“為了防止煤礦瓦斯事故、充分利用能源資源和有效地保護生態(tài)環(huán)境，必須同時采取各種鼓勵和支持措施，以及先后采礦、管理和利用。〃采用地面煤層氣有效降低煤氣含量，有利于煤炭資源的安全開采與開采活動的聯(lián)系。與此同時，煤炭開采導致附近巖層移動，鄰近層的透氣性大大提高，有助于CBM資源的有效開發(fā)。煤炭企業(yè)開發(fā)煤層甲烷的主要目的在于為煤礦生產(chǎn)提供安全的煤氣環(huán)境，CBM開發(fā)是從屬的，而CBM煤氣開發(fā)的目的僅僅是為了獲得經(jīng)濟利益，勘探和開發(fā)受煤炭生產(chǎn)的限制，CBM井網(wǎng)布局受煤炭開采計劃、工作面布局和開采速度的限制，受煤炭開采影響，煤礦區(qū)的煤層井受到服務年限一般較短，CBM勘探和開發(fā)要求在短時間內(nèi)降低煤層的煤氣含量，以滿足為了實現(xiàn)煤與煤層氣協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)“抽、挖、開采〃的協(xié)調(diào)，根據(jù)煤炭開發(fā)的時空繼承規(guī)則，一般將煤礦部門劃分為規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，煤礦規(guī)劃區(qū)尚未開始開采，該區(qū)域的煤氣含量一般大于16m3/t。一般來說，煤層氣企業(yè)采用地面提取技術(shù)，5~8a執(zhí)行煤層氣預抽作業(yè)。準備區(qū)是指煤炭工程3-5a內(nèi)即將回收的區(qū)域，其中瓦斯含量要求下降到16m3/t以下，地面采集以煤層氣企業(yè)為主，地下煤炭企業(yè)以地下方向的長鉆孔采集為主，創(chuàng)造了將準備區(qū)轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)區(qū)的條件。2保護層開采的技術(shù)原理在煤層被開采之后，被開采煤層周圍的煤層也會不斷地向著采空區(qū)進行移動。而在這種擾動下，煤礦內(nèi)部原有的平衡關(guān)系就會被干擾和破壞，并在最終使得煤巖體原有的應力狀態(tài)發(fā)生改變。改變之后，煤巖層內(nèi)部的壓力也就會被釋放，從而形成一類采動裂隙而瓦斯作為煤層中伴生的氣體，本身有著很強的流動性。而采動的裂隙本身也會為瓦斯更好地在煤層中進行流動而提供有效的通道。3采動區(qū)地面井抽采所存在的主要問題及所使用的關(guān)鍵技術(shù)3.1采動區(qū)地面井變形破壞理論和關(guān)鍵參數(shù)通過構(gòu)建煤礦區(qū)煤層氣提挖拉剪擠壓綜合變形破壞模型，逐步建立鉆井套管、擋土墻水泥環(huán)和巖壁三域耦合模型確定鉆井套管最大剪應力和最大拉應力函數(shù)的礦區(qū)地表井"水平拉伸變形〃理論框架。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉆套的抗變形能力直接受到井底套管的壁厚、深度半徑和鋼等參數(shù)的影響。3.2采動區(qū)地面井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)結(jié)合極限分析理論，人們確定了地井套管破碎石機剪切安全系數(shù)和拉伸安全系數(shù)概念，構(gòu)建了地面套管損傷危險位置p系數(shù)識別方法，用于指導礦區(qū)地井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。3.3采動區(qū)地面減抗破壞防護結(jié)構(gòu)及措施地面井的破壞主要集中在某些核心位置，因此應以"流血胃酒，抗力輔助〃的想法為基礎(chǔ)，確定一系列可顯著提高地面井抗毀剪、拉伸、厚壁剛度等的保護結(jié)構(gòu)，并為接頭制定有效的保護措施。