摘 要：文章以地面鉆井抽采卸壓瓦斯的原理及煤與瓦斯共采理論依據(jù)，結合地面鉆井施工關鍵環(huán)節(jié)及施工要點，以卸壓瓦斯地面鉆井抽采工程實踐取得的大量資料為依據(jù)，提出了卸壓瓦斯地面井井位、井身優(yōu)化設計方案。研究結果對實現(xiàn)地面井長期穩(wěn)定高效抽采和煤與瓦斯共采意義顯著。

關鍵詞：地面鉆井；煤與瓦斯共采；鉆井工藝；井位部署

淮北礦區(qū)瓦斯突出礦井眾多，瓦斯災害嚴重，為實現(xiàn)煤與瓦斯共采并保障煤礦安全高效開采[1]，利用地面鉆井抽采卸壓瓦斯，具有抽放濃度高、抽采率高和施工條件好等優(yōu)點?？紤]到地面鉆井成本較高、施工復雜，為使鉆井能夠充分發(fā)揮作用，必須合理確定鉆井參數(shù)，以達到高產(chǎn)、高效、安全經(jīng)濟開采瓦斯和區(qū)域性瓦斯治理的目的。因此文章以煤儲層卸壓改造和井孔穩(wěn)定性理論為依據(jù)，合理優(yōu)化地面鉆井的時空分布關系并提出地面井井位選擇、井身優(yōu)化設計的方案。

1 卸壓瓦斯抽采原理和地面井井位選擇

淮北礦區(qū)煤層具有瓦斯含量高、瓦斯壓力大，煤層透氣性低，預抽效果較差等特點，很容易誘發(fā)煤與瓦斯突出事故。因此選擇合理有效的瓦斯抽采方法才是現(xiàn)階段消除瓦斯災害最經(jīng)濟最實用的技術手段。近年來國內(nèi)外的實踐表明，通過開采保護層的卸壓作用，可以使上覆煤巖體產(chǎn)生顯著的卸壓增流效應，其透氣性相對卸壓前可增加數(shù)千倍。因此，通過保護層開采的卸壓作用進行地面井抽采，可以取得很好的效果[2]，礦井得以安全高效開采。

根據(jù)礦山巖石力學理論，劉天泉院士提出：保護層開采后，采場上覆巖層冒落、下沉、移動變形，沿煤層頂板垂向上不同巖層的裂隙發(fā)育程度不同，采空區(qū)上方形成三帶：即冒落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶[3]。由于頂板巖層的垮落、移動，產(chǎn)生大量層間裂隙，上覆被保護煤層中的瓦斯卸壓解吸后，由吸附狀態(tài)變成游離狀態(tài)。由于游離瓦斯具有易上浮移動和滲流特性，使采空區(qū)上方環(huán)形裂隙區(qū)內(nèi)匯集大量瓦斯，因此在環(huán)形裂隙區(qū)內(nèi)布置地面抽采鉆孔，能夠獲得最理想的抽采效果[4]。

地面鉆井位置選擇應遵循兩點：一是能夠大面積、高濃度地進行抽采瓦斯，因此地面井的布置應在卸壓范圍內(nèi)，卸壓區(qū)瓦斯會在濃度差和壓力差的作用下流向鉆井，在抽采負壓作用下，能實現(xiàn)很好的抽采效果。二是為保證瓦斯抽采穩(wěn)定長效，避免井孔受影響而破壞，應優(yōu)化井位的選擇和井管的設計方案。然而，在抽采實踐中，卸壓地面井抽采瓦斯面臨嚴重的井孔穩(wěn)定性問題，這甚至是影響地面井抽采效果的決定性因素。以往對地面井的井位部署而使井孔過早破壞而停止產(chǎn)氣。針對該問題，文章討論了保護層開采后卸壓范圍及其控制的卸壓瓦斯抽采地面井位部署，在實現(xiàn)高透氣性高效抽采的同時，實現(xiàn)瓦斯的持續(xù)抽采[5]。

