煤矿区煤层气井地面抽采技术及应用

煤矿区煤层气井地面抽采技术及应用摘要：煤矿开采期间，底层容易发生剧烈活动，导致采动区上的覆岩层出现大量的裂隙、离层等情况，势必会显著提高煤岩层的透气性，使得由卸压煤层所释放的瓦斯可以在煤岩层中富集与流动，这也被称为煤层开采的"卸压增透效应〃。本文基于煤矿区煤层气井地面抽采技术及应用展开论述。关键词：煤矿区煤层气井地面抽采技术及应用引言采矿工程过程中不安全的因素客观存在，如果不能有效地控制，发生安全事故的概率会增加，妨碍工程顺利进行，威胁到工人的生命安全。因此，各煤矿必须加强矿山安全管理，制定完善的矿山工程不安全因素分析处理规范，将具体矿山工程特点与施工要求相结合，分析具体不安全因素类型，提出相应的解决对策，提高煤矿开采工程建设的合理性和科学性，确保矿山工程施工效率，提高煤矿的安全生产意识，实现可持续发展。1煤矿区煤层气开发模式煤与煤层甲烷的共生决定煤炭开采与煤层甲烷开发密切联系及相互作用。关于加快煤矿瓦斯（CBM）排放利用的一些意见》（国家发行[2006]47）明确提出了“先开采瓦斯，后开采煤炭，再开采煤炭的瓦斯一体化〃煤层气开发原则。“为了防止煤矿瓦斯事故、充分利用能源资源和有效地保护生态环境，必须同时采取各种鼓励和支持措施，以及先后采矿、管理和利用。〃采用地面煤层气有效降低煤气含量，有利于煤炭资源的安全开采与开采活动的联系。与此同时，煤炭开采导致附近岩层移动，邻近层的透气性大大提高，有助于CBM资源的有效开发。煤炭企业开发煤层甲烷的主要目的在于为煤矿生产提供安全的煤气环境，CBM开发是从属的，而CBM煤气开发的目的仅仅是为了获得经济利益，勘探和开发受煤炭生产的限制，CBM井网布局受煤炭开采计划、工作面布局和开采速度的限制，受煤炭开采影响，煤矿区的煤层井受到服务年限一般较短，CBM勘探和开发要求在短时间内降低煤层的煤气含量，以满足为了实现煤与煤层气协调发展，实现“抽、挖、开采〃的协调，根据煤炭开发的时空继承规则，一般将煤矿部门划分为规划区、准备区和生产区，煤矿规划区尚未开始开采，该区域的煤气含量一般大于16m3/t。一般来说，煤层气企业采用地面提取技术，5~8a执行煤层气预抽作业。准备区是指煤炭工程3-5a内即将回收的区域，其中瓦斯含量要求下降到16m3/t以下，地面采集以煤层气企业为主，地下煤炭企业以地下方向的长钻孔采集为主，创造了将准备区转换为生产区的条件。2保护层开采的技术原理在煤层被开采之后，被开采煤层周围的煤层也会不断地向着采空区进行移动。而在这种扰动下，煤矿内部原有的平衡关系就会被干扰和破坏，并在最终使得煤岩体原有的应力状态发生改变。改变之后，煤岩层内部的压力也就会被释放，从而形成一类采动裂隙而瓦斯作为煤层中伴生的气体，本身有着很强的流动性。而采动的裂隙本身也会为瓦斯更好地在煤层中进行流动而提供有效的通道。3采动区地面井抽采所存在的主要问题及所使用的关键技术3.1采动区地面井变形破坏理论和关键参数通过构建煤矿区煤层气提挖拉剪挤压综合变形破坏模型，逐步建立钻井套管、挡土墙水泥环和岩壁三域耦合模型确定钻井套管最大剪应力和最大拉应力函数的矿区地表井"水平拉伸变形〃理论框架。结果发现钻套的抗变形能力直接受到井底套管的壁厚、深度半径和钢等参数的影响。