我国煤与瓦斯共采及钻井技术分析.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 3 年第4 期 总第1 1 5 期 我国煤与瓦斯共采及钻井技术分析 赵光普 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要煤与瓦斯共采就是将煤炭和赋存于煤层 中的瓦斯都作为矿井的资源加 以开采 ，实现两种资 源的共同开采。 该技术经过近 1 0余年的研究， 已逐渐丰富和完善起来。 本文就煤与瓦斯共采和钻井技 术两个方面对煤与 瓦斯共采技术体 系进行分析 ， 同时介 绍“ 一井三用” 地面钻井新技术 ， 对我 国煤与瓦 斯共采技术和理论研 究具有积极意义。 关键词煤与瓦斯共采 ； 采动卸压 ； 钻 井钻孔 ； 一井三用 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 3 0 4 0 0 2 0 0 2 矿井瓦斯 又称煤层气 ， 形成于成煤过程 ， 赋存 于煤炭内部【 1 1 。因其具有爆炸和煤与瓦斯突出的危险 性 ，在传统 的煤矿开采过程 中而被视为一种灾害性 气体直接排放。其实， 煤矿瓦斯是一种热值高、 无污 染的新型能源， 可用作燃料、 瓦斯发电、 化工原料等； 另一方 面它也是 影响大气环 境 的主要温室气 体之 一 。因此 ， 为了促进洁净高效能源的利用并减少温室 气体 的排放 ，在煤层开采时形成采煤和采瓦斯两个 完整 的系统 ，将瓦斯也作为一种资源抽采 出来加以 利用 ， 即形成 了煤与瓦斯共采技术1 2 ] 。 采前瓦斯抽采是在煤层开采前对未受采动影响 的煤层瓦斯进行预先抽采 ，这不仅可 以区域性的防 治煤与瓦斯突出，同时也提高了单一煤层瓦斯抽采 率 。 该技术适用于透气性较高 的煤层 ， 但是为了防治 煤与瓦斯突出，对不具备保护层开采条件的低透气 性煤层也须进行采前瓦斯抽采 。该技术包括地面钻 井和井下钻孑 L 预抽煤层瓦斯 ，地面钻井抽采煤层瓦 斯包 括煤层气井钻井 、 同井和完井 ， 煤层 压裂 ， 排水 采气 ； 井下钻孑 L 预抽瓦斯包括顺层钻孑 L 预抽 ， 穿层钻 井预抽[ 4 1 1 煤与瓦斯共采基本原理 3 采动卸压瓦斯抽采技术 煤矿开采过程 中，由于本煤层采动而引起 的覆 岩移动 ， 一方面会改变本煤层 的原始应力场 ， 在本煤 层 的不同区域内形成卸压带和应力集 中带 ，导致本 煤层周围覆岩发生膨胀变形和破坏 ，形成岩层离层 裂隙和穿层竖向破断裂隙 ；另一方面 ，使得本煤层 上 、 下一定范 围内覆岩应力场发生变化 ， 导致上 、 下 邻近煤层 的瓦斯卸压 ， 产生卸压增透增流效应 。 为了保证本煤层工作面的安全高效开采 ，需减 少邻近层卸压瓦斯向本煤层工作面的流动；为了实 现邻近层工作面的安全高效开采 ，需要使邻近层 的 瓦斯含量降低。因此， 根据不同区域内瓦斯解吸和流 动条件 的不同 ，可通过采用不 同的瓦斯抽采方法抽 采本煤层和邻近层的卸压瓦斯 。 根据上述煤与瓦斯共采的基本原理 ，可将煤 与 瓦斯共采过程分为 3个阶段 先抽瓦斯后采煤 、 煤 与 瓦斯同时开采 、 先采煤后抽 瓦斯 ， 也 由此形成了煤与 瓦斯共采 的三种瓦斯抽采技术 采前瓦斯抽采技术 、 采动卸压瓦斯抽采技术 、 老采空 区瓦斯抽采技术 ， 以 下就此三种技术进行分析 。 