铁法矿区井下瓦斯抽采与地面煤层气开发.doc

第6卷第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中国煤层气󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol󰀂6No󰀂42009年8月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁CHINACOALBEDMETHANE󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁August󰀂2009 铁法矿区井下瓦斯抽采与地面煤层气开发 李国君󰀁胡立国 铁法煤业集团有限责任公司,辽宁󰀁112700 摘󰀁要本文介绍了铁法矿区概况,论述了铁法矿区井下瓦斯抽采、地面煤层气开发的主要技术方法;指出高瓦斯、低透气性、复合煤层群开采矿区,只要抓住瓦斯赋存规律、涌出特点,采用灵活多变的技术方法是可以实现高效瓦斯抽采与地面煤层气开发。 关键词瓦斯抽采󰀁煤层气开发󰀁赋存规律󰀁涌出特点 MethaneDrainageandCBMSurfaceDevelopmentinTiefaMiningArea LiGuojun,HuLiguo TiefaCoalIndustryGroup,Liaoning112700 AbstractThispapermakesageneralintroductionofTiefaminingarea,andexplainstherulesofmethaneoc󰀁currenceanditsemissioncharacteristicsontheeffectsofminingactivities.Italsodiscussesthemajortechnolo󰀁gyforundergroundmethanedrainageandCBMsurfacedevelopment.Theauthorpointsoutthatintheminingareawithhighgascontent,lowpermeability,andmultipleworkablecoalseams,onlywhenweknowbetterabouttherulesofmethaneoccurrenceandemissioncharacteristics,canweadoptflexibletechnologysoastoachieveeffectivemethanedrainageandCBMdevelopment. KeywordsMethanedrainage;CBMdevelopment;rulesofoccurrence;emissioncharacteristics 采总厚度2024m,最厚可达7080m,含煤系数 2󰀂2。该组主要有上下两个含煤段,各含煤10 层,其中上含煤段含主要可采6层为2、4、7、8、 9、10号;下含煤段含主要可采6层为12、13、 14、15、16、17号。赋煤中心呈󰀂哑铃 型分布, 北部的大明、南部的大兴为盆地的二个不同规模的 赋煤中心,最大累计可采厚度在赋煤中心达85m。 铁法煤田煤层赋存规律是煤田北高南低、东缓 西陡,大致形成单一向斜盆状构造,煤田北部及东 部有煤层露头出现,受这一影响,煤层的原始瓦斯 赋存含量也表现为北高南低、东高西低,以致于处1󰀁概况铁法矿区始建于1958年,辖有铁法、康平、康北三个不相邻煤田和铁法煤田东部普查区,总含煤面积618󰀂43km2,已探明煤炭工业储量22󰀂59亿t,铁法矿区煤层气资源总量293󰀂9亿m3。铁法煤田是一个多煤层的陆相沉积煤田,生成于中生代晚侏罗纪。煤层赋存较稳定,整个煤田为北浅南深、东缓西陡的单一向斜构造。铁法盆地主要含煤地层为上侏罗统阜新组,为一套陆相含煤岩系,含煤3040层,最多达70个自然分层。可采12层,可 󰀁󰀁󰀁,; 4 中国煤层气󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁 󰀁 󰀁󰀁第4期 于盆底的大兴、大隆两个井田瓦斯含量异常,并在采掘活动中伴有瓦斯涌出的动力现象发生。随着对铁法煤田丰富的煤层气资源的认识,单纯的以保证煤炭安全生产为目的的瓦斯抽放工作也逐渐转化为开发新能源保护环境的综合产业化开发。 一套不旋转的钻杆,在钻进过程中可减少钻杆的疲劳磨损和折断事故,并且减少了摩擦功率损失,相应提高传到孔底的比功率,应用钻头󰀁90mm,钻杆󰀁70mm薄壁梯型丝扣连接,每根3m长,第一节为0󰀂5度或1度弯度的导向钻杆连接孔底马达部分和钻头,达到引导钻头定向弯曲,可按设计曲率半径和水平标高定位。每进尺10m用单点测斜仪测斜一次,纠偏和调整,完成设计要求。 2󰀁铁法矿区井下煤矿瓦斯抽采 低透气性复合煤层煤田煤层气开发就是把卸压瓦斯边采边抽及采空区瓦斯抽放等多种抽放方法综合使用。