CN115341877A - 煤矿区煤层气四区联动井上下联合抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法；依据时空关系和采掘先后顺序，将煤矿区划分为规划区、准备区、生产区、采空区；规划区采用地面预抽的方式进行提前抽采；准备区采用井上下联合抽采方式；生产区采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔、穿层钻孔进行井下抽采，地面利用地面采动直井、地面采动L型井进行抽采；采空区通过施工采空区地面垂直井抽采。煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式根据矿区范围内煤层气及煤炭资源禀赋特点，结合煤层气抽采技术与煤炭开采工艺，对全矿区所有可采煤层气进行了煤矿开采前、开采中及开采后的全时段精准科学抽采，实现煤层气与煤炭两种资源安全高效协调开发。
Description
技术领域
本发明属于煤炭与煤层气协调开发技术领域，具体涉及一种煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法。
背景技术
在一次能源消费中煤炭仍占主体地位，而矿井瓦斯仍是煤矿生产的头号威胁，煤矿区煤炭开采过程中煤层瓦斯含量、压力不断增大，瓦斯涌出量增加，导致煤炭安全生产问题不断凸显，威胁煤矿安全生产，严重制约了煤炭工业的发展。开展煤矿区煤层气（瓦斯）地面超前预抽，可以在煤矿生产前降低井下煤层瓦斯含量，减小井下瓦斯抽采压力，提高抽采效率，保障矿井安全生产。在第一阶段，开始探索采煤采气一体化，地面煤层气开发、井下煤层气抽采与煤矿生产相结合的问题。在第二阶段，进行了煤矿区煤层气与煤炭协调开发模式初探，并首次提出了适合高瓦斯矿区特点的“三区（煤炭生产规划区、煤炭开拓准备区、煤炭生产区）联动”立体抽采模式。但随着煤矿开采深度的不断增加，煤层煤体结构、渗透性变差，地应力、瓦斯含量不断增大；同时，矿井采掘规模迅速扩大，瓦斯涌出量增加，导致煤炭安全生产问题不断凸显，对煤层气与煤炭协调开发提出了更高的要求。
发明内容
本发明为了解决煤矿区煤与煤层气协调开发问题，提高煤层气抽采和矿井生产效率，保障矿井安全生产，提出了煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方式，最大限度实现两种资源经济、绿色、安全、高效开发。
本发明提供了如下技术方案：一种煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，依据时空关系和采掘先后顺序，将煤矿区划分为规划区、准备区、生产区、采空区；规划区为煤炭资源在5年以后才进行采煤作业的区域；准备区为3～5年内即将进行回采的区域；生产区为煤炭生产矿井的现有生产区域；采空区为煤矿作业过程中，将地下煤炭开采后留下的区域；规划区采用地面预抽的方式进行提前抽采，包括地面预抽垂直井、地面预抽水平井；准备区采用井上下联合抽采方式，通过井下定向长钻孔与地面采动直井的压裂影响区沟通，利用压裂影响区提升渗透率；生产区采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔、穿层钻孔进行井下抽采，地面利用地面采动直井、地面采动L型井进行抽采；采空区通过施工采空区地面垂直井抽采。
进一步地，规划区、准备区、生产区和采空区“四区”的划分随煤矿采掘推进、抽采时间的延长和煤层气含气量及瓦斯压力的变化而呈动态演变，煤层含气量大于16 m3/t，瓦斯压力高于0.74MPa的区域进行地面预抽；在含气量8～16 m3/t区域采取井上下联动抽采；含气量低于8 m3/t，瓦斯压力低于0.74MPa的区域，实施井下区域递进式抽采；规划区预抽5～10年后转化为准备区，准备区抽采3～5年后转化为生产区，生产区在煤炭回采完成后则转化为采空区。
进一步地，地面预抽垂直井为套管完井，采用二开井身结构，一开采用直径Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，二开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ139.7mm的套管，套管下至目的煤层以下30m；
