CN110552735B - 一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法及系统 - Google Patents

一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法，通过设置在煤层瓦斯层中的水平定向钻孔延伸至地面形成水平定向井，以及，邻近采空区中的水平对接井和常规定向井延伸至地面形成的采空区地面直井，将水平定向井和采空区地面直井中间设置的控制闸阀连通，利用煤矿井下原有的与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵，并直接输送至集气站，无需增加额外的工作。采用前述的抽采方法，煤层瓦斯与邻近采空区瓦斯合并抽采，节约人力和物力，减少成本，进一步地，合并抽采是从地下进行抽采，可以利用煤矿井下巷道中已有的抽采管路将采出瓦斯气体直接输送到集气站，且不存在占用土地问题。

Description

一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法及系统
技术领域
本申请涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，尤其涉及以一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法及系统。
背景技术
在目前的能源结构中，煤炭一直占据主要地位。含有煤炭的煤层(即煤矿)一般是存在地下300到500米，因此，煤炭的开采在地下进行，其环境比较恶劣，重大灾害事故频发。煤层瓦斯是危害煤炭安全生产的主要灾害之一，煤层瓦斯是煤炭形成过程中的一种伴生物，以吸附态储存于煤层中。煤层瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷是一种清洁能源，但是，当煤层中的甲烷浓度过高，会使空气中氧含量明显降低，使人窒息，且甲烷易燃，与空气混合会形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。因此，开发利用煤层瓦斯，既可以充分利用地下瓦斯资源，又可以防治瓦斯灾害，改善煤炭的生产环境，进而提高经济效益。
实际开采过程中，除正在开采的煤层中产生煤层瓦斯之外，在正在开采的煤层邻近处，由于煤矿已被采空会形成采空区，采空区内同样会存留瓦斯，这些瓦斯会涌向临近煤层的工作面，进而给煤炭的开采带来威胁。目前，主要利用抽采的方法分别抽出煤层瓦斯和临近采空区瓦斯。在煤层瓦斯抽采时，通常采用井下钻孔抽采，即在煤矿井下的准备巷道边缘设置井下钻场，在井下钻场中通过钻机在煤层中钻孔，再将钻孔接入煤矿中原有的瓦斯抽采管路，利用原有的瓦斯抽采管路，将煤层瓦斯抽采；在采空区瓦斯抽采时，从地面钻井穿透采空区至冒落带处，然后在地面抽采采空区瓦斯。
但是发明人在本申请的研究过程中发现，现有的煤层瓦斯和临近采空区瓦斯的抽采是分开抽采，浪费大量人力和物力，增加成本。
发明内容
本申请提供了一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法及系统，以解决现有的煤层瓦斯和临近采空区瓦斯的抽采是分开抽采，浪费大量人力和物力，增加成本的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法，所述方法利用钻机完成，所述方法包括：
在煤矿的准备巷道边缘垂直开设至少一条对接钻孔钻场；
从所述对接钻孔钻场向目标煤层钻设40-80m的对接钻孔；所述对接钻孔内依次置入同轴的无缝钢套管及石油套管，并用水泥将对接钻孔和无缝钢套管及石油套管固定；所述无缝钢套管及石油套管靠近对接钻场的一端安装孔口控制阀，所述孔口控制阀与煤矿中的瓦斯抽采管路连接；
在所述对接钻孔的末端沿目标煤层钻设水平定向钻孔，所述水平定向钻孔延伸至地面，形成水平定向井，水平定向井的井口上设有第一井盖，同时，所述水平定向井的井口侧面安装第一闸阀，水平定向井的井口所在区域为地面钻场；
在所述地面钻场上临近采空区上方开设采空区地面直井，采空区地面直井的井口上设有第二井盖，同时，采空区地面直井的井口侧面安装第二闸阀，第二闸阀可连接至第一闸阀；在第一闸阀和第二闸阀连接处设置控制闸阀；所述控制闸阀用于控制水平定向井和采空区地面直井的连通，进而使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通；
