CN111963109B - 一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺 - Google Patents
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Abstract
一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，包括以下步骤：（一）、计算采空区上部垮落带和裂隙带高度、确定采空区瓦斯富集区域，确定钻井方位布置方案；（二）、选取井身结构；（三）、选取合理钻具组合；（四）、按照步骤（一）中钻井方位布置方案计算井眼轨迹；（五）、根据所选钻具组合和所钻地层岩性，选取合适钻进参数；（六）、参照步骤（一）中钻井方位布置方案、采空区工作面长度和宽度，优化井身主分支结构参数；（七）、按照钻井设计完钻；（八）、连接组装地面抽采设备；（九）、根据抽采层段瓦斯浓度、渗透率等确定合理抽采负压、抽采程序，完成对目标区域瓦斯进行抽采。本发明优化多分支水平井抽采设计参数，能提高抽采瓦斯总量。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿采空区瓦斯抽采技术领域，具体的说，涉及一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺。
背景技术
煤炭是我国主要的一次性消费能源，随着煤炭的开采，煤层上覆岩层出现裂隙，上覆岩层的透气性增加，煤层中赋存的部分瓦斯气体会沿着上覆岩层的裂隙运移并在某一岩层中富集保存。如果能将这些富集的气体抽采出来加以利用，不仅能减少资源的浪费，同时可以降低瓦斯造成的安全隐患，是一举多得的事情。
目前，采空区瓦斯抽采的方法主要有井下埋管抽采、地面钻井抽采等。井下埋管抽采是通过在正在开采的工作面中钻孔进行抽采，由于井下更注重当前采煤工作面的瓦斯治理，采空区瓦斯抽采更多是一种辅助。地面钻井抽采目前更多是以直井方式进行的。因为直井的钻井成本相对较低、投资风险相对较小。但直井的影响范围较小，抽采量相对少，需要多个井的“协同作战”才能较好的覆盖一定面积内的采空区。需要的直井数量较多，而且可能存在抽采盲区，综合经济效益相对较低。采用多分支水平井进行抽采时，由于多分支水平井钻井成本相对较高，一次性投入相对较高，煤层段的煤体结构不同，煤层瓦斯含量、瓦斯压力、透气性系数，围岩的岩性、力学性质、裂隙带的范围等的不同，引起多分支水平井的方位、长度等不同，加上抽采参数的差异，若不能对不同条件下的钻井参数、抽采参数进行优化，可能导致抽采量差别较大，既影响抽采效果，也影响了经济效益。因此，亟需根据不同的煤储层、围岩及地质条件，对煤矿采空区抽采的多分支水平井参数进行优化设计，以便使其抽采效果最佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，本发明针对不同的煤层、围岩和地质条件的差异性，优化多分支水平井抽采设计参数，能提高采空区多分支水平井抽采瓦斯总量，能缩短抽采瓦斯时间，显著提高综合经济效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，包括以下步骤：
（一）、根据围岩性质、煤层采高、煤层层数等地质资料计算采空区上部垮落带和裂隙带高度、确定采空区瓦斯富集区域，确定钻井方位布置方案；
（二）、针对目标煤层数和相应瓦斯富集区域分布选取井身结构；
（三）、根据地层结构、井身结构设计选取合理钻具组合；
（四）、按照步骤（一）中钻井方位布置方案计算井眼轨迹；
（五）、根据所选钻具组合和所钻地层岩性，选取合适钻进参数；
（六）、参照步骤（一）中钻井方位布置方案、采空区工作面长度和宽度，优化井身主分支结构参数；
（七）、按照钻井设计完钻；
（八）、连接组装地面抽采设备；
（九）、根据抽采层段瓦斯浓度、渗透率等确定合理抽采负压、抽采程序，完成对目标区域瓦斯进行抽采。
步骤（一）具体为：
