贵州官寨煤矿“先抽后建”地面瓦斯抽采工艺分析_胡正田.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract According to the requirement of “drainage first and construction later”, combined with the development and deployment of Guanzhai mine, the technological process of “drainage first and construction later” was set up in Guanzhai mine. This paper puts forward the technique of water pressure fracturing in the main inclined shaft, cavernous completion in the auxiliary shaft, and cluster fracturing in the first mining face. It is concluded that implementation of the surface gas extraction of “drainage first and construction later” in Guanzhai mine could achieve a good overall coordination, and had good reference significancefor implementationof coordinated development of coalbedmethane andcoal in coal miningareas. Keywords newly constructed mine prone to gas outburst; drainage first and construction later; CBM development; regional gas control 官寨井田位于贵州省毕节市黔西县西南部，矿 区含煤地层为二叠系龙潭组，含煤 1724 层，可采 煤层 10 层，其中 4 号、9 号煤为全区可采的较稳定 煤层，其他煤层为大部可采或局部可采煤层。官寨 煤矿地质构造复杂程度中等，大型断层比较发育， 煤体结构以碎裂结构为主，水文地质条件复杂程度 中等，煤系含水性弱。由于无烟煤对瓦斯的吸附能 力强，煤层瓦斯含量高，一般为 1424 m3/t，属于 煤与瓦斯突出矿井[1]。根据国家安全生产监督管理 总局令第 82 号文强化煤矿瓦斯防治十条规定第 七条新建突出矿井必须进行地面钻井预抽， 做到“先 抽后建”的要求[2-3]。官寨煤矿必须落实以地面钻井 预抽、保护层开采、岩巷穿层钻孔预抽为主的区域 治理措施，方可进行生产建设[4-6]。基于此，针对官 寨煤矿的地质与地形条件结合国家政策的要求进行 “先抽后建”工艺分析，确定适合于官寨井田的“先抽 后建”工艺，为贵州地区类似煤矿执行“先抽后建”政 策提供参考依据。 1矿井基础条件 1.1技术条件 目前，国内地面瓦斯抽采技术工艺日趋成熟， 抽采装备水平不断提高，特别是定向钻井、大直径 洞穴完井、水力加砂分段压裂和分层控压合层抽采 ChaoXing 第 4 期胡正田等 贵州官寨煤矿“先抽后建”地面瓦斯抽采工艺分析51 等技术工艺，为官寨煤矿“先抽后建”地面瓦斯抽采 及利用工程提供了良好条件[7]。 2014 年，重庆能源贵州煤电有限公司与中煤科 工集团西安研究院有限公司合作，在官寨煤矿开展了 地面瓦斯抽采试验。自 2015 年 3 月 22 日开始产气以 来，最高产气量 1 119 m3/d，日产气量在 1 000 m3以 上 85 d， 日产气量 800 m3以上 125 d； 截止 2015 年 12 月 16 日，累计产气量 20.05 万 m3，平均 732 m3/d，达 到了预期抽采目标。 