沿采空区地面直井向邻近采空区开设水平对接井，所述水平对接井延伸至冒落带前，在水平对接井中置入石油套管，用水泥将水平对接井和石油套管固定；
沿水平对接井继续开设常规定向井至冒落带；
抽采时，打开第一闸阀、第二闸阀、控制闸阀和孔口控制阀，在井下利用与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵将煤层瓦斯与临近采空区瓦斯抽采至瓦斯抽采管路。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述水平定向钻孔包括水平定向钻孔的主支以及在主支侧面设置的与主支连通的多个钻孔分支。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述准备巷道的高度低于目标煤层的高度。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述对接钻孔内的无缝钢套管规格为127*6mm；石油套管规格为127*9.19mm；所述水平对接井中的石油套管的规格为177.8*9.19mm。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述将对接钻孔和无缝钢套管及石油套管固定的水泥为高标号水泥。
结合第一方面，在一种实现方式中，将水平对接井和石油套管固定的水泥为G级油井水泥。
第二方面，本申请实施例部分提供了一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采系统，所述系统包括：
煤矿井下的准备巷道边缘垂直开设的至少一条对接钻孔钻场，与所述对接钻孔钻场连接的对接钻孔；
所述对接钻孔内设置有同轴的无缝钢套管及石油套管，所述对接钻孔和无缝钢套管及石油套管利用水泥固定；所述无缝钢套管及石油套管靠近对接钻孔钻场的一端设置有孔口控制阀，所述孔口控制阀与煤矿中的瓦斯抽采管路连接；
所述对接钻孔的另一端连接水平定向钻孔，水平定向钻孔设置在目标煤层中，水平定向钻孔延伸至地面形成第一水平对接井，所述第一水平对接井的井口侧面设置有第一闸阀，所述第一水平对接井的井口上还设置有第一井盖；
所述第一水平对接井一侧设置有采空区地面直井，所述采空区地面直井设置在临近采空区上方，所述采空区地面直井的井口侧面设置有第二闸阀，所述采空区地面直井的井口上还设有第二井盖；
所述采空区地面直井连接第二水平对接井，所述第二水平对接井延伸至冒落带前，所述第二水平对接井内设置有石油套管，所述第二水平对接井和石油套管利用水泥固定；所述第二水平对接井的末端连接常规定向井，所述常规定向井延伸至冒落带；
所述第一闸阀和第二闸阀通过控制闸阀连接，所述控制闸阀用于控制第一水平对接井和采空区地面直井的连通，进而使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通；
抽采时，打开所述第一闸阀、第二闸阀、控制闸阀和孔口控制阀，在井下，利用与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵将煤层瓦斯与临近采空区瓦斯抽采至瓦斯抽采管路。
结合第二方面，在一种实现方式中，所述水平定向钻孔包括水平定向钻孔的主支以及主支侧面设置的多个钻孔分支。
本申请实施例公开一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法，通过设置在煤层瓦斯层中的水平定向钻孔延伸至地面形成水平定向井，以及，邻近采空区中的水平对接井和常规定向井延伸至地面形成的采空区地面直井，将水平定向井和采空区地面直井中间设置的控制闸阀连通，利用煤矿井下原有的与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵，并直接输送至集气站，无需增加额外的工作。采用前述的抽采方法，煤层瓦斯与邻近采空区瓦斯合并抽采，节约人力和物力，减少成本，进一步地，合并抽采是从地下进行抽采，可以利用煤矿井下巷道中已有的抽采管路将采出瓦斯气体直接输送到集气站，且不存在占用土地问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本申请实施例提供的一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采系统结构示意图。
