晋城岳城矿地面采动区井井位优选与抽采寿命研究

武 玺，李国富，王 争，付军辉，郑 飞，周显俊

晋城岳城矿地面采动区井井位优选与抽采寿命研究

武 玺1,2，李国富1,3，王 争1,3，付军辉4，郑 飞5，周显俊1,3

(1. 煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048012；2. 山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048023；3. 易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 晋城 048012；4. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；5. 晋能控股煤业集团岳城煤矿，山西 晋城 048023)

为了降低晋城岳城矿工作面U型通风造成的上隅角瓦斯聚集，提高采动与采空区煤层气地面井抽采井产量及抽采寿命，在借鉴成庄矿、寺河矿和赵庄矿等地面采动试验井研究及工程示范的基础上，以晋城岳城矿煤层气地质条件为工程设计依据，提出并优化地面采动区井位尽量靠近巷道位置处、大井眼地面钻井工艺、优化井身结构等设计方案。现场试验证明：部分采动区井通过避开采动应力卸载区及原位煤层高应力区优化布井，开采中包含3个阶段即卸压区抽采、新采空区抽采、老采空区抽采，达到了延长抽采井寿命的目的；但仍有部分采动区井在回采工作面推过井口后，煤气层抽采量迅速衰减至不产气，抽采寿命只包含两个阶段即卸压区抽采、新采空区抽采甚至仅卸压区抽采一个阶段。研究表明，优化后的大井眼钻井工艺及三开割缝套管井身结构设计对保持采动区井井身稳定，延长抽采寿命，保证采动区井产气运移通道畅通，提高抽采率起到了一定效果；采动区井煤气层抽采量和该井井筒位置至回风巷距离存在明显的负相关关系。岳城矿采动、采空区井基本不存在速敏效应，在井筒与裂隙带沟通良好的前提下，应选用大功率抽采设备抽采，可以有效扩展压降漏斗区域，其抽采影响半径水平方向可延伸至500 m以上。岳城矿地面采动区抽采取得了较好的效果，可在相似条件的煤矿区推广应用。

煤层气(瓦斯)；采动区井；井位优选；井身结构；抽采寿命

我国瓦斯突出矿井占比约1/3[1-2]，瓦斯事故中较大事故占比达到65%，且低瓦斯矿井也有可能随之升级[3]，开展煤矿瓦斯综合治理技术研究意义重大。“先抽后采”是煤矿瓦斯治理工作的基础[4]，传统抽采均是在煤矿井下进行顺层或穿层钻孔抽采，受采掘工程限制较多。借助国家科技重大专项等科研项目，不同单位先后研发了在煤矿采动区、采空区地面钻井，采用地面立体抽采等瓦斯抽采技术，取得了良好的瓦斯综合治理效果。

刘彦青等[5]将采煤工作面作为煤与煤层气协调开发决策基本单元，并界定了采煤工作面煤与煤层气共采三区的范围。矿井回采工作面瓦斯治理是保证煤炭安全高效开采的首要难题，采动区地面井是煤矿区煤层气开发重要组成部分[6-7]，依据地质条件，优选采动区井位和井身结构，经过采煤卸压可提高煤储层渗透率，治理回采工作面瓦斯，保证了煤矿安全生产[8-9]。基于影响地面井采空区瓦斯抽采效率因素分析，李日富等[10]提出了相关建议。董钢锋等[11]通过现场抽采效果分析，提出地面井抽采采空区煤层气应优先布置在近回风巷侧抽采位置。付军辉[12]提出采动区瓦斯地面井破断防护研究，完善了采动区瓦斯地面井抽采技术。煤矿规划区变为生产区时施工采动区井进行回采面上隅角瓦斯抽采，采动区井一般寿命较短，密闭后的采空区需要重新施工采空区井抽采残余瓦斯。

基于上述采动区采煤后转化为采空区易造成原采动井套管错断，引发的煤层气井抽采容易中断的现状，笔者总结分析了晋城岳城矿11口采动区井井位部署、钻完井工艺等影响因素，认为部分采动区井通过避开采动应力卸载区及原位煤层高应力区，应用大井眼钻井技术可以实现连续抽采采动区、采空区煤层气，进而达到一井两用的目的。

