CN110043309A - 关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及瓦斯抽采钻井技术领域，公开了一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法，其中关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法首先根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，对开采煤层的上覆煤岩层进行解吸带的划分；再根据采动裂隙的“O”形圈理论，将导气裂隙带划分为膨胀变形区、边界过渡区和顶板压实区，将井位部署于膨胀变形区和/或边界过渡区，以实现井位的横向部署；最后根据井位的横向部署位置，进行井位的垂向部署，完成抽采井在横向和垂向方向上的布置。该布置方法结合关闭煤矿井内瓦斯资源的富集运移规律，从横向和垂向两个方面提出了瓦斯抽排井的合理布置方案，减少了井位布置的盲目性，最大化地提高了瓦斯产气量。

Description

关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法

技术领域

本发明涉及瓦斯抽采钻井技术领域，尤其涉及一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法。

背景技术

随着煤炭行业化解过剩产能，大量煤矿关停。仅2018年，全国关闭煤矿832处、退出产能1.5亿吨。关闭煤矿中残余大量煤炭资源，瓦斯资源预计在我国残煤赋存瓦斯资源总量在约2000亿m³。瓦斯泄露、地下水污染已成为矿山安全隐患。

瓦斯抽采井一般分为采前预抽钻井、采动区钻井和采空区钻井。采前预抽钻井用于煤炭开采前进行煤层气开发；采动区钻井是利用回采工作面对煤岩体扰动提高其透气性的特点进行瓦斯抽采，可显著提高瓦斯抽采效果；采空区钻井抽采瓦斯主要是抽采回采工作面推过后采空区瓦斯，以减少采空区瓦斯涌出量，解决确保回采工作面瓦斯不超限。目前，对于关停矿井瓦斯资源利用在我国尚属起步阶段，如何合理布置瓦斯抽采井，最大化的提高瓦斯产气量，保证产气量的稳定性是关停矿井瓦斯利用必须解决的技术难题，目前还没有成功的经验可以借鉴参考。

发明内容

本发明实施例提供一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法，用以解决现有的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的井位布置的盲目性问题，以最大化地提高瓦斯产气量，保证产气量的稳定性。

本发明实施例提供一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，包括：

根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，将开采煤层的上覆煤岩层沿垂直于所述开采煤层的方向由下至上依次划分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带；根据采动裂隙的“O”形圈理论，将所述导气裂隙带由内至外依次划分为位于中心的顶板压实区、环形的边界过渡区和环形的膨胀变形区；将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区，以实现井位的横向部署；根据所述井位的横向部署的位置，进行井位的垂向部署。

其中，所述根据所述井位的横向部署的位置，进行井位的垂向部署进一步包括：当所述井位布置在所述膨胀变形区时，井身的终孔位置穿透所述开采煤层；或者当所述井位布置在所述边界过渡区时，井身的终孔位置位于所述开采煤层的上部的导气裂隙带。

其中，当所述井位布置在所述边界过渡区时，所述井身的终孔位置与采空区的顶部的距离为H，所述开采煤层的厚度为h，H为h的3-8倍。

其中，在所述将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区，以实现井位的横向部署之后，在所述根据所述井位的横向部署的位置，进行井位的垂向部署之前，还包括：沿所述开采煤层的工作面走向间隔部署多个所述井位。

其中，相邻两个所述井位之间的间隔为100-400m。

其中，在所述根据采动裂隙的“O”形圈理论，将所述导气裂隙带由内至外依次划分为位于中心的顶板压实区、环形的边界过渡区和环形的膨胀变形区之后，在所述将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区之前，还包括：确认所述开采煤层中的采空区的数量大于1，进行井位的倾向部署；或者确认所述采空区的数量等于1，直接将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区。

