劉龍斌

（山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，太原 030001）

煤礦開采期間，底層容易發(fā)生劇烈活動(dòng)，導(dǎo)致采動(dòng)區(qū)上的覆巖層出現(xiàn)大量的裂隙、離層等情況，勢必會(huì)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(dòng)，這也被稱為煤層開采的“卸壓增透效應(yīng)”[1]。

采動(dòng)區(qū)地面井抽采瓦斯技術(shù)也是在此基礎(chǔ)上建立的，該技術(shù)一般是采區(qū)回采之前由地面向地下開采煤層垂直鉆出300～450 mm直徑的孔洞，鉆孔一般鉆至目標(biāo)煤層的上方停止，在頂板垮落后，就可以使用鉆孔從具有大量裂隙的直接頂冒落帶抽取煤層氣。因?yàn)樵摷夹g(shù)施工位置是地面，施工條件較為簡單，并且對于煤炭回采不存在額外的影響，其能夠確保采前預(yù)抽、采動(dòng)抽采以及采空區(qū)抽采工作的連續(xù)開展，從而能夠?qū)崿F(xiàn)全過程抽采和控制煤層氣，我國的各大礦區(qū)對此都較為青睞。煤礦區(qū)煤層氣地面井抽采技術(shù)可以細(xì)分為地面井壓裂預(yù)抽、采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采以及采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井抽采技術(shù)三個(gè)類別。

近年來，我國對于煤層氣資源的開發(fā)重視程度越來越高，并且對于煤層氣的開發(fā)利用出臺(tái)了多項(xiàng)政策，有效促進(jìn)煤層氣資源的勘探、開發(fā)與利用相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。在此環(huán)境下，地面井壓裂預(yù)抽和采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采技術(shù)都獲得了令人矚目的成就，我國的諸多學(xué)者在煤與煤層氣協(xié)調(diào)開采、地面井排采機(jī)理以及產(chǎn)量預(yù)測、煤層氣流動(dòng)特征、采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井破壞機(jī)理與防護(hù)工藝、煤礦區(qū)地面鉆進(jìn)與壓裂技術(shù)等方面都進(jìn)行了大量的研究，并且取得了豐碩的研究成果[2]。當(dāng)前已經(jīng)建成了淮南煤層群開采條件煤層氣抽采示范工程基地以及晉城單一厚煤層開采條件示范工程基地。采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣地面井抽采技術(shù)的發(fā)展較其他而言相對較慢，該技術(shù)側(cè)重煤層氣資源的來源分析和儲(chǔ)量評估模型構(gòu)建，但是相關(guān)理論缺乏較多的現(xiàn)場試驗(yàn)[3]。

1 我國與發(fā)達(dá)國家就地面井抽采項(xiàng)目合作研究及國內(nèi)試驗(yàn)情況

1.1 我國與澳大利亞在地面井抽采項(xiàng)目研究方面獲得的進(jìn)展

淮南礦業(yè)集團(tuán)有限公司、中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院以及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究院在“十五”期間就開始就地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)域煤層氣相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，在經(jīng)歷十?dāng)?shù)年理論和現(xiàn)場研究試驗(yàn)后，在鉆井布置原則、布井間距以及鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面都取得了令人矚目的成果。其確定“地面鉆井布置在距回風(fēng)側(cè)20～70 m內(nèi)對于煤層氣的抽采較為有利，布置在靠近回風(fēng)側(cè)30 m以內(nèi)并且適當(dāng)增加鉆孔直徑可以使得鉆井穩(wěn)定性顯著提升”等科學(xué)結(jié)論，并且結(jié)合淮南礦區(qū)的煤層地質(zhì)特征，分別設(shè)計(jì)出第一代、第二代以及第三代結(jié)構(gòu)地面抽采井，使得采動(dòng)區(qū)地面抽采井的有效運(yùn)行時(shí)間明顯增加。當(dāng)前，淮南礦業(yè)集團(tuán)已經(jīng)逐漸形成了一套能夠較適合“煤層群后表土層”地質(zhì)條件的采動(dòng)區(qū)煤層氣地面井設(shè)計(jì)、施工以及抽采成套技術(shù)，其在各個(gè)大型礦區(qū)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，使得各礦區(qū)的煤層氣抽采效率和井下生產(chǎn)的安全系數(shù)得到顯著提升，不僅促進(jìn)了井下的安全生產(chǎn)，還能夠有效控制經(jīng)濟(jì)成本。