以往的研究表明，工作面中部是地面鉆井布置的合理位置，因為工作面中部離層裂隙發(fā)育最早，煤層透氣性最好，最易于瓦斯抽采，然而這一觀點忽略了在采動影響下，工作面中部水平位移量最先達到最大，膨脹變形量和沉降速度也最大，鉆井最易受到破壞；相反在傾向上近回風巷的煤層卸壓程度雖小于工作面中部，但其膨脹變形相對變小，水平位移量較晚達到最大，因此在布靠近工作面回風側置鉆井穩(wěn)定性較好，鉆井服務時間長。此外由于采空區(qū)卸壓瓦斯的運移和流動，使得靠近回風巷處的瓦斯更易積聚和富集。因此結合地面井布置實踐經(jīng)驗，地面井應布置在傾向上近工作面回風巷50～70米之間的位置，走向上距離始采線40米以外，從而實現(xiàn)瓦斯高效、持續(xù)、穩(wěn)定的抽采。

2 鉆井結構

一開地面至沖積層下30m（基巖風化帶下），孔徑φ311mm， 下入φ244.5×11.03mm護壁套管，護壁管外空間用水泥漿封固。

二開地面至6煤層頂板3～5m，孔徑為φ216mm，下入φ177.8×9.19mm套管。套管外壁空間用水泥漿封固。

三開至10煤頂板上10m，用直徑φ152mm鉆頭鉆進，下花管φ139×9.17mm，煤層段花管孔徑φ14mm，巖石段花管孔徑φ18mm，孔間距100×100mm，花管與二開重疊8m，一開、二開套管連接用外接箍。

三開下，用直徑φ94mm鉆頭鉆進，進入10煤層不少于2m，并下φ95mm木塞；套管鋼級為N80。鉆井結構示意圖如圖1所示。

3 鉆進工藝

孔口一開采用φ311mm牙輪鉆頭鉆至基巖風化帶下，見穩(wěn)定巖層后，測井，下入φ245mm護壁套管，待固井、候凝，止水檢查合格后，二開鉆進。二開采用φ216mm潛孔錘鉆進，鉆進至63煤層項板3～5m處，測井，下入φ177.8mm護壁套管、固井、候凝，止水檢查合格后，三開鉆進。三開采用φ152mm潛孔錘鉆進，鉆至10煤頂板10m處，測井，然后用φ94mm鉆頭掃孔至10煤底板下2m，測井，下φ95mm木塞，然后，下入φ139mm花管，不固井，花管底口不封閉。

3.1 鉆具組合及鉆進參數(shù)

立軸+φ89mm鉆桿+φ159mm鉆鋌+φ178mm鉆鋌+φ311mm（φ216mm、φ152mm、φ94mm）鉆頭。

3.2 管材的下入及洗井

套管在空氣中的自重均小于30噸， TSJ-2000鉆機提升能力可達40噸，能滿足下管要求，可直接將前二路套管下到設計位置。對于下入的φ139mm花管和φ95mm木塞，可用鉆具將其送入孔內(nèi)設計層位。

下入φ95mm木塞封堵四開井段后，用焦磷酸鈉溶液浸泡洗井。

4 關鍵環(huán)節(jié)及施工要點

4.1 泥漿的選用

由于瓦斯井孔徑大，施工地層沖積層厚，巖層不穩(wěn)定，護壁至關重要，因此選用優(yōu)質(zhì)PHP-HPAN泥漿進行護壁，該泥漿具有失水量小、流變性好、護壁能力強等特點。

表2 泥漿配方表

泥漿性能：密度1.03～1.08，粘度20～24秒，失水量小于12～15ml/30min，PH值8～9。視地層情況可隨時調(diào)整泥漿性能。在漏失層中可以加入惰性材料。

