CN109339746A - 一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法，包括：直井、水平井、水平井水平段、水平井竖直段、水平井造斜段、密封装置、采空区、煤层、弯曲下沉带、工作面、坚硬岩层、软弱岩层、离层空间、未采区，包括以下步骤：①单采煤层气阶段；②疏水采气同步进行阶段；③单疏顶板离层水阶段。本发明中将煤系气排采、煤炭生产、矿井离层水害防治相结合，既可以降低煤炭回采时煤层、工作面、采空区和巷道中的瓦斯含量，减轻瓦斯对煤矿安全生产的危害，又可以在煤炭采动的影响下促进甲烷的解吸产出，增大煤系气产量，还可以防治煤矿采空区顶板中离层空间中的离层水，预防次生顶板离层水害事故的发生，具有很大的经济效益和社会效益。

Description

一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法

技术领域

本发明涉及技术领域，特别是涉及一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法。

背景技术

我国煤矿水害频发，虽然常规水害防治技术及防治能力处于国际领先水平，但在没有较强含水层的条件下出现的顶板次生离层水害方面，防治难度仍然较大，此类水害具有危害大、瞬间涌水量大、前兆不明显、总水量较小、存在周期性的特征，成为危害矿井安全生产的一种隐患，但目前离层水害的防治难度较大，研究成果仍集中于离层形成机理、分布规律等方面，且防治成本较高，因此，提出一种经济有效的矿井离层水治理方法具有重要的理论及现实意义。

现有的煤系气排采方法多样，包括直井、丛式井、U型井、多分支水平井等多种类型，但我国煤层普遍具有孔隙度和渗透率低的特点，因此产量较低，经济效益较差。

专利文献CN10481131A，专利名称为“一种煤层气井上下立体联合抽采方法”中并未披露疏水采气同步进行阶段和单疏顶板离层水阶段，只是单一的排采煤层气，该专利虽然可以实现对煤层气的井上下立体联合排采，但却无法解决受煤层采动影响导致的水平井套管被围岩破坏而无法继续排采煤层气的难题，也无法兼顾与矿井安全生产相关的其他问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法，将煤系气排采、煤炭生产、矿井离层水害防治相结合，既可以降低煤炭回采时煤层、工作面、采空区和巷道中的瓦斯含量，减轻瓦斯对煤矿安全生产的危害，又可以在煤炭采动的影响下促进甲烷的解吸产出，增大煤系气产量，还可以防治煤矿采空区顶板中离层空间中的离层水，预防次生顶板离层水害事故的发生，具有很大的经济效益和社会效益。

本发明所采用的技术方案是：一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法，所述煤岩层剖面结构包括U型井和排采装置以及采空区、煤层、弯曲下沉带、工作面、坚硬岩层、软弱岩层、离层空间和未采区，所述U型井包括直井、水平井、水平井水平段、水平井竖直段和水平井造斜段，所述排采装置包括管式泵、油管、抽油杆、常规套管、玻璃钢套管、塑性对接管和密封装置，所述疏排方法包括以下步骤：①单采煤层气阶段，在煤炭回采之前，对U型井的水平井水平段进行常规套管定向射孔和分段水力压裂，射孔方向垂直向下，直井主要进行排水作业，水平井采气，压裂裂缝对煤层及煤层顶板中的煤系气进行抽采，抽采方式为负压抽采，依据U型井一般采气年限为8~10年的统计结果，为保证采气效益，设定排采时间为8年；

②疏水采气同步进行阶段，在单独采气8年后，煤层开始回采，采空区形成之后，利用密封装置在水平井水平段对应于工作面位置的常规套管进行封隔，将水平井水平段分隔为两段，分别是采空区疏水段和未采区采气段，对未采区煤系气继续排采，并对采空区弯曲下沉带离层空间中的离层水进行疏干，此时，未采区靠近采空区一侧煤层受到工作面采动影响，进一步降压解吸，增大水平井日产气量；