1 岳城矿地质与生产概况

岳城矿位于山西省晋城市沁水县郑村镇境内，设计生产能力1.5 Mt/a，井田面积13.806 km2。地貌区划属剥蚀山地，以低山及丘陵为主。次级宽缓褶皱发育，从东向西依次为：常店向斜、峰上背斜、南河向斜、郑村背斜、潘河向斜、西洼背斜、前长城岭向斜。井田面积约13.859 7 km2，主要含煤地层为上石炭统–下二叠统太原组与下二叠统山西组，可采煤层为3号、9号、15号，其中，3号、9号、15号煤层煤炭保有资源量分别为5 709万t、904万t、4 325万t。3、9、15号煤层平均厚度分别为6.13、0.88、2.76 m。岳城矿为高瓦斯矿井，对井下揭露3号煤层区域瓦斯含量测定结果为8.93~29.14 m3/t，平均瓦斯含量为17.3 m3/t，原始渗透率为(0.47~ 1.31)×10–3μm2，瓦斯压力为0.56 MPa，属于可以抽采–容易抽采煤层。部分区域存在煤层气突出危险，绝对瓦斯涌出量为188.32 m3/min，相对瓦斯涌出量为75.7 m3/t，据估算3号煤层煤层气储量19.72亿m3。

矿井采用斜井开拓方式，采用综合机械化走向长壁上下分层采煤法，顶板管理为自然垮落法，掘进方式为综掘工艺。矿井划分为3个盘区，东翼为一盘区，西翼为二盘区，中部为三盘区(已密闭)。

矿井通风方式为分区式，通风方法为机械抽出式。现共有7个井筒，其中5个进风井，2个回风井。目前矿井总回风量30 982 m3/min。如图1所示，矿井上分层综采工作面采用“两进两回”或“三进一回”等双“U”型通风系统；下分层采用“一进一回”“U”型通风系统。井下采掘工作面、盘区变电所、火药库等硐室均为独立通风。

图1 岳城矿采煤工作面通风示意图

2 地面采动区井抽采优化

地面采动区井与预抽井排水降压的产气机理不同，其采煤工作面气体来源以游离气为主。采煤前首先在已规划采煤工作面提前施工地面垂直井，岳城煤矿在3号煤上分层开采过程中，下分层由于卸压导致大量吸附态瓦斯解吸，且邻近煤岩储层因卸压扰动同样导致大量吸附态瓦斯解吸，在地面水环式真空泵等设备负压作用下，游离态瓦斯运移至地面[13]。

经优化设计，有部分采动区井井位避开卸压高应力区，实现包含3个阶段的连续抽采，即卸压区抽采、新采空区抽采、老采空区抽采，达到了延长抽采期、提高抽采率的目的；但仍有部分采动区井在回采工作面推过井口后，瓦斯抽采量迅速衰减至不产气，生产期只包含2个阶段，即卸压区抽采、新采空区抽采，甚至仅卸压区抽采一个阶段，仍然需要进一步研究优化。

3 地面钻井抽采设计思路

国内学者分别对地面井井身结构的破坏规律、防护方法、抽采效果等进行了系统分析，建立了采动区地面井在单一采动影响下的井身结构破坏模型和地面井抽采条件下的井底流场模型，形成了较适用的采动区地面井井型优化、井位布置、抽采安全控制等技术[14-17]。袁亮[18]、秦伟等[19]根据卸压瓦斯抽采“O”型圈理论，参考两淮、阳泉等矿区抽采实践，认为采动区井布置在距回风巷30~70 m范围较为适宜。苏海等[20]通过数值模拟不同直径套管变形受力情况，推算出套管直径为339 mm时，受岩层运动影响产生的位移、应力最小。

地面采动区井抽采的主控因素是地面井井身结构稳定性和卸压瓦斯抽采通道。针对地面采动区井井身结构稳定性需适当增加地面井井径和套管壁厚，同时需对地面井部分井段采取“让”压(局部固井)措施。为了保障卸压瓦斯抽采通道，需合理布置地面井筛管长度，合理设计地面井筛管筛孔尺寸，同时筛管需悬挂于二开套管，使三开筛管能小幅度摆动缷压，减小筛管变形破坏程度。另外，地面采动区井井位需避开原位煤层高应力区，兼顾裂隙通道大小和变形程度的关系。