（I）、确定采空区上部垮落带和裂隙带的高度：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，结合煤矿不同的开采方式及上覆岩层岩性，确定出不同的垮落带和裂隙带的高度，具体高度参数见表一和表二：
表一.单一煤层开采方式的不同开采厚度条件下垮落带和裂隙带高度一览表
表二. 多煤层开采方式的不同开采厚度条件下垮落带和裂隙带高度一览表
；
（II）、确定采空区瓦斯富集区带：由于单一煤层和多煤层在开采时间上存在差异，导致上覆岩层垮落时间、瓦斯运移路径产生差异：单一煤层刚开始开采时，上覆岩层裂隙逐渐形成，瓦斯将沿着裂隙发生运移，形成相对富集区，随着开采的进行，出现周期来压，中部垮落岩层逐渐压实，瓦斯运移的富集区带以压实区为中心呈帽状分布；多煤层开采时，随着上部煤层先行开采，上覆岩层裂隙逐渐形成，上覆岩层的瓦斯富集“O”形圈逐渐形成的同时，也会在两煤层间的岩层中产生底板采动裂隙而形成裂隙带，下部煤层中的瓦斯会沿着底板采动裂隙向采空区运移，下部煤层开采过程中，两煤层间距不同、其裂隙形态也会发生一定变化，但其对瓦斯富集区带影响相对较小，这里是根据经验计算得到瓦斯富集区带，具体见表三：
表三.瓦斯富集区带计算一览表
；
（III）、确定采空区多分支水平井钻井方位
根据采空区裂隙带高度、瓦斯富集区带分布及其它需要考虑的因素，确定多分支水平井钻井方位：
（1）、单一煤层采空区多分支水平井钻井方位的确定
单一煤层开采时，瓦斯富集在上覆岩层的垮落带以上、裂隙带中下部，根据采煤工作面的宽度确定主支条数和角度：当工作面宽度相对较窄时（＜200m），建议采用单主支的方式，当工作宽度较宽时（≥200m），建议采用双主支的方式，采用单主支时，尽量垂直于裂隙带主裂隙发育的角度进行布置，使抽采效果更好，采用双主支时，双主支之间的夹角一般为30°左右，尽量让双主支的角度与裂隙带主裂隙发育角呈高角度相交（＞60°）；
（2）、多煤层采空区多分支水平井钻井方位的确定
多煤层开采时，上部煤层井位布置方案与单一煤层相同，这里以两层煤进行说明，由于上、下两层煤的开采，导致两层煤间形成层间采动裂隙，需要在两层煤间进行钻进，层间钻井方位高度为两层煤层间岩石中段，主支布置考虑因素与单一煤层类似，在此不再赘述。
步骤（二）具体为：因煤矿开采，导致上覆岩层发生变形破坏，为了使多分支水平井的使用寿命较长且抽采效果较好，多分支水平井采用三开结构，在水平段钻井时应使其直径相对较大，一开钻至表层，下表层套管，水泥固井；二开钻进下生产套管，水泥固井；三开下生产套管，水平段下筛管，多分支水平井井身结构数据具体见表四：
表四.多分支水平井井身结构数据表
步骤（三）具体为：多分支水平井根据需求一般选用单增剖面结构和双增剖面结构，其钻具组合可分为：直井段采用塔式钻具或钟摆钻具，控制井斜；造斜段采用定向造斜钻具组合，要求造斜能力大于设计造斜率20%以上；水平段采用常规满眼钻具组合，具体钻具组合见表五：
表五.钻具组合设计
步骤（四）具体为：根据采空区上覆岩层的裂隙带高度计算和瓦斯富集区带确定水平井钻井位置和抽采范围，无特殊要求下采用水平井单增剖面结构，主水平井眼采用中曲率半径，主支入靶点和终止点坐标纵向位置为裂隙带中下部，横向位置工作面中线，靶前位移50～100m，分支靶点按照分支参数优化设计确定。
步骤（五）具体为：根据所选钻具组合和所钻地层岩性，确定钻压和转速适用范围，在钻进过程中，可根据井眼轨迹要求、地层岩性变化和钻头优化使用要求对钻进参数进行调整，钻进参数设计具体见表六：
表六.钻进参数设计
步骤（六）具体为：
当裂隙带的渗透率＞1mD时，主支与分支之间的夹角为60°左右；当裂隙带的渗透率为0.5～1mD时，主支与分支之间的夹角为45～60°之间；当裂隙带的渗透率＜0.5mD时，主支与分支之间的夹角为30～45°之间，根据钻井需求及经验，分支长度一般设置为160～250m，分支间距为250～300m。