其中，1-准备巷道；2-对接钻孔钻场；3-对接钻孔，31-无缝钢套管及石油套管，32-孔口控制阀；4-水平定向钻孔；5-第一水平对接井，51-第一闸阀，52-第一井盖；6-采空区地面直井，61-第二闸阀，62-第二井盖；7-第二水平对接井，71-石油套管；8-常规定向井；9-控制闸阀。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本申请提供了一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法及系统，以解决现有的煤层瓦斯和临近采空区瓦斯的抽采是分开抽采，浪费大量人力和物力，增加成本的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法，所述方法利用钻机完成，所述方法包括：
在煤矿的准备巷道边缘垂直开设至少一条对接钻孔钻场；所述对接钻孔钻场的作用是为对接钻孔从所述对接钻孔钻场向目标煤层钻设40-80m的对接钻孔；所述对接钻孔内依次置入同轴的无缝钢套管及石油套管，并用水泥将对接钻孔和无缝钢套管及石油套管固定；所述无缝钢套管及石油套管靠近对接钻场的一端安装孔口控制阀，所述孔口控制阀与煤矿中的瓦斯抽采管路连接；
由于井下压力过大，因此，需采用无缝钢套管及石油套管联用，才可以稳固对接钻孔。孔口控制阀连通煤矿中的瓦斯抽采管路，通过抽采管路抽采煤层瓦斯和采空区瓦斯。
在所述对接钻孔的末端沿目标煤层钻设水平定向钻孔，所述水平定向钻孔延伸至地面，形成水平定向井，水平定向井的井口上设有第一井盖，同时，所述水平定向井的井口侧面安装第一闸阀，水平定向井的井口所在区域为地面钻场；
其中，所述水平定向钻孔相当于一条通道，它是顺着煤层的方向延伸开设，可以充分的将煤层中的瓦斯抽出，所述水平定向钻孔穿过煤层之后，向地面延伸，从煤层到地面的这一段钻孔中可以置入石油套管，以增强稳固性和密封性。所述水平定向钻孔延伸至地面之后，在地面形成一个水平定向井，并在水平定向井上盖上第一井盖，也称为井口帽，其作用是将水平定向井的井口密封，以免煤层瓦斯泄漏。
所述第一闸阀的作用是连通或阻断目标煤层的瓦斯
在所述地面钻场上临近采空区上方开设采空区地面直井，采空区地面直井的井口上设有第二井盖，同时，采空区地面直井的井口侧面安装第二闸阀，第二闸阀可连接至第一闸阀；在第一闸阀和第二闸阀连接处设置控制闸阀；所述控制闸阀用于控制水平定向井和采空区地面直井的连通，进而使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通；
沿采空区地面直井向邻近采空区开设水平对接井，所述水平对接井延伸至冒落带前，在水平对接井中置入石油套管，用水泥将水平对接井和石油套管固定；沿水平对接井继续开设常规定向井至冒落带。
本实施例中，其施工顺序是先在地面钻场上临近采空区上方开设采空区地面直井，然后顺着井口向邻近采空区开设水平对接井，所述水平对接井延伸至冒落带前，在水平对接井中放入石油套管，用水泥将水平对接井和石油套管固定；之后，再沿水平对接井继续开设常规定向井至冒落带，最后在采空区地面直井上方盖上第二井盖(或井口帽)，第二井盖的作用是将空区地面直井密封，以免采空区瓦斯泄漏，采空区地面直井的井口位置高于地面位置，在其侧面安装第二闸阀，第二闸阀可与第一闸阀连通，在第一闸阀和第二闸阀连接处设置控制闸阀；所述控制闸阀用于控制水平定向井和采空区地面直井的连通，这样在抽采时，可以使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通。
其中，冒落带是指工作面回采后引起的煤层上覆岩体完全垮落的那部分岩层，所述冒落带一般在采空区顶部。
抽采时，打开第一闸阀、第二闸阀、控制闸阀和孔口控制阀，在井下利用与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵将煤层瓦斯与临近采空区瓦斯抽采至瓦斯抽采管路。
本申请的抽采方法是打开控制闸阀和孔口控制阀，利用煤矿井下原有的与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵，进行抽采，抽采时，由于水平定向井与采空区地面直井之间的控制闸阀已经打开，第一闸阀、第二闸阀也同样被打开，因此，煤层与采空区中间是连通的，进而煤层瓦斯和采空区瓦斯可以合并抽采。