其中，采空区的数量为n，n为大于1的正整数，所述导气裂隙带和所述卸压解吸带一起并称为解吸区域；所述进行井位的倾向部署进一步包括：将所述解吸区域沿所述开采煤层的倾向方向，由上至下依次划分为多个聚气区，分别为第一聚气区、第二聚气区、……第n聚气区；其中，所述第一聚气区对应于第一采空区上的解吸区域，所述第二聚气区对应于第二采空区上的解吸区域，所述第n聚气区对应于第n采空区上的解吸区域；所述井位布置在其中一个或者多个聚气区中。

其中，所述井位在所述多个聚气区中的选择顺序为：第一聚气区>第二聚气区>……>第n聚气区。

本发明实施例还提供一种基于上述关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法的井身安装方法，包括：在井位的横向部署位置向下垂直钻设直井，直至井身的终孔位置；在钻孔处置入管柱。

其中，所述在钻孔处置入管柱进一步包括：在地面至卸压解吸带中的上部可采煤层的上方之间的部分放置套管，所述套管的底部距离所述上部可采煤层的顶部之间的距离为8-12m；在其余部分放置桥式滤水管。

本发明实施例提供的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法，其中关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法首先根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，对开采煤层的上覆煤岩层进行解吸带的划分，分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带；再根据采动裂隙的“O”形圈理论，将导气裂隙带划分为膨胀变形区、边界过渡区和顶板压实区，将井位部署于膨胀变形区和/或边界过渡区，以实现井位的横向部署；最后根据井位的横向部署位置，进行井位的垂向部署，完成抽采井在横向和垂向方向上的布置。该布置方法结合关闭煤矿井内瓦斯资源的富集运移规律，从横向和垂向两个方面提出了瓦斯抽排井的合理布置方案，减少了井位布置的盲目性，最大化地提高了瓦斯产气量，保障瓦斯浓度的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种关闭煤矿井的开采煤层的工作面的俯视图；

图2是图1中的A-A向剖视图；

图3是关闭煤矿井的瓦斯抽采井的垂向部署示意图；

图4是沿开采煤层的工作面走向间隔部署多个井位的示意图；

图5是本发明实施例中的另一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的倾向部署图示意；

附图标记说明：

1：导气裂隙带； 2：卸压解吸带； 3：不易解吸带；

4：顶板压实区； 5：边界过渡区； 6：膨胀变形区；

7：采空区； 71：第一采空区； 72：第二采空区；

8：开采煤层； 9：井位； 91：第一井位；

92：第二井位； 10：第一聚气区； 11：第二聚气区。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图1-3所示，本发明实施例提供的一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，包括以下步骤：

步骤S10：根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，将开采煤层的上覆煤岩层沿垂直于所述开采煤层的方向由下至上依次划分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带；

具体地，首先可以通过煤田勘探报告获取该煤矿井的煤层分布情况，通过该煤矿井的生产报告获取煤层的开采情况。

然后再进行解吸带划分。如图2所示，将开采煤层8的上覆煤岩层沿垂直于开采煤层8的方向由下至上依次划分为导气裂隙带1、卸压解吸带2和不易解吸带3。

其中，导气裂隙带1中的瓦斯能充分卸压解吸，其具有竖向的贯通裂隙，卸压瓦斯可有效地抽采。卸压解吸带2中的瓦斯能卸压解吸，瓦斯在卸压解吸后可以实现有效抽采。不易解吸带3中的瓦斯不能卸压解吸，其煤岩层无明显的采动裂隙，瓦斯难以有效抽采。

步骤S20：如图1-2所示，根据采动裂隙的“O”形圈理论，将导气裂隙带1由内至外依次划分为位于中心的顶板压实区4、环形的边界过渡区5和环形的膨胀变形区6。

具体地，采动裂隙的“O”形圈理论是指随着采煤工作面的推进，采空区7的采动裂隙呈现两个阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随工作面推进离层裂隙增大，采空区7的中部离层裂隙发育；第二阶段从采空区7的中部离层区下降开始，中部采空区趋于被压实，而四周离层裂隙和垮落裂隙将保持下来，从而在采空区7的四周形成一连通的裂隙发育区，称之为采动裂隙的“O”形圈，这是采空区7的瓦斯运移的主要通道。周围残留煤体因压力失衡，形成膨胀变形区，释放吸附的瓦斯。