通过试验，获取了煤储层含气性、吸附性、渗 透性、储层压力等系统的储层参数资料；通过钻完 井、分段压裂和多产层合层抽采试验，初步形成了 适合官寨煤矿地质条件的地面瓦斯抽采技术工艺。 这些成果对于科学评价官寨煤矿地面瓦斯地质条件 和可抽性提供了重要依据，也为后续地面瓦斯抽采 工作积累了技术经验。 1.2抽采条件 a. 地形和交通条件 官寨煤矿位于贵州省黔西县西南部，为中山地 形地貌，区内多小型盆地和缓坡，地势较平坦，县 道及乡村公路交叉纵横，黔织高速公路通过矿区， 交通便利。 b. 地质条件和瓦斯可抽性 官寨煤矿构造复杂程度中等，几条大中型断层 将矿井自然划分为多个块段， 块段内构造相对简单， 地层平缓。煤层发育具有“层数多，厚度薄、成群分 布”的特点， 含煤总厚 13.2021.30 m， 平均 17.45 m， 煤层总厚度大，主采煤层埋深在 300800 m，埋藏 深度适中，区域分布稳定。煤层瓦斯含量高，煤矿 瓦斯资源总量大。煤体结构以碎裂结构煤为主，煤 体中保留有较好的裂隙网络，有利于瓦斯渗流和储 层增渗改造，瓦斯可抽性好[8-10]。 1.3矿井开拓布置 矿井一期投产时采用斜井立井联合开拓。 主斜 井、副立井布置在井田中部的北二和南二盘区，需 揭穿煤系与在茅口灰岩中布置的的排水系统贯通。 主斜井采用双胶带输送机分别运输煤炭和矸石；副 立井采用罐笼提升材料、设备、人员等。 矿井南、北翼分设进风、回风斜井，为解决矿 井排水问题，在井田北翼设置排水平硐。进风、回 风斜井和排水平硐均在煤系下部的茅口灰岩布置， 不揭露煤层。 矿井后期采用立井暗斜井开拓， 在700 m 水平 南北两翼分设 1 个风井场地，均为进风、回风立井， 结合从中部穿过本井田的高速公路的煤柱进行布置。 全矿井共设置1 000 m 和700 m 两个水平。两 个水平之间通过暗斜井进行联系。各水平在茅口灰岩 中设置轨道、运输、回风 3 条大巷。根据煤层赋存及 开采技术条件，因地制宜采用倾斜长壁式综合开采。 矿井投产及达到设计生产能力时布置二个盘区， 一期投产及达产时南一盘区和北一盘区各布置一个 9 号煤层保护层综采工作面。二期达产时两个盘区各 增加一个 4 号煤层被保护层综采工作面图 1。 图 1官寨煤矿开拓布置图 Fig.1Layout of development in GuanZhai mine 2“先抽后建”工艺 2.1主斜井 主斜井位于北二盘区东部，井筒提升走向 NE80，设计倾角 21.5，总长 1 381 m，开挖面积 14.7 m2。 主斜井穿越煤系与茅口灰岩中的巷道贯通， 将不可避免地揭露所有煤层。 主斜井穿越区域地层倾角 1015， 井检孔瓦斯 参数测试数据显示，揭露的 2 号、5 号、9 号和 11 号煤层瓦斯含量空气干燥基9.6417.21 m3/t表 1， 主斜井揭煤面临瓦斯突出威胁。 为了消除煤与瓦斯突出威胁，解决主斜井先抽 后建问题，设计在地面施工 1 口定向井图 2，井眼 轨迹与主斜井井筒揭煤段轨迹一致。钻井完成后， 对揭露的具有突出危险性的煤层或煤层群进行射 孔和水力压裂，并进行合层抽采。其中，重点抽采 2 号、5 号、9 号和 11 号煤图 3。 ChaoXing 52煤田地质与勘探第 46 卷 表 1主斜井和副立井揭露煤层参数表 Table 1Parameters of coal seams exposed in the main inclined and auxiliary vertical shaft 位置煤层煤厚/m 含气量/ m3t-1 位置煤层 煤厚/m 含气量/ m3t-1 主 斜 井 21.689.64 副 立 井 21.5010.22 42.0212.35 52.1011.6750.9013.44 61.4811.21 92.8817.2191.6911.48 113.5012.73111.8913.44 141.2212.01 图 2主斜井揭煤水力压裂合层抽采示意图 Fig.2Schematic hydraulic fracturing of coal seams exposed in the main inclined shaft 图 3瓦斯抽采井井眼轨迹剖面图 Fig.3Gas extraction well track 射孔时， 在距目标煤层 20 m 范围内的所有煤层 煤层群全部射孔，压裂采用“泵送桥塞分段压裂” 技术，压裂完成后，对于未改造煤层全部射孔打开， 进行合层抽采。 