地面预抽水平井包括U型水平井、L型水平井；U型水平井由水平井和垂直井组成，水平井采用三开结构，一开采用直径Φ444.5mm的钻头，下入Φ339.7mm的套管，二开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，三开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ139.7mm的套管；垂直井为二开结构，一开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，二开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ177.8mm的套管，且在煤层段采用玻璃钢套管，施工过程中先完成垂直井的作业，然后再进行水平井作业，并将水平井穿过垂直井玻璃钢，与直井连通后继续延伸，完成U型水平井的连通；
L型水平井采用三开井身结构方式，一开采用Φ311.15mm钻头钻入稳定基岩5m～10m，下入J55钢级Φ273mm表层套管，固井水泥返至地面；二开采用Φ241mm钻头钻进至煤层顶板以上5m处，下入J55钢级Φ193.7mm技术套管至煤层顶板以上10m处，固井水泥返至地面；三开采用Φ171.5mm钻头钻进，进入煤层后沿煤层钻进，下入Φ139.7mm的套管进行完井；然后，对水平段进行射孔、压裂作业，完成煤层的增透改造。
进一步地，准备区具体的抽采方式为：通过地面采动直井对目的煤层进行水力压裂改造，通过地面监测圈定出地面井压裂影响范围，然后，在井下巷道向压裂影响区施工顺煤层长钻孔或穿层钻孔进行井下瓦斯抽采。
进一步地，生产区在采煤工作面进行煤炭生产的同时，采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔、穿层钻孔进行井下抽采，地面利用地面采动直井、地面采动L型井进行抽采；
地面采动直井布置于距离回风巷50m、顶板以上40m～60m区域；
地面采动L型井从地面施工，将水平段置于沿煤层走向的顶板岩层中，地面采动L型井采用三开结构，一开采用直径Φ483mm的钻头，下入Φ406.4mm的套管，二开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.48mm的套管，三开采用Φ215.9mm的钻头，钻至顶板裂隙带中，裸眼完井。
进一步地，采空区采用地面垂直井抽采煤层气，采空区地面垂直井采用二开封固含水层，三开下入割缝套管护壁的垂直抽采井三开井身结构。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式根据矿区范围内煤层气及煤炭资源禀赋特点，结合煤层气抽采技术与煤炭开采工艺，对全矿区所有可采煤层的煤层气进行了煤矿开采前、开采中及开采后的全时段精准科学抽采，实现煤层气与煤炭两种资源安全高效协调开发。
2、煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式，明确了矿井“四区”煤层气抽采的科学布局和时空接替关系，各区适用的抽采方式，使煤与煤层气协调开发更加紧凑。解决了一直困扰高瓦斯矿井的抽、掘、采衔接紧张问题，为矿井生产和瓦斯抽采的协调发展提供了技术保障。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为地面预抽垂直井井身结构图。
图3为U型水平井井身结构图。
图4为L型水平井井身结构图。
图5为地面压裂井下定向长钻孔抽采示意图。
图6为区域递进式抽采示意图。
图7为地面采动直井井身结构图。
图8为地面采动L型井井身结构图。
图9为采空区地面垂直井井身结构图。
图10为煤层气地面抽采前后含气量对比。
图11为东五盘区原始含气量与剩余量对比图。
图中：1-规划区；2-准备区；3-生产区；4-采空区；5-地面预抽垂直井；5.1-预抽垂直井一开井身；5.2-预抽垂直井二开井身；6-地面预抽水平井；6.1-水平井一开井身；6.2-水平井二开井身；6.3-水平井三开井身；6.4-射孔段；6.5-垂直井一开井；6.6-垂直井二开井；6.7-玻璃钢套管；6.8-L型水平井一开井身；6.9- L型水平井二开井身；6.10- L型水平井三开井身；7-井下定向长钻孔；8-地面采动直井；9-地面采动L型井；9.1-地面采动L型井一开井身；9.2-地面采动L型井二开井身；9.3-地面采动L型井三开井身；10-穿层钻孔；11-井下高位定向长钻孔；12-采空区地面垂直井；12.1-采空区地面垂直井一开井身；12.2-采空区地面垂直井二开井身；12.3-采空区地面垂直井三开井身；12.4-割缝套管；13-采煤工作面；14-井下抽采管路；15-地面；16-煤层；17-岩层；18-巷道；19-地面抽采设备。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。各图所示内容仅用于理解发明的技术内容，而不代表产品的实际比例和真实形状，其中相同的标号表示结构相同或功能相同但结构相似的部分。