步骤（八）具体为：地面抽采设备包括井口套管、主阀门、防回火防爆装置、水环式真空泵、柴油发电机组、水箱、气体旋进漩涡流量计、气水分离器、储液箱、瓦斯浓度检测仪、四通电控阀门、点火装置和集气站，井口套管套装固定在多分支水平井的井口中，井口套管、主阀门、防回火防爆装置、水环式真空泵、气体旋进漩涡流量计、气水分离器、储液箱、瓦斯浓度检测仪、四通电控阀门和集气站依次通过高压管线连接，柴油发电机组为水环式真空泵提供动力，水箱与水环式真空泵连接，水箱为水环式真空泵提供工作用水，四通电控阀门上安装有直接放空管和点火放空管，点火放空管上安装有点火装置，水环式真空泵提供抽采负压将煤矿采空区富集的瓦斯气体抽出，气体旋进漩涡流量计用于计量抽采瓦斯气体量，瓦斯浓度检测仪用于测定瓦斯浓度，当瓦斯浓度较低时，使四通电控阀门与直接放空管连通，将抽采的瓦斯气体通过直接放空管排出到大气中，当瓦斯浓度较高满足人们需求时，使四通电控阀门通过高压管线与集气站连接，将抽采的瓦斯气体收集到集气站，如果不需求时，则使四通电控阀门与点火放空管连通，并启动点火装置点燃抽采的瓦斯气体，使瓦斯气体燃烧后排至大气中。
步骤（九）具体为：使用步骤（八）中的地面抽采设备对采空区垮落带和裂隙带处瓦斯进行抽采，通过控制抽采负压来控制产气速度，合理安排抽采负压，可以有效避免产气过快对水平井近段岩层渗透率的损伤和煤粉堵塞井段，延长工作年限，多分支水平井抽采阶段的抽采参数见表七：
表七. 多分支水平井抽采阶段的抽采参数
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明具有以下优点：
（1）利用多分支水平井抽采采空区的富集瓦斯，可有效降低回风巷回流瓦斯浓度，使工作面回采工作安全有效地进行。
（2）针对不同的煤层、围岩和地质条件的差异性，优化多分支水平井抽采设计参数，能提高采空区多分支水平井抽采瓦斯总量，能缩短抽采瓦斯时间，显著提高综合经济效益。
（3）实施水平井抽采采空区瓦斯，缩短了瓦斯抽放时间，为煤矿安全高效回采、掘进提供了宝贵时间及安全保障。
附图说明
图1是本发明的单一煤层开采时多分支水平井布置及地面抽采设备连接示意图。
图2是本发明的两层煤开采时多分支水平井布置及地面抽采设备连接示意图。
图3是本发明的钻井方位布置的多种方案示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-3所示，一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，包括以下步骤：
（一）、根据围岩性质、煤层采高、煤层层数等地质资料计算采空区上部垮落带1和裂隙带2高度、确定采空区瓦斯富集区域，确定钻井方位布置方案；
（二）、针对目标煤层数和相应瓦斯富集区域分布选取井身结构；
（三）、根据地层结构、井身结构设计选取合理钻具组合；
（四）、按照步骤（一）中钻井方位布置方案计算井眼轨迹；
（五）、根据所选钻具组合和所钻地层岩性，选取合适钻进参数；
（六）、参照步骤（一）中钻井方位布置方案、采空区工作面长度和宽度，优化井身主分支结构参数；
（七）、按照钻井设计完钻；
（八）、连接组装地面抽采设备；
（九）、根据抽采层段瓦斯浓度、渗透率等确定合理抽采负压、抽采程序，完成对目标区域瓦斯进行抽采。
步骤（一）具体为：
（I）、确定采空区上部垮落带1和裂隙带2的高度：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，结合煤矿不同的开采方式及上覆岩层3岩性，确定出不同的垮落带1和裂隙带2的高度，具体高度参数见表一和表二：
表一.单一煤层开采方式的不同开采厚度条件下垮落带1和裂隙带2高度一览表
表二. 多煤层开采方式的不同开采厚度条件下垮落带1和裂隙带2高度一览表
；
（II）、确定采空区瓦斯富集区带：由于单一煤层和多煤层在开采时间上存在差异，导致上覆岩层3垮落时间、瓦斯运移路径产生差异：单一煤层刚开始开采时，上覆岩层3裂隙逐渐形成，瓦斯将沿着裂隙发生运移，形成相对富集区，随着开采的进行，出现周期来压，中部垮落岩层逐渐压实，瓦斯运移的富集区带以压实区为中心呈帽状分布；多煤层开采时，随着上部煤层先行开采，上覆岩层3裂隙逐渐形成，上覆岩层3的瓦斯富集“O”形圈逐渐形成的同时，也会在两煤层间的岩层中产生底板采动裂隙而形成裂隙带2，下部煤层中的瓦斯会沿着底板采动裂隙向采空区运移，下部煤层开采过程中，两煤层间距不同、其裂隙形态也会发生一定变化，但其对瓦斯富集区带影响相对较小，这里是根据经验计算得到瓦斯富集区带，具体见表三：
