CN111980631A - 一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，确定充分采动卸压区和未充分采动卸压区范围，当采动前、中期，下伏煤层处于充分采动卸压区和未充分采动卸压区内，以采空区裂隙带上方的平坦地面作为抽采井施工位置，利用钻井设备，向采空区及其下伏煤层，构造出抽采井的垂直段、倾斜段、造斜段以及水平段，然后对抽采井的井道整体铺设套管，并进行密封、加固处理，形成“树形”抽采通道；将井下抽采管道与地面抽采设备相连，利用地面抽采系统监测并控制煤层气流量，操控压裂设备，实现采空区和下伏煤层煤层气的协同抽采。本发明实现了采空区和下伏煤层煤层气的协同抽采以及高效利用，实现一井多抽、分区开采，最大限度抽采煤层气资源并节约抽采成本。

Description

一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法
技术领域
本发明涉及煤层气抽采技术领域，具体涉及一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法。适用于煤层气抽采技术领域，特别适用于煤层群开采条件下采空区与下伏煤层的煤层气协同抽采，实现一井多抽、分区开采，提高煤层气抽采效率，节约抽采成本。
背景技术
随着科学技术的高速发展，综合机械化采煤方法得以快速的推广及应用，我国煤田开采产生的采空区迅速增长，并且日趋规则、平整集群化。我国有70%的采空区为高瓦斯采空区，内部遗存的瓦斯储量高达2100亿立方米。现阶段，我国仍然是煤炭生产和消费第一大国，且以煤为主的能源结构长期不变，煤层气是一种形成于煤层又储集于煤层中，且储量丰富的非常规天然气，因其具有巨大的资源潜力和经济效益而备受关注。当前采空区瓦斯和下伏煤层瓦斯采用不同的方法分别抽采。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向煤层中施工钻孔，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，抽采煤层瓦斯；针对采空区瓦斯的抽采主要是针对单一工作面采空区瓦斯的抽采，即一个地面井筒只能针对一个采空区进行抽采，抽采的煤层气产量低且成本高，且现有的采空区瓦斯和下伏煤层瓦斯抽采是分开抽采，浪费大量人力和物力，增加成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出高效率、低成本一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法。
一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据已有矿井资料，运用物理勘探手段对已开挖的采空区进行现场勘测，明确获得已开挖的采空区的开挖范围、煤柱分布情况等参数，确定采空区上方裂隙带范围、位置以及充分采动卸压区和未充分采动卸压区范围，明确下伏煤层常规参数及位置情况，当采动前、中期，下伏煤层处于充分采动卸压区和未充分采动卸压区内，进行如下步骤。
步骤二：在裂隙带正上方的地面，选择地势平坦处的一点作为抽采井的施工位置，架设钻井设备，由地表垂直向下施工抽采井的垂直段A，调整钻头角度，使钻头分别向两侧施工，得到抽采井的第一倾斜段、第二倾斜段，当倾斜段最低位置与采空区裂隙带下部边界线之间垂直距离达到3-6m时，钻头停止工作并使钻头退出至垂直段A。
步骤三：利用钻机设备将抽采井的垂直段A垂直延伸获得垂直段B，调整钻头施工造斜段X1与造斜段X2，使钻头进入下伏煤层中并施工抽采井水平段L1与水平段L2，施工完后钻头停止工作并退出至垂直段B。
步骤四：重复步骤三，得到垂直段C、造斜段X3、造斜段X4、抽采井水平段L3和水平段L4，其中，抽采井水平段L3和水平段L4距离下伏煤层底板5-9m，施工完后将钻头退出。