本申请实施例公开一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法，通过设置在煤层瓦斯层中的水平定向钻孔延伸至地面形成水平定向井，以及，邻近采空区中的水平对接井和常规定向井延伸至地面形成的采空区地面直井，将水平定向井和采空区地面直井中间设置的控制闸阀连通，利用煤矿井下原有的与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵，并直接输送至集气站，无需增加额外的工作。采用前述的抽采方法，煤层瓦斯与邻近采空区瓦斯合并抽采，节约人力和物力，减少成本，进一步地，合并抽采是从地下进行抽采，可以利用煤矿井下巷道中已有的抽采管路将采出瓦斯气体直接输送到集气站，且不存在占用土地问题。
另外，采用前述的方法，地面征地仅需要一块，地面施工完成后，该地不需要一直征用，节约成本；由于水平定向钻孔直接横穿煤层，因此，采出的瓦斯气体中甲烷浓度高，一般在95％以上，用途广泛；由于地面和地下煤层之间存在高度差，钻孔井眼在钻井液液柱压力的支撑保护下成型好，不易塌孔，有利于瓦斯抽采。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述水平定向钻孔包括水平定向钻孔的主支以及在主支侧面设置的与主支连通多个钻孔分支。
分支可以增大水平定向钻孔与目标煤层的接触面，从而提高抽采效率。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述准备巷道的高度低于目标煤层的高度。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述对接钻孔内的无缝钢套管规格为127*6mm；石油套管规格为127*9.19mm；所述水平对接井中的石油套管的规格为177.8*9.19mm。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述将对接钻孔和无缝钢套管及石油套管固定的水泥为高标号水泥。
其中，高标号水泥凝固时间段，强度较大。
结合第一方面，在一种实现方式中，将水平对接井和石油套管固定的水泥为G级油井水泥。
其中，G级油井水泥的作用是将套管与周围的岩层胶结封固，G级油井水泥凝结速度快，并在短期内达到相当的强度；硬化后的水泥浆应有良好的稳定性和抗渗性、抗蚀性。
参照图1，本申请实施例部分提供了利用上述抽采方法施工的一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采系统，所述系统包括：
煤矿井下的准备巷道1边缘垂直开设的至少一条对接钻孔钻场2，与所述对接钻孔钻场2连接的对接钻孔3；
所述对接钻孔3内设置有同轴的无缝钢套管及石油套管31，所述对接钻孔3和无缝钢套管及石油套管31利用水泥固定；所述无缝钢套管及石油套管31靠近对接钻孔钻场2的一端设置有孔口控制阀32，所述孔口控制阀32与煤矿中的瓦斯抽采管路连接；
所述对接钻孔3的另一端连接水平定向钻孔4，水平定向钻孔4设置在目标煤层中，水平定向钻孔4延伸至地面形成第一水平对接井5，所述第一水平对接井5的井口侧面设置有第一闸阀51，所述第一水平对接井5的井口上还设置有第一井盖52；
所述第一水平对接井5一侧设置有采空区地面直井6，所述采空区地面直井6设置在临近采空区上方，所述采空区地面直井6的井口侧面设置有第二闸阀61，所述采空区地面直井6的井口上还设有第二井盖62；
所述采空区地面直井6连接第二水平对接井7，所述第二水平对接井7延伸至冒落带前，所述第二水平对接井7内设置有石油套管71，所述第二水平对接井7和石油套管71利用水泥固定；所述第二水平对接井7的末端连接常规定向井8，所述常规定向井8延伸至冒落带；
所述第一闸阀51和第二闸阀61通过控制闸阀9连接，所述控制闸阀9用于控制第一水平对接井5和采空区地面直井6的连通，进而使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通；
抽采时，打开所述控制闸阀9和孔口控制阀32，在井下，利用与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵将煤层瓦斯与临近采空区瓦斯抽采至瓦斯抽采管路。
进一步地，所述水平定向钻孔4包括水平定向钻孔4的主支以及主支侧面设置的多个钻孔分支。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采方法，其特征在于，所述方法利用钻机完成，所述方法包括：
在煤矿的准备巷道边缘垂直开设至少一条对接钻孔钻场；