4.2 防斜、糾斜管理

瓦斯鉆井要求最大偏斜≤5‰，孔底水平位移≤2.5m，鉆孔防斜必須遵循“以防為主，糾偏為輔”的方針。

第一、鉆孔測量定位后，將地盤夯實，車載鉆機就位找平，保證安裝質(zhì)量，開孔前認真找正“三點一線”。把好開孔、換徑關，開孔使用的粗徑鉆具要直，連接后應同心，擴孔時應采用帶導向的塔式鉆具組合。

第二、采用合理的鉆具結構和正規(guī)的操作程序規(guī)程。采用鉆鋌加壓，鉆鋌重量應大于井底所需鉆壓，中和點應落在鉆鋌上，使鉆桿柱處于拉直狀態(tài)；正常情況下，三班的操作參數(shù)要保持一致，壓力要均勻，換層時要減壓鉆進，擴孔時要用鉆具作引導，導向鉆具與擴孔鉆具連接后要保持同心。

鉆進中及時測斜是預防鉆孔彎曲的有效手段，要求每鉆進30～50米測斜一次，每次測斜要認真做好記錄，繪制井身軌跡圖。

發(fā)生孔斜時要及時糾斜，新地層鉆進出現(xiàn)鉆孔頂角上漂，使用鐘擺鉆具，使鉆孔下垂。鉆孔偏斜過大時，使用螺桿鉆具進行糾斜，定向糾斜鉆具組合為：鉆頭+螺桿鉆具+無磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿+立軸。

糾斜前，首先對螺桿鉆具進行檢查，調(diào)試，一切正常方可入井；糾斜過程中，轉盤傳動軸要鎖緊，非定向技術人員不能隨意轉動；糾斜鉆進過程中，每鉆進一至二個單根測斜一次，了解頂角和方位角的變化，適時做出調(diào)整。

4.3 固井作業(yè)及木塞下入

一開和二開固井作業(yè)，一是為了護壁和減小采動對鉆井的破壞，同時為了隔絕沖擊層及煤層頂板各含水層的水涌入鉆井內(nèi)，影響瓦斯抽采效果和井下安全生產(chǎn)。

固井設備為TBW850/60泥漿泵一臺，清水泵1臺，10m3攪拌桶，水灰混合器。固井前應對固井設備進行檢查，確保固井工作順利進行。固井采用425#水泥，水泥、水和替漿量要準確計算。

下入φ245mm、φ177.8mm套管至孔底后，用稀泥漿沖孔，至孔內(nèi)泥漿比重降為1.05左右為止。固井漿液水灰比為0.56，由人工下灰于水灰混合器漏斗，開動清水泵閘閥，使水、灰同步進入混合器，混合器的漿液流入儲漿池，開動攪拌機，取漿測定比重，使比重為1.45～1.7，固管期間連續(xù)測試比重。當攪拌漿液比重達到要求，即可放漿入泵漿池，開動泥漿泵將水泥漿注入孔內(nèi)，灌注時中間不能停頓，直到水泥漿由井口返出，即可停泵。泵漿完成后進行替漿，準確計算替漿量；固井完，待水泥凝72小時，并且查看水泥漿樣品符合硬度要求時，換泥漿鉆進到層位，觀測管內(nèi)水位變化，評定固井止水效果。

三開以下用94mm鉆頭鉆進到煤層內(nèi)2米，因三開花管不固結，故縮徑造臺階預防花管墜入井下，用鉆具下入木塞至目的層位10煤層內(nèi)2米，木塞直徑95mm，總長不少于12m，下入木塞的目的一是為了防止煤系地層頂?shù)装逅罅坑咳刖虏擅汗ぷ髅妫菫榱嗽诖_保采煤作業(yè)時能及時發(fā)現(xiàn)鉆井的準確位置，保證安全回采。

5 地面鉆井抽采效果評價

地面鉆井抽采卸壓區(qū)瓦斯?jié)舛雀?，流量大，是一種行之有效的瓦斯綜合治理方式，因其安全高效，已被越來越多的煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井所采用。

圖2 地面鉆井瓦斯抽采濃度及混合流量曲線

圖2為淮北楊柳煤礦瓦斯抽采監(jiān)測曲線，平均抽采瓦斯?jié)舛?5%，最大抽采瓦斯?jié)舛?2.25%，混合瓦斯流量平均24m3/min，最大混合瓦斯流量28.07m3/min，純瓦斯流量20.4m3/min，高濃度高流量瓦斯確保地面瓦斯電廠發(fā)電，經(jīng)濟效益、社會效益和安全效益顯著，研究結果對瓦斯高效、持續(xù)、穩(wěn)定的抽采和煤與瓦斯共采意義重大。

參考文獻

[1]袁亮.卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術體系[J].煤炭學報，2009，34（1）：1-8.