步骤S30：井位9部署于边界过渡区5和/或膨胀变形区6，以实现进行井位9的横向部署。

具体地，井位9可以单独部署于边界过渡区5或者膨胀变形区6，也可以同时布置于边界过渡区5和膨胀变形区6。井位9在横向上的部署位置的选择顺序为膨胀变形区6>边界过渡区5。

步骤S40：如图3所示，根据井位9的横向部署的位置，进行井位9的垂向部署。不同的横向部署的位置，其所对应的垂向部署的位置不同。

本实施例提供的一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，首先根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，对开采煤层的上覆煤岩层进行解吸带的划分，分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带；再根据采动裂隙的“O”形圈理论，将导气裂隙带划分为膨胀变形区、边界过渡区和顶板压实区，将井位部署于膨胀变形区和/或边界过渡区，以实现井位的横向部署；最后根据井位的横向部署位置，进行井位的垂向部署，完成抽采井在横向和垂向方向上的布置。该布置方法结合关闭煤矿井内瓦斯资源的富集运移规律，从横向和垂向两个方面提出了瓦斯抽排井的合理布置方案，减少了井位布置的盲目性，最大化地提高了瓦斯产气量，保障瓦斯浓度的稳定性。

进一步地，如图3所示，根据井位9的横向部署位置，进行井位9的垂向部署进一步包括：

当第一井位91布置在膨胀变形区6时，井身的终孔位置穿透开采煤层8；或者

当第二井位92布置在边界过渡区5时，井身的终孔位置位于开采煤层8的上部的导气裂隙带1。

更进一步地，当第二井位92布置在边界过渡区5时，井身的终孔位置与采空区7的顶部的距离为H，开采煤层8的厚度为h，H为h的3倍至8倍。

进一步地，如图4所示，在步骤S30之后，在步骤S40之前，还包括：

步骤S31:沿开采煤层8的工作面走向间隔部署多个井位9。

具体地，本实施例中的开采工作面走向为从一端到另一端进行开采。因此，多个井位9布置在开采边界的左右两侧。

更进一步地，相邻两个井位9之间的间隔为100-400m。

进一步地，如图5所示，在步骤S20之后，在步骤S30之前，还包括：

步骤S21：确认开采煤层8中的采空区7的数量等于1，执行步骤S30。

或者步骤S22：确认开采煤层8中的采空区7的数量大于1，进行井位9的倾向部署；

其中，进行井位9的倾向部署包括：

当采空区7的数量为n，n为大于1的正整数时，导气裂隙带1和卸压解吸带2一起并称为解吸区域。

将解吸区域沿开采煤层8的倾向方向，由上至下依次划分为多个聚气区，分别为第一聚气区10、第二聚气区11、……、第n聚气区；其中，第一聚气区10对应于第一采空区71上的解吸区域，第二聚气区对应于第二采空区72上的解吸区域，第n聚气区对应于第n采空区上的解吸区域；井位9布置在其中一个或者多个聚气区中。

更进一步地，井位9在多个聚气区中的选择顺序为：第一聚气区10>第二聚气区11>……>第n聚气区。

具体地，如图5所示，以开采煤层8具有两个采空区为例进行说明，其余数量的布置方法与之类似，不再赘述。开采煤层8中沿倾向方向由上至下依次为第一采空区71和第二采空区72，两个采空区对应有二个聚气区，由上至下依次为第一聚气区10和第二聚气区11，两个聚气区彼此相连通。其中，第一聚气区10对应于第一采空区71上的解吸区域，第二聚气区11对应于第二采空区72上的解吸区域。

根据关闭煤矿井内瓦斯资源的富集运移规律，瓦斯倾向聚集在上方的聚气区，因而井位9在三个聚气区中的优选顺序为：第一聚气区10>第二聚气区11。

本发明实施例还提供一种基于上述关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法的井身安装方法，包括以下步骤：