从所述对接钻孔钻场向目标煤层钻设40-80m的对接钻孔；所述对接钻孔内依次置入同轴的无缝钢套管及石油套管，并用水泥将对接钻孔和无缝钢套管及石油套管固定；所述无缝钢套管及石油套管靠近对接钻场的一端安装孔口控制阀，所述孔口控制阀与煤矿中的瓦斯抽采管路连接；
在所述对接钻孔的末端沿目标煤层钻设水平定向钻孔，所述水平定向钻孔延伸至地面，形成水平定向井，水平定向井的井口上设有第一井盖，同时，所述水平定向井的井口侧面安装第一闸阀，水平定向井的井口所在区域为地面钻场；
在所述地面钻场上临近采空区上方开设采空区地面直井，采空区地面直井的井口上设有第二井盖，同时，采空区地面直井的井口侧面安装第二闸阀，第二闸阀可连接至第一闸阀；在第一闸阀和第二闸阀连接处设置控制闸阀；所述控制闸阀用于控制水平定向井和采空区地面直井的连通，进而使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通；
沿采空区地面直井向邻近采空区开设水平对接井，所述水平对接井延伸至冒落带前，在水平对接井中置入石油套管，用水泥将水平对接井和石油套管固定；
沿水平对接井继续开设常规定向井至冒落带；
抽采时，打开第一闸阀、第二闸阀、控制闸阀和孔口控制阀，在井下利用与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵将煤层瓦斯与临近采空区瓦斯抽采至瓦斯抽采管路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水平定向钻孔包括水平定向钻孔的主支以及在主支侧面设置的与主支连通的多个钻孔分支。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准备巷道的高度低于目标煤层的高度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对接钻孔内的无缝钢套管规格为127*6mm；石油套管规格为127*9.19mm；所述水平对接井中的石油套管的规格为177.8*9.19mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将对接钻孔和无缝钢套管及石油套管固定的水泥为高标号水泥。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将水平对接井和石油套管固定的水泥为G级油井水泥。
7.一种煤层瓦斯与临近采空区瓦斯合并抽采系统，其特征在于，所述系统包括：
煤矿井下的准备巷道(1)边缘垂直开设的至少一条对接钻孔钻场(2)，与所述对接钻孔钻场(2)连接的对接钻孔(3)；
所述对接钻孔(3)内设置有同轴的无缝钢套管及石油套管(31)，所述对接钻孔(3)和无缝钢套管及石油套管(31)利用水泥固定；所述无缝钢套管及石油套管(31)靠近对接钻孔钻场(2)的一端设置有孔口控制阀(32)，所述孔口控制阀(32)与煤矿中的瓦斯抽采管路连接；
所述对接钻孔(3)的另一端连接水平定向钻孔(4)，水平定向钻孔(4)设置在目标煤层中，水平定向钻孔(4)延伸至地面形成第一水平对接井(5)，所述第一水平对接井(5)的井口侧面设置有第一闸阀(51)，所述第一水平对接井(5)的井口上还设置有第一井盖(52)；
所述第一水平对接井(5)一侧设置有采空区地面直井(6)，所述采空区地面直井(6)设置在临近采空区上方，所述采空区地面直井(6)的井口侧面设置有第二闸阀(61)，所述采空区地面直井(6)的井口上还设有第二井盖(62)；
所述采空区地面直井(6)连接第二水平对接井(7)，所述第二水平对接井(7)延伸至冒落带前，所述第二水平对接井(7)内设置有石油套管(71)，所述第二水平对接井(7)和石油套管(71)利用水泥固定；所述第二水平对接井(7)的末端连接常规定向井(8)，所述常规定向井(8)延伸至冒落带；
所述第一闸阀(51)和第二闸阀(61)通过控制闸阀(9)连接，所述控制闸阀(9)用于控制第一水平对接井(5)和采空区地面直井(6)的连通，进而使得煤层瓦斯和采空区瓦斯互通；
抽采时，打开所述第一闸阀(51)、第二闸阀(61)、控制闸阀(9)和孔口控制阀(32)，在井下，利用与瓦斯抽采管路相连接的瓦斯抽放泵将煤层瓦斯与临近采空区瓦斯抽采至瓦斯抽采管路。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述水平定向钻孔(4)包括水平定向钻孔的主支以及主支侧面设置的多个钻孔分支。
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