煤矿采动区地面井逐级优化设计方法

胡千庭,孙海涛

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯分院,重庆 400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037)

煤矿采动区地面井逐级优化设计方法

胡千庭1,2,孙海涛1,2

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯分院,重庆 400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037)

为进一步优化煤矿采动区地面井设计方法,对地面井的类型及特点进行了深入分析,将煤矿采动区地面井抽采技术细分为邻近层采动发展区地面井抽采、本煤层采动发展区地面井抽采和采动稳定区地面井抽采3种类型;确定了抽采资源评估、布井位置优选、井型结构优化、高危位置防护、地面安全抽采等5项核心技术,提出了不同类型采动区地面井的逐级优化设计方法。将系统化的技术方法应用在了山西晋煤集团成庄煤矿5310工作面采动区CD-01井的优化设计和抽采工程中,获得了连续抽采、抽采体积分数50%以上的良好抽采效果,证明了逐级优化设计方法及技术的适用性。

采动区;地面井;逐级优化设计;协调开发

煤矿采动区瓦斯地面井抽采是近年逐渐发展起来的一项煤层气开发及瓦斯治理新技术。国内外多位学者在煤与煤层气协调开发[1-2]、煤层气流动特征[3]、采动区地面井变形规律[4-6]、煤层气抽采效果[7]等方面进行了大量的研究工作,为该项技术的发展与应用奠定了基础。但煤矿采动区涉及正在经受采动影响并发生剧烈岩层运动的区域和经历采动影响后已经基本稳定的老采空区区域。部署于不同区域的地面井面临的技术难题不同,进行地面井优化设计中重点解决的技术问题也不同:正在经受采动影响并发生岩层剧烈运动的区域地面井重点应考虑岩层剪切、离层作用对地面井井身结构的破坏问题,优化设计井身结构;经历采动影响后基本稳定的老采空区区域地面井重点应考虑资源赋存和破碎覆岩带钻完井问题,进行资源评估并完善钻完井工艺。

因此,笔者从煤矿采动区瓦斯地面开发的角度出发,对地面井的类型及特点进行了深入分析,提出了采动区地面井的逐级优化设计方法并应用在了晋城矿区地面井抽采试验中,取得了良好效果。

1 煤矿采动区地面井抽采技术分类

煤矿采动区指在井下煤层回采过程中受到了或受到过采动扰动影响的煤岩层区域,包括采动发展区和采动稳定区。采动发展区分为邻近层采动发展区和本煤层采动发展区两个方面,其中邻近层采动发展区指煤层群开采条件下,受下保护层开采扰动影响,处于岩层运动和应力重分布过程中的被保护煤层及其采场上覆岩层;本煤层采动发展区指单一开采煤层条件下,受煤层采动扰动影响,处于岩层运动和应力重分布过程中的本层煤层及其上覆岩层。采动稳定区指曾经受到过煤层采动扰动影响、发生过岩层运动和应力重分布,但岩层运动和应力重分布已经完成的煤岩层区域。煤矿采动区瓦斯地面井抽采指在地面施工垂直钻井到煤层上方或煤层内,抽采煤层的卸压区瓦斯和采空区瓦斯,以及直接在老采空区施工钻井抽采老采空区瓦斯。根据前述对煤矿采动区的划分定义,煤矿采动区地面井抽采主要分为采动发展区地面井抽采和采动稳定区地面井抽采,其中采动发展区地面井抽采可进一步分为邻近层采动发展区地面井抽采和本煤层采动发展区地面井抽采(图1),各类型地面井在地面及煤岩层的布置情况如图2所示。

施工于煤矿采动区地表,进行采动区瓦斯地面抽采的地面井叫采动区地面井。施工于煤矿采动发展区地表,进行采动发展区瓦斯地面抽采的地面井叫做采动发展区地面井。施工于煤矿采动稳定区地表,进行采动稳定区瓦斯地面抽采的地面井叫做采动稳定区地面井。由于煤矿采动区地面井抽采通常是采动发展区与后续采动稳定区连续进行,因此两阶段的地面井在井型结构和抽采控制上通常综合设计。

图1 采动区地面井抽采技术分类Fig.1 Technology type of surface gas drainage borehole in coal mine excavation influence region