③单疏离层水阶段，在工作面持续向前推进，直至工作面临近水平井竖直段对应位置，关闭密封装置，此时，在水平井水平段及其上的弯曲下沉带范围内形成了多组离层空间，上层离层空间中的离层水被裂隙导通，向其下的离层空间内导水，此时利用直井、水平井竖直段以及未被围岩破坏的水平井水平段同时进行疏水，防止离层突水事故发生，保证井下工作面安全，待工作面回采完成后，封井。

进一步地，所述水平井水平段设置在采空区弯曲下沉带底端由下而上出现的第一层上为坚硬岩层、下为软弱岩层的岩系之间的区域，直井靠近工作面一侧，水平井远离工作面，水平井水平段通过水平井造斜段与水平井竖直段连通，水平井水平段设置在靠近回采工作面回风巷一侧，当回采煤层为瓦斯含量较高的煤层时，在靠近回采工作面进风巷的对应位置布置一组相同结构的U型井。

进一步地，所述回采工作面后方形成的采空区顶板弯曲下沉带内，容易陆续分层出现离层空间并汇集离层水，将水平井水平段布置在最下层可能形成离层空间的坚硬岩层底部紧邻的软弱岩层顶界内，该层段首先形成第一组离层空间，同时也是最下层的离层空间，随回采工作进行，待离层空间形成后，将该离层空间指向未采区一侧紧邻的第一个密封装置打开，使水平井水平段密封为两部分，未采区仍进行煤系气的排采，采空区进行以疏干离层水为目的排水作业，并兼顾采空区煤系气的抽采，随着回采工作的进行，依次打开最新形成的离层空间指向未采区一侧紧邻的第一个密封装置，关闭已打开的离层空间指向直井的密封装置，使水平井水平段始终分为疏水、采气两段，直至煤层回采至水平井竖直段相应位置，关闭最后一个密封装置，直井、水平井竖直段以及未被围岩破坏的水平井水平段同时进行疏水作业。

进一步地，按照放顶煤回采设计中每段放顶长度确定密封装置的安装位置，密封装置的安装数量为n-1（n为放顶段数），在水平井水平段两常规套管间的对接处连接塑性对接管，共需连接m-1根塑性对接管（m为常规套管根数）。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用该一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法，可以将煤系气排采、煤炭生产、矿井离层水害防治相结合，，既可以降低煤炭回采时煤层、工作面、采空区和巷道中的瓦斯含量，减轻瓦斯对煤矿安全生产的危害，又可以在煤炭采动的影响下促进甲烷的解吸产出，增大煤系气产量，还可以防治煤矿采空区顶板中离层空间中的离层水，预防次生顶板离层水害事故的发生。