步骤五：对抽采井井道整体铺设套管，其中抽采井的所有垂直段、倾斜段以及造斜段采用无缝钢管；在倾斜段的无缝钢管内部各自固定有高压气囊，高压气囊通过高压软管与地面加压设备相连；抽采井水平段全部采用无缝钢管与筛管组合结构，当抽采井的套管全部铺设完成后进行加固，对套管与孔壁的间隙进行密封处理。
步骤六：将井下抽采管道与地面抽采管道相连，地面抽采管道连接地面设备；地面设备由瓦斯采集装置、第一阀门、瓦斯抽采管、瓦斯流量监测表、第二阀门、氮气流量监测表、第三阀门、第一加压设备、第二加压设备、总阀门、第一高压软管、第二高压软管组成。
步骤七：上述步骤完成后，打开第一阀门以及总阀门，通过瓦斯抽采管进行第一次抽采，待抽采量稳定后，观察瓦斯流量监测表并实时记录在单位时间内煤层气的抽采量Q1，当单位时间内的煤层气抽采量降为Q1的15％时，关闭第一阀门，停止抽采，待过24-36h后，打开第一阀门进行抽采，重复多次，直至单位时间内抽采量低于Q1的15％以下，关闭第一阀门，停止抽采。
步骤八：打开第一加压设备、第二加压设备、第二阀门、第三阀门，通过第一高压软管、第二高压软管给高压气囊注入高压气体，让高压气囊膨胀，封闭第一倾斜段、第二倾斜段与垂直段A的连接通道，完全封闭后，关闭第二阀门、第三阀门。
步骤九：分别对位于下伏煤层中的抽采井水平段L1、L2与位于下伏煤层底板下方的抽采井水平段L3、L4进行定向分段压裂，定向压裂完成后，撤出设备并进行密封处理；打开第一阀门以及总阀门，进行煤层气抽采，待抽采量稳定后，观察瓦斯流量监测表并实时记录在单位时间内煤层气的抽采量Q2，当单位时间内的煤层气抽采量降为Q2的15％时，对高压气囊进行泄压释放，使第一倾斜段、第二倾斜段和垂直段A呈连通状态，并继续抽采煤层气；观察瓦斯流量监测表并记录，当单位时间内煤层气的实时抽采量为Q3时，关闭第一阀门停止抽采，待过36-72h后，打开第一阀门进行抽采，重复此步骤多次，直至单位时间内实时抽采量降至Q3的3％以下，关闭第一阀门、总阀门，停止抽采。
步骤二到步骤四钻井时使用的是氮气钻。
抽采井水平段L1、L2位于下伏煤层中且在充分采动卸压区内，抽采井水平段L3、L4位于下伏煤层的下覆岩层中且在未充分采动卸压区内。
垂直段A位于距离采空区上部裂隙带5-8m的位置；垂直段B位于距离下伏煤层顶板4-8m的位置；垂直段C位于距离下伏煤层底板4-8m的位置；
5. 根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：第一倾斜段、第二倾斜段与竖直方向的角度为30°-50°范围内，第一倾斜段、第二倾斜段的转弯半径为8-28m，且倾斜段呈“微L”形；通过高压软管注入的高压气体是高压氮气。
抽采井直径300mm，抽采井的造斜段X1、X2、X3、X4的转弯半径为8-28m。
抽采井水平段L1、L2、L3、L4套管中多孔金属管每隔4～9m设置一段，优选为4 m以便最大限度地提高抽采效果；抽采井水平段L1、L2、L3、L4的长度为100-150m。
定向分段压裂采用定向水力喷射压裂技术。
Q3=0.12（Q1+Q2）；其中Q1是未进行水力压裂、未形成密封段时，瓦斯流量监测表所监测的单位时间内煤层气的抽采量；Q2是进行水力压裂、形成密封段时，瓦斯流量监测表所监测的单位时间内煤层气的抽采量；Q3是进行水力压裂、密封段打开连通后，瓦斯流量监测表所监测的单位时间内煤层气的抽采量。
本发明的有益效果
（1）本发明呈“树形”结构的地面钻井煤层气抽采方法，并将采空区与下伏煤层的煤层气资源整合，充分采动卸压区和未充分采动卸压区“分区抽采”，实现了采空区与下伏煤层煤层气的协同抽采。
（2）本发明运用了高压气囊，实现一囊多用，其主要作用如下：当向倾斜段内高压气囊注入高压氮气时形成的密封段，不仅使采空区内的煤层气封存在采空区中，避免进行分段压裂时，由于煤层气泄漏造成事故发生，保障了施工人员的生命安全；除此之外，高压气囊一定程度上增加了倾斜段的抗压能力，防止倾斜段因受外界干扰以及地应力作用而发生管道破裂，从而降低煤层气抽采效率。