试验结果表明， 抽采影响半径在 100 m 以上，可降低井筒揭露煤层范围瓦斯含量和瓦斯压 力，为井筒建设提供安全保障。 2.2副立井 副立井位于官寨煤矿南二盘区北部，井筒设计 深度 546 m，设计开挖面积 14.7 m2，揭穿煤系与下 方茅口组灰岩中的大巷贯通。 副立井建设将揭露所有煤层，井检孔瓦斯参数 测试数据表明，2 号、4 号、5 号、6 号、9 号、11 号 和 14 号煤层，空气干燥基瓦斯含量 10.2213.44 m3/t 表 1 。 副立井掘进将面临巨大的煤与瓦斯突出威胁。 为了保证井筒掘进过程中揭煤安全，在副立井位 置施工 1 口直井，其中在上述具有突出危险性的煤层 段，采用洞穴完井工艺消除煤与瓦斯突出威胁图 4。 图 4洞穴完井–负压抽采–注浆封闭辅助消突示意图 Fig.4Schematic diagram of cave completion-negative pressure extraction-grouting seal 单层洞穴完井工艺步骤 ① 采用机械动力、高压水射流和空气动力 3 种方式相结合，将目标煤层及其顶底板岩石破碎后 带出井口，在煤层段人工制造一个直径 58 m 的洞 穴，使洞穴周围煤层中瓦斯泄压。 ② 洞穴完成后，在井口安装抽采装置，负压抽 采煤层瓦斯，抽采时间视瓦斯抽采量的大小确定， 一般抽采 310 d 即可有效降低揭煤范围 20 m 以内 的煤层瓦斯含量和瓦斯压力。 ③ 抽采完成后，下入钻具，在洞穴中注入水泥 浆，将洞穴封闭。 副立井自上而下需要揭露多个具有突出危险性 的煤层，洞穴完井和负压抽采自下而上依次施工， 直至所有目标层均已洞穴完井和瓦斯负压抽采。 2.3保护层首采面 官寨煤矿设计在北一盘区、南一盘区各布置 1 个首采面，将 9 号煤作为保护层，首先开采。北一 盘区首采面长 1 500 m， 宽 150 m，9 号煤厚度 1.29 3.68 m，瓦斯含量 7.9817.21 m3/t，平均 12.36 m3/t。 南一盘区首采面长 1 400 m，宽 150 m，9 号煤厚度 1.062.88 m，瓦斯含量 6.8711.43 m3/t。在北一盘 区首采面和南一盘区首采面，按 250 m 井间距沿工 作面上顺槽内侧 25 m 分别布置 5 口垂直压裂井， 对 目标煤层或煤层群进行水力压裂和合层抽采图 5。 在南、 北首采工作面地面瓦斯预抽基础上， 可参 照晋城矿区瓦斯井上、下一体化抽采经验，采用“三 区联动”立体瓦斯抽采模式进行瓦斯治理。地面瓦斯 抽采与井下采掘工程及瓦斯抽采在时间和空间上有 机结合， 通过地面、 井下一体化抽采为煤炭采掘活动 创造安全的施工条件，真正做到“先抽后建、先抽后 ChaoXing 第 4 期胡正田等 贵州官寨煤矿“先抽后建”地面瓦斯抽采工艺分析53 掘和先抽后采”，实现“抽、掘、采”的平衡[11-12]。根 据产能模拟结果设计按 250 m250 m 井距，超前回 采工作面 500 m、准备工作面 250 m 原则进行布井， 滚动抽采见图 6。 图 5首采面地面瓦斯抽采井布置示意图 Fig.5Layout of surface gas drainage wells for the first mining face 图 6首采区地面抽采布井示意图 Fig.6Layout of surface drainage well for first mining district 3效果分析 根据地面瓦斯抽采试验GZ-01 井数据， 采用数 值模拟方法，通过历史拟合图 7，获取煤储层渗透 率、储层压力等参数，更加真实地反映官寨井田的 储层地质条件。这些参数可以用来对官寨井田其他 瓦斯抽采井进行产能预测和抽采效果分析。 图 7GZ-01 井产气量历史拟合曲线图 Fig.7History matching curve of gas production in well GZ-01 3.1主斜井 以井眼为中心，可划分为近井地带井眼周围 30 m、压裂缝扩展带井眼周围3090 m和抽采影 响带90300 m，瓦斯抽采强度随距井眼距离的增 加而降低图 8。 