1.2 地面井抽采在晉城的研究試驗(yàn)

晉城礦區(qū)存在工作面煤層氣的治理難度較高、治理壓力較大的問題，在與中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院合作完城“十一五”“十二五”國家科技重大專項(xiàng)采動(dòng)區(qū)地面井技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)后，采煤工作面、回風(fēng)巷以及鄰近層煤層氣量較大、煤層氣中瓦斯?jié)舛容^高等問題都得到了有效解決，使得煤礦井下安全生產(chǎn)問題得到有效解決。當(dāng)前，晉城礦區(qū)存在9口礦井抽采煤層氣，其中8口礦井的抽采效果較好[4]。通過對每口地面井實(shí)現(xiàn)專業(yè)的設(shè)計(jì)，對地面井覆巖的巖性進(jìn)行系統(tǒng)分析，人們了解了地面井的變形規(guī)律，了解其主控因素的實(shí)效性，并得到采動(dòng)區(qū)地面井變形破壞模型，提出晉城礦區(qū)地面井的破壞規(guī)律及布井原則，對采動(dòng)影響區(qū)地面井設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，確定最為合適的井型結(jié)構(gòu)，最終形成適合晉城煤礦區(qū)采動(dòng)影響區(qū)地面井的開發(fā)模式。

2 采動(dòng)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)

當(dāng)前，我國各大礦區(qū)采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)試驗(yàn)表明，部分采動(dòng)區(qū)地面井在工作面推過后就很快會(huì)出現(xiàn)損毀的情況，煤層氣的產(chǎn)氣量快速下降，甚至不再出氣，因此出現(xiàn)地面井實(shí)際使用壽命較短、抽采總量較小的情況。而沒有被損毀的地面井都可以對工作面回采的卸壓影響進(jìn)行充分利用，從而抽采大量的煤層氣，所以當(dāng)前采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)發(fā)展的優(yōu)化之處就是要如何避免地面井因?yàn)椴蓜?dòng)影響而損毀。

對此，中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院深入研究分析了采動(dòng)區(qū)地面井的破壞機(jī)理，確定地面井在采動(dòng)影響下的變形破壞以鉆井套管的S形剪切破壞以及拉伸徑縮破壞為主，整體表現(xiàn)為綜合破壞。經(jīng)過十?dāng)?shù)年的研究，采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)已經(jīng)獲得了關(guān)鍵性的突破，主要體現(xiàn)在四個(gè)方面。

2.1 采動(dòng)區(qū)地面井變形破壞理論和關(guān)鍵參數(shù)

通過構(gòu)建煤礦采動(dòng)區(qū)地面煤層氣抽采鉆井的拉、剪、擠以及綜合變形破壞模型，人們逐漸創(chuàng)建了采動(dòng)區(qū)地面井“層面拉剪變形”的理論框架，通過鉆井套管、護(hù)井水泥環(huán)以及巖壁三域耦合作用模型，從而確定鉆井套管最大的剪應(yīng)力和最大拉伸應(yīng)力函數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆井套管抗變形能力直接受到地面井套管的壁厚、井深半徑以及鋼級等參數(shù)的影響[5]。

2.2 采動(dòng)區(qū)地面井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

結(jié)合極限分析理論，人們確定了判識(shí)地面井套管破壞石機(jī)的剪切安全系數(shù)和拉伸安全系數(shù)的概念，并且構(gòu)建了地面井套管破壞高危位置P系數(shù)判識(shí)法，將其用于指導(dǎo)采動(dòng)影響區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 采動(dòng)區(qū)地面減抗破壞防護(hù)結(jié)構(gòu)及措施