3.4采動區(qū)地面井抽采成套技術(shù)體系人們要考慮不同礦區(qū)煤層地質(zhì)條件和煤礦采掘工藝特點，結(jié)合地面井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、井位布置優(yōu)化、鉆井施工方案設(shè)計、地面井抽采系統(tǒng)設(shè)計以及鉆井工程防護技術(shù)等多種技術(shù)，探索和建立采動區(qū)地面井抽采成套技術(shù)體系。3.5條帶式井上下聯(lián)合抽采條帶式井上下聯(lián)合抽采是指在未進行地面預抽的規(guī)劃區(qū)或準備區(qū)，對擬開設(shè)的水平大巷、盤區(qū)（帶區(qū)）大巷、工作面巷道，在其兩側(cè)施工常規(guī)地面鉆井，完井后進行儲層壓裂改造，然后進行地面煤層氣抽采；當巷道掘進后，施工近水平瓦斯抽采定向鉆孔連通地面井壓裂影響區(qū)，也可根據(jù)需要對井下長鉆孔實施井下壓裂，以便實現(xiàn)井下鉆孔與地面壓裂井裂隙網(wǎng)的高效互連，此時，停止地面煤層氣抽采，改為井下鉆孔負壓抽采條帶式井上下聯(lián)合抽采具有兩方面的技術(shù)優(yōu)勢：一方面通過地面鉆井實施水力壓裂這一有效的儲層改造措施，在影響區(qū)內(nèi)形成大量的人工裂縫，使抽采通道與煤儲層中的天然裂隙有效連通，可擴大抽采范圍、提高抽采效率；另一方面，在井下施工近水平定向長鉆孔，通過軌跡控制實現(xiàn)多個地面工程井壓裂影響區(qū)的"串聯(lián)”，能夠發(fā)揮井下鉆孔施工成本低、布孔靈活的優(yōu)勢，主要適用于煤層結(jié)構(gòu)完整、力學強度高、構(gòu)造相對簡單的煤礦區(qū)。3.6地面井與井下長鉆孔連通壓裂聯(lián)合抽采地面井與井下長鉆孔連通壓裂聯(lián)合抽采是通過在地面施工垂直井，在井下沿煤層施工定向長鉆孔，借助定向鉆進技術(shù)使地面直井與井下長鉆孔交匯貫通，隨后對井下定向長鉆孔進行有效封孔，利用地面壓裂設(shè)備通過地面井對目標抽采區(qū)域及井下鉆孔進行壓裂作業(yè)，實現(xiàn)對抽采區(qū)域的增透改造后進行抽采，其產(chǎn)氣方式主要分為井下采氣和地面采氣兩種，如圖3所示。針對碎軟煤層定向鉆孔成孔困難問題，有學者提出首先施工地面直井進行水力壓裂，對目標煤層進行預抽，然后在目前煤層下底板巖巷施工放射狀穿層鉆孔進行二次瓦斯抽放，對突出煤層卸壓消突。結(jié)束語煤層氣（通常稱為"氣體”）是可燃性和爆炸性危險氣體，其燃燒的副產(chǎn)品是水，因此是干凈的能量。目前，大部分煤層甲烷與煤炭開采一起排放到大氣中，這增加了地下開采工作的風險，并造成了巨大的資源浪費。隨著對CBM的關(guān)注度日益提高，許多企業(yè)逐漸關(guān)注CBM資源的開發(fā)。目前煤層甲烷的地面提取和運輸工藝主要以天然氣開采工藝為基礎(chǔ)，但甲烷的儲存地質(zhì)條件和本身特性與天然氣有很大差異，存在現(xiàn)有提取和運輸方法效率低下、工藝過程麻煩等問題，對CBM的進一步開發(fā)［1］影響很大，因此迫切需要研究CBM的提取和運輸工藝，優(yōu)化提取和運輸工藝，從而提高CBM提取。參考文獻張光波，祁空軍，劉春春，張瑋，邊建軍，趙磊.煤礦區(qū)煤層氣與煤協(xié)調(diào)開發(fā)模式探討[J].中國煤層氣，2018，15（06）：43-46.范曉剛.巷道過地面煤層氣井壓裂區(qū)域災害防治技術(shù)[J].能源與環(huán)保，2018,40（11）：61-65.劉進平，高云，李欣.地面水力壓裂對井下煤層瓦斯抽采影響分析[J].中國