胡千庭,孫海濤

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯分院,重慶 400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037)

煤礦采動(dòng)區(qū)地面井逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

胡千庭1,2,孫海濤1,2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯分院,重慶 400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037)

為進(jìn)一步優(yōu)化煤礦采動(dòng)區(qū)地面井設(shè)計(jì)方法,對(duì)地面井的類型及特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析,將煤礦采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)細(xì)分為鄰近層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采、本煤層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井抽采3種類型;確定了抽采資源評(píng)估、布井位置優(yōu)選、井型結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高危位置防護(hù)、地面安全抽采等5項(xiàng)核心技術(shù),提出了不同類型采動(dòng)區(qū)地面井的逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。將系統(tǒng)化的技術(shù)方法應(yīng)用在了山西晉煤集團(tuán)成莊煤礦5310工作面采動(dòng)區(qū)CD-01井的優(yōu)化設(shè)計(jì)和抽采工程中,獲得了連續(xù)抽采、抽采體積分?jǐn)?shù)50%以上的良好抽采效果,證明了逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及技術(shù)的適用性。

采動(dòng)區(qū);地面井;逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì);協(xié)調(diào)開發(fā)

煤礦采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井抽采是近年逐漸發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)煤層氣開發(fā)及瓦斯治理新技術(shù)。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者在煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)[1-2]、煤層氣流動(dòng)特征[3]、采動(dòng)區(qū)地面井變形規(guī)律[4-6]、煤層氣抽采效果[7]等方面進(jìn)行了大量的研究工作,為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但煤礦采動(dòng)區(qū)涉及正在經(jīng)受采動(dòng)影響并發(fā)生劇烈?guī)r層運(yùn)動(dòng)的區(qū)域和經(jīng)歷采動(dòng)影響后已經(jīng)基本穩(wěn)定的老采空區(qū)區(qū)域。部署于不同區(qū)域的地面井面臨的技術(shù)難題不同,進(jìn)行地面井優(yōu)化設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的技術(shù)問題也不同:正在經(jīng)受采動(dòng)影響并發(fā)生巖層劇烈運(yùn)動(dòng)的區(qū)域地面井重點(diǎn)應(yīng)考慮巖層剪切、離層作用對(duì)地面井井身結(jié)構(gòu)的破壞問題,優(yōu)化設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu);經(jīng)歷采動(dòng)影響后基本穩(wěn)定的老采空區(qū)區(qū)域地面井重點(diǎn)應(yīng)考慮資源賦存和破碎覆巖帶鉆完井問題,進(jìn)行資源評(píng)估并完善鉆完井工藝。

因此,筆者從煤礦采動(dòng)區(qū)瓦斯地面開發(fā)的角度出發(fā),對(duì)地面井的類型及特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析,提出了采動(dòng)區(qū)地面井的逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用在了晉城礦區(qū)地面井抽采試驗(yàn)中,取得了良好效果。

1 煤礦采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)分類

煤礦采動(dòng)區(qū)指在井下煤層回采過(guò)程中受到了或受到過(guò)采動(dòng)擾動(dòng)影響的煤巖層區(qū)域,包括采動(dòng)發(fā)展區(qū)和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)。采動(dòng)發(fā)展區(qū)分為鄰近層采動(dòng)發(fā)展區(qū)和本煤層采動(dòng)發(fā)展區(qū)兩個(gè)方面,其中鄰近層采動(dòng)發(fā)展區(qū)指煤層群開采條件下,受下保護(hù)層開采擾動(dòng)影響,處于巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力重分布過(guò)程中的被保護(hù)煤層及其采場(chǎng)上覆巖層;本煤層采動(dòng)發(fā)展區(qū)指單一開采煤層條件下,受煤層采動(dòng)擾動(dòng)影響,處于巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力重分布過(guò)程中的本層煤層及其上覆巖層。采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)指曾經(jīng)受到過(guò)煤層采動(dòng)擾動(dòng)影響、發(fā)生過(guò)巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力重分布,但巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力重分布已經(jīng)完成的煤巖層區(qū)域。煤礦采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井抽采指在地面施工垂直鉆井到煤層上方或煤層內(nèi),抽采煤層的卸壓區(qū)瓦斯和采空區(qū)瓦斯,以及直接在老采空區(qū)施工鉆井抽采老采空區(qū)瓦斯。根據(jù)前述對(duì)煤礦采動(dòng)區(qū)的劃分定義,煤礦采動(dòng)區(qū)地面井抽采主要分為采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井抽采,其中采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采可進(jìn)一步分為鄰近層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采和本煤層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采(圖1),各類型地面井在地面及煤巖層的布置情況如圖2所示。