（3）本发明实现了一井多抽、协同抽采，极大的提高煤层气抽采效率，节约了抽采成本。
附图说明
图1本发明抽采流程剖面示意图。
1.瓦斯采集装置；2.第一阀门；3.瓦斯抽采管；4. 瓦斯流量监测表；5.第二阀门；6.氮气流量监测表；7.第三阀门；8.第一加压设备；9.第二加压设备；10，总阀门；11.密封段；12.垂直段A；13.第一高压软管；14.第二高压软管；15.第一倾斜段；16.第二倾斜段；17.高压气囊；18.裂隙带；19.裂隙带下部边界线；20.垂直段B；21.造斜段X1；22.造斜段X2；23.水平段L1；24.水平段L2；25.充分采动卸压区；26.垂直段C；27.造斜段X3；28.造斜段X4；29.水平段L3；30.水平段L4；31.未充分采动卸压区；32.分段压裂段；33.下伏煤层；34.采空区。
具体实施方式
结合附图对本发明进一步做示意性说明与解释，并不限定本发明的范围。
一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据矿井资料对采空区进行现场勘测，明确采空区的开挖范围等参数，确定采空区上方裂隙带范围、位置以及充分采动卸压区和未充分采动卸压区范围，明确下伏煤层常规参数及位置情况，当确定下伏煤层在采动前、中期时，处于充分采动卸压区和未充分采动卸压区内，进行如下操作。
步骤二：在裂隙带上方地面，选择地势平坦处作为抽采井的施工位置，架设钻井设备，向地表下施工抽采井的垂直段A，当垂直段A位于距离采空区上部裂隙带7m的位置时，调整氮气钻钻头角度，使钻头分别向两侧施工，得到抽采井的第一倾斜段、第二倾斜段，其中，第一倾斜段、第二倾斜段与竖直方向的角度为40°，转弯半径为15m，且倾斜段呈“微L”形；当倾斜段最低位置与采空区裂隙带下部边界线之间垂直距离达到5m时，钻头停止工作并使钻头退出至垂直段A。
步骤三：利用钻机设备将抽采井的垂直段A垂直延伸获得垂直段B，当垂直段B位于距离下伏煤层顶板5m的位置时，调整钻头对造斜段X1与造斜段X2的施工，使钻头通过造斜段X1、造斜段X2能够顺利调整到位于下伏煤层中的抽采井水平段L1与水平段L2，其中，斜段X1、X2的转弯半径为16m，抽采井水平段L1与水平段L2长110m，施工完后调整钻头，使钻头方向与垂直段B重合。
步骤四：重复步骤三，得到垂直段C、造斜段X3、造斜段X4、抽采井水平段L3和水平段L4，其中，造斜段X3、造斜段X4转弯半径为18m，抽采井水平段L3与水平段L4长150m，当抽采井水平段L3和水平段L4距离下伏煤层底板7m，垂直段C位于距离下伏煤层底板5m时，结束施工。
步骤五：对抽采井井道整体铺设套管，其中抽采井的所有垂直段、倾斜段以及造斜段采用无缝钢管；在倾斜段的无缝钢管内部各自固定有高压气囊，高压气囊通过高压软管与地面加压设备相连；抽采井水平段全部采用无缝钢管与筛管组合结构，当抽采井的套管全部铺设完成后进行加固，对套管与孔壁的间隙进行密封处理。
步骤六：将井下抽采井管道与地面抽采管道相连，管道从上至下分别由瓦斯采集装置、第一阀门、瓦斯抽采管、瓦斯流量监测表、第二阀门、氮气流量监测表、第三阀门、第一加压设备、第二加压设备、总阀门、第一高压软管、第二高压软管组成。
步骤七：上述步骤完成后，打开第一阀门以及总阀门，通过瓦斯抽采管进行第一次抽采，待抽采量稳定后，观察瓦斯监测表并实时记录在单位时间内煤层气的抽采量Q1，当单位时间内的煤层气抽采量降为Q1的15％时，关闭第一阀门，停止抽采，待过36h后，打开第一阀门进行抽采，重复多次，直至单位时间内抽采量降至Q1的15％以下，关闭第一阀门，停止煤层气的抽采。
步骤八：打开加压设备、第二阀门、第三阀门，通过第一高压软管、第二高压软管给高压气囊注入高压气体，让高压气囊膨胀，封闭第一倾斜段、第二倾斜段与垂直段A的连接通道，待完全封住第一倾斜段、第二倾斜段后，关闭第二阀门、第三阀门。