工作面采煤工艺及顶板处理措施对地面采动区井的设计影响较大。大采高一次采全高采煤方法覆岩移动程度较大，地面采动区井易发生变形破坏或失效；自然垮落顶板处理比采空区充填顶板处理对地面采动区井影响更大，但其裂隙更为发育。因此，针对不同采煤工艺和顶板处理措施，应设计不同的采动区井井型结构。

岳城矿采用分层开采方法(先采上分层3 m，再采下分层3 m)，一定程度上降低了大采高造成覆岩剧烈变形对采动区井井身结构的剪切破坏，相较于成庄、寺河等一次采全高(采高6 m)煤矿，其采动区井钻井成功率更大。同时由于下分层煤及邻近煤岩储层卸压，大幅度增加了瓦斯的解吸运移。岳城矿采动区井设计时，井位宜尽量靠近巷道位置，并应用大井眼井身结构，以期获得较好的抽采效果。

4 工程示范与效果

4.1 井位布置情况

受地质构造、地形地貌、井场及道路协调等因素影响，岳城矿采动区井井位距离巷道的距离不尽相同，布井基本原则为尽量靠近回风巷道中点位置处，且平均每一个回采工作面布置1口采动区井，对于部分走向较长的回采工作面，如1304、1308等工作面，则在靠近回采工作面开切眼和停采线位置处分别布置1口采动区井，尽可能实现抽采采动影响区煤层气开采全波及的目的。岳城矿11口采动区井具体井位示意如图2所示。

岳城矿11口采动区井情况见表1。由表中可知，采动区井井口与巷道直线距离为27.9~79.8 m、距切眼距离为158.9~874.3 m。其中，产气井井口与最近巷道距离为27.9~79.8 m；不产气井井口与最近巷道距离为29.7~52.9 m，可初步判断，井口距巷道远近并不是决定采动区各井产量的主要因素。井口距切眼距离与产气关系也是如此。

由表1可知，采动区共有7口井产气，产气井占比达64%，根据产能随抽采时间的变化，其中YCCD-10井生产期只包含1个阶段即卸压区抽采，YCCD-04、YCCD-11、YCCD-09井生产期包含2个阶段，即卸压区抽采、新采空区抽采，YCCD-02、YCCD-06、YCCD-07井生产期包含3个阶段即卸压区抽采、新采空区抽采、老采空区抽采。应用上述设计方案，相较于赵庄矿，岳城矿采动区井的抽采年限及产能均有较大提高。如图3所示，采动区井产气量及采动区井井口离巷道距离均采用对数回归分析类型，相关系数均较高。采动区井井口距巷道距离与产气量有明显负相关关系。

图2 岳城矿11口采动区井井位与回采工作面相对位置

4.2 井身结构

赵庄矿共有6口采动试验井，井身结构主要有3种，类型一：一开使用ø311.15 mm钻头，ø244.5 mm套管完井，二开使用ø215.9 mm钻头，裸眼完井。类型二：一开使用ø311.15 mm钻头，ø244.5 mm套管完井，二开使用ø215.9 mm钻头，ø139.70 mm生产套管完井。类型三：一开使用ø425 mm钻头，ø406 mm套管完井，二开使用ø311.15 mm钻头，ø244.5 mm生产套管完井，三开使用ø215.9 mm钻头，裸眼完井。赵庄矿三种类型井身结构均采用小井眼钻井方式，试验井中产气井仅有1口，累计抽采量约40万m3，抽采效果不佳。

表1 岳城矿工作面采动区井基础数据

图3 产气采动区井井口距巷道距离与产能关系

在赵庄矿采动试验井基础上优化设计了大井眼钻井方式，应用于岳城矿采动区井钻井，如图4所示：一开使用ø480 mm钻头钻至基岩下10 m位置处，J55钢级的ø406 mm表层套管固井，水泥返高至地面，二开使用ø311.15 mm钻头钻至3号煤层顶板上50~150 m位置处，N80钢级的ø244.48 mm技术套管固井，水泥固井返高至地面，三开使用ø215.9 mm钻头钻至3号煤顶板上5 m位置处，裸眼或使用J55钢级的ø168.28 mm割缝套管护壁完井。