表三.瓦斯富集区带计算一览表
；
（III）、确定采空区多分支水平井4钻井方位
根据采空区裂隙带2高度、瓦斯富集区带分布及其它需要考虑的因素，确定多分支水平井4钻井方位：
（1）、单一煤层采空区多分支水平井4钻井方位的确定
单一煤层开采时，瓦斯富集在上覆岩层3的垮落带1以上、裂隙带2中下部，根据采煤工作面的宽度确定主支条数和角度：当工作面宽度相对较窄时（＜200m），建议采用单主支的方式，当工作宽度较宽时（≥200m），建议采用双主支的方式，采用单主支时，尽量垂直于裂隙带2主裂隙发育的角度进行布置，使抽采效果更好，采用双主支时，双主支之间的夹角一般为30°左右，尽量让双主支的角度与裂隙带2主裂隙发育角呈高角度相交（＞60°）；
（2）、多煤层采空区多分支水平井4钻井方位的确定
多煤层开采时，上部煤层井位布置方案与单一煤层相同，这里以两层煤进行说明，由于上、下两层煤的开采，导致两层煤间形成层间采动裂隙，需要在两层煤间进行钻进，层间钻井方位高度为两层煤层间岩石中段，主支布置考虑因素与单一煤层类似，在此不再赘述。
步骤（二）具体为：因煤矿开采，导致上覆岩层3发生变形破坏，为了使多分支水平井4的使用寿命较长且抽采效果较好，多分支水平井4采用三开结构，在水平段钻井时应使其直径相对较大，一开钻至表层，下表层套管，水泥固井；二开钻进下生产套管，水泥固井；三开下生产套管，水平段下筛管，多分支水平井4井身结构数据具体见表四：
表四.多分支水平井4井身结构数据表
步骤（三）具体为：多分支水平井4根据需求一般选用单增剖面结构和双增剖面结构，其钻具组合可分为：直井段采用塔式钻具或钟摆钻具，控制井斜；造斜段采用定向造斜钻具组合，要求造斜能力大于设计造斜率20%以上；水平段采用常规满眼钻具组合，具体钻具组合见表五：
表五.钻具组合设计
步骤（四）具体为：根据采空区上覆岩层3的裂隙带2高度计算和瓦斯富集区带确定水平井钻井位置和抽采范围，无特殊要求下采用水平井单增剖面结构，主水平井眼采用中曲率半径，主支入靶点和终止点坐标纵向位置为裂隙带2中下部，横向位置工作面中线，靶前位移50～100m，分支靶点按照分支参数优化设计确定。
步骤（五）具体为：根据所选钻具组合和所钻地层岩性，确定钻压和转速适用范围，在钻进过程中，可根据井眼轨迹要求、地层岩性变化和钻头优化使用要求对钻进参数进行调整，钻进参数设计具体见表六：
表六.钻进参数设计
步骤（六）具体为：
当裂隙带2的渗透率＞1mD时，主支与分支之间的夹角为60°左右；当裂隙带2的渗透率为0.5～1mD时，主支与分支之间的夹角为45～60°之间；当裂隙带2的渗透率＜0.5mD时，主支与分支之间的夹角为30～45°之间，根据钻井需求及经验，分支长度一般设置为160～250m，分支间距为250～300m。
步骤（八）具体为：地面抽采设备包括井口套管5、主阀门6、防回火防爆装置7、水环式真空泵8、柴油发电机组（图未示）、水箱9、气体旋进漩涡流量计10、气水分离器11、储液箱12、瓦斯浓度检测仪13、四通电控阀门14、点火装置15和集气站16，井口套管5套装固定在多分支水平井4的井口中，井口套管5、主阀门6、防回火防爆装置7、水环式真空泵8、气体旋进漩涡流量计10、气水分离器11、储液箱12、瓦斯浓度检测仪13、四通电控阀门14和集气站16依次通过高压管线17连接，柴油发电机组为水环式真空泵8提供动力，水箱9与水环式真空泵8连接，水箱9为水环式真空泵8提供工作用水，四通电控阀门14上安装有直接放空管18和点火放空管19，点火放空管19上安装有点火装置15，水环式真空泵8提供抽采负压将煤矿采空区富集的瓦斯气体抽出，气体旋进漩涡流量计10用于计量抽采瓦斯气体量，瓦斯浓度检测仪13用于测定瓦斯浓度，当瓦斯浓度较低时，使四通电控阀门14与直接放空管18连通，将抽采的瓦斯气体通过直接放空管18排出到大气中，当瓦斯浓度较高满足人们需求时，使四通电控阀门14通过高压管线17与集气站16连接，将抽采的瓦斯气体收集到集气站16，如果不需求时，则使四通电控阀门14与点火放空管19连通，并启动点火装置15点燃抽采的瓦斯气体，使瓦斯气体燃烧后排至大气中。