步骤S100：在井位9的横向部署位置向下垂直钻设直井，直至井身的终孔位置；

步骤S200：在钻孔处置入管柱。

具体地，直井是指钻孔轨道是一条铅垂线的井。

进一步地，步骤S200包括以下步骤：

步骤S201：在地面至卸压解吸带中的上部可采煤层的上方之间的部分放置套管(如图3所示的实线部分)，套管的底部距离上部可采煤层的顶部之间的距离为L，L的取值为8-12m；

步骤S202：在其余部分放置桥式滤水管(如图3所示的虚线部分)。

其余部分指的是套管底部至井身的终孔位置之间的部分。

更进一步地，步骤S202之后还包括以下步骤：

步骤S203：在套管外灌注水泥浆，将套管封固在钻孔中。

通过在解吸区域安放桥式滤水管，既连通了桥式滤水管外的煤层与桥式滤水管的内部，使得瓦斯更易进入井筒内，同时由于桥式滤水管自身的结构特性，会对煤层中的煤粉形成阻挡，防止煤粉侵入井筒，进而提高了瓦斯产量。通过将井身的终孔穿透开采煤层，增加了煤层的通透性，有利于上部含水层内的水导通至采空区内，采空区内富集的瓦斯气体能够进入卸压抽采段，进一步提高了瓦斯产量。

下面结合一个具体的实施例来说明井位的布置方法：

如图2所示，某煤与瓦斯突出矿井有3层主采煤层(图中黑色的层表示煤层)，自上而下为1号煤层、2号煤层、3号煤层。矿井采用先开采底部3号煤，释放1、2号煤层瓦斯的卸压开采方式。在3号煤层开采后，因政策原因矿井关闭。

首先，根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，沿垂直于开采煤层的工作面的走向方向的做剖面(即图2)，划定导气裂隙带1、卸压解吸带2和不易解吸带3的高度。

然后，根据采动裂隙的“O”形圈理论，将导气裂隙带1划定膨胀变形区6、边界过渡区5、顶板压实区4的范围(即图1)。

接着判断开采煤层8中的采空区7的数量是否大于1。

如图5所示，本实施例中以两个采空区7为例进行说明。开采煤层8中沿倾向方向由上至下依次为第一采空区71和第二采空区72，两个采空区对应有两个聚气区，由上至下依次为第一聚气区10和第二聚气区11，两个聚气区彼此相连通。

本实施例中的井位布置在第一聚气区10，而且第一聚气区10对应的是第一采空区71的“O”形圈区域，接着再进行井位的横向部署。

如图3所示，井位9部署于边界过渡区5和膨胀变形区6。

当第一井位91布置在膨胀变形区6时，井身的终孔位置为3号煤层的底板。在地面的开孔处至1号煤层的顶板上方10m处之间的位置下入套管，在1号煤层的顶板上方10m处到3号煤层的底板处(即第一井身的终孔位置处)之间下入筛管，套管与筛管连通。

当第二井位92布置在边界过渡区5时，井身的终孔位置为采空区7上部的导气裂隙带1，井身的终孔位置距采空区7的距离H，H为煤层厚度h的3-8倍。在地面的开孔处到1号煤层的顶板上方10m处之间的位置下入套管，在1号煤层的顶板上方10m处到采空区7上方H处(即第二井身的终孔位置处)之间下入筛管，套管与筛管连通。

