多分枝地面垂直井瓦斯抽采技術(shù)研究

1、多分枝地面垂直井瓦斯抽采技術(shù)研究     多分枝地面垂直井瓦斯抽采技術(shù)研究周昀涵，羅新榮，吳麗麗*作者簡(jiǎn)介：周昀涵，（1982-），男，四川達(dá)州人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全技術(shù)及工程在讀研究生，主要研究瓦斯防治技術(shù)及礦井降溫技術(shù)。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(shù). 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(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用得比較多，大部分技術(shù)也只是在石油鉆井和天然氣鉆井中應(yīng)45 用，但在有保護(hù)層開(kāi)采的煤層群，受采動(dòng)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(lái)抽采卸壓瓦斯是很難實(shí)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(yīng)力截?cái)嗥茐?，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(jié)合地面鉆井技術(shù)50 與多分枝水平井技術(shù)來(lái)研究多分枝地面垂直井技術(shù)。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(shù)的成敗，一般從兩個(gè)方面來(lái)衡量，其一，抽采瓦斯的時(shí)間和瓦斯抽采量；其二，垂直井與側(cè)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(lèi)，一是地質(zhì)構(gòu)造，包括煤層透氣性、煤層瓦斯含量、關(guān)60 鍵層層數(shù)與關(guān)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(shí)層度、采空區(qū)漏風(fēng)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(huì)經(jīng)歷回采工作面推過(guò)鉆井，上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力調(diào)整階段，巖層的層間錯(cuò)動(dòng)和離層，使得地面垂直鉆井與側(cè)井面臨被切斷和拉斷的危險(xiǎn)。破斷65 主要集中于以下幾個(gè)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(guān)鍵層離層處套管容易破斷；技術(shù)套管與護(hù)壁套管的交界處，技術(shù)套管和護(hù)壁套管都容易被破壞；技術(shù)套管與生產(chǎn)套管交界處，生產(chǎn)套管與技術(shù)套管都容易破壞。因此，在布置地面垂直井與側(cè)分支井時(shí)，應(yīng)避開(kāi)客觀因素的破壞，加強(qiáng)易破斷位置的技術(shù)設(shè)計(jì)。 70 3 多分枝地面垂直井的設(shè)計(jì)原理3.1 設(shè)計(jì)原理由于煤炭的采出，形成的采空區(qū)沒(méi)有支撐物的情況下，直接頂將會(huì)斷裂甚至垮落，直接頂?shù)纳喜烤统霈F(xiàn)兩類(lèi)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(shè)計(jì)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(dòng)裂隙“O”型圈

5、內(nèi)2。設(shè)計(jì)側(cè)分支井抽采上覆巖遠(yuǎn)距離煤層卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯，側(cè)井條數(shù)根據(jù)需要而定。3.2 多分枝地面垂直井的構(gòu)造多分支地面垂直井是由垂直井，多條側(cè)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(shè)置在靠近回風(fēng)側(cè)3，可以提高鉆孔穩(wěn)定性，終孔落在“O”形圈內(nèi)；側(cè)分支井一80 般兩條最佳，側(cè)分支井的開(kāi)窗位置是由巖層垮落的最大位移決定，垂直井與側(cè)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(cè)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(jiàn)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(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)地面鉆井抽采瓦斯雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但地面鉆井在受采動(dòng)影響，巖層移動(dòng)后，容易變形破壞，甚至地面鉆井井孔會(huì)完全封堵，在此問(wèn)題上，迫切需要研究一種不完全受采動(dòng)影響的90 瓦斯抽采鉆井。根據(jù)地面鉆井技術(shù)、石油鉆井的側(cè)井、水平羽狀井的技術(shù)原理，設(shè)計(jì)出多分枝地面垂直井技術(shù)。多分枝地面垂直井技術(shù)集成了地面鉆井和多分枝水平井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)。1）多分枝地面垂直井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于新鉆井不僅可以擴(kuò)大瓦斯抽采范圍，還可以減少瓦斯抽采的時(shí)間，增加了瓦斯抽采率，同時(shí)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(gè)分支被覆巖移動(dòng)破壞

7、堵塞后，基本不會(huì)阻斷其他分支的瓦斯抽采，這樣幾個(gè)分支全部破壞的幾率比只有一個(gè)井孔破壞的幾率要小得多；對(duì)于已破壞的井還可以重新利用，在破壞端上部進(jìn)行分支，這時(shí)的分支井基本不受覆巖的影響（采動(dòng)過(guò)后，采空區(qū)已成為壓實(shí)區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生很大的變形或移動(dòng)）；多分枝地面垂直井減少了地面鉆孔的數(shù)量。一個(gè)地面二分支鉆井覆蓋范圍大概是一個(gè)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(gè)多分枝地面垂直井就可以抽采整個(gè)采空區(qū)瓦斯，不僅擴(kuò)大了瓦斯抽采范圍，增加了瓦斯在單位時(shí)間的抽采率，節(jié)省了管理費(fèi)用和大量的材料費(fèi)。2）多分枝地面垂直井技術(shù)的缺點(diǎn)：多分枝地面垂直井條數(shù)的增加，同時(shí)也就增加了鉆井液