附图说明

图1为本发明一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法中疏水采气同步进行阶段示意图；

图2为本发明中单采煤层气阶段示意图；

图3为本发明中单疏离层水阶段示意图。

其中:1-直井，2-水平井，3-水平井水平段，4-水平井竖直段，5-水平井造斜段，6-密封装置，7-采空区，8-煤层，9-弯曲下沉带，10-工作面，11-坚硬岩层，12-软弱岩层，13-离层空间，14-未采区，15-管式泵，16-油管，17-抽油杆，18-常规套管，19-玻璃钢套管，20-塑性对接管。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1所示，本发明中，疏水采气工作共分为三个阶段，包括：①单采煤层气阶段，②疏水采气同步进行阶段，③单疏顶板离层水阶段；①如图1：单采煤层气阶段是在煤炭回采之前，对U型井的水平井水平段3进行常规套管18定向射孔和分段水力压裂，射孔方向垂直向下，直井1主要进行排水作业，水平井2采气，压裂裂缝对煤层8及煤层顶板中的煤系气进行抽采，抽采方式为负压抽采，依据U型井一般采气年限为8~10年的统计结果，为保证采气效益，设定排采时间为8年。②如图2：疏水采气同步进行阶段是在单独采气8年后，煤层8开始回采，采空区7形成之后，利用密封装置6在水平井水平段3对应于工作面10位置的常规套管18进行封隔，将水平井水平段3分隔为两段，分别是采空区7疏水段和未采区14采气段，对未采区14煤系气继续排采，并对采空区7弯曲下沉带9离层空间13中的离层水进行疏干，此时，未采区14靠近采空区7一侧煤层8受到工作面10采动影响，进一步降压解吸，增大水平井2日产气量。③如图3：单疏离层水阶段是在工作面10持续向前推进，直至工作面10临近水平井竖直段4对应位置，关闭密封装置6，此时，在水平井水平段3及其上的弯曲下沉带9范围内形成了多组离层空间13，上层离层空间13中的离层水被裂隙导通，向其下的离层空间13内导水，此时利用直井1、水平井竖直段4以及未被围岩破坏的水平井水平段3同时进行疏水，防止离层突水事故发生，保证井下工作面10安全，待工作面10回采完成后，封井。

在上述实施例中，依据矿井采掘工程平面布置图确定抽采井的设计位置，在采区回采起始端施工直井，沿工作面10推进方向施工水平井2，在回采终点端为水平井竖直段4，水平井水平段3位于弯曲下沉带9底端由下而上出现的第一层上为坚硬岩层11、下为软弱岩层12的岩系之间的区域，直井1深度略深于水平井水平段3，但不可深入裂隙带，水平井2与直井1均采用负压抽采。

在上述实施例中，在平面上，水平井水平段3优先布置在靠近回采工作面10回风巷一侧，若回采煤层为瓦斯含量较高的煤层，可在靠近回采工作面10进风巷的对应位置布置一组相同结构的U型井。

在上述实施例中，水平井2和直井1均采用大直径钻具钻进，在水平井水平段3与直井1的对接处设置玻璃钢套管19，并对直井1对接段进行机械扩径，使该段直径达到0.5m，便于水平井水平段3与直井1的对接。

在上述实施例中，水平井竖直段4、水平井造斜段5和直井1除对接段以外的部位采用常规套管18固井，常规套管18内径为200mm，水平井水平段3套管组合为常规套管18与塑性对接管20相间连接，塑性对接管20可以在围岩变形时发生塑性伸缩，保证水平井水平段3井筒横向连通性。

在上述实施例中，在直井1与水平井水平段3对接段的下部和水平井竖直段4的底部安装管式泵15，管式泵15上方连接油管16，油管16内部为抽油杆17，按照放顶煤回采设计中每段放顶长度确定密封装置6的安装位置，密封装置6的安装数量为n-1（n为放顶段数），在水平井水平段3两常规套管18间的对接处连接塑性对接管20，共需连接m-1根塑性对接管20（m为套管根数）。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种顶板离层水与煤系气协同疏排方法，所述煤岩层剖面结构包括U型井和排采装置以及采空区（7）、煤层（8）、弯曲下沉带（9）、工作面（10）、坚硬岩层（11）、软弱岩层（12）、离层空间（13）和未采区（14），所述U型井包括直井（1）、水平井（2）、水平井水平段（3）、水平井竖直段（4）和水平井造斜段（5），其特征在于，所述排采装置包括管式泵（15）、油管（16）、抽油杆（17）、常规套管（18）、玻璃钢套管（19）、塑性对接管（20）和密封装置（6），所述疏排方法包括以下步骤：①单采煤层气阶段，在煤炭回采之前，对水平井水平段（3）进行常规套管（11）定向射孔和分段水力压裂，射孔方向垂直向下，直井（1）主要进行排水作业，水平井（2）采气，压裂裂缝对煤层（8）及煤层（8）顶板中的煤系气进行抽采，抽采方式为负压抽采，设定排采时间为8年；