图4 岳城矿采动区井井身结构

从表1可知，根据岳城矿三开下割缝套管生产状况分析，4口不产气采动区井中有2口未下割缝套管，7口产气井中有6口三开下有割缝套管，可初步判断三开割缝套管在稳固井身、保证采动区井畅通起到一定作用。对比小井眼井身结构的采动区井，平均采收率可提高数十倍。

4.3 影响半径

岳城矿大部分采动区井在回采工作面推过井口后，产气量迅速衰减至不产气，根本原因是煤层顶板来压时产生的剪切应力完全破坏了采动区井井筒，生产期只包含2个阶段，即卸压区抽采、新采空区抽采，甚至只有卸压区抽采1个阶段，但仍有少部分采动区井通过合理选区布井规避应力卸载区，生产期包含3个阶段，即卸压区抽采、新采空区抽采、老采空区抽采，如YCCD-02、YCCD-06井。

YCCD-02井周边有1口新完钻采空区井YCCK-016(图2)，该井周边无其他抽采井。目前处于老采空区抽采阶段的YCCD-02井运行时，YCCK-016井为负压且试抽采不产气，当YCCD-02井停机检修时，YCCK-016井恢复正压，试抽采数据为瞬时40 m3/h、甲烷体积分数30%~40%，且YCCD-02井开机后YCCK-016井负压高，直接停机。经测量YCCD-02井距YCCK-016井直线距离为547 m，说明YCCD-02井抽采影响半径水平方向可达547 m左右，受益于YCCD-02井地面抽采，岳城矿已将1301—1305工作面井下采空区埋管瓦斯抽采系统关闭。

YCCD-07与YCCD-06井同处于1308工作面老采空区(图2)，均使用55 kW水环式真空泵进行抽采，YCCD-06井开机运行时，YCCD-07井负压高很快停机，而YCCD-07井单独开机运行时，瞬时流量达到YCCD-06井的25%左右，甲烷浓度相同，而YCCD-06井井口压力基本无变化。经测量YCCD-06井距YCCD-07井直线距离为566 m，说明YCCD-06井抽采影响半径水平方向可达566 m左右。

YCCD-02井与YCCD-06井抽采影响半径水平方向均超过500 m，运行参数见表2。YCCD-02井抽采混量是YCCD-06井的4倍左右，造成抽采混量差距明显的原因为YCCD-02井使用功率为165 kW的CBF410-2BZ3型号水环泵，而YCCD-06井使用功率为55 kW的2BE1-253型号水环泵。说明在采动区、采空区井型基本不存在速敏效应，在裂隙沟通良好的前提下，选用大功率抽采设备抽采，可以有效扩展压降漏斗区域，提高采收率。

表2 YCCD-02、YCCD-06井抽采运行参数统计结果

4.4 抽采效果

2014年5月25日，YCCD-02井在下分层回采时开始抽采，在工作面推至井位处时，抽采瓦斯纯量最大3.79万m3/d，运行时间5年2个月；平均抽采量1.56万m3/d，平均抽采瓦斯体积分数为36.45%；累计抽采量3 157.75万m3。仅此1口井就供应了1个1 500 kW瓦斯发电厂运行。该井抽采数据如图5所示。

图5 岳城矿YCCD-02井抽采曲线[8]

YCCD-02井开始抽采后，工作面瓦斯变化情况见表3。由表中可知，抽采后，工作面回风巷瓦斯体积分数下降幅度达到58.75%，上隅角瓦斯体积分数下降了56%，回风巷平均瓦斯体积分数仅为0.33%。工作面回风巷和上隅角瓦斯浓度显著下降，成功消除了采空区瓦斯对工作面安全生产的制约。

