地面钻井抽采突出煤层群保护层开采卸压瓦斯技术解析

1、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 15km 2。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、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 104.64 m3/min，相对瓦斯涌出量为29.96 m 3/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 5

3、232、 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 35t，瓦斯1600 m3，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 0.0250.98mD，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

4、 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

5、 年 45 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。地面瓦斯抽米钻井抽米卸压瓦斯如图 1所示地表图1乌兰煤矿煤与瓦斯卸压共采原理图弯曲下凤

6、阳裂陳带 H-;A嵋戈浪施卅训（二）首采工作面基本参数5757工作面位于乌兰井田南翼采区1213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：1.42.3m，平均1.9m ;煤层倾角：15 5 ，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17m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

7、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P1P3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。 P1P2 相距 20m， P2P3 相距 18m， P4P5 相距 15m， P5P6 相距 12m， P3P7 相距 120m， P7P8 相距 230m 。(2 )钻井工程

8、。一开：用311mm潜孔锤钻头开孔，钻进至基岩 35m 后下套管，然后用水泥封固套管。二开：换 215.9mm潜孔锤钻头钻至2号煤 层顶板以上10m处。三开：换114mm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 50mm 钢管到 2 号煤层顶板以上 2m 处，用密度为(1.501.75)x103kg/ 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所示地层蠶层厚称 名柱状OSSn* * + + + + * * + + + *# + *-53.1L,站孔T77t/表层套管钢管73 mm幵申311 mm技术说明橡胶

9、圈、討札pm”变形孔 $ II 14mmhl：钻孔深度l4.1m. hlt变幣空lOnioE“钢皙超出Lj；表圧套管长L,：瓦斯和压室2m钻井工程幵：用潜孔輝帖311mm开孔，站进 至基岩45m后，F 套借.撚后用水泥 封固好套岳二开 t 用215,9nim 辯孔锤钻头一径站 至空号煤层顶板以上 lOmittc三开：换I I4imin潜 孔锂粘头钻至2号煤 上!底扳以下10m的也 置完饥(2)完井工程 三开站完后.下入 073ttini钢管到2号煤 层顶腋凶上Nn处， 用比 $71.5(1.75 的水泥浆固井+固 井段賦2号煤层顶扳 以上10m至孔口 图2测压钻井井身结构图图3地面钻井及抽采系

10、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 60 m3/min的移动瓦斯抽放泵。预计单孔瓦斯流量为14 m3/min，即每天2万m3，透气性系数增加1500倍，即X=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。

11、一开：用245mm潜孔锤钻头开孔，钻进至基岩 35m后, 下244mm套管，然后用水泥封固套管。二开：换 219.5mm潜孔锤钻头钻至 50m ,下193.7mm套管，用密度为(1.501.75) X103kg/ m3的水泥浆固井至地 面。三开：换 177mm 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139.7mm套管。在0110m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。JI7层设计深度底檢名称钻孔结构技术说明07.007.0壷土10.25163.4194920

12、8.5 niT 232.04 240.44 241.213.1531.5757?02TT0J7256.81255.852号煤层中轴粒砂岩工号煤层5号煤层召号煤层粉秒岩灰岩丁号煤层粉砂岩g号煤层“开口245miin表层宾管244mni妙 193.7mm固井/一实管* 139.7mm、0177nnniI!筛管 I39 7mm =2号煤层丁号煤层 &号煤肚ftp蛙计钻孔探度276.81m 辱筛管到2号煤层顶板以上 l（hn吟三开孔底距丁号煤顶板距 离10m, 7号煤旨端带，要求 从7号煤排掉水L,：实管延4申地面L2i固井长50,0m1, 站井工程-开：用245mm潜孔锤诂 头

13、开孔.钻诳至基岩4兄后, 下d244uun樂管*然后用水泥 封固好奏脅二开：换2l9,5nmi潜孔祿 钻头钻到,0m,下I9,7mm套 骨.黙后用相对密度为 1.50- 1/75的水滬浆固井全地 血上开：换机Rtnni潜孔锤 钻头站到7号煤层顶梔以上 10m的位宜完鮎2. 完井工程三开钻完后，下入*139.7mm 套管在0 llOmmfc右处下 实管，到2号煤层顶枫以上 10处卞筛管直到7号煤层 顶扳以上处图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