在本文中，“平行”、“垂直”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，它也可以包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用该产品时允许的误差。另外，“垂直”不仅包括在空间中两物体直接相接的互相垂直，还包括在空间中两物体不相接时的互相垂直。
为了进一步提高煤矿区煤与煤层气协调开发效率，有效衔接地面煤层气开采与煤矿井下安全生产，本发明充分总结现阶段煤矿区煤层气“三区联动”立体抽采，结合煤矿生产中出现的新特点，深入探究煤层气和煤炭协调开发问题，丰富了煤矿区煤层气“三区联动”抽采技术体系理论基础和内涵，对煤矿区煤与煤层气协调开发模式进行了优化和细分，创新发展了全矿区、全层位、全时段的煤矿区煤层气“四区（规划区、准备区、生产区、采空区）联动”井上下联合抽采模式。
如图1所示；一种煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，依据时空关系和采掘先后顺序，将煤矿区划分为规划区、准备区、生产区、采空区；规划区为煤炭资源在5年以后才进行采煤作业的区域；准备区为3～5年内即将进行回采的区域；生产区为煤炭生产矿井的现有生产区域；采空区为煤矿作业过程中，将地下煤炭开采后留下的区域；规划区采用地面预抽的方式进行提前抽采，包括地面预抽垂直井、地面预抽水平井；准备区采用井上下联合抽采方式，通过井下定向长钻孔与地面采动直井的压裂影响区沟通，利用压裂影响区提升渗透率，提高井下煤层气抽采效率，实现井上下联合抽采高产高效；生产区基于采动活动剧烈和井下工程全开放特点，采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔和穿层钻孔抽采，实现生产区井下抽采精准达标，结合地面采动直井、地面采动L型井进行抽采，确保无抽采盲区；采空区针对传统井下埋管抽采容易留下安全隐患，通过施工采空区地面垂直井抽采，达到抽采采空区煤层气的目的，实现了地面钻采消患减排。
规划区、准备区、生产区和采空区“四区”的划分随煤矿采掘推进、抽采时间的延长和煤层气含气量及瓦斯压力的变化而呈动态演变，煤层含气量大于16 m3/t，瓦斯压力高于0.74MPa的区域进行地面预抽；在含气量8～16 m3/t区域采取井上下联动抽采；含气量低于8 m3/t，瓦斯压力低于0.74MPa的区域，实施井下区域递进式抽采；规划区预抽5～10年后转化为准备区，准备区抽采3～5年后转化为生产区，生产区在煤炭回采完成后则转化为采空区。
如图2所示；地面预抽垂直井为套管完井，采用二开井身结构，一开采用直径Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，二开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ139.7mm的套管，套管下至目的煤层以下30m。
如图3所示；地面预抽水平井包括U型水平井、L型水平井；U型水平井由水平井和垂直井组成，水平井采用三开结构，一开采用直径Φ444.5mm的钻头，下入Φ339.7mm的套管，二开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，三开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ139.7mm的套管；垂直井为二开结构，一开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，二开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ177.8mm的套管，且在煤层段采用玻璃钢套管，施工过程中先完成垂直井的作业，然后再进行水平井作业，并将水平井穿过垂直井玻璃钢，与直井连通后继续延伸，完成U型水平井的连通。