②疏水采气同步进行阶段，在单独采气8年后，煤层（8）开始回采，采空区（7）形成之后，利用密封装置（6）在水平井水平段（3）对应于工作面（10）位置的常规套管（18）进行封隔，将水平井水平段（3）分隔为两段，分别是采空区（7）疏水段和未采区（14）采气段，对未采区（14）煤系气继续排采，并对采空区（7）弯曲下沉带（9）离层空间（13）中的离层水进行疏干，对未采区（14）进一步降压解吸；

③单疏顶板离层水阶段，在工作面（10）持续向前推进，直至工作面（10）临近水平井竖直段（4）对应位置，关闭密封装置（6），此时，在水平井水平段（3）及其上的弯曲下沉带（9）范围内形成了多组离层空间（13），上层离层空间（13）中的离层水被裂隙导通，向其下的离层空间（13）内导水，此时利用直井（1）、水平井竖直段（4）以及未被围岩破坏的水平井水平段（3）同时进行疏水，待工作面（10）回采完成后，封井。

2.根据权利要求1所述的顶板离层水与煤系气协同疏排方法，其特征在于：所述水平井水平段（3）设置在采空区（7）弯曲下沉带（9）底端由下而上出现的第一层上为坚硬岩层（11）、下为软弱岩层（12）的岩系之间的区域，直井（1）靠近工作面（10）一侧，水平井（2）远离工作面（10），水平井水平段（3）通过水平井造斜段（5）与水平井竖直段（4）连通，水平井水平段（3）设置在靠近回采工作面（10）回风巷一侧，当回采煤层为瓦斯含量较高的煤层时，在靠近回采工作面（10）进风巷的对应位置布置一组相同结构的U型井。

3.根据权利要求1所述的顶板离层水与煤系气协同疏排方法，其特征在于：所述回采工作面（10）后方形成的采空区（7）顶板弯曲下沉带（9）内，容易陆续分层出现离层空间（13）并汇集离层水，将水平井水平段（3）布置在最下层可能形成离层空间的坚硬岩层（11）底部紧邻的软弱岩层（12）顶界内，该层段首先形成最下层的一组离层空间（13），随回采工作进行，待离层空间形成后，将该离层空间指向未采区（14）一侧紧邻的第一个密封装置（6）打开，使水平井水平段（3）密封为两部分，未采区（14）仍进行煤系气的排采，采空区（7）进行以疏干离层水为目的排水作业，并兼顾采空区（7）煤系气的抽采，随着回采工作的进行，依次打开最新形成的离层空间（13）指向未采区（14）一侧紧邻的第一个密封装置（6），关闭已打开的离层空间（13）指向直井（1）的密封装置（6），使水平井水平段（3）始终分为疏水、采气两段，直至煤层回采至水平井竖直段（4）相应位置，关闭最后一个密封装置（6），直井（1）、水平井竖直段（4）以及未被围岩破坏的水平井水平段（3）同时进行疏水作业。

4.根据权利要求1所述的顶板离层水与煤系气协同疏排方法，其特征在于：所述管式泵（15）设置在直井（1）与水平井水平段（3）对接段的下部和水平井竖直段（4）的底部，管式泵（15）上方连接油管（16），油管（16）内部为抽油杆（17），按照放顶煤回采设计中每段放顶长度确定密封装置的安装位置，密封装置（6）的安装数量为n-1（n为放顶段数），在水平井水平段（3）两常规套管（11）间的对接处连接塑性对接管（20），共需连接m-1根塑性对接管（20）（m为常规套管根数）。

5.根据权利要求1所述的顶板离层水与煤系气协同疏排方法，其特征在于：水平井（2）和直井（1）均采用大直径钻具钻进，在水平井水平段（3）与直井（1）的对接处设置玻璃钢套管（19），并对直井（1）对接段进行机械扩径，使该段直径达到0.5m，便于水平井水平段（3）与直井（1）的对接。