多分枝地面垂直井瓦斯抽采技術研究

1、多分枝地面垂直井瓦斯抽采技術研究     多分枝地面垂直井瓦斯抽采技術研究周昀涵，羅新榮，吳麗麗*作者簡介：周昀涵，（1982-），男，四川達州人，中國礦業(yè)大學安全技術及工程在讀研究生，主要研究瓦斯防治技術及礦井降溫技術。通信聯(lián)系人：羅欣榮，（1957-），男，教授，主要研究方向：瓦斯治理以及降溫技術. E-mail: 作面為例，研究了多分枝地面垂直井的布置參數(shù)。1 多分枝地面垂直井的可行性研究多分枝井技術在國內(nèi)外應用得比較多，大部分技術也只是在石油鉆井和天然氣鉆井中應45 用，但在有保護層開采的煤層群，受采動的影響，頂板上部產(chǎn)生大量

2、的裂隙帶、冒落帶，要想利用多分枝井來抽采卸壓瓦斯是很難實現(xiàn)的。目前，分枝井主要是指多分枝水平井，多分枝水平井有集束分支水平井、徑向分支水平井、反向分支水平井、疊狀分支水平井和羽狀分支水平井1如下圖1 所示;直接用多分枝水平井抽采卸壓煤層瓦斯容易被豎向應力截斷破壞，如果把多分枝水平井變?yōu)槎喾种Υ怪本涂梢詼p少被破壞的程度。因此，結合地面鉆井技術50 與多分枝水平井技術來研究多分枝地面垂直井技術。1、集束分支水平井2、徑向分支水平井3、反向分支水平井4、疊狀分支水平井5、羽狀分支水平井圖1 多分枝水平井Fig.1 multi-branch horizontal well55 2 多分枝地面垂直井抽

3、采效率影響因素多分枝地面垂直井技術的成敗，一般從兩個方面來衡量，其一，抽采瓦斯的時間和瓦斯抽采量；其二，垂直井與側分支鉆孔的穩(wěn)定性。2.1 抽采效率因素影響抽采效率的因素主要有兩類，一是地質(zhì)構造，包括煤層透氣性、煤層瓦斯含量、關60 鍵層層數(shù)與關鍵層離采空區(qū)距離等。二是鉆孔施工參數(shù)、采空區(qū)壓實層度、采空區(qū)漏風情況等；鉆孔施工參數(shù)有鉆孔終孔位置、鉆孔布置間距及數(shù)量。2.2 鉆孔穩(wěn)定性多分枝地面瓦斯抽采鉆井必然會經(jīng)歷回采工作面推過鉆井，上覆巖層劇烈運動的應力調(diào)整階段，巖層的層間錯動和離層，使得地面垂直鉆井與側井面臨被切斷和拉斷的危險。破斷65 主要集中于以下幾個部位：基巖面與松散層交界處；分支井與

4、垂直主井的連接處容易被切斷；主關鍵層離層處套管容易破斷；技術套管與護壁套管的交界處，技術套管和護壁套管都容易被破壞；技術套管與生產(chǎn)套管交界處，生產(chǎn)套管與技術套管都容易破壞。因此，在布置地面垂直井與側分支井時，應避開客觀因素的破壞，加強易破斷位置的技術設計。 70 3 多分枝地面垂直井的設計原理3.1 設計原理由于煤炭的采出，形成的采空區(qū)沒有支撐物的情況下，直接頂將會斷裂甚至垮落，直接頂?shù)纳喜烤统霈F(xiàn)兩類裂隙，離層裂隙和豎向破斷裂隙。離層與采空區(qū)煤壁四周是瓦斯積聚的地方。地面設計鉆井要想最大化的抽采瓦斯，不僅要保證井孔，井壁不受破壞外，還要滿足75 卸壓瓦斯抽放鉆孔打到采動裂隙“O”型圈

5、內(nèi)2。設計側分支井抽采上覆巖遠距離煤層卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯，側井條數(shù)根據(jù)需要而定。3.2 多分枝地面垂直井的構造多分支地面垂直井是由垂直井，多條側分支井組成，垂直井的布置位置前人研究了很多，主要位置設置在靠近回風側3，可以提高鉆孔穩(wěn)定性，終孔落在“O”形圈內(nèi)；側分支井一80 般兩條最佳，側分支井的開窗位置是由巖層垮落的最大位移決定，垂直井與側井的角度根據(jù)采煤工作面上部破壞區(qū)邊界與水平、傾向方向的夾角而定，側井終孔位置根據(jù)冒落帶、裂隙帶高度確定。多分枝地面垂直井示意圖見圖2。圖2 多分枝地面垂直井示意圖85 Fig.2 Diagram of branch-and-ground vertical