表3 地面采动区井抽采后工作面瓦斯变化

5 结论

a.岳城矿部分采动区井通过布井井位合理选区避开相对较高应力区，生产期包含3个阶段即卸压区抽采、新采动区抽采、老采空区抽采，达到了延长抽采寿命的目的。

b. 优化后的大井眼钻井工艺及三开割缝套管井身结构设计，对保持采动区井井身稳定、保证采动区井产气运移通道畅通起到一定的积极作用。

c. 岳城矿采动区井煤层气抽采量和该井井筒位置至回风巷距离存在明显的负相关关系，一般情况下距离回风巷27~80 m内布置采动区井产气效果较好。

d. 岳城矿采动区、采空区井基本不存在速敏效应，在井筒与裂隙带沟通良好的前提下，应选用大功率抽采设备抽采，可以有效扩展压降漏斗区域，其抽采影响半径水平方向可延伸500 m以上。

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Study on the optimization of well location and extraction life in mining disturbed zone of Yuecheng mine in Jincheng

WU Xi1,2, LI Guofu1,3, WANG Zheng1,3, FU Junhui4, ZHENG Fei5, ZHOU Xianjun1,3

(1. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining, Jincheng 048012, China; 2. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group Co. Ltd., Jincheng 048023, China; 3. Yi’an Lanyan Coal and Coalbed Methane Co-mining Technology Co. Ltd., Jincheng 048012, China; 4.Chongqing Research Institute Co. Ltd, China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400037, China; 5. Yuecheng Coal Mine of Jinneng Holding Coal Group, Jincheng 048023, China)

The aim of the study is to reduce the coalbed gas accumulation in the upper corner caused by U-type ventilation in the working face of Yuecheng Coal Mine, Jincheng City, and improve the production and extraction life of coalbed methane surface wells in the mining disturbed area and goaf. Based on the research of surface mining test wells in Chengzhuang Mine and Sihe Mine, and taking the geological conditions of coalbed methane in Yuecheng Coal Mine as the engineering design basis, this paper puts forward that the well location in the surface mining disturbed area should be close to the roadway location as far as possible, and the design scheme of large hole surface drilling method and optimization of wellbore structure was proposed. The field test shows that some wells in the mining area disturbed are optimized by avoiding the unloading area of mining stress and the relatively high stress area of in-situ coal seam, and the mining includes three stages, pressure relief area drainage, stable drainage in the mining area, drainage in the old goaf, so as to prolong the service life of the drainage wells. However, there are still some wells in the mining area whose gas drainage volume decreases rapidly after the working face is pushed over the wellhead until no gas is produced, the production cycle only includes two stages, pressure relief area extraction and stable extraction in mining area, or even only one stage of pressure relief area extraction. The research shows that the optimized large hole drilling technology and three split casing well structure design have a certain effect on maintaining the well stability in the mining area, prolonging the mining period, ensuring the smooth migration channel of gas production in the mining area, and improving the extraction rate. There is a significant negative correlation between the gas extraction amount and the distance from the wellbore position to the return air roadway in the mining area. Under the premise of good communication between wellbore and fracture zone, high-power pumping equipment should be selected for pumping, which can effectively expand the pressure drop funnel area, and its pumping influence radius can extend over 500 m horizontally. Yuecheng Mine surface mining pumping tests achieved good results, which can provide reference for mining areas with similar types of conditions.

coalbed methane(gas); wells in mining-disturbed area; well location layout; well structure; extraction life

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TE22

A

1001-1986(2021)01-0130-07

2020-12-09；

2021-01-26

国家科技重大专项项目(2016ZX05067)；山西省煤层气联合研究基金项目(2016012012)；山西省重点自然基金项目(201901D111005ZD)

武玺，1983年生，男，山西晋城人，硕士，工程师，从事煤层气井地面开发等工作. E-mail：102106147@qq.com

李国富，1965年生，男，山西晋城人，博士(后)，正高级工程师，从事煤与煤层气共采理论与技术研究及工程示范. E-mail：13834068216@163.com

武玺，李国富，王争，等. 晋城岳城矿地面采动区井井位优选与抽采寿命研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：130–136. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.013

WU Xi，LI Guofu，WANG Zheng，et al.Study on the optimization of well location and extraction life in mining disturbed zone of Yuecheng mine in Jincheng[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：130–136. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.013

(责任编辑 范章群)