步骤九：分别对抽采井水平段L1、L2与抽采井水平段L3、L4进行定向定向水力喷射压裂，抽采井水平段L1、L2、L3、L4套管中筛管每隔4m设置一段，当定向压裂完成后，撤出设备并进行密封处理；打开第一阀门以及总阀门，进行煤层气抽采，待抽采量稳定后，观察瓦斯流量监测表并实时记录在单位时间内煤层气的抽采量Q2，当单位时间内的煤层气抽采量降为Q2的15％时，对高压气囊进行泄压释放，使第一倾斜段、第二倾斜段和垂直段A呈连通状态，并继续抽采煤层气；观察瓦斯流量监测表并记录，当单位时间内煤层气的实时抽采量为Q3=0.12（Q1+Q2）时，关闭第一阀门停止抽采，待过72h后，打开第一阀门进行抽采，重复此步骤多次，直至单位时间内实时抽采量降至Q3=0.12（Q1+Q2）的3％以下，关闭第一阀门、总阀门，停止煤层气的抽采。
上述方法中，所述采空区的开挖范围参数，确定采空区上方裂隙带范围、位置以及充分采动卸压区和未充分采动卸压区范围，明确下伏煤层常规参数及位置情况需要结合矿井资料，运用现场实测、采空区“竖三带”经验公式等以及实验室相似模拟的方式相结合来确定。

Claims (10)

1.一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征是确定充分采动卸压区和未充分采动卸压区范围，当采动前、中期，下伏煤层处于充分采动卸压区和未充分采动卸压区内，以采空区裂隙带上方的平坦地面作为抽采井施工位置，利用钻井设备，向采空区及其下伏煤层，构造出抽采井的垂直段、倾斜段、造斜段以及水平段，然后对抽采井的井道整体铺设套管，并进行密封、加固处理，形成“树形”抽采通道；将井下抽采管道与地面抽采设备相连，利用地面抽采系统监测并控制煤层气流量，操控压裂设备，实现采空区和下伏煤层煤层气的协同抽采。
2.根据权利要求1所述一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法,其特征是包括以下步骤：
步骤一：对已开挖的采空区进行现场勘测，明确获得已开挖的采空区（34）的开挖范围、煤柱分布情况，确定采空区（34）上方裂隙带范围、位置以及充分采动卸压区（25）和未充分采动卸压区（31）范围，明确下伏煤层（33）常规参数及位置情况，当采动前、中期，下伏煤层（33）处于充分采动卸压区（25）和未充分采动卸压区（31）内，进行如下步骤；
步骤二：在裂隙带（18）正上方的地面，选择地势平坦处的一点作为抽采井的施工位置，架设钻井设备，由地表垂直向下施工抽采井的垂直段A（12），调整钻头角度，使钻头分别向两侧施工，得到抽采井的第一倾斜段（15）、第二倾斜段（16），当倾斜段最低位置与采空区裂隙带下部边界线（19）之间垂直距离达到3-6m时，钻头停止工作并使钻头退出至垂直段A（12）；
步骤三：利用钻机将抽采井的垂直段A（12）垂直延伸获得垂直段B（20），调整钻头施工造斜段X1（21）与造斜段X2（22），使钻头进入下伏煤层（33）中并施工抽采井水平段L1（23）与水平段L2（24），施工完后钻头停止工作并退出至垂直段B（20）；
步骤四：重复步骤三，得到垂直段C（26）、造斜段X3（27）、造斜段X4（28）、抽采井水平段L3（29）和水平段L4（30），其中，抽采井水平段L3（29）和水平段L4（30）距离下伏煤层（33）底板5-9m，施工完后将钻头退出；
步骤五：对抽采井井道整体铺设套管，其中抽采井的所有垂直段、倾斜段以及造斜段采用无缝钢管；在倾斜段的无缝钢管内部各自固定有高压气囊，高压气囊通过高压软管与地面加压设备相连；抽采井水平段全部采用无缝钢管与筛管组合结构，当抽采井的套管全部铺设完成后进行加固，对套管与孔壁的间隙进行密封处理；
步骤六：将井下抽采管道与地面抽采管道相连；
步骤七：打开第一阀门（2）以及总阀门（10），通过瓦斯抽采管（3）进行第一次抽采，待抽采量稳定后，观察瓦斯流量监测表（4）并实时记录在单位时间内煤层气的抽采量Q1，当单位时间内的煤层气抽采量降为Q1的15％时，关闭第一阀门（2），停止抽采，待过24-36h后，打开第一阀门（2）进行抽采，重复多次，直至单位时间内抽采量低于Q1的15％以下，关闭第一阀门（2），停止抽采；