施工于煤礦采動(dòng)區(qū)地表,進(jìn)行采動(dòng)區(qū)瓦斯地面抽采的地面井叫采動(dòng)區(qū)地面井。施工于煤礦采動(dòng)發(fā)展區(qū)地表,進(jìn)行采動(dòng)發(fā)展區(qū)瓦斯地面抽采的地面井叫做采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井。施工于煤礦采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地表,進(jìn)行采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯地面抽采的地面井叫做采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井。由于煤礦采動(dòng)區(qū)地面井抽采通常是采動(dòng)發(fā)展區(qū)與后續(xù)采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)連續(xù)進(jìn)行,因此兩階段的地面井在井型結(jié)構(gòu)和抽采控制上通常綜合設(shè)計(jì)。

圖1 采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)分類Fig.1 Technology type of surface gas drainage borehole in coal mine excavation influence region

圖2 煤礦采動(dòng)區(qū)瓦斯抽采示意Fig.2 Drainage process of surface borehole in coal mine excavation influence region

2 煤礦采動(dòng)區(qū)地面井逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

煤礦采動(dòng)區(qū)地面井一般是按照施工一開鉆井→下放一開套管→一開固井→施工二開鉆井→下放二開套管→二開固井→施工三開鉆井→下放三開套管的施工順序進(jìn)行的,這決定了煤礦采動(dòng)區(qū)地面井的設(shè)計(jì)在考慮鉆井抗采動(dòng)影響能力、抽采效果的條件下必須對(duì)地面井的一開、二開和三開段的巖層移動(dòng)影響、套管選型、水泥環(huán)參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì),并在地面井區(qū)域布置和安全抽采控制方面統(tǒng)籌兼顧。

2.1 采動(dòng)發(fā)展區(qū)瓦斯地面井優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤礦采動(dòng)發(fā)展區(qū)瓦斯地面井抽采以治理煤層瓦斯災(zāi)害為主、資源開發(fā)為輔,地面井優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括如下4個(gè)方面。

(1)采場(chǎng)布井區(qū)域優(yōu)化選擇。

煤礦采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井由于要經(jīng)歷煤層回采的過(guò)程,受采動(dòng)影響下的采場(chǎng)上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)影響嚴(yán)重,因此地面井的布井應(yīng)選擇采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)對(duì)地面井影響最小的區(qū)域;同時(shí)本煤層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井由于通常要連續(xù)進(jìn)行采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)抽采,需要特別考慮井下工作面推進(jìn)及工作面通風(fēng)的影響,以提高井下抽采的效果[7]。

在采動(dòng)影響下,采場(chǎng)上覆巖層對(duì)地面井的破壞影響形式主要為巖層層面的層間剪切、離層拉伸和巖層的層內(nèi)擠壓作用。圖3[4]為地面井套管在巖層剪切滑移、離層拉伸和擠壓作用下的綜合受力模式:套管徑向方向承受來(lái)自巖層層面滑移作用產(chǎn)生的剪切力、承受巖層內(nèi)部變形給予的擠壓力,套管軸向方向承受覆巖離層位置產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力。因此,應(yīng)對(duì)煤層頂板至地表的采場(chǎng)上覆巖層各巖層界面的剪切滑移、離層拉伸位移分別進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合地面井的結(jié)構(gòu)形式選擇采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)對(duì)地面井影響最小的區(qū)域,回避高危險(xiǎn)布井區(qū)域,在區(qū)域布置上確保地面井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。巖層界面剪切位移和離層拉伸位移的計(jì)算方法可以參照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行,由此可以獲得采場(chǎng)傾向方向上,在采場(chǎng)某一深度處的巖層剪切位移和離層位移分布規(guī)律,如圖4所示[4]:剪切位移呈“馬鞍形”分布,采場(chǎng)中部為極小值區(qū)域,沉降拐點(diǎn)附近剪切位移最大;離層位移近似呈“拋物線形”,采場(chǎng)中部為最大值區(qū)域,采動(dòng)影響邊界處最小。綜合分析剪切位移和離層位移分布情況可知:地表沉降拐點(diǎn)偏向采場(chǎng)中線間區(qū)域?yàn)閹r層運(yùn)動(dòng)對(duì)地面井結(jié)構(gòu)綜合影響較小的區(qū)域;由于目前傾斜煤層采面巷道布置以回風(fēng)巷位于煤層底板標(biāo)高較高位置、運(yùn)輸巷位于煤層底板標(biāo)高較低位置為主要方式,考慮工程成本等因素后可以確定“回風(fēng)巷側(cè)地表沉降拐點(diǎn)偏向采場(chǎng)中線區(qū)域”為基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的地面井優(yōu)選布井區(qū)域。