如图4所示；L型水平井采用三开井身结构方式，一开采用Φ311.15mm钻头钻入稳定基岩5m～10m，下入J55钢级Φ273mm表层套管，固井水泥返至地面；二开采用Φ241mm钻头钻进至煤层顶板以上5m处，下入J55钢级Φ193.7mm技术套管至煤层顶板以上10m处，固井水泥返至地面；三开采用Φ171.5mm钻头钻进，进入煤层后沿煤层钻进，下入Φ139.7mm的套管进行完井；然后，对水平段进行射孔、压裂作业，完成煤层的增透改造。
如图5所示；准备区具体的抽采方式为：通过地面采动直井对目的煤层进行水力压裂改造，地面监测圈定压裂影响范围，然后，在井下巷道向压裂影响区施工顺煤层长钻孔或穿层钻孔进行井下瓦斯抽采，达到快速降低吨煤瓦斯含量的目的。
如图6所示；生产区在采煤工作面进行煤炭生产的同时，采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔和穿层钻孔抽采，地面采动直井，地面采动L型井抽采；实现回采面与接替面的循环递进、良性接替。
地面采动直井是在地表施工直井至煤层采动形成的覆岩裂隙带内，从而使得瓦斯能够尽可能多的经由煤岩体的裂隙网络通道和直井抽采到地表，以达到降低回采工作面瓦斯涌出，缓解瓦斯超限和抽采瓦斯的目的。
如图7所示；地面采动直井布置于距离回风巷50m、顶板以上40m～60m区域。
地面采动L型井是一种结合高位定向长钻孔抽采与地面直井抽采技术特点的瓦斯治理方法，该方法从地面施工L型井，将水平段置于沿煤层走向的顶板岩层中，利用煤层采动卸压增透效应抽采工作面前方卸压区及采空区瓦斯，从而有效解决采煤工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等问题。
如图8所示；地面采动L型井采用三开结构，一开采用直径Φ483mm的钻头，下入Φ406.4mm的套管，二开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.48mm的套管，三开采用Φ215.9mm的钻头，钻至顶板裂隙带中，裸眼完井。
常采用地面垂直井技术抽采采空区煤层气，解决传统的井下埋管抽采容易留下隐患。针对采空区上部含水层涌水淋滤易导致井壁松散块状岩体坍塌堵井、采空区冒落带岩体易坍塌堵井的难题。如图9所示；采空区地面垂直井采用二开封固含水层，三开下入割缝套管护壁的垂直抽采井三开井身结构。
工程实例
煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式在山西省晋城矿区寺河矿、成庄矿等矿井得到了全面的应用，并取得了良好的效果。在寺河矿实现了规划区煤层气含量的全域快降，矿井瓦斯超限次数由最高年份的28次，降低到2020年的0次，提高了生产效率，节约了生产成本。
在寺河矿东五盘区，地面预抽效果更为明显。该盘区原始煤层瓦斯含量18.98～29.02 m3/t，平均23.68 m3/t。经十五年的地面预抽，东五盘区3号煤层剩余含气量降到8m3/t以下，降幅达45%～69%，平均55%，规划区煤层气地面抽采效果非常明显（图10～图11）。目前，该盘区的5310、5311工作面已顺利完成安全高效采煤，实现了高瓦斯煤层的低瓦斯开采。
鉴于“四区联动”井上下联合抽采模式良好的瓦斯抽采效果，成庄矿千万吨级年产量才得以保障。
煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式在晋城矿区赵庄、长平矿，山西焦煤、潞安、阳泉等高瓦斯也在大面积推广应用，有效缩短了掘进工作面预抽达标时间，缓解了抽掘采接替紧张，促进了矿井的高产高效。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，其特征在于：依据时空关系和采掘先后顺序，将煤矿区划分为规划区、准备区、生产区、采空区；规划区为煤炭资源在5年以后才进行采煤作业的区域；准备区为3～5年内即将进行回采的区域；生产区为煤炭生产矿井的现有生产区域；采空区为煤矿作业过程中，将地下煤炭开采后留下的区域；规划区采用地面预抽的方式进行提前抽采，包括地面预抽垂直井、地面预抽水平井；准备区采用井上下联合抽采方式，通过井下定向长钻孔与地面采动直井的压裂影响区沟通，利用压裂影响区提升渗透率；生产区采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔、穿层钻孔进行井下抽采，地面利用地面采动直井、地面采动L型井进行抽采；采空区通过施工采空区地面垂直井抽采。
