摘要：在煤層開采過程中，巖層運動形成大量的裂隙可以作為瓦斯的流動通道。在采動區(qū)的合適位置布置煤層氣井，可以保證煤層氣開發(fā)的效果。結合了煤層開采巖層運動的規(guī)律，重點分析了在采動區(qū)布置煤層氣井的關鍵因素。首先，分析了采動過程中煤層氣富集有利區(qū)優(yōu)選機理。其次，分析了采動過程中煤層氣井的變形機理。最后，對煤層井的布置進行探討。結果表明：采動區(qū)煤層氣井應該布置在回風巷側且地表沉降拐點連線和采場中心線之間的區(qū)域；為了保持煤層氣井的穩(wěn)定性，鉆井應該采用二級結構和三級結構。

關鍵詞：采動區(qū)煤層氣開發(fā)巖層運動煤層氣井

中圖分類號：TD82;TE37

ResearchonKeyTechnologiesfortheLayoutofCoalbedMethaneWellsinMiningAreas

LIZheyuan1LIRonglei2FENGYunfei2

1.GuizhouCoalbedMethaneEnergyDevelopmentCo.，Ltd.，Liupanshui，GuizhouProvince，553000China;2.GuizhouResearchCenterforCoalbedMethaneandShaleGasEngineeringTechnology，Guiyang，GuizhouProvince，550081China

Abstract：Intheprocessofcoalmining，thestratamovementcreatsalargenumberoffracturesthatcanserveasflowchannelsforgas.Theplacementofcoalbedmethanewellsintheappropriatelocationofminingareascanensuretheeffectofcoalbedmethanedevelopment.Thispapercombinesthelawofthestratamovementduringcoalminingtofocuseonthekeyfactorsofthelayoutofcoalbedmethanewellsinminingareas.Thepaperfirstanalyzesthe optimizationmechanismofthefavorableareasofcoalbedmethaneenrichmentduringmining，thenanalyzesthedeformationmechanismofcoalbedmethanewellsintheminingprocess，andfinallydiscussesthelayoutofcoalbedmethanewells.Thefindingsindicatethatcoalbedmethanewellsinminingareasshouldbearrangedonthesideofthereturnairroadwayandtheareabetweentheconnectionlineofsurfacesubsidenceinflectionpointsandthecenterlineofthestope，andthatthewelldrillingshouldadoptsecondaryandtertiarystructuresinordertomaintainthestabilityofcoalbedmethanewells.

KeyWords：Miningarea;Coalbedmethanedevelopment;Stratamovement;Coalbedmethanewell

煤層氣開發(fā)不僅可以獲得清潔能源，還可以降低煤層開采時引發(fā)的災害。目前，國家相關部門已經(jīng)發(fā)布了多個政策性文件，加快煤層氣的開發(fā)和利用，減少瓦斯對生態(tài)的污染，促進煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。但是，煤層氣資源開發(fā)的總體效果并不理想，煤層氣的抽采量距離國家制定的目標還有很大的差距[2-3]。因此，如何加快煤層氣的高效開發(fā)依然是關注的重點內容之一。在煤炭開采時，進行煤層氣開發(fā)是一種有效的方式，但是需要選擇合適的煤層氣井位置和使煤層氣井不受巖層運動的影響。

1煤層氣富集有利區(qū)優(yōu)選機理

煤層開采后，被保護層受采掘擾動，原始地應力條件平衡被打破，應力降低使巖體發(fā)生變形破壞。隨著工作面的回采，煤層頂板開始垮落，并釋放巖層壓力。在采空區(qū)不斷被矸石壓實時，煤壁受到支撐壓力的作用產生大量的裂隙。在采動初期，采空區(qū)中心附近的巖層裂隙發(fā)育最為徹底。隨著回采的進行，采空區(qū)中心處逐漸被壓實，而靠近采空區(qū)邊緣由于受到煤柱的支撐作用裂隙仍能保持較好的暢通。因此，煤礦開采后，采空區(qū)四周的巖層裂隙內游離瓦斯相對較多。數(shù)值模擬研究表明，裂隙發(fā)育區(qū)的范圍與開采范圍存在顯著的相關性。