地面井的損毀主要集中在部分關(guān)鍵位置，所以在堅(jiān)持“以避為主、以抗為輔”的思想基礎(chǔ)上，要確定能夠顯著提高地面井抗破壞性的剪切、拉伸、厚壁剛性等一系列的防護(hù)結(jié)構(gòu)，制定鉆固井的有效防護(hù)措施。

2.4 采動(dòng)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(diǎn)，結(jié)合地面井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井位布置優(yōu)化、鉆井施工方案設(shè)計(jì)、地面井抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及鉆井工程防護(hù)技術(shù)等多種技術(shù)，探索和建立采動(dòng)區(qū)地面井抽采成套技術(shù)體系。

3 煤礦采動(dòng)區(qū)地面煤層氣井抽采設(shè)備優(yōu)化應(yīng)用及效果

3.1 煤礦采動(dòng)區(qū)地面煤層氣井抽采設(shè)備優(yōu)化應(yīng)用

使用水環(huán)式真空泵進(jìn)行煤層氣抽采，并在水環(huán)泵后端串聯(lián)噴油式螺桿增壓機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對所抽采的煤層氣的集中運(yùn)輸和利用。水環(huán)泵通過多個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)測所抽采的煤層氣的濃度、壓力以及流量，并且在增壓機(jī)組的進(jìn)氣口位置安裝甲烷和氧氣傳感器，如果甲烷濃度低于55%或氧氣濃度高于8%，則增壓機(jī)組自動(dòng)進(jìn)行連鎖停機(jī)操作。

針對部分采動(dòng)區(qū)地面煤層氣井的甲烷濃度較低、氧氣含量較高的情況，可以為其安裝提純設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣源的提純處理，使得所抽采的煤層氣能夠得到有效的技術(shù)利用。提純設(shè)備主要利用變壓吸附原理來提高煤層氣中甲烷含量。變壓吸附系統(tǒng)主要由6臺(tái)吸附塔、1臺(tái)真空泵、1臺(tái)產(chǎn)品氣緩沖罐及相應(yīng)的程控閥門共同組成。煤層氣中的甲烷被變壓吸附塔選擇性地吸附，得以富集，而容易被吸附的大量空氣則從煤層氣中被分離，并釋放到空氣中。在吸附劑吸附甲烷飽和后，通過抽真空的方式收集提純的甲烷，使得吸附劑釋放甲烷，重新開始工作。收集的甲烷氣體先在產(chǎn)品氣緩沖罐中緩沖，再以產(chǎn)品氣的形式直接輸送到煤層氣壓縮機(jī)，進(jìn)行技術(shù)利用[6]。

3.2 煤礦采動(dòng)區(qū)地面煤層氣井抽采設(shè)備的應(yīng)用效果

在尚未增加提純設(shè)備之前，煤層氣抽采期間，甲烷含量不斷下降，氧氣濃度不斷上升。由于增壓機(jī)組設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)要求限制，所以抽采過程中停機(jī)時(shí)間明顯增加，在增加提純設(shè)備后，抽取的煤層氣得到合理處理和有效利用，優(yōu)化了采動(dòng)區(qū)地面煤層氣井抽采的煤層氣的集輸利用率。由此可見，煤礦采空區(qū)地面煤層氣井增加煤層氣的提純設(shè)備，能夠提升采動(dòng)井地面抽采煤層氣的效率。

4 結(jié)論

煤礦采空區(qū)地面煤層氣井抽采屬于低透氣性煤層氣抽采形式，其本身具有效率高、成本低的特點(diǎn)，不會(huì)受到井下時(shí)間和空間的限制，更容易操作。同時(shí)，人們要不斷優(yōu)化采動(dòng)區(qū)地面煤層氣井的抽采利用方式。抽采期間，針對甲烷濃度下降、氧氣濃度上升的情況，煤礦企業(yè)要合理利用提純設(shè)備，根據(jù)實(shí)際情況選擇和安裝煤層氣提純設(shè)備，同時(shí)應(yīng)用低濃度煤層氣短距離輸送技術(shù)，將多口井抽采的煤層氣集中起來進(jìn)行提純處理，以提高處理效率，降低處理成本。