步骤（九）具体为：使用步骤（八）中的地面抽采设备对采空区垮落带1和裂隙带2处瓦斯进行抽采，通过控制抽采负压来控制产气速度，合理安排抽采负压，可以有效避免产气过快对水平井近段岩层渗透率的损伤和煤粉堵塞井段，延长工作年限，多分支水平井4抽采阶段的抽采参数见表七：
表七.多分支水平井4抽采阶段的抽采参数
防回火防爆装置7、水环式真空泵8、柴油发电机组、气体旋进漩涡流量计10、气水分离器11、瓦斯浓度检测仪13、四通电控阀门14和点火装置15均是现有成熟技术，具体构造和工作原理不再赘述。
实例应用：
选取西山矿区屯兰矿18301工作面地面抽采井作为一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺实例说明：
（一）地质概况
钻井区域位于山西西山煤电集团屯兰矿井下18301工作面，目前该矿开采的煤层为8号煤层，煤岩层总厚为3.23～3.69米，平均3.49米，工作面标高615～675米，煤层顶板为L1庙沟灰岩+中粒砂岩，底板为砂质泥岩+细粒砂岩，开采方式为单一煤层开采，平均煤层倾角为4°；
（二）关键工艺设计
根据目标8号煤层层厚、围岩岩性等参数查表确定上覆垮落带高度为27.03m，裂隙带高度为38.04m，瓦斯富集区带为工作面侧裂隙带带宽30~45m，切眼侧带宽30~60m，选取钻井方位布置方案为图3中的方案三；
其中，目标8号煤层的顶板和底板地质参数见表八：
表八. 目标8号煤层的顶板和底板地质参数
；
根据目标8号煤层为单一煤层以及瓦斯富集区带的确定，选取所列单一煤层三开多分支水平井井身结构并计算下深参数，得到屯兰矿多分支水平井井身结构的数据见表九：
表九.屯兰矿多分支水平井井身结构
；
（1）、井身结构设计：“L”型井采用弯曲井段短利于减少磨阻的“单弧剖面”（直-造斜-水平）三段制剖面形式，保障造斜段及稳斜段轨迹平滑；直井穿越采空区与“L”型井对接连通形成U”型井；
（2）、钻井施工方式及位置选择：根据试验地质条件，地面直井采用常规潜孔锤钻进工艺，穿越上组煤（2+3）号采空区，以8号煤层为目的层下玻璃钢管掏穴；地面“L”钻井采用三开定向钻井工艺，以8号煤层为钻遇目的层，向切眼位置方向钻进，对接先前施工的直井，“U型”井水平段靠近并平行于工作面进风巷一侧布置，间距40m。；
（3）、钻井工艺选择：根据钻遇层地岩性条件，钻井液的选择以稳定井壁和保证施工安全为主，确保造斜段和水平段不出现垮塌，优选防塌孔、保护目的层，利于钻井排气排水工艺等技术；
根据井身结构设计和地层分布，选取单增剖面结构并进行井眼轨迹计算：
表十.屯兰矿多分支水平井井井眼轨迹
表十一. L井钻井技术参数表
表十二. L井钻具组合表
；
根据所选钻井方位布置方案优化井身主分支参数：分支夹角为60°，分支长度为200m，分支间距250m；
然后按照钻井设计完钻；连接组装地面抽采设备；根据抽采层段瓦斯浓度、渗透率等确定合理抽采负压、抽采程序，完成对目标区域瓦斯进行抽采；
（三）抽采效果
地面多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯覆盖范围广、抽采效果优于传统直井，抽采瓦斯浓度最高可达到96%，工作面瓦斯浓度由0.98%～1% 降为0.75%左右，大大提高了煤矿安全性和生产效率。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（一）、根据围岩性质、煤层采高、煤层层数等地质资料计算采空区上部垮落带和裂隙带高度、确定采空区瓦斯富集区域，确定钻井方位布置方案；
（二）、针对目标煤层数和相应瓦斯富集区域分布选取井身结构；
（三）、根据地层结构、井身结构设计选取合理钻具组合；
（四）、按照步骤（一）中钻井方位布置方案计算井眼轨迹；
（五）、根据所选钻具组合和所钻地层岩性，选取合适钻进参数；
（六）、参照步骤（一）中钻井方位布置方案、采空区工作面长度和宽度，优化井身主分支结构参数；
（七）、按照钻井设计完钻；
（八）、连接组装地面抽采设备；