14、 2008年1月31日，矿井 保护层开采区域已经抽出纯瓦斯 4635574 m 3，其中单孔最大抽采量达到17000 m3/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(.EUI * 吕=0润5-I 一iesc s.-m 吕 寸EworJ 02 二ETSEOOE 62YO0Z 一負好 龙gwoiNLawzmsIR9 二S脅 faooz &c3OEZJSOOC 心一 E吕R-2-S旨 62L0OC Gm.esooz -. zwtoo _ sort图51号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图图62号钻井浓

15、度及标准纯瓦斯流量曲线图巧-80寓 悶一odooCM mtsoe ZT営离-i f 00 geeocm WSM s二 csrM A- - i -SOK P 二 L 呂 mmDdoor 禹，goof T 一-羞 m L,兽舄 去EE &2-5舄 生更吕 chNEOE 二5胃 ,二#001 二二.ICMK !-=同图73号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图-1 MOOZ EMO0E 9.兽吕 胃 200 Iwsd WLOOZ mr-zOE- -S 二L-呂 E9 8 7 6 s-43 21o 7逞.B8W3迸宜 E 一_.送旨9-soz: B- SRIW8E 寸 mzooc 92.盏 ? = i mE

16、昌 *n= 7wc 二旨80加制50403020100图84号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图=吕 CS&枣垢图95号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图(I*用一営吕 tTLSOK 胃一M喬 B 二.8002 E 一一00 赛AW图106号钻井浓度及标准纯瓦斯流量曲线图爲S离 雪一一S為i32i V-IOTS阊M6LSC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1319381 m 3，已停抽；1号孔的抽采量达 到1309545 m3，仍然在持续抽采之中。图15

17、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，抽米的钻井数少，抽米量最少，为532466m3; 9月份采动卸压作用活跃，抽采量最多，达到918774 m 3; 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。I号2号加】号加号3号4号5号砂5000004500004000()035000030000025000020000015000010O(W5UW0月月8- 9月月H o I 2FT图13各个钻井每月的抽采瓦斯量*7r-O10000009000

18、00 xooooo 刊00005UDOOO4000003000002000001000000I号2号加1号加2号2；号4号 冉&号HUOOOOI20CW&0IO0OOOOSOOOOO600000400000200000E-巨迅莘军OE、提曰皑屢月9xnIOJ1IJJ 刀 12 月图14各个钻井抽采总量对比图15各月份抽采总量对比表I 5757地面鮎井抽采瓦斯情况表钻井号开始抽采时间停止抽采时间抽采瓦斯浓度累计抽釆量/万m3备注12007, & 1正常抽采35 -90130. 9545昼2007+& 12007.12. 1716 -70131.9381阖抽采瓦斯浓度小于16%鮒加12007. 9

19、. 182007. 12. 616 -7323.1974禺抽采瓦斯浓度小于16%停抽加22007, 4 29正常抽采25 -7038.540232007. 1L2正常抽采209558. 36142007. 1J.8正常抽采18 -7064. 818252008. J, S正常抽采60 908. S02262008. 1. 8正常抽采18 906. 9458合计463.5574表25757地面钻井抽采瓦斯量统计数据(200Z 8. 1 -2008. L31)钻井号8月份9月份月份11月份12月份1月份单孔合计1323863390614184765110258142390, 08157654. 9

20、441309545.024220860346950036S77125308619421.28停抽1319S8J.2&加158660137447296946173. 568停抽231974. 568加212468018407552543. 15224104. 16385402.3123105716218770.56259123. 68583610.24490418259209.21629S555. 2648182.41658802088020669458. 469458.4总计532466918774815663773247698507. S56896916. 3844635574.24(二)

21、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。表3 2号和3号煤层却压范围内瓦斯抽采券数煤层煤厚/m原始吨煤瓦斯含fi/点吨煤残余瓦斯量抽采率/牺2号2+ 7510.66, 88435+13号7+29,315.29443+1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。10.69.31S.36352942号煤层3号煤建0O煤层瓦斯含星 以啊预抽时瓦斯贱余星 n现在保护足厅采时瓦斯贱余區2108 4 2 宀JEN塔也运氐o5 O 5 0 5 0 5 04 4 3 3 2 2 1 1图16煤层瓦斯抽采率对比图17不