圖3 地面井套管的綜合受力形式[4]Fig.3 Synthesis load and deformation types of surface borehole casing[4]

同時(shí),應(yīng)基于不同礦井回采、通風(fēng)條件,對(duì)地面井抽采條件下的瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行分析(圖5),確定抽采效果最好的布井位置,結(jié)合地面井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定最優(yōu)布井區(qū)域綜合選擇確定地面井的布井位置。因此,運(yùn)用FLUENT軟件建立了地面井抽采數(shù)值模型:采空區(qū)基本模型寬240 m、長(zhǎng)850 m,采空區(qū)垮落帶高60 m,回風(fēng)平巷比運(yùn)輸平巷的所在水平高4 m,采空區(qū)內(nèi)部距離回風(fēng)巷30 m布置有兩個(gè)地面井,其中1號(hào)井距離開切眼250 m,2號(hào)井位于工作面后方300 m,兩個(gè)鉆孔走向間距300 m;模型主采煤層厚6.0 m,傾角3°,上部巖層沒有煤層,底板巖層中包括下部的9號(hào)煤層,厚1 m;采用“U”形通風(fēng),風(fēng)量2 600 m3/min,整個(gè)采空區(qū)瓦斯涌出量21.0～39.0 m3/min,涌出氣體組分為100%CH4。

圖4 巖層拉、剪位移在采場(chǎng)傾向分布規(guī)律Fig.4 Tension and shear displacement distribution rule of rock strata in the incline direction

圖5 地面井抽采時(shí)回采空間瓦斯分布Fig.5 Gas fluid rule of stope in surface borehole drainage

從數(shù)值分析圖5中可以看出:地面井以負(fù)壓狀態(tài)運(yùn)行時(shí),明顯改變了采空區(qū)內(nèi)部的氣體流場(chǎng),在井口周圍形成高濃度瓦斯區(qū),而高濃度氧氣區(qū)域也隨之深入采空區(qū)內(nèi)部,而且不同位置的地面井抽采效果是不同的,位于工作面回風(fēng)巷側(cè)60 m附近區(qū)域的地面井抽采效果最佳,此區(qū)域?yàn)榛诔椴尚Ч牡孛婢畠?yōu)選布井區(qū)域。

由于我國(guó)多數(shù)煤礦地表沉降拐點(diǎn)一般為煤壁偏向采空區(qū)側(cè)20～90 m,綜合考慮巖層移動(dòng)對(duì)采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律和地面井抽采效果影響因素條件可知:選擇采煤工作面回風(fēng)巷側(cè)偏向采場(chǎng)中線方向一定范圍(40～80 m)內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井的布井較好(具體位置選擇需要根據(jù)計(jì)算方法進(jìn)行具體計(jì)算)。

(2)井型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井的三級(jí)深度對(duì)地面井的抽采效果及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著關(guān)鍵的影響;套管型號(hào)決定著套管的管徑和壁厚,決定了套管的抗拉剪破壞能力;水泥環(huán)的厚度及配比參數(shù)決定了水泥環(huán)對(duì)巖層擠壓應(yīng)力的緩解效果[6];固井工藝的不同會(huì)使得地面井不同井身位置受到的巖層運(yùn)動(dòng)影響程度不同。因此應(yīng)對(duì)地面井的井型結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采動(dòng)影響區(qū)地面井的三級(jí)深度分布應(yīng)綜合考慮巖層移動(dòng)量的大小和礦區(qū)采場(chǎng)“豎三帶”的分布范圍,確保鉆井一開段的防漏水、防塌孔以及二開段的鉆井結(jié)構(gòu)安全和三開段瓦斯流動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)的完整。

圖6 地層、水泥環(huán)、套管三區(qū)域模型Fig.6 Stratum,concrete annulus and casing regions model

由耦合分析可以計(jì)算獲得增益函數(shù)