在回采過程中，當工作面推進距離小于離層產生的距離時，離層范圍隨著工作面的推進范圍越來越大，反之，則離層范圍隨著工作面的推進產生遷移。被保護層的離層裂隙始終位于工作面后方的采空區(qū)中央。在采動影響穩(wěn)定后，離層裂隙在停采線附近的一部分區(qū)域內會保持穩(wěn)定，而這個采動穩(wěn)定區(qū)域具有高滲透性，非常利于煤層氣的抽采[4]。

采動過程中煤層氣受應力釋放的影響，當儲層應力降低至甲烷臨界解吸壓力后，甲烷將解吸并擴散到孔隙中，孔隙中游離態(tài)甲烷濃度逐漸升高，在濃度差的作用下甲烷分子發(fā)生擴散，當壓力差和濃度差消失，甲烷分子將停止運移。因此，煤層氣富集區(qū)往往具有較好的空滲條件，應是應力釋放最為強烈的區(qū)域。

煤層氣富集區(qū)按其來源特征，可以分為開采階段煤層氣富集區(qū)和采動穩(wěn)定階段煤層氣富集區(qū)。在采動影響穩(wěn)定后，采空區(qū)上方的裂隙帶會被壓實，向采空區(qū)周邊的采場類型帶內轉移，形成“O”形圈空間瓦斯聚集區(qū)。因此，在這個區(qū)域內布置煤層氣井，就可以實現(xiàn)煤層氣的高效開發(fā)。

2采動期井筒結構變形機理

當煤層未被開采時，此時套管不受采動影響處于垂直狀態(tài)。但是隨著工作面的推進，上覆巖層由于受到采動的影響開始發(fā)生緩慢的水MnQssuzxGvQyl/IT4yPvOKWcstwvFPGGWNetPR8cPWQ=平移動，工作面繼續(xù)往前推進，距離鉆井的距離也越來越小，巖層受到的擾動更加劇烈，而此時巖層水平移動也逐漸增大，由于各巖層的力學性質和地應力條件不同，其水平移動距離各不相同。采動期巖層運動主要分為水平移動和向下移動。煤層開采后，套管受力平衡被打破，當應力超過套管鋼材的強度時，即可以導致套管破壞。按照套管破壞時的受力狀態(tài)，可將套管的破壞分為剪切破壞和拉壓破壞兩種破壞形式[5]。

當剪切力逐漸超過套管的剛性強度時，套管過渡為塑性狀態(tài)，并發(fā)生塑性彎曲，在此過程中，支撐套管的水泥環(huán)逐漸失穩(wěn)，發(fā)生破裂，套管由垂直狀態(tài)轉變?yōu)樾敝睜顟B(tài)，并向采空區(qū)的方向傾斜。隨著工作面繼續(xù)往前推進，離鉆井的距離更近，而此時下部的巖層受采動的影響較上部的更為劇烈，即此時下部巖層的水平移動速度的增加速率較快，因此當巖層的水平移動未達到最大值之前，不同層位巖體位移量不同，套管的狀態(tài)就會由斜直狀態(tài)轉變成“S”狀態(tài)，如圖1（a）所示?！癝”型井體最大斜率處往往是巖層性質突變面，即巖層交界處；開采煤層上覆巖體受地應力及重力作用逐漸形成三帶，因此，井位附近的巖體將受超前采動影響形成離層，并牽動井體向下運移，致使井體發(fā)生拉伸變形（如圖1（b）），因此，需要針對三帶的不同力學和變形狀態(tài)，對井筒進行分段防護。

3采動區(qū)卸壓煤層氣地面井布置分析

3.1煤層氣井的位置

針對井筒的破壞特性，為了盡可能減小采動對地面井的破壞，保證井筒的暢通，提出如下采動區(qū)地面井布置原則。

（1）地面井的位置應考慮采動對井身結構和有利于煤層氣抽采兩個方面。

（2）應盡量避免地面井受到剪切和離層拉伸最嚴重的區(qū)域。在回采時，距離工作面位置不同時，產生的水平和垂直方向的運動強度不同。在綜合考慮井筒結構穩(wěn)定性的情況下，井筒應該布置在地面沉降的拐點和采場中線之間的區(qū)域內。