[2]張樹川.地面鉆孔抽采被保護層卸壓瓦斯技術研究[D].淮南：安徽理工大學，2008.

[3]劉天泉.礦山巖體采動影響與控制工程學及其應用[J].煤炭學報，1995，20（1）：1-5.

[4]武杰，桑樹勛.淮南礦區(qū)保護層開采卸壓范圍及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（3）：13.

[5]黃華州.遠距離被保護層卸壓煤層氣地面井開發(fā)地質(zhì)理論及其應用研究-以淮南礦區(qū)為例[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2010.

作者簡介：韓丹（1986-），女，陜西渭南人，助理工程師，2008年畢業(yè)于安徽理工大學，現(xiàn)從事地質(zhì)勘查方面的工作。

4.2 防斜、糾斜管理

瓦斯鉆井要求最大偏斜≤5‰，孔底水平位移≤2.5m，鉆孔防斜必須遵循“以防為主，糾偏為輔”的方針。

第一、鉆孔測量定位后，將地盤夯實，車載鉆機就位找平，保證安裝質(zhì)量，開孔前認真找正“三點一線”。把好開孔、換徑關，開孔使用的粗徑鉆具要直，連接后應同心，擴孔時應采用帶導向的塔式鉆具組合。

第二、采用合理的鉆具結構和正規(guī)的操作程序規(guī)程。采用鉆鋌加壓，鉆鋌重量應大于井底所需鉆壓，中和點應落在鉆鋌上，使鉆桿柱處于拉直狀態(tài)；正常情況下，三班的操作參數(shù)要保持一致，壓力要均勻，換層時要減壓鉆進，擴孔時要用鉆具作引導，導向鉆具與擴孔鉆具連接后要保持同心。

鉆進中及時測斜是預防鉆孔彎曲的有效手段，要求每鉆進30～50米測斜一次，每次測斜要認真做好記錄，繪制井身軌跡圖。

發(fā)生孔斜時要及時糾斜，新地層鉆進出現(xiàn)鉆孔頂角上漂，使用鐘擺鉆具，使鉆孔下垂。鉆孔偏斜過大時，使用螺桿鉆具進行糾斜，定向糾斜鉆具組合為：鉆頭+螺桿鉆具+無磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿+立軸。

糾斜前，首先對螺桿鉆具進行檢查，調(diào)試，一切正常方可入井；糾斜過程中，轉盤傳動軸要鎖緊，非定向技術人員不能隨意轉動；糾斜鉆進過程中，每鉆進一至二個單根測斜一次，了解頂角和方位角的變化，適時做出調(diào)整。

4.3 固井作業(yè)及木塞下入

一開和二開固井作業(yè)，一是為了護壁和減小采動對鉆井的破壞，同時為了隔絕沖擊層及煤層頂板各含水層的水涌入鉆井內(nèi)，影響瓦斯抽采效果和井下安全生產(chǎn)。

固井設備為TBW850/60泥漿泵一臺，清水泵1臺，10m3攪拌桶，水灰混合器。固井前應對固井設備進行檢查，確保固井工作順利進行。固井采用425#水泥，水泥、水和替漿量要準確計算。