3.2采动区地面井身结构优化设计技术结合极限分析理论，人们确定了地井套管破碎石机剪切安全系数和拉伸安全系数概念，构建了地面套管损伤危险位置p系数识别方法，用于指导矿区地井结构优化设计。3.3采动区地面减抗破坏防护结构及措施地面井的破坏主要集中在某些核心位置，因此应以"流血胃酒，抗力辅助〃的想法为基础，确定一系列可显着提高地面井抗毁剪、拉伸、厚壁刚度等的保护结构，并为接头制定有效的保护措施。3.4采动区地面井抽采成套技术体系人们要考虑不同矿区煤层地质条件和煤矿采掘工艺特点，结合地面井身结构设计、井位布置优化、钻井施工方案设计、地面井抽采系统设计以及钻井工程防护技术等多种技术，探索和建立采动区地面井抽采成套技术体系。3.5条带式井上下联合抽采条带式井上下联合抽采是指在未进行地面预抽的规划区或准备区，对拟开设的水平大巷、盘区（带区）大巷、工作面巷道，在其两侧施工常规地面钻井，完井后进行储层压裂改造，然后进行地面煤层气抽采；当巷道掘进后，施工近水平瓦斯抽采定向钻孔连通地面井压裂影响区，也可根据需要对井下长钻孔实施井下压裂，以便实现井下钻孔与地面压裂井裂隙网的高效互连，此时，停止地面煤层气抽采，改为井下钻孔负压抽采条带式井上下联合抽采具有两方面的技术优势：一方面通过地面钻井实施水力压裂这一有效的储层改造措施，在影响区内形成大量的人工裂缝，使抽采通道与煤储层中的天然裂隙有效连通，可扩大抽采范围、提高抽采效率；另一方面，在井下施工近水平定向长钻孔，通过轨迹控制实现多个地面工程井压裂影响区的"串联”，能够发挥井下钻孔施工成本低、布孔灵活的优势，主要适用于煤层结构完整、力学强度高、构造相对简单的煤矿区。3.6地面井与井下长钻孔连通压裂联合抽采地面井与井下长钻孔连通压裂联合抽采是通过在地面施工垂直井，在井下沿煤层施工定向长钻孔，借助定向钻进技术使地面直井与井下长钻孔交汇贯通，随后对井下定向长钻孔进行有效封孔，利用地面压裂设备通过地面井对目标抽采区域及井下钻孔进行压裂作业，实现对抽采区域的增透改造后进行抽采，其产气方式主要分为井下采气和地面采气两种，如图3所示。针对碎软煤层定向钻孔成孔困难问题，有学者提出首先施工地面直井进行水力压裂，对目标煤层进行预抽，然后在目前煤层下底板岩巷施工放射状穿层钻孔进行二次瓦斯抽放，对突出煤层卸压消突。结束语煤层气（通常称为"气体”）是可燃性和爆炸性危险气体，其燃烧的副产品是水，因此是干净的能量。目前，大部分煤层甲烷与煤炭开采一起排放到大气中，这增加了地下开采工作的风险，并造成了巨大的资源浪费。随着对CBM的关注度日益提高，许多企业逐渐关注CBM资源的开发。目前煤层甲烷的地面提取和运输工艺主要以天然气开采工艺为基础，但甲烷的储存地质条件和本身特性与天然气有很大差异，存在现有提取和运输方法效率低下、工艺过程麻烦等问题，对CBM的进一步开发［1］影响很大，因此迫切需要研究CBM的提取和运输工艺，优化提取和运输工艺，从而提高CBM提取。参考文献张光波，祁空军，刘春春，张玮，边建军，赵磊.煤矿区煤层气与煤协调开发模式探讨[J].中国煤层气，2018，15（06）：43-46.范晓刚.巷道过地面煤层气井压裂区域灾害防治技术[J].能源与环保，2018,40（11）：61-65.刘进平，高云，李欣.地面水力压裂对井下煤层瓦斯抽采影响分析[J].中国