6、well3.3 多分枝地面垂直井的優(yōu)缺點及關鍵技術地面鉆井抽采瓦斯雖然有諸多優(yōu)點，但地面鉆井在受采動影響，巖層移動后，容易變形破壞，甚至地面鉆井井孔會完全封堵，在此問題上，迫切需要研究一種不完全受采動影響的90 瓦斯抽采鉆井。根據(jù)地面鉆井技術、石油鉆井的側井、水平羽狀井的技術原理，設計出多分枝地面垂直井技術。多分枝地面垂直井技術集成了地面鉆井和多分枝水平井技術的優(yōu)點，同時也存在一些缺點。1）多分枝地面垂直井技術的優(yōu)點：對于新鉆井不僅可以擴大瓦斯抽采范圍，還可以減少瓦斯抽采的時間，增加了瓦斯抽采率，同時也增加了瓦斯抽抽采量；在多分枝地面垂 95 直鉆井中，如果其中一個分支被覆巖移動破壞

7、堵塞后，基本不會阻斷其他分支的瓦斯抽采，這樣幾個分支全部破壞的幾率比只有一個井孔破壞的幾率要小得多；對于已破壞的井還可以重新利用，在破壞端上部進行分支，這時的分支井基本不受覆巖的影響（采動過后，采空區(qū)已成為壓實區(qū)，不會產(chǎn)生很大的變形或移動）；多分枝地面垂直井減少了地面鉆孔的數(shù)量。一個地面二分支鉆井覆蓋范圍大概是一個垂直地面鉆井覆蓋范圍大約1.52 倍，即覆100 蓋半徑為300400m。一個多分枝地面垂直井就可以抽采整個采空區(qū)瓦斯，不僅擴大了瓦斯抽采范圍，增加了瓦斯在單位時間的抽采率，節(jié)省了管理費用和大量的材料費。2）多分枝地面垂直井技術的缺點：多分枝地面垂直井條數(shù)的增加，同時也就增加了鉆井液

8、對煤層的浸泡損害煤體； 完井風險大，可能丟失分支井眼； 分支井可能在采動過程中完全破壞阻斷； 多分枝地面垂直井技術復雜程度超過地面鉆井技術，成功率比較105 低。3）多分枝地面垂直井的關鍵技術：分支井開窗技術參數(shù)的設計，包括開窗位置、角度、開窗直徑等；分支井開窗口必須規(guī)則和一次成功，否則完井工具無法順利通過4；井眼軌跡和井壁穩(wěn)定控制技術5。4 多分枝地面垂直井設計110 4.1 工作面概況1311（1）工作面為丁集礦東翼首采工作面，走向長992m，面長214m。開采煤層為11-2煤，保護上部13-1 煤層。該面煤層穩(wěn)定，埋深-790-825m，煤層局部變薄，煤層結構簡單，局部下部一般含一層泥巖

9、夾矸，厚0.40.8m。受地質(zhì)構造及沉積環(huán)境影響，煤層最薄0.2m,最厚達3.0m，平均煤厚2.2m，煤呈黑色，粉末狀塊狀，屬半暗型半亮型煤。11-2 煤直115 接頂為灰色泥巖，局部變薄或缺失，老頂為砂質(zhì)泥巖；底板為灰色泥巖。工作面內(nèi)地層較平緩，總體傾向于西南，沿順槽方向，地層自西向東逐漸上抬，傾角010°，平均3°，切眼處傾角較大。4.2 有效卸壓參數(shù)計算下保護層11-2 煤層的開采對13-1 被保護層的有效范圍，根據(jù)走向、傾向的卸壓角以及120 采空區(qū)頂板的冒落高度與裂隙高度來描述；下面確定這些參數(shù)值。卸壓范圍與保護角的位置圖見圖3。1）沿走向、傾向方向的卸壓角走向方

10、向的卸壓角計算公式6：1 1 tan =h/L （1）125 淮南礦區(qū)11-2 煤層與13-1 煤層法線距離為61.5572.87m，平均值為66.7m；根據(jù)國內(nèi)外以及現(xiàn)場試驗的結果表明沿走向的有效卸壓范圍為相對保護層內(nèi)錯大約32m。因此由式（1）計算得1 = 64o 。沿煤層傾斜方向的卸壓角，用以下公式計算6：( ) 2 1 =h/L180o a+ +10o ; （2）3 = a+ 10o. 130 （3）當a 45o 時， =90o0.68a ； 由式（2）、（3）計算得2 = 79o ， 3 = 88o 。即沿工作面傾斜方向的有效卸壓保護角下方為79°。上方為88&#