下入φ245mm、φ177.8mm套管至孔底后，用稀泥漿沖孔，至孔內(nèi)泥漿比重降為1.05左右為止。固井漿液水灰比為0.56，由人工下灰于水灰混合器漏斗，開動清水泵閘閥，使水、灰同步進入混合器，混合器的漿液流入儲漿池，開動攪拌機，取漿測定比重，使比重為1.45～1.7，固管期間連續(xù)測試比重。當攪拌漿液比重達到要求，即可放漿入泵漿池，開動泥漿泵將水泥漿注入孔內(nèi)，灌注時中間不能停頓，直到水泥漿由井口返出，即可停泵。泵漿完成后進行替漿，準確計算替漿量；固井完，待水泥凝72小時，并且查看水泥漿樣品符合硬度要求時，換泥漿鉆進到層位，觀測管內(nèi)水位變化，評定固井止水效果。

三開以下用94mm鉆頭鉆進到煤層內(nèi)2米，因三開花管不固結，故縮徑造臺階預防花管墜入井下，用鉆具下入木塞至目的層位10煤層內(nèi)2米，木塞直徑95mm，總長不少于12m，下入木塞的目的一是為了防止煤系地層頂?shù)装逅罅坑咳刖虏擅汗ぷ髅?，二是為了在確保采煤作業(yè)時能及時發(fā)現(xiàn)鉆井的準確位置，保證安全回采。

5 地面鉆井抽采效果評價

地面鉆井抽采卸壓區(qū)瓦斯?jié)舛雀?，流量大，是一種行之有效的瓦斯綜合治理方式，因其安全高效，已被越來越多的煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井所采用。

圖2 地面鉆井瓦斯抽采濃度及混合流量曲線

圖2為淮北楊柳煤礦瓦斯抽采監(jiān)測曲線，平均抽采瓦斯?jié)舛?5%，最大抽采瓦斯?jié)舛?2.25%，混合瓦斯流量平均24m3/min，最大混合瓦斯流量28.07m3/min，純瓦斯流量20.4m3/min，高濃度高流量瓦斯確保地面瓦斯電廠發(fā)電，經(jīng)濟效益、社會效益和安全效益顯著，研究結果對瓦斯高效、持續(xù)、穩(wěn)定的抽采和煤與瓦斯共采意義重大。

參考文獻

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[4]武杰，桑樹勛.淮南礦區(qū)保護層開采卸壓范圍及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（3）：13.

[5]黃華州.遠距離被保護層卸壓煤層氣地面井開發(fā)地質(zhì)理論及其應用研究-以淮南礦區(qū)為例[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2010.

作者簡介：韓丹（1986-），女，陜西渭南人，助理工程師，2008年畢業(yè)于安徽理工大學，現(xiàn)從事地質(zhì)勘查方面的工作。

4.2 防斜、糾斜管理

瓦斯鉆井要求最大偏斜≤5‰，孔底水平位移≤2.5m，鉆孔防斜必須遵循“以防為主，糾偏為輔”的方針。

第一、鉆孔測量定位后，將地盤夯實，車載鉆機就位找平，保證安裝質(zhì)量，開孔前認真找正“三點一線”。把好開孔、換徑關，開孔使用的粗徑鉆具要直，連接后應同心，擴孔時應采用帶導向的塔式鉆具組合。

第二、采用合理的鉆具結構和正規(guī)的操作程序規(guī)程。采用鉆鋌加壓，鉆鋌重量應大于井底所需鉆壓，中和點應落在鉆鋌上，使鉆桿柱處于拉直狀態(tài)；正常情況下，三班的操作參數(shù)要保持一致，壓力要均勻，換層時要減壓鉆進，擴孔時要用鉆具作引導，導向鉆具與擴孔鉆具連接后要保持同心。

鉆進中及時測斜是預防鉆孔彎曲的有效手段，要求每鉆進30～50米測斜一次，每次測斜要認真做好記錄，繪制井身軌跡圖。

發(fā)生孔斜時要及時糾斜，新地層鉆進出現(xiàn)鉆孔頂角上漂，使用鐘擺鉆具，使鉆孔下垂。鉆孔偏斜過大時，使用螺桿鉆具進行糾斜，定向糾斜鉆具組合為：鉆頭+螺桿鉆具+無磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿+立軸。