图2 煤矿采动区瓦斯抽采示意Fig.2 Drainage process of surface borehole in coal mine excavation influence region

2 煤矿采动区地面井逐级优化设计方法

煤矿采动区地面井一般是按照施工一开钻井→下放一开套管→一开固井→施工二开钻井→下放二开套管→二开固井→施工三开钻井→下放三开套管的施工顺序进行的,这决定了煤矿采动区地面井的设计在考虑钻井抗采动影响能力、抽采效果的条件下必须对地面井的一开、二开和三开段的岩层移动影响、套管选型、水泥环参数优化等进行逐级优化设计,并在地面井区域布置和安全抽采控制方面统筹兼顾。

2.1 采动发展区瓦斯地面井优化设计

煤矿采动发展区瓦斯地面井抽采以治理煤层瓦斯灾害为主、资源开发为辅,地面井优化设计主要包括如下4个方面。

(1)采场布井区域优化选择。

煤矿采动发展区地面井由于要经历煤层回采的过程,受采动影响下的采场上覆岩层剧烈运动影响严重,因此地面井的布井应选择采场上覆岩层移动对地面井影响最小的区域;同时本煤层采动发展区地面井由于通常要连续进行采动稳定区抽采,需要特别考虑井下工作面推进及工作面通风的影响,以提高井下抽采的效果[7]。

在采动影响下,采场上覆岩层对地面井的破坏影响形式主要为岩层层面的层间剪切、离层拉伸和岩层的层内挤压作用。图3[4]为地面井套管在岩层剪切滑移、离层拉伸和挤压作用下的综合受力模式:套管径向方向承受来自岩层层面滑移作用产生的剪切力、承受岩层内部变形给予的挤压力,套管轴向方向承受覆岩离层位置产生的拉伸应力。因此,应对煤层顶板至地表的采场上覆岩层各岩层界面的剪切滑移、离层拉伸位移分别进行计算分析,结合地面井的结构形式选择采场上覆岩层移动对地面井影响最小的区域,回避高危险布井区域,在区域布置上确保地面井结构的稳定性。岩层界面剪切位移和离层拉伸位移的计算方法可以参照文献[4]进行,由此可以获得采场倾向方向上,在采场某一深度处的岩层剪切位移和离层位移分布规律,如图4所示[4]:剪切位移呈“马鞍形”分布,采场中部为极小值区域,沉降拐点附近剪切位移最大;离层位移近似呈“抛物线形”,采场中部为最大值区域,采动影响边界处最小。综合分析剪切位移和离层位移分布情况可知:地表沉降拐点偏向采场中线间区域为岩层运动对地面井结构综合影响较小的区域;由于目前倾斜煤层采面巷道布置以回风巷位于煤层底板标高较高位置、运输巷位于煤层底板标高较低位置为主要方式,考虑工程成本等因素后可以确定“回风巷侧地表沉降拐点偏向采场中线区域”为基于结构稳定性的地面井优选布井区域。

图3 地面井套管的综合受力形式[4]Fig.3 Synthesis load and deformation types of surface borehole casing[4]

同时,应基于不同矿井回采、通风条件,对地面井抽采条件下的瓦斯流场进行分析(图5),确定抽采效果最好的布井位置,结合地面井结构稳定最优布井区域综合选择确定地面井的布井位置。因此,运用FLUENT软件建立了地面井抽采数值模型:采空区基本模型宽240 m、长850 m,采空区垮落带高60 m,回风平巷比运输平巷的所在水平高4 m,采空区内部距离回风巷30 m布置有两个地面井,其中1号井距离开切眼250 m,2号井位于工作面后方300 m,两个钻孔走向间距300 m;模型主采煤层厚6.0 m,倾角3°,上部岩层没有煤层,底板岩层中包括下部的9号煤层,厚1 m;采用“U”形通风,风量2 600 m3/min,整个采空区瓦斯涌出量21.0～39.0 m3/min,涌出气体组分为100%CH4。

图4 岩层拉、剪位移在采场倾向分布规律Fig.4 Tension and shear displacement distribution rule of rock strata in the incline direction