8、對(duì)煤層的浸泡損害煤體； 完井風(fēng)險(xiǎn)大，可能丟失分支井眼； 分支井可能在采動(dòng)過(guò)程中完全破壞阻斷； 多分枝地面垂直井技術(shù)復(fù)雜程度超過(guò)地面鉆井技術(shù)，成功率比較105 低。3）多分枝地面垂直井的關(guān)鍵技術(shù)：分支井開(kāi)窗技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，包括開(kāi)窗位置、角度、開(kāi)窗直徑等；分支井開(kāi)窗口必須規(guī)則和一次成功，否則完井工具無(wú)法順利通過(guò)4；井眼軌跡和井壁穩(wěn)定控制技術(shù)5。4 多分枝地面垂直井設(shè)計(jì)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(zhǎng)992m，面長(zhǎng)214m。開(kāi)采煤層為11-2煤，保護(hù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部下部一般含一層泥巖

9、夾矸，厚0.40.8m。受地質(zhì)構(gòu)造及沉積環(huán)境影響，煤層最薄0.2m,最厚達(dá)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(jì)算下保護(hù)層11-2 煤層的開(kāi)采對(duì)13-1 被保護(hù)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(lái)描述；下面確定這些參數(shù)值。卸壓范圍與保護(hù)角的位置圖見(jiàn)圖3。1）沿走向、傾向方向的卸壓角走向方

10、向的卸壓角計(jì)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(guó)內(nèi)外以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明沿走向的有效卸壓范圍為相對(duì)保護(hù)層內(nèi)錯(cuò)大約32m。因此由式（1）計(jì)算得1 = 64o 。沿煤層傾斜方向的卸壓角，用以下公式計(jì)算6：( ) 2 1 =h/L180o a+ +10o ; （2）3 = a+ 10o. 130 （3）當(dāng)a 45o 時(shí)， =90o0.68a ； 由式（2）、（3）計(jì)算得2 = 79o ， 3 = 88o 。即沿工作面傾斜方向的有效卸壓保護(hù)角下方為79°。上方為88&#

11、176;。2）冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算135 根據(jù)“三下”采煤規(guī)程中的式7:100 MHa M b=+（4）計(jì)算冒落帶和裂隙帶動(dòng)高度。式（4）中的參數(shù)a 、b 及誤差根據(jù)文獻(xiàn)8,9確定。因此，冒落帶、裂隙帶發(fā)育最大高度與采高的關(guān)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(jìn) 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(hù)層與被保護(hù)層之間的卸壓關(guān)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(shè)計(jì)1 個(gè)多分枝地面垂直井，每個(gè)垂直井設(shè)計(jì)兩個(gè)側(cè)分支。考慮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(shè)計(jì)在 偏離回風(fēng)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(guān)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?yàn)槿菀锥氯卓?；?311(1)工作面上風(fēng)巷距工作面開(kāi)切

13、眼500m 開(kāi)始施工地面垂直井鉆場(chǎng)，側(cè)分支井1 距1311(1)工作面上風(fēng)巷距工作面開(kāi)切眼200m，側(cè)分支井2 距1311(1)工作面上風(fēng)巷距工作面開(kāi)切眼700m. 分支井沿走向的傾角為64°,沿傾向的傾角為7988°。5 結(jié)論160 1) 判斷多分枝地面垂直井技術(shù)的成敗因素是瓦斯抽采時(shí)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(shù)的設(shè)計(jì)原理；垂直井與側(cè)井終孔落在采動(dòng)裂隙“O”型圈內(nèi)；2) 通過(guò)對(duì)1311（3）工作面的實(shí)例分析，將垂直井與分支井的終孔都設(shè)計(jì)在偏離回風(fēng)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(gè)多分枝地面垂直井的抽采半徑可以達(dá)到400m,是一個(gè)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(shí)間，提高了煤礦開(kāi)采效率；4) 地面鉆井存在的技術(shù)問(wèn)題，多分枝地面垂直井同樣存在，而且技術(shù)更復(fù)雜，但施工多分枝地面垂直井時(shí)，必須先要計(jì)算好側(cè)分支井的開(kāi)窗位置、角度及側(cè)分支井到裂隙帶的長(zhǎng)170 度等，在有條件的情況下先模擬一樣整個(gè)過(guò)程。參考文獻(xiàn) (References)1 鮮保安,高德利,王一兵等.分支水平井在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用機(jī)理分析J.煤田地質(zhì)與勘探,2005,3

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