2 采前瓦斯抽 采技术 采动卸压瓦斯抽采是利用煤层开采引起 的煤层 瓦斯卸压对瓦斯进行抽采， 该技术包括 地面钻井抽 采技术 、 井下钻井抽采技术 、 井下巷道抽采技术 。 3 ． 1 地面钻井抽采技术 煤层采动影 响产生的采空区卸压瓦斯可以通过 地面钻井抽采出来 即地面钻井抽采技术 。钻井一般 布置在 0形圈l 1 l内， 且需要施T到开采煤层 的裂隙带 以内，终孔深度距开采煤层的高度 3 - 5倍采高 ， 相 邻钻井 的间距控制在 1 0 0 ～ 2 0 0 m[4 1 。但是地 面钻井会 因采动煤岩的移动而打断 ，所 以如何避免布置在 0 形圈内的钻井发生错断 ， 需要重点研究。 3 ． 2 井下钻井抽采技术 井下钻井抽采卸压瓦斯技术是利用采掘过程中 产生的卸压作用抽采煤层瓦斯 ，从而降低 回采或掘 进过程 中涌入 回风流的瓦斯量。该技术的钻井钻孔 布置又有单一煤层开采和煤层群开采之分。 3 ． 3 煤层群开采井下巷道抽采技术 煤层群开采中，如果邻近层瓦斯涌出量大并且 用钻孑 L 抽采瓦斯效果不好时 ，需要采用顶板专用巷 道I 4 l 在工作面顶板裂隙带内布置的平行于开采煤层 的瓦斯抽采巷道 对邻近层 的采动卸压瓦斯进行抽 项 目资助 本文得到 国家大学 生创新性 实验计划项 目 1 1 0 1 0 2 g 、 中国矿业 大学 北京 教学改革项 目 ．I HO L 0 2 资助。 2 0 ‘ 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第4 期 总第1 1 5 期 采 。 该技术的特点是抽采巷道断面积小 、 利于瓦斯收 区瓦斯进行负压抽采_5 l。 集和抽采阻力减弱。 6 结束语 4 老采空区瓦斯抽采技术 老采空 区 又称全封闭采空 区 是指矿井 、 _T作 面 、 采区内已经完全封闭的采空 区。 老采空区独立 于 矿井通风系统外 ， 储集着大量的高浓度瓦斯 ， 如果采 动引起巷道密闭或隔离煤柱的裂隙直接与地面相通 后 ，这些瓦斯就有可能在大气压 力的作用下通过裂 隙泄漏 出去污染大气[4 1 。因此为提高瓦斯抽采率 、 高 效利用瓦斯资源 ，减少老采空 区瓦斯涌 向采掘空 间 或矿井 ， 就需要在矿井 、 采区或煤层全部开采结束后 将采空 区、 旧巷封闭进行瓦斯的抽采 ， 即为老采空 区 瓦斯抽采。 煤炭作为我国主体能源，绿色开采是其可持续 发展的主要 内容之一。瓦斯资源作为煤层伴生产物 ， 在我国能源结构 中的比例持续增长 ，逐渐扮演着越 来越重要的角色。虽然近年来我 国煤与瓦斯共采 的 r 程实践取得 了快速进展 ，其技术 已成规模并全面 推广 。但是 ， 由于我国煤层赋存条件复杂 ， 使得含瓦 斯采动煤岩体破裂机制 、瓦斯在破断煤岩体 中运移 规律 、 煤与瓦斯共采时空协 同机制 、 卸压煤层 内的瓦 斯 吸附与解吸规律【 1 1 等不清 。因此 ， 为使我围煤与瓦 斯共采具有科学性 、 针对性 、 有效性 ， 还需 对我国煤 与瓦斯共采技术和理论作进一步研究。 