在抽放工艺及方式上,将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽采与地面钻井开发相结合、常规抽放与强化抽放瓦斯相结合、短钻孔与水平长钻孔抽放瓦斯相结合进行综合抽放瓦斯方法,可以最大限度地利用时间及空间增加瓦斯抽放量、提高瓦斯抽放率。在一个工作面采用多种方式方法进行的综合瓦斯抽放,是当前高产高效矿井抽放瓦斯技术的发展方向,也是矿井防止瓦斯事故的可靠的安全保障措施。 铁法矿区自1958年以来,经过几代人的努力,在煤矿瓦斯开发领域方面总结了井下水平长钻孔抽取法、井下斜交钻孔下套管抽放法、顶板瓦斯道抽放法、采空区导入法、上隅角埋管法、局部甲烷富集区打钻抽放法、井下斜交钻孔法、采空区密闭抽放法、工作面回风侧尾巷抽放法、本层预抽法等13种抽采技术方法,这也是铁煤集团井下高效瓦斯抽采技术保障。由于篇幅有限,这里只对井下水平长钻孔、斜交钻孔下套管两种技术方法做以介绍。 2󰀂1󰀁井下水平长钻孔抽取技术 井下水平长钻孔抽取采空区及邻近层瓦斯技术在大兴矿S1702工作面进行试验并取得了成功,与井下短钻孔相比较,具有技术先进、抽放效果稳定的优点,钻孔利用率提高2󰀂8倍,单孔抽放纯量达到5󰀂85m3/min以上。井下水平长钻孔设计布置在大兴矿S1702综采工作面,该工作面为七号层煤,煤厚4󰀂2m,顶板为页岩和砂岩,其上面为不可采四号层煤煤厚0󰀂61󰀂8m,层间距4045m,工作面走向为1260m,工作面长150m。 图1所示为水平长钻孔设计施工图。该钻孔的施工应用美国弗来切钻机厂的水平长钻孔钻机,以及配套的钻杆、钻头、孔底动力马达、单点测斜 仪图1󰀁水平长钻孔设计施工图 2󰀂2󰀁井下斜交长钻孔下套管抽取法 井下斜交长钻孔下套管抽取法是铁煤集团公司目前普遍使用的抽放瓦斯方法,图2和图3所示分别为钻孔设计图、下套管和封孔工艺图。这种钻孔的优点是钻机机械性能要求一般,像国产SGZ∀A钻机就可满足要求,另外使用灵活方便,对井下钻场没有特殊要求,机动性较强,在钻孔下套管技术采用后大大提高了抽放效果和质量,也是井下煤矿瓦斯抽采的主要技术方法。 图󰀁 第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁铁法矿区井下瓦斯抽采与地面煤层气开发 5 术之一。该技术在铁法矿区不仅扎下根,而且在设计、钻井、抽采等工艺上有了更大的改进与提高,为铁煤集团的安全生产、煤层气资源利用奠定了坚实基础。铁煤集团结合本矿区的实际,在对地面多个采空区钻井设计、施工参数、瓦斯观测资料总结分析的基础上,通过计算流体力学CFD对采空区瓦斯运移、分布的数值模拟,优化了每口地面采空区钻井的设计。实践表明,地面采空区钻井抽取煤层气技术,是高瓦斯含量、低透气性、复合煤层群开采最佳的瓦斯控制与地面煤层气开发技术,它 图3󰀁钻孔下套管和封孔工艺图 3󰀁铁法矿区地面煤层气开发 目前,铁法矿区有三种地面煤层气开发技术即地面采动区钻井抽取、地面原始煤层压裂、地面封闭采空区钻井抽取3种开发技术方法。 3󰀂1󰀁地面采动区钻井开发煤层气技术 基于对低透气性煤层顶板受采动影响下的移动规律的研究及采空区瓦斯运移、分布的CFD数值模拟,铁法矿区率先在国内应用地面垂直采空区钻井进行了技术示范。铁法矿区是国内最早采用地面垂直采空区钻井技术开发煤层气试验研究的单位,也是在国内煤矿区进行该技术最成功的矿区。截止到2008年年末,伴随着每年2000多万吨煤炭的开采,在铁法煤田已累计施工此类钻井59口。通过对这59口采空区钻井的应用和研究,铁法矿区对于采空区钻井的布孔原则和理论取得了丰富的经验和成果,大量的实践也证明了地面垂直采空区钻井技术在高瓦斯含量、低透气性煤层、尤其在复合煤层煤层群开采时,是最有效、最好的煤层气开发技 不仅有效地控制了来自于上邻近层、本煤层的瓦斯,提高了采面瓦斯抽放率,而且降低了工作面的配风量,抑制了采空区的自然发火,保证了工作面的生产安全,同时也为地面高浓度煤层气利用奠定了基础。 铁法矿区首选示范地点是铁法煤田的大兴矿N1采区405工作面,图4所示为该工作面地面垂直采空区钻井布置的平面图。开采层4号煤厚2󰀂203󰀂30m,其上面有不可采的2号煤层,工作面走向长835m,倾斜宽155m,共布置地面垂直采空区钻井3口,钻机为石家庄煤机厂JST-6/660型千米水源钻机,钻塔为宝鸡石油机械厂AJ-24型地面钻塔,辽河油田固孔。 图5是该种结构钻井的设计图,其中H为钻井深度,L1为表层套管长度,L2为技术套管长度,L3为产气套管长度,H1为产气管在技术套管中的长度10󰀂0m,H2为技术套管距2煤层顶板的距离58m,H3为技术套管距孔底距离,H4为孔底距4煤层顶板的距离5m;分三次开井,一开直径󰀁349mm,二开直径󰀁241mm,三开直径󰀁180mm 。 图4󰀁地面垂直采空区钻井布置平面图