（3）還要考慮到井下瓦斯治理的效果。在采場風流的影響下，將井筒布置在工作面回風側的巷道時，可以對上隅角的瓦斯起著很好的治理作用?？紤]到產能的影響，煤層氣井最好處于裂隙長期穩(wěn)定的區(qū)域。在采動作用下，裂隙發(fā)育且長期保持穩(wěn)定區(qū)域位于采空區(qū)的周邊，即靠近工作面開切眼、進回風巷等位置附近。因此，將煤層氣井布置在這些區(qū)域附近有利于長期產氣。

在綜合以上幾個方面的影響后，動采區(qū)煤層氣應該布置在回風巷側的地表沉降拐點和采場中心線之間的區(qū)域，如圖2所示。

3.2井身結構優(yōu)化

根據(jù)前述上覆巖層裂隙發(fā)育與瓦斯?jié)B流過程分析，煤礦采動區(qū)地面井的設計在考慮鉆井抗采動影響能力、抽采效果的條件下必須對地面井各井段的巖層移動影響、套管選型、水泥環(huán)參數(shù)優(yōu)化等進行逐級優(yōu)化設計，并在地面井區(qū)域布置和安全抽采控制方面統(tǒng)籌兼顧。地面卸壓煤層氣鉆井主要有井身二級結構和三級結構兩種方案，具體如圖3所示。

地面井設計成二級結構時，一開鉆進深度應該穿過施工區(qū)域表土覆蓋層與風化帶巖層，并深入基巖50m以下，同時鉆進深度不低于100m；二開鉆進深度應該深入到煤層覆巖垮落帶內，下入生產套管+篩管，同時下入分節(jié)箍，其中套管下深至采空區(qū)上100m，篩管下深至采空區(qū)上10m，即地面井底應位于開采引起的覆巖裂隙區(qū)瓦斯富集帶內，二開封固，水泥返至地面，受采高的影響，卸壓范圍較小，可以對篩管附近巖層進行擴孔卸壓。

地面井設計成三級結構時，一開鉆進深度應該穿過施工區(qū)域表土覆蓋層與風化帶巖層，并深入基巖10m以下，下入表層套管，對環(huán)空使用硅酸鹽高強水泥封固；二開鉆進深度應該達到煤層覆巖導水斷裂帶上方10～15m的位置，下入套管，套管高出地表0.5m，對環(huán)空使用硅酸鹽高強水泥封固；三開鉆進深度應該深入到煤層覆巖冒落帶內，采用懸掛方式固定篩管。

為保證地面井的抽采效果，施工過程中應該控制裂隙場道氣通道的完整性和污染。由于采動區(qū)巖層破壞嚴重，鉆井施工過程中容易發(fā)生塌孔和鉆井液泄漏的問題。對于非生產階段施工時，對于漏液嚴重的區(qū)域應該采用灌漿堵孔。

4結語

在煤礦開采過程中，同時進行煤層氣開發(fā)兼具安全效益和經(jīng)濟效益?？梢猿浞掷脦r層運動過程中產生的裂隙，加快煤層氣的抽采。在采動區(qū)布置煤層氣井，井筒不僅要處于裂隙發(fā)育區(qū)，還要能抵抗巖層運動產生的變形。煤層氣井應該布置在回風巷側且地表沉降拐點連線和采場中心線之間的區(qū)域。為了保持煤層氣井的穩(wěn)定性，鉆井應該采用二級結構和三級結構。

參考文獻

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[2] 朱瑞靜，穆滿根，荊麗波，史江濤.我國煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀及展望[J].能源與環(huán)境，2020（4）：24-25.

[3] 陳天，易遠元，李甜甜等.中國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及關鍵技術展望[J].現(xiàn)代化工，2023，43（9）：6-10.

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[5] 王平，張維平，齊照東.煤層氣井修井儲層保護帶壓作業(yè)工藝和關鍵設備應用分析[J].石化技術，2023，30（10）：152-154.