5 “ 一井三用” 地面钻井综合抽采瓦斯技术 参考文献 为充分利用地面钻井的抽采功能 ，减少地面钻 井施工与井下施_丁的相 互影 响 ，可以综合应用 以上 三种瓦斯抽采技术 即采前瓦斯抽采技术、 采动卸压 瓦斯抽采技术和老采空区瓦斯抽采技术 进行采前 保护层预抽 、 采动卸压瓦斯抽采和老采空区抽采。这 就要求地面钻井 ” 一井三用 ” 。 实现预抽井 、 采动区 井和老采空 区井的一井多次利用 。 “ 一 井三用” 地面钻井抽采瓦斯技术的步骤为 第一步 ， 需在未开采 的矿区 ， 按照采区设计布置开发 井网 ， 设置压裂井形式 的地面钻井 ， 对煤层群高浓度 瓦斯 集聚区进行超前 5 一 l 0年 预抽 ； 第二 步 ， 在 煤层 开采时 ， 根据采动卸压瓦斯抽采技术 ， 利用 同一个条 件较好的地 面钻井作 为二次抽采井 ，对被保护层的 采动卸压瓦斯进行抽采； 第三步， 待煤层采出后， i 次利用上述 同一个地面钻井对被保 护煤层 的老采空 [ 1 ]王家臣． 煤与瓦斯共采需解决的关键理论问题与研究现状 【 J I ． 煤炭工程 ， 2 0 1 1 ， 1 l 一 3 ． [ 2 ]钱呜高， 许家林， 缪协兴． 煤矿绿 色开采技术【 J J ． 中国矿业大 学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． I 3 1张恒文．瓦斯综合抽采技术的应用 I J ] ．煤炭科学技术， 2 01 0， 3 8 1 2 5 6 I 4 1许家林． 煤矿绿 色开采【 MI． 徐州 I 中国矿业大学出版社 ， 2 01 1 ． [ 5 1周 昀涵． 地面钻井抽采 瓦斯 的技术研 究和发展 【 J 1 ． 能源技术 与管理 ， 2 0 1 l ， 2 3 2 3 3 ． 作者简介 赵光普 1 9 9 2 一 ， 男， 河北邯郸人 ， 中国矿业大学 北京 资 源与安全工程学院采矿工程系本科生。 收稿 日期 2 0 1 3 - 4 一 l 2 上接 第 1 9页 从 图中看 ， 异常范 围宽度在 4 5～7 5 m 以内 ， 最窄 点在 B线小号一侧 ， 范围大于 3 0 m、 小于 4 5 m； 最宽点 在 B线大号一侧 。 范 围大于 6 0 m、 小于 7 5 m。 4结论 小于 4 5 m； 最宽点在 B线 大号一侧 ， 范 围大于 6 0 m、 小于 7 5 m。 参考文献 『 1 1鹤煤中泰矿业4 1 0 1 1 工作面煤层顶板水力压裂范围测试 研究报告 ， 2 0 1 1 ． 6 ． 经过对采集数据 的分析 ，初 步完成预期地质任 【 2 】鹤煤中泰矿业水力压裂报告， 2 0 1 2 ． 1 2 务 1 确定了煤层顶板压裂范 围。 压裂宽度在 3 0～ 6 0 m 以内 ， 最窄点在 A线小号一侧 ， 范 同大于 1 5 m、 小于 3 0 m； 最宽点在 A线 大 号一侧 ， 范 围大于 4 5 m、 小于 6 0 m。 2 确定了煤层异常范围。 异常范围宽度在 4 5～ 7 5 m 以内 ， 最窄点在 B线 小号一侧 ， 范 围大于 3 0 m、 作者简介 张永明 1 9 7 8 一 ， 男， 河南安阳人 ， 工程师， 1 9 9 9年参加工 作 ， 本科学历， 主要从事煤矿技术管理工作， 现任鹤煤集团鹤 济复兴煤业 总工程 师． ． 收稿 日期 2 0 1 3 3 2 0 21