图5 地面井抽采时回采空间瓦斯分布Fig.5 Gas fluid rule of stope in surface borehole drainage

从数值分析图5中可以看出:地面井以负压状态运行时,明显改变了采空区内部的气体流场,在井口周围形成高浓度瓦斯区,而高浓度氧气区域也随之深入采空区内部,而且不同位置的地面井抽采效果是不同的,位于工作面回风巷侧60 m附近区域的地面井抽采效果最佳,此区域为基于抽采效果的地面井优选布井区域。

由于我国多数煤矿地表沉降拐点一般为煤壁偏向采空区侧20～90 m,综合考虑岩层移动对采动发展区地面井结构的影响规律和地面井抽采效果影响因素条件可知:选择采煤工作面回风巷侧偏向采场中线方向一定范围(40～80 m)内的区域进行采动发展区地面井的布井较好(具体位置选择需要根据计算方法进行具体计算)。

(2)井型结构优化设计。

采动发展区地面井的三级深度对地面井的抽采效果及结构稳定性有着关键的影响;套管型号决定着套管的管径和壁厚,决定了套管的抗拉剪破坏能力;水泥环的厚度及配比参数决定了水泥环对岩层挤压应力的缓解效果[6];固井工艺的不同会使得地面井不同井身位置受到的岩层运动影响程度不同。因此应对地面井的井型结构进行逐级优化设计。

采动影响区地面井的三级深度分布应综合考虑岩层移动量的大小和矿区采场“竖三带”的分布范围,确保钻井一开段的防漏水、防塌孔以及二开段的钻井结构安全和三开段瓦斯流动裂隙网络的完整。

图6 地层、水泥环、套管三区域模型Fig.6 Stratum,concrete annulus and casing regions model

由耦合分析可以计算获得增益函数

式中,m为水泥环内外径比;ks为地层刚度;kc为套管刚度;ξ为水泥环和地层的材料差异系数。

当ψ=0时,钻井套管受到的外力为无水泥环情况下的外力;当ψ＞0时,水泥环的存在使原来的套管压力降低了,这种情况称为增益;当ψ＜0时,使原来的套管压力增大,这种情况称为负增益。因此,水泥环的参数选择应使ψ＞0。

采动发展区地面井常用的固井工艺有全井段固井、局部固井和分级固井等,根据钻井结构稳定性保障的要求需要选择不同的固井方式。图7为典型地面井井身结构。

图7 采动影响区地面井井身结构Fig.7 Surface borehole body structure in exc-avation influence region

(3)高危位置安全防护。

在采场进行地面井的最优布井区域选择可以回避多数地面井的高危险破坏位置,但岩层移动分布受岩层特性影响具有一定的随机性,布置在采场最优布井区域的地面井仍然存在部分井深位置处于岩层移动的高危险影响区,需要施加特殊防护措施才能保证钻井结构的安全畅通[8-9]。因此,需要根据岩层组合划分情况首先判断岩层的高危险破坏位置。一般情况下,岩层界面的离层拉伸破坏位置和巨厚基岩层下的岩层界面位置为地面井套管发生拉伸、剪切破坏的高危险位置,如图8所示。通过计算分析获得地面井井身高危破坏位置后,应根据套管变形形式和变形量施加不同保护效果的防护结构,如图9所示。

图8 地面井主要变形形式分类Fig.8 Surface borehole main deformation mode

图9 地面井专用防护结构Fig.9 Special-purpose protection stucture of surface borehole in coal mine excavation influence region

(4)地面安全抽采。

采动发展区地面井抽采的瓦斯浓度一般变化较大,受采动影响明显,地面抽采系统可分为单井单建抽采系统和井网集输两种形式。单井单建抽采系统一般应重点考虑泄爆、防回火、抑爆、防雷防电和管道安全计量监控;井网集输型抽采一般会在一定区域范围内建设一个抽采泵站或将矿井采动影响区地面井抽采的瓦斯汇入井下抽采管网在地面的集输泵站进行合并抽采,其安全抽采与监控应符合《煤矿瓦斯抽放规范》(AQ 1027—2006)等瓦斯集输技术标准的要求[10-12]。