式中,m為水泥環(huán)內(nèi)外徑比;ks為地層剛度;kc為套管剛度;ξ為水泥環(huán)和地層的材料差異系數(shù)。

當(dāng)ψ=0時(shí),鉆井套管受到的外力為無(wú)水泥環(huán)情況下的外力;當(dāng)ψ＞0時(shí),水泥環(huán)的存在使原來(lái)的套管壓力降低了,這種情況稱為增益;當(dāng)ψ＜0時(shí),使原來(lái)的套管壓力增大,這種情況稱為負(fù)增益。因此,水泥環(huán)的參數(shù)選擇應(yīng)使ψ＞0。

采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井常用的固井工藝有全井段固井、局部固井和分級(jí)固井等,根據(jù)鉆井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性保障的要求需要選擇不同的固井方式。圖7為典型地面井井身結(jié)構(gòu)。

圖7 采動(dòng)影響區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)Fig.7 Surface borehole body structure in exc-avation influence region

(3)高危位置安全防護(hù)。

在采場(chǎng)進(jìn)行地面井的最優(yōu)布井區(qū)域選擇可以回避多數(shù)地面井的高危險(xiǎn)破壞位置,但巖層移動(dòng)分布受巖層特性影響具有一定的隨機(jī)性,布置在采場(chǎng)最優(yōu)布井區(qū)域的地面井仍然存在部分井深位置處于巖層移動(dòng)的高危險(xiǎn)影響區(qū),需要施加特殊防護(hù)措施才能保證鉆井結(jié)構(gòu)的安全暢通[8-9]。因此,需要根據(jù)巖層組合劃分情況首先判斷巖層的高危險(xiǎn)破壞位置。一般情況下,巖層界面的離層拉伸破壞位置和巨厚基巖層下的巖層界面位置為地面井套管發(fā)生拉伸、剪切破壞的高危險(xiǎn)位置,如圖8所示。通過(guò)計(jì)算分析獲得地面井井身高危破壞位置后,應(yīng)根據(jù)套管變形形式和變形量施加不同保護(hù)效果的防護(hù)結(jié)構(gòu),如圖9所示。

圖8 地面井主要變形形式分類Fig.8 Surface borehole main deformation mode

圖9 地面井專用防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.9 Special-purpose protection stucture of surface borehole in coal mine excavation influence region

(4)地面安全抽采。

采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采的瓦斯?jié)舛纫话阕兓^大,受采動(dòng)影響明顯,地面抽采系統(tǒng)可分為單井單建抽采系統(tǒng)和井網(wǎng)集輸兩種形式。單井單建抽采系統(tǒng)一般應(yīng)重點(diǎn)考慮泄爆、防回火、抑爆、防雷防電和管道安全計(jì)量監(jiān)控;井網(wǎng)集輸型抽采一般會(huì)在一定區(qū)域范圍內(nèi)建設(shè)一個(gè)抽采泵站或?qū)⒌V井采動(dòng)影響區(qū)地面井抽采的瓦斯匯入井下抽采管網(wǎng)在地面的集輸泵站進(jìn)行合并抽采,其安全抽采與監(jiān)控應(yīng)符合《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ 1027—2006)等瓦斯集輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求[10-12]。

2.2 采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯地面抽采井優(yōu)化設(shè)計(jì)

采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井抽采通常需要與采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采連續(xù)進(jìn)行,因此采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯地面井抽采通常以采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)。

煤礦采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯地面井抽采以資源開發(fā)為主,地面井優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括如下4個(gè)方面。

(1)瓦斯資源評(píng)估。

進(jìn)行采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯地面抽采首先需要對(duì)抽采區(qū)域的瓦斯資源量進(jìn)行科學(xué)評(píng)估,對(duì)瓦斯的來(lái)源(圖10)、分布及可采儲(chǔ)量等參數(shù)進(jìn)行深入分析,獲得進(jìn)行開發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于資源開發(fā)量最大化的開發(fā)目的,應(yīng)對(duì)采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)可抽采范圍內(nèi)的全部狀態(tài)瓦斯資源進(jìn)行有效評(píng)估。

圖10 采空區(qū)瓦斯來(lái)源Fig.10 Coal bed gas resourse in goaf

可采用如下計(jì)算模型進(jìn)行資源評(píng)估[13]:

①單一煤層開采條件資源量

②煤層群開采條件資源量

式中,M1為采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)遺留煤炭總量;q1為采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)遺煤殘余瓦斯含量;n為采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù);V為采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)孔隙體積;Mi0為第i鄰近層煤炭總量;qi0為第i鄰近層原始瓦斯含量;qi2為第i鄰近層殘余瓦斯含量;ηi為第i鄰近層瓦斯排放率。