（九）、根据抽采层段瓦斯浓度、渗透率等确定合理抽采负压、抽采程序，完成对目标区域瓦斯进行抽采；
步骤（一）具体为：
（I）、确定采空区上部垮落带和裂隙带的高度：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，结合煤矿不同的开采方式及上覆岩层岩性，确定出不同的垮落带和裂隙带的高度，具体高度参数见表一和表二：
表一.单一煤层开采方式的不同开采厚度条件下垮落带和裂隙带高度一览表
表二. 多煤层开采方式的不同开采厚度条件下垮落带和裂隙带高度一览表
（II）、确定采空区瓦斯富集区带：由于单一煤层和多煤层在开采时间上存在差异，导致上覆岩层垮落时间、瓦斯运移路径产生差异：单一煤层刚开始开采时，上覆岩层裂隙逐渐形成，瓦斯将沿着裂隙发生运移，形成相对富集区，随着开采的进行，出现周期来压，中部垮落岩层逐渐压实，瓦斯运移的富集区带以压实区为中心呈帽状分布；多煤层开采时，随着上部煤层先行开采，上覆岩层裂隙逐渐形成，上覆岩层的瓦斯富集“O”形圈逐渐形成的同时，也会在两煤层间的岩层中产生底板采动裂隙而形成裂隙带，下部煤层中的瓦斯会沿着底板采动裂隙向采空区运移，下部煤层开采过程中，两煤层间距不同、其裂隙形态也会发生一定变化，但其对瓦斯富集区带影响相对较小，这里是根据经验计算得到瓦斯富集区带，具体见表三：
表三.瓦斯富集区带计算一览表
（III）、确定采空区多分支水平井钻井方位
根据采空区裂隙带高度、瓦斯富集区带分布及其它需要考虑的因素，确定多分支水平井钻井方位：
（1）、单一煤层采空区多分支水平井钻井方位的确定
单一煤层开采时，瓦斯富集在上覆岩层的垮落带以上、裂隙带中下部，根据采煤工作面的宽度确定主支条数和角度：当工作面宽度相对较窄时（＜200m），建议采用单主支的方式，当工作宽度较宽时（≥200m），建议采用双主支的方式，采用单主支时，尽量垂直于裂隙带主裂隙发育的角度进行布置，使抽采效果更好，采用双主支时，双主支之间的夹角一般为30°左右，尽量让双主支的角度与裂隙带主裂隙发育角呈高角度相交（＞60°）；
（2）、多煤层采空区多分支水平井钻井方位的确定
多煤层开采时，上部煤层井位布置方案与单一煤层相同，这里以两层煤进行说明，由于上、下两层煤的开采，导致两层煤间形成层间采动裂隙，需要在两层煤间进行钻进，层间钻井方位高度为两层煤层间岩石中段，主支布置考虑因素与单一煤层类似，在此不再赘述。
2.根据权利要求1所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（二）具体为：因煤矿开采，导致上覆岩层发生变形破坏，为了使多分支水平井的使用寿命较长且抽采效果较好，多分支水平井采用三开结构，在水平段钻井时应使其直径相对较大，一开钻至表层，下表层套管，水泥固井；二开钻进下生产套管，水泥固井；三开下生产套管，水平段下筛管，多分支水平井井身结构数据具体见表四：
表四.多分支水平井井身结构数据表
3.根据权利要求2所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（三）具体为：多分支水平井根据需求一般选用单增剖面结构和双增剖面结构，其钻具组合可分为：直井段采用塔式钻具或钟摆钻具，控制井斜；造斜段采用定向造斜钻具组合，要求造斜能力大于设计造斜率20%以上；水平段采用常规满眼钻具组合，具体钻具组合见表五：
表五.钻具组合设计
4.根据权利要求3所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（四）具体为：根据采空区上覆岩层的裂隙带高度计算和瓦斯富集区带确定水平井钻井位置和抽采范围，无特殊要求下采用水平井单增剖面结构，主水平井眼采用中曲率半径，主支入靶点和终止点坐标纵向位置为裂隙带中下部，横向位置工作面中线，靶前位移50～100m，分支靶点按照分支参数优化设计确定。
5.根据权利要求4所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（五）具体为：根据所选钻具组合和所钻地层岩性，确定钻压和转速适用范围，在钻进过程中，可根据井眼轨迹要求、地层岩性变化和钻头优化使用要求对钻进参数进行调整，钻进参数设计具体见表六：