2.根据权利要求1所述的煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，其特征在于：所述的规划区、准备区、生产区和采空区“四区”的划分随煤矿采掘推进、抽采时间的延长和煤层气含气量及瓦斯压力的变化而呈动态演变，煤层含气量大于16 m3/t，瓦斯压力高于0.74MPa的区域进行地面预抽；在含气量8～16 m3/t区域采取井上下联动抽采；含气量低于8 m3/t，瓦斯压力低于0.74MPa的区域，实施井下区域递进式抽采；规划区预抽5～10年后转化为准备区，准备区抽采3～5年后转化为生产区，生产区在煤炭回采完成后则转化为采空区。
3.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，其特征在于：所述的地面预抽垂直井为套管完井，采用二开井身结构，一开采用直径Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，二开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ139.7mm的套管，套管下至目的煤层以下30m；
地面预抽水平井包括U型水平井、L型水平井；U型水平井由水平井和垂直井组成，水平井采用三开结构，一开采用直径Φ444.5mm的钻头，下入Φ339.7mm的套管，二开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，三开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ139.7mm的套管；垂直井为二开结构，一开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.5mm的套管，二开采用Φ215.9mm的钻头，下入Φ177.8mm的套管，且在煤层段采用玻璃钢套管，施工过程中先完成垂直井的作业，然后再进行水平井作业，并将水平井穿过垂直井玻璃钢，与直井连通后继续延伸，完成U型水平井的连通；
L型水平井采用三开井身结构方式，一开采用Φ311.15mm钻头钻入稳定基岩5m～10m，下入J55钢级Φ273mm表层套管，固井水泥返至地面；二开采用Φ241mm钻头钻进至煤层顶板以上5m处，下入J55钢级Φ193.7mm技术套管至煤层顶板以上10m处，固井水泥返至地面；三开采用Φ171.5mm钻头钻进，进入煤层后沿煤层钻进，下入Φ139.7mm的套管进行完井；然后，对水平段进行射孔、压裂作业，完成煤层的增透改造。
4.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，其特征在于，所述的准备区具体的抽采方式为：通过地面采动直井对目的煤层进行水力压裂改造，通过地面监测圈定出地面井压裂影响范围，然后，在井下巷道向压裂影响区施工顺煤层长钻孔或穿层钻孔进行井下瓦斯抽采。
5.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，其特征在于：所述的生产区在采煤工作面进行煤炭生产的同时，采用区域递进式顺层钻孔、高位定向长钻孔、穿层钻孔进行井下抽采，地面利用地面采动直井、地面采动L型井进行抽采；
地面采动直井布置于距离回风巷50m、顶板以上40m～60m区域；
地面采动L型井从地面施工，将水平段置于沿煤层走向的顶板岩层中，地面采动L型井采用三开结构，一开采用直径Φ483mm的钻头，下入Φ406.4mm的套管，二开采用Φ311.1mm的钻头，下入Φ244.48mm的套管，三开采用Φ215.9mm的钻头，钻至顶板裂隙带中，裸眼完井。
6.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采方法，其特征在于：所述的采空区采用地面垂直井抽采煤层气，采空区地面垂直井采用二开封固含水层，三开下入割缝套管护壁的垂直抽采井三开井身结构。
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