(2)采場(chǎng)布井區(qū)域優(yōu)化選擇。

采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井布井區(qū)域選擇主要考慮采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)集空間的分布及地面井的抽采控制范圍兩個(gè)方面。

瓦斯儲(chǔ)集空間主要應(yīng)在采場(chǎng)上覆巖層裂隙場(chǎng)分布范圍內(nèi)確定“O”型圈的分布區(qū)域、空間大小等。

地面井的抽采控制范圍應(yīng)根據(jù)采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)空氣壓力、地面井井口抽采負(fù)壓和采空區(qū)的連通性等進(jìn)行計(jì)算確定。

(3)井型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井的井型結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是確定合理的鉆井分級(jí)[14-17],保證鉆井三開流通段處于采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)集空間,圖11為采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井的典型井身結(jié)構(gòu)。

圖11 采空區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)Fig.11 Body structure of surface borehole in goaf

同時(shí),由于采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)采場(chǎng)上覆巖層經(jīng)歷了巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程,巖層破碎嚴(yán)重,鉆井過(guò)程中一般會(huì)發(fā)生鉆井液漏失及塌孔現(xiàn)象,因此一般選用大風(fēng)量潛孔垂鉆機(jī)進(jìn)行地面井鉆進(jìn),對(duì)鉆井漏液段要采用灌漿、臨時(shí)封堵等措施。

(4)地面安全抽采。

采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯地面井的安全抽采與采動(dòng)發(fā)展區(qū)的地面抽采系統(tǒng)類似,區(qū)別在于要特別監(jiān)測(cè)抽采管路中CO的濃度變化,當(dāng)管路中CO濃度連續(xù)急劇上升或者濃度超過(guò)12×10-6時(shí),應(yīng)停泵處理險(xiǎn)情。

3 工程應(yīng)用

應(yīng)用煤礦采動(dòng)區(qū)地面井逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在山西晉城成莊礦5310工作面設(shè)計(jì)、施工了1口采動(dòng)區(qū)地面抽采試驗(yàn)井,進(jìn)行本煤層采動(dòng)影響區(qū)和采空區(qū)瓦斯抽采試驗(yàn)[18-20]。

5310工作面為綜采工作面,地面標(biāo)高919.1～1 030.8 m,工作面標(biāo)高468～558 m。該工作面走向長(zhǎng)2 559.66 m,傾斜長(zhǎng)245.54 m,工作面平均煤厚5.75 m,煤層傾角2°～8°,平均5°。5310大采高工作面東西兩邊均為實(shí)體煤,北部與王坡礦3212工作面相鄰。南臨 5106,5102,5103,5104巷,5106,5102, 5103,5104巷已掘進(jìn)至設(shè)計(jì)位置,北至成莊礦礦界。工作面回采進(jìn)度0～1 230 m區(qū)域內(nèi),煤層原始瓦斯含量為10.0～8.7 m3/t;回采進(jìn)度1 230～1 880 m區(qū)域內(nèi),煤層原始瓦斯含量為8.7～8.0 m3/t;回采進(jìn)度1 880 m至終采線,煤層原始瓦斯含量為8～7 m3/t。

采場(chǎng)不同位置的巖層移動(dòng)對(duì)地面井結(jié)構(gòu)的影響程度不同,地面井負(fù)壓抽采效果也不同。應(yīng)用地面井逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)地面井布井位置進(jìn)行了優(yōu)選:根據(jù)5310工作面采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析可知,地表沉降拐點(diǎn)偏移距約45 m,在距離回風(fēng)巷50～78 m范圍內(nèi)的剪切位移量和離層位移量均處于較小的范圍,同時(shí)結(jié)合抽采流場(chǎng)分布的要求,將試驗(yàn)井布置在采面回風(fēng)巷偏向采空區(qū)側(cè)60 m附近的區(qū)域,地面井距離開切眼900 m,如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)井在回采工作面的布置位置Fig.12 Surface borehole building position in the workface