表六.钻进参数设计
6.根据权利要求5所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（六）具体为：
当裂隙带的渗透率＞1mD时，主支与分支之间的夹角为60°左右；当裂隙带的渗透率为0.5～1mD时，主支与分支之间的夹角为45～60°之间；当裂隙带的渗透率＜0.5mD时，主支与分支之间的夹角为30～45°之间，根据钻井需求及经验，分支长度一般设置为160～250m，分支间距为250～300m。
7.根据权利要求6所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（八）具体为：地面抽采设备包括井口套管、主阀门、防回火防爆装置、水环式真空泵、柴油发电机组、水箱、气体旋进漩涡流量计、气水分离器、储液箱、瓦斯浓度检测仪、四通电控阀门、点火装置和集气站，井口套管套装固定在多分支水平井的井口中，井口套管、主阀门、防回火防爆装置、水环式真空泵、气体旋进漩涡流量计、气水分离器、储液箱、瓦斯浓度检测仪、四通电控阀门和集气站依次通过高压管线连接，柴油发电机组为水环式真空泵提供动力，水箱与水环式真空泵连接，水箱为水环式真空泵提供工作用水，四通电控阀门上安装有直接放空管和点火放空管，点火放空管上安装有点火装置，水环式真空泵提供抽采负压将煤矿采空区富集的瓦斯气体抽出，气体旋进漩涡流量计用于计量抽采瓦斯气体量，瓦斯浓度检测仪用于测定瓦斯浓度，当瓦斯浓度较低时，使四通电控阀门与直接放空管连通，将抽采的瓦斯气体通过直接放空管排出到大气中，当瓦斯浓度较高满足人们需求时，使四通电控阀门通过高压管线与集气站连接，将抽采的瓦斯气体收集到集气站，如果不需求时，则使四通电控阀门与点火放空管连通，并启动点火装置点燃抽采的瓦斯气体，使瓦斯气体燃烧后排至大气中。
8.根据权利要求7所述的多分支水平井抽采煤矿采空区瓦斯工艺，其特征在于：步骤（九）具体为：使用步骤（八）中的地面抽采设备对采空区垮落带和裂隙带处瓦斯进行抽采，通过控制抽采负压来控制产气速度，合理安排抽采负压，可以有效避免产气过快对水平井近段岩层渗透率的损伤和煤粉堵塞井段，延长工作年限，多分支水平井抽采阶段的抽采参数见表七：
表七. 多分支水平井抽采阶段的抽采参数
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102400664A (zh) * | 2011-09-03 | 2012-04-04 | 中煤科工集团西安研究院 | 一种提高软煤地层地面水平对接井采气量的完井工艺方法 |
| CN104405372A (zh) * | 2014-09-28 | 2015-03-11 | 河南理工大学 | 一种基于高位钻孔流量的测试采场覆岩竖三带高度方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN102080518B (zh) * | 2011-01-17 | 2012-08-22 | 河南理工大学 | 煤层顶板复杂分支井抽采瓦斯方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102400664A (zh) * | 2011-09-03 | 2012-04-04 | 中煤科工集团西安研究院 | 一种提高软煤地层地面水平对接井采气量的完井工艺方法 |
| CN104405372A (zh) * | 2014-09-28 | 2015-03-11 | 河南理工大学 | 一种基于高位钻孔流量的测试采场覆岩竖三带高度方法 |
| AU2019204228A1 (en) * | 2016-12-09 | 2019-07-04 | The University Of Queensland | Method for dewatering and operating coal seam gas wells |
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