糾斜前，首先對螺桿鉆具進行檢查，調(diào)試，一切正常方可入井；糾斜過程中，轉盤傳動軸要鎖緊，非定向技術人員不能隨意轉動；糾斜鉆進過程中，每鉆進一至二個單根測斜一次，了解頂角和方位角的變化，適時做出調(diào)整。

4.3 固井作業(yè)及木塞下入

一開和二開固井作業(yè)，一是為了護壁和減小采動對鉆井的破壞，同時為了隔絕沖擊層及煤層頂板各含水層的水涌入鉆井內(nèi)，影響瓦斯抽采效果和井下安全生產(chǎn)。

固井設備為TBW850/60泥漿泵一臺，清水泵1臺，10m3攪拌桶，水灰混合器。固井前應對固井設備進行檢查，確保固井工作順利進行。固井采用425#水泥，水泥、水和替漿量要準確計算。

下入φ245mm、φ177.8mm套管至孔底后，用稀泥漿沖孔，至孔內(nèi)泥漿比重降為1.05左右為止。固井漿液水灰比為0.56，由人工下灰于水灰混合器漏斗，開動清水泵閘閥，使水、灰同步進入混合器，混合器的漿液流入儲漿池，開動攪拌機，取漿測定比重，使比重為1.45～1.7，固管期間連續(xù)測試比重。當攪拌漿液比重達到要求，即可放漿入泵漿池，開動泥漿泵將水泥漿注入孔內(nèi)，灌注時中間不能停頓，直到水泥漿由井口返出，即可停泵。泵漿完成后進行替漿，準確計算替漿量；固井完，待水泥凝72小時，并且查看水泥漿樣品符合硬度要求時，換泥漿鉆進到層位，觀測管內(nèi)水位變化，評定固井止水效果。

三開以下用94mm鉆頭鉆進到煤層內(nèi)2米，因三開花管不固結，故縮徑造臺階預防花管墜入井下，用鉆具下入木塞至目的層位10煤層內(nèi)2米，木塞直徑95mm，總長不少于12m，下入木塞的目的一是為了防止煤系地層頂?shù)装逅罅坑咳刖虏擅汗ぷ髅?，二是為了在確保采煤作業(yè)時能及時發(fā)現(xiàn)鉆井的準確位置，保證安全回采。

5 地面鉆井抽采效果評價

地面鉆井抽采卸壓區(qū)瓦斯?jié)舛雀?，流量大，是一種行之有效的瓦斯綜合治理方式，因其安全高效，已被越來越多的煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井所采用。

圖2 地面鉆井瓦斯抽采濃度及混合流量曲線

圖2為淮北楊柳煤礦瓦斯抽采監(jiān)測曲線，平均抽采瓦斯?jié)舛?5%，最大抽采瓦斯?jié)舛?2.25%，混合瓦斯流量平均24m3/min，最大混合瓦斯流量28.07m3/min，純瓦斯流量20.4m3/min，高濃度高流量瓦斯確保地面瓦斯電廠發(fā)電，經(jīng)濟效益、社會效益和安全效益顯著，研究結果對瓦斯高效、持續(xù)、穩(wěn)定的抽采和煤與瓦斯共采意義重大。

參考文獻

[1]袁亮.卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術體系[J].煤炭學報，2009，34（1）：1-8.

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[3]劉天泉.礦山巖體采動影響與控制工程學及其應用[J].煤炭學報，1995，20（1）：1-5.

[4]武杰，桑樹勛.淮南礦區(qū)保護層開采卸壓范圍及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（3）：13.

[5]黃華州.遠距離被保護層卸壓煤層氣地面井開發(fā)地質(zhì)理論及其應用研究-以淮南礦區(qū)為例[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2010.

作者簡介：韓丹（1986-），女，陜西渭南人，助理工程師，2008年畢業(yè)于安徽理工大學，現(xiàn)從事地質(zhì)勘查方面的工作。