步骤八：打开第一加压设备（8）、第二加压设备（9）、第二阀门（5）、第三阀门（7），通过第一高压软管（13）、第二高压软管（14）给高压气囊（17）注入高压气体，让高压气囊（17）膨胀，封闭第一倾斜段（15）、第二倾斜段（16）与垂直段A（12）的连接通道，完全封闭后，关闭第二阀门（5）、第三阀门（7）；
步骤九：分别对位于下伏煤层（33）中的抽采井水平段L1（23）、L2（24）与位于下伏煤层（33）底板下方的抽采井水平段L3（29）、L4（30）进行定向分段压裂，定向压裂完成后，撤出设备并进行密封处理；打开第一阀门（2）以及总阀门（10），进行煤层气抽采，待抽采量稳定后，观察瓦斯流量监测表（4）并实时记录在单位时间内煤层气的抽采量Q2，当单位时间内的煤层气抽采量降为Q2的15％时，对高压气囊（17）进行泄压释放，使第一倾斜段（15）、第二倾斜段（16）和垂直段A（12）呈连通状态，并继续抽采煤层气；观察瓦斯流量监测表（4）并记录，当单位时间内煤层气的实时抽采量为Q3时，关闭第一阀门（2）停止抽采，待过36-72h后，打开第一阀门（2）进行抽采，重复此步骤多次，直至单位时间内实时抽采量降至Q3的3％以下，关闭第一阀门（2）、总阀门（10），停止抽采。
3.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：步骤二到步骤四钻井时使用的是氮气钻。
4.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：抽采井水平段L1（23）、L2（24）位于下伏煤层（33）中且在充分采动卸压区（25）内，抽采井水平段L3（29）、L4（30）位于下伏煤层（33）的下覆岩层中且在未充分采动卸压区（31）内。
5.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：垂直段A（12）位于距离采空区（34）上部裂隙带（18）5-8m的位置；垂直段B（20）位于距离下伏煤层（33）顶板4-8m的位置；垂直段C（26）位于距离下伏煤层（33）底板4-8m的位置。
6.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：第一倾斜段（15）、第二倾斜段（16）与竖直方向的角度为30°-50°范围内，第一倾斜段（15）、第二倾斜段（16）的转弯半径为8-28m；通过高压软管注入的高压气体是高压氮气。
7.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：抽采井直径300mm，抽采井的造斜段X1（21）、X2（22）、X3（27）、X4（28）的转弯半径为8-28m。
8.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：抽采井水平段L1（23）、L2（24）、L3（29）、L4（30）套管中多孔金属管每隔4～9m设置一段，抽采井水平段L1（23）、L2（24）、L3（29）、L4（30）的长度为100-150m。
9.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：定向分段压裂采用定向水力喷射压裂技术。
10.根据权利要求书1所述的一种采空区与下伏煤层协同瓦斯抽采的方法，其特征在于：Q3=0.12（Q1+Q2）；其中Q1是未进行水力压裂、未形成密封段时，瓦斯流量监测表（4）所监测的单位时间内煤层气的抽采量；Q2是进行水力压裂、形成密封段时，瓦斯流量监测表（4）所监测的单位时间内煤层气的抽采量；Q3是进行水力压裂、密封段打开连通后，瓦斯流量监测表（4）所监测的单位时间内煤层气的抽采量。
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