采動(dòng)區(qū)地面井要能夠承受采場(chǎng)上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)的影響。因此,應(yīng)用地面井逐級(jí)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法對(duì)地面井的井徑、套管選型、水泥環(huán)參數(shù)、地面井分級(jí)深度及完井工藝等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算可知,選定布井區(qū)域范圍內(nèi)地表下主要巖層界面剪切滑移位移范圍為141～204 mm,因此選定地面井一開套管為J55型?406.4 mm API標(biāo)準(zhǔn)套管、二開套管為 N80型?244.48 mm API標(biāo)準(zhǔn)套管、三開套管為 N80型?168.28 mm API標(biāo)準(zhǔn)套管,并且二開套管水泥環(huán)厚度應(yīng)控制在10～40 mm,以保證增益項(xiàng)ψ＞0。根據(jù)5310工作面采場(chǎng)“豎三帶”計(jì)算結(jié)果,垮落帶高度為16.19～36.83 m、斷裂帶高度約95 m,因此優(yōu)化設(shè)計(jì)地面井二開深度至地表下337 m,而且二開段地表下100 m位置采用局部固井;三開段穿透煤層,三開套管采用懸掛完井結(jié)構(gòu)。圖13為優(yōu)化設(shè)計(jì)的成莊礦地面采動(dòng)試驗(yàn)井的井型結(jié)構(gòu)。

圖13 試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)Fig.13 Body structure of the surface borehole in test

成莊煤礦采動(dòng)區(qū)試驗(yàn)井于2012-10-24開始鉆井,11月25日鉆井結(jié)束,于2013-01-05機(jī)器開始進(jìn)行短暫試運(yùn)行。在煤層回采過(guò)程中,試驗(yàn)井均處于有效貫通狀態(tài),抽采效果良好。3月6日至7月1日期間的瓦斯抽采數(shù)據(jù)變化規(guī)律如圖14所示,瓦斯純量平均能保持在5 m3/min,瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均保持在50%以上。

圖14 試驗(yàn)井抽采數(shù)據(jù)Fig.14 Gas drainage data of surface borehole in test

為了對(duì)回采過(guò)程中地面井的變形規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,運(yùn)用鉆孔電視和鉆孔探錘對(duì)試驗(yàn)鉆井不同深度的變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)。從試驗(yàn)地面井的鉆井結(jié)構(gòu)變形和抽采數(shù)據(jù)分析可知,采動(dòng)影響下地面井結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變形,造成不同井深位置處的套管發(fā)生不同程度的變形和破裂;但套管雖然發(fā)生了一定程度的變形,地面井井身依然保持暢通狀態(tài),能夠連續(xù)進(jìn)行瓦斯的抽采。采空區(qū)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以上,效果良好,有效緩解了成莊煤礦5310工作面的瓦斯涌出量,降低了礦井總回風(fēng)瓦斯超限的壓力。

4 結(jié) 論

(1)煤礦采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)根據(jù)應(yīng)用區(qū)域及抽采范圍的不同可以分為采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井抽采。

(2)進(jìn)行采動(dòng)區(qū)地面井設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用條件的不同對(duì)資源評(píng)估、地面井布井位置、井型結(jié)構(gòu)、高危破壞位置防護(hù)、安全抽采等進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化分析與設(shè)計(jì),以保障地面井的結(jié)構(gòu)安全與抽采效果。

(3)成莊煤礦采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井抽采的良好效果證明了逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的適用性,應(yīng)加強(qiáng)瓦斯與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā),增強(qiáng)資源的安全、高效開采水平。

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Graded optimization design method on surface gas drainage borehole

HU Qian-ting1,2,SUN Hai-tao1,2

(1.Gas Research Institute,China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China;2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China)

In order to further optimize the design method of surface borehole in coal mine excavation influence region, the types and characteristics of the surface borehole were analyzed.A detailed classification of surface gas drainage borehole technology in coal mine excavation influence region was given,such as surface borehole in adjacency coal seam excavation influence region,surface borehole in current coal seam and surface borehole in old goaf region.The graded optimization design method had been developed including resource assessment,surface borehole position selection,surface borehole body structure optimization,protection of well at serious danger position and safety of surface drainage.A case study using this method was conducted in the CD-01 surface borehole at the Chengzhuang Coal Mine 5310 workface.The CD-01 surface borehole achieved a continued drainage in the excavation influence region and the adjacent goaf.The drainage gas concentration exceeded 50%.This test result suggests that this graded optimization design method is applicable.

excavation influence region;surface borehole;graded optimization design;coordinated development

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1907-07

2014-04-24 責(zé)任編輯:畢永華

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05040-004);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374236);山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2012012015)

胡千庭(1957—),男,江西吉安人,研究員,博士生導(dǎo)師。E-mail:huqtin@hotmail.com。通訊作者:孫海濤(1979—),男,河北保定人,副研究員,博士后。Tel:023-65239105,E-mail:dreamsht@163.com

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10.13225/j.cnki.jccs.2014.8014

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