或者如图4所示，井位9部署于膨胀变形区6，然后在开采煤层8的工作面走向上，在开采边界的两侧各对称布置四个第一井位91，相邻两个第一井位91的钻孔之间的间距为150m，最后再进行第一井位91的垂向布置。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法及井身安装方法，其中关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法首先根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，对开采煤层的上覆煤岩层进行解吸带的划分，分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带；再根据采动裂隙的“O”形圈理论，将导气裂隙带划分为膨胀变形区、边界过渡区和顶板压实区，将井位部署于膨胀变形区和/或边界过渡区，以实现井位的横向部署；最后根据井位的横向部署位置，进行井位的垂向部署，完成抽采井在横向和垂向方向上的布置。该布置方法结合关闭煤矿井内瓦斯资源的富集运移规律，从横向和垂向两个方面提出了瓦斯抽排井的合理布置方案，减少了井位布置的盲目性，最大化地提高了瓦斯产气量，保障瓦斯浓度的稳定性。

进一步地，当采空区的数量大于1时，本发明提供的瓦斯抽采井的布置方法从横向、倾向、垂向三个方面提出了关闭矿井瓦斯布置优选方案，进一步地减少了井位布置的盲目性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，包括：

根据关闭煤矿井的煤层分布情况和开采情况，将开采煤层的上覆煤岩层沿垂直于所述开采煤层的方向由下至上依次划分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带；

根据采动裂隙的“O”形圈理论，将所述导气裂隙带由内至外依次划分为位于中心的顶板压实区、环形的边界过渡区和环形的膨胀变形区；

将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区，以实现井位的横向部署；

根据所述井位的横向部署的位置，进行井位的垂向部署。

2.根据权利要求1所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，所述根据所述井位的横向部署的位置，进行井位的垂向部署进一步包括：

当所述井位布置在所述膨胀变形区时，井身的终孔位置穿透所述开采煤层；或者

当所述井位布置在所述边界过渡区时，井身的终孔位置位于所述开采煤层的上部的导气裂隙带。

3.根据权利要求2所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，当所述井位布置在所述边界过渡区时，所述井身的终孔位置与采空区的顶部的距离为H，所述开采煤层的厚度为h，H为h的3-8倍。

4.根据权利要求1所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，在所述将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区，以实现井位的横向部署之后，在所述根据所述井位的横向部署的位置，进行井位的垂向部署之前，还包括：

沿所述开采煤层的工作面走向间隔部署多个所述井位。

5.根据权利要求4所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，相邻两个所述井位之间的间隔为100-400m。

6.根据权利要求1所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，在所述根据采动裂隙的“O”形圈理论，将所述导气裂隙带由内至外依次划分为位于中心的顶板压实区、环形的边界过渡区和环形的膨胀变形区之后，在所述将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区之前，还包括：

确认所述开采煤层中的采空区的数量大于1，

进行井位的倾向部署；或者

确认所述采空区的数量等于1，直接将井位部署于所述膨胀变形区和/或所述边界过渡区。

7.根据权利要求6所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，采空区的数量为n，n为大于1的正整数，所述导气裂隙带和所述卸压解吸带一起并称为解吸区域；所述进行井位的倾向部署进一步包括：

将所述解吸区域沿所述开采煤层的倾向方向，由上至下依次划分为多个聚气区，分别为第一聚气区、第二聚气区、……第n聚气区；

其中，所述第一聚气区对应于第一采空区上的解吸区域，所述第二聚气区对应于第二采空区上的解吸区域，所述第n聚气区对应于第n采空区上的解吸区域；所述井位布置在其中一个或者多个聚气区中。

8.根据权利要求7所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法，其特征在于，所述井位在所述多个聚气区中的选择顺序为：第一聚气区>第二聚气区>……>第n聚气区。

9.一种基于如权利要求1-8中任一项所述的关闭煤矿井的瓦斯抽采井的布置方法的井身安装方法，其特征在于，包括：

在井位的横向部署位置向下垂直钻设直井，直至井身的终孔位置；

在钻孔处置入管柱。

10.根据权利要求9所述的井身安装方法，其特征在于，所述在钻孔处置入管柱进一步包括：

在地面至卸压解吸带中的上部可采煤层的上方之间的部分放置套管，所述套管的底部距离所述上部可采煤层的顶部之间的距离为8-12m；在其余部分放置桥式滤水管。