2.2 采动稳定区瓦斯地面抽采井优化设计

采动稳定区地面井抽采通常需要与采动发展区地面井抽采连续进行,因此采动稳定区瓦斯地面井抽采通常以采动发展区地面井的设计方法为基础。

煤矿采动稳定区瓦斯地面井抽采以资源开发为主,地面井优化设计主要包括如下4个方面。

(1)瓦斯资源评估。

进行采动稳定区瓦斯地面抽采首先需要对抽采区域的瓦斯资源量进行科学评估,对瓦斯的来源(图10)、分布及可采储量等参数进行深入分析,获得进行开发的基础数据。基于资源开发量最大化的开发目的,应对采动稳定区可抽采范围内的全部状态瓦斯资源进行有效评估。

图10 采空区瓦斯来源Fig.10 Coal bed gas resourse in goaf

可采用如下计算模型进行资源评估[13]:

①单一煤层开采条件资源量

②煤层群开采条件资源量

式中,M1为采动稳定区内遗留煤炭总量;q1为采动稳定区内遗煤残余瓦斯含量;n为采动稳定区内瓦斯体积分数;V为采动稳定区内孔隙体积;Mi0为第i邻近层煤炭总量;qi0为第i邻近层原始瓦斯含量;qi2为第i邻近层残余瓦斯含量;ηi为第i邻近层瓦斯排放率。

(2)采场布井区域优化选择。

采动稳定区地面井布井区域选择主要考虑采空区瓦斯储集空间的分布及地面井的抽采控制范围两个方面。

瓦斯储集空间主要应在采场上覆岩层裂隙场分布范围内确定“O”型圈的分布区域、空间大小等。

地面井的抽采控制范围应根据采动稳定区内空气压力、地面井井口抽采负压和采空区的连通性等进行计算确定。

(3)井型结构优化设计。

采动稳定区地面井的井型结构优化主要是确定合理的钻井分级[14-17],保证钻井三开流通段处于采空区瓦斯储集空间,图11为采动稳定区地面井的典型井身结构。

图11 采空区地面井井身结构Fig.11 Body structure of surface borehole in goaf

同时,由于采动稳定区采场上覆岩层经历了岩层运动过程,岩层破碎严重,钻井过程中一般会发生钻井液漏失及塌孔现象,因此一般选用大风量潜孔垂钻机进行地面井钻进,对钻井漏液段要采用灌浆、临时封堵等措施。

(4)地面安全抽采。

采动稳定区瓦斯地面井的安全抽采与采动发展区的地面抽采系统类似,区别在于要特别监测抽采管路中CO的浓度变化,当管路中CO浓度连续急剧上升或者浓度超过12×10-6时,应停泵处理险情。

3 工程应用

应用煤矿采动区地面井逐级优化设计方法在山西晋城成庄矿5310工作面设计、施工了1口采动区地面抽采试验井,进行本煤层采动影响区和采空区瓦斯抽采试验[18-20]。

5310工作面为综采工作面,地面标高919.1～1 030.8 m,工作面标高468～558 m。该工作面走向长2 559.66 m,倾斜长245.54 m,工作面平均煤厚5.75 m,煤层倾角2°～8°,平均5°。5310大采高工作面东西两边均为实体煤,北部与王坡矿3212工作面相邻。南临 5106,5102,5103,5104巷,5106,5102, 5103,5104巷已掘进至设计位置,北至成庄矿矿界。工作面回采进度0～1 230 m区域内,煤层原始瓦斯含量为10.0～8.7 m3/t;回采进度1 230～1 880 m区域内,煤层原始瓦斯含量为8.7～8.0 m3/t;回采进度1 880 m至终采线,煤层原始瓦斯含量为8～7 m3/t。

采场不同位置的岩层移动对地面井结构的影响程度不同,地面井负压抽采效果也不同。应用地面井逐级优化设计方法对地面井布井位置进行了优选:根据5310工作面采场上覆岩层运动规律分析可知,地表沉降拐点偏移距约45 m,在距离回风巷50～78 m范围内的剪切位移量和离层位移量均处于较小的范围,同时结合抽采流场分布的要求,将试验井布置在采面回风巷偏向采空区侧60 m附近的区域,地面井距离开切眼900 m,如图12所示。