11、176;。2）冒落帶、裂隙帶高度計算135 根據(jù)“三下”采煤規(guī)程中的式7:100 MHa M b=+（4）計算冒落帶和裂隙帶動高度。式（4）中的參數(shù)a 、b 及誤差根據(jù)文獻8,9確定。因此，冒落帶、裂隙帶發(fā)育最大高度與采高的關系如下：1002.24.7 19 maoMHM= ±+ ； （5）1005.61.6 3.6 lieMHM= ±+ 140 （6）1311（3）工作面采高M 取2.2m，根據(jù)式（5）、（6）得冒落帶范圍為：510m; 裂隙帶范圍為：2536m。145 上圖為沿走向的卸壓范圍；下圖為沿傾向的卸壓范圍圖3 保護層與被保護層之間的卸壓關系Fig.3 The

12、relation between released range and released angles4.3 鉆孔方位布置150 在1311（1）工作面設計1 個多分枝地面垂直井，每個垂直井設計兩個側分支?？紤]多分枝地面垂直井的抽采效率及鉆孔穩(wěn)定性兩方面的因素，將垂直井與分支井的終孔都設計在 偏離回風巷6080m 處10。具體布置如下：根據(jù)1311（1）工作面頂板巖性及冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度以及有關頂板鉆孔抽采資料，多分枝地面垂直井所有孔的終孔位置布置在距11-2 煤層頂板2536m，即裂隙帶內(nèi)，終孔155 不能落在冒落帶內(nèi)，因為容易堵塞孔口；在1311(1)工作面上風巷距工作面開切

13、眼500m 開始施工地面垂直井鉆場，側分支井1 距1311(1)工作面上風巷距工作面開切眼200m，側分支井2 距1311(1)工作面上風巷距工作面開切眼700m. 分支井沿走向的傾角為64°,沿傾向的傾角為7988°。5 結論160 1) 判斷多分枝地面垂直井技術的成敗因素是瓦斯抽采時間、抽采量及其鉆井的穩(wěn)定性；分析了多分枝地面垂直井抽采卸壓瓦斯技術的設計原理；垂直井與側井終孔落在采動裂隙“O”型圈內(nèi)；2) 通過對1311（3）工作面的實例分析，將垂直井與分支井的終孔都設計在偏離回風巷6080m 處，分支井沿走向的傾角為64°,沿傾向的傾角為7988°

14、。多分枝地面垂直165 井所有孔的終孔位置布置在距11-2 煤層頂板2536m，即裂隙帶內(nèi)；3) 得出了一個多分枝地面垂直井的抽采半徑可以達到400m,是一個地面鉆井的1.52倍，因此，多分枝地面垂直井增加了瓦斯抽采率，減少瓦斯抽采時間，提高了煤礦開采效率；4) 地面鉆井存在的技術問題，多分枝地面垂直井同樣存在，而且技術更復雜，但施工多分枝地面垂直井時，必須先要計算好側分支井的開窗位置、角度及側分支井到裂隙帶的長170 度等，在有條件的情況下先模擬一樣整個過程。參考文獻 (References)1 鮮保安,高德利,王一兵等.分支水平井在煤層氣開發(fā)中的應用機理分析J.煤田地質(zhì)與勘探,2005,3

15、3（6）：34-37.175 2 錢鳴高,繆協(xié)興,徐家林等.巖層控制的關鍵層理論M.徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2003.3 梁運培,胡千庭,郭華等. 地面采空區(qū)瓦斯抽放鉆孔穩(wěn)定性分析J.煤礦安全，2007,38(3):1-4.4 張發(fā)展.復雜鉆井工藝技術M.北京:石油工業(yè)出版社,2006.5 饒孟余,楊陸武,張遂安.煤層氣多分支水平井鉆井關鍵技術研究J.天然氣工業(yè),2007,27(11):52-55.6 武杰,桑樹勛,方良才等. 淮南礦區(qū)保護層開采卸壓范圍及瓦斯抽采地面井部署J.煤田地質(zhì)與勘180 探,2010,38(3):10-14.7 國家煤炭工業(yè)局. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