图12 试验井在回采工作面的布置位置Fig.12 Surface borehole building position in the workface

采动区地面井要能够承受采场上覆岩层剧烈运动的影响。因此,应用地面井逐级优化的设计方法对地面井的井径、套管选型、水泥环参数、地面井分级深度及完井工艺等进行了优化设计。计算可知,选定布井区域范围内地表下主要岩层界面剪切滑移位移范围为141～204 mm,因此选定地面井一开套管为J55型ϕ406.4 mm API标准套管、二开套管为 N80型ϕ244.48 mm API标准套管、三开套管为 N80型ϕ168.28 mm API标准套管,并且二开套管水泥环厚度应控制在10～40 mm,以保证增益项ψ＞0。根据5310工作面采场“竖三带”计算结果,垮落带高度为16.19～36.83 m、断裂带高度约95 m,因此优化设计地面井二开深度至地表下337 m,而且二开段地表下100 m位置采用局部固井;三开段穿透煤层,三开套管采用悬挂完井结构。图13为优化设计的成庄矿地面采动试验井的井型结构。

图13 试验井井身结构Fig.13 Body structure of the surface borehole in test

成庄煤矿采动区试验井于2012-10-24开始钻井,11月25日钻井结束,于2013-01-05机器开始进行短暂试运行。在煤层回采过程中,试验井均处于有效贯通状态,抽采效果良好。3月6日至7月1日期间的瓦斯抽采数据变化规律如图14所示,瓦斯纯量平均能保持在5 m3/min,瓦斯体积分数平均保持在50%以上。

图14 试验井抽采数据Fig.14 Gas drainage data of surface borehole in test

为了对回采过程中地面井的变形规律进行动态分析,运用钻孔电视和钻孔探锤对试验钻井不同深度的变形情况进行动态探测。从试验地面井的钻井结构变形和抽采数据分析可知,采动影响下地面井结构发生了不同程度的变形,造成不同井深位置处的套管发生不同程度的变形和破裂;但套管虽然发生了一定程度的变形,地面井井身依然保持畅通状态,能够连续进行瓦斯的抽采。采空区瓦斯抽采体积分数达到50%以上,效果良好,有效缓解了成庄煤矿5310工作面的瓦斯涌出量,降低了矿井总回风瓦斯超限的压力。

4 结 论

(1)煤矿采动区地面井抽采技术根据应用区域及抽采范围的不同可以分为采动发展区地面井抽采和采动稳定区地面井抽采。

(2)进行采动区地面井设计应根据应用条件的不同对资源评估、地面井布井位置、井型结构、高危破坏位置防护、安全抽采等进行逐级优化分析与设计,以保障地面井的结构安全与抽采效果。

(3)成庄煤矿采动区瓦斯地面井抽采的良好效果证明了逐级优化设计技术的适用性,应加强瓦斯与煤炭协调开发,增强资源的安全、高效开采水平。

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Graded optimization design method on surface gas drainage borehole

HU Qian-ting1,2,SUN Hai-tao1,2

(1.Gas Research Institute,China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China;2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China)

In order to further optimize the design method of surface borehole in coal mine excavation influence region, the types and characteristics of the surface borehole were analyzed.A detailed classification of surface gas drainage borehole technology in coal mine excavation influence region was given,such as surface borehole in adjacency coal seam excavation influence region,surface borehole in current coal seam and surface borehole in old goaf region.The graded optimization design method had been developed including resource assessment,surface borehole position selection,surface borehole body structure optimization,protection of well at serious danger position and safety of surface drainage.A case study using this method was conducted in the CD-01 surface borehole at the Chengzhuang Coal Mine 5310 workface.The CD-01 surface borehole achieved a continued drainage in the excavation influence region and the adjacent goaf.The drainage gas concentration exceeded 50%.This test result suggests that this graded optimization design method is applicable.

excavation influence region;surface borehole;graded optimization design;coordinated development

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1907-07

2014-04-24 责任编辑:毕永华

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05040-004);国家自然科学基金资助项目(51374236);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012015)

胡千庭(1957—),男,江西吉安人,研究员,博士生导师。E-mail:huqtin@hotmail.com。通讯作者:孙海涛(1979—),男,河北保定人,副研究员,博士后。Tel:023-65239105,E-mail:dreamsht@163.com

胡千庭,孙海涛.煤矿采动区地面井逐级优化设计方法[J].煤炭学报,2014,39(9):1907-1913.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8014

Hu Qianting,Sun Haitao.Graded optimization design method on surface gas drainage borehole[J].Journal of China Coal Society,2014,39 (9):1907-1913.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8014