图 8主斜井地面瓦斯抽采影响范围示意图 Fig.8Influence range of the surface gas drainage in the main inclined shaft 近井地带井眼周围 30 m，压裂缝扩展最为充 分，缝宽最大，甚至形成洞穴，导流能力最强。因 此，近井地带煤层瓦斯解吸和抽采最为充分，数值 模拟显示， 原始瓦斯含量为 17.21 m3/t， 经过 1 a 抽采， 井眼周围 30 m 范围，瓦斯含量降到 5.637.41 m3/t， 抽采率 67.572.8。压裂缝扩展带即井眼周围 3090 m，抽采 3 a，瓦斯含量降至 7.2412.86 m3/t， 抽采率 25.658.1；抽采影响范围即井眼周围 90300 m ， 经 过 5 a 抽 采 ， 瓦 斯 含 量 可 降 至 12.6215.33 m3/t，抽采率 11.426.7。主斜井开 挖范围 20 m 内瓦斯含量低于 8 m3/t 的要求， 主斜井 建设面临的瓦斯突出威胁将大大降低。 3.2副立井 副立井采用直井洞穴完井方法，对预揭露的具 有突出危险性的煤层进行负压抽采。以瓦斯抽采井 井眼为中心，形成的洞穴半径为 3.56.0 m，负压抽 采影响范围约为 50 m图 9，经过负压抽采，在以 图 9副立井负压抽采效果示意图 Fig.9Effect of negative pressure extraction of the auxiliary vertical shaft ChaoXing 54煤田地质与勘探第 46 卷 井眼为中心 20 m 的范围内，瓦斯含量降至 8 m3/t 以下，抽采完成后，采用水泥注浆封闭洞穴。 副立井建设开挖截面积为 14.70 m2，近井地带 井眼范围 20 m内瓦斯含量低于 8 m3/t，且洞穴已 经被水泥封闭。这样，副立井预揭煤范围，基本被 水泥充填物取代，在掘进过程中，不再与煤层直接 接触，煤与瓦斯突出威胁将大大降低。该方法施工 时间短，见效快，适合于竖井揭煤的瓦斯治理。 3.3首采面 利用 CBM-SIM 软件，对北一盘区首采面和南 一盘区首采面瓦斯抽采井进行产能预测。 a. 北一盘区 模拟结果显示，北一盘区的单井最高产气量为 1 565.17 m3/d。气井连续排采 15 a，单井累计产气量 为 318.60 万 m3，平均产气量为 663.84 m3/d图 10。 图 10北一盘区垂直井的产能模拟预测曲线 Fig.10North extents to a vertical Wells capacity simulation prediction curve 抽采 3 a，瓦斯综合抽采率 11.39，抽采影响 范围内，煤层瓦斯含量降至 10.3415.24 m3/t；抽采 8 a，瓦斯抽采率达到 22.87，煤层瓦斯含量可降至 9.0013.27 m3/t。抽采 15 a，瓦斯综合抽采率达到 28.61，煤层瓦斯含量可降至 8.3312.29 m3/t。 b. 南一盘区 南一盘区单井最高产气量为 2 489.00 m3/d。气井 连续抽采 15 a，累计产气量为 397.59 万 m3，平均 产气量为 702.20 m3/d图 11。 抽采 3 a，瓦斯综合抽采率 13.35，抽采影响 范围内，煤层瓦斯含量降至 9.8912.96 m3/t；抽采 8 a，瓦斯抽采率达到 24.70，煤层瓦斯含量可降至 8.6011.27 m3/t； 抽采 15 a， 瓦斯抽采率达到 30.22， 煤层瓦斯含量可降至 7.9710.40 m3/t。 4结 论 a. 地面钻井预抽煤层瓦斯技术，可解决井筒、 石门揭煤和首采区准备过程中的瓦斯治理问题，可 有效预防煤与瓦斯突出等事故，是实现新建突出煤 图 11南一盘区垂直井的产能模拟预测曲线 Fig.11Curves of simulated and predicted productivity in south panel 1 矿“先抽后建” 、安全建设的有效手段。 b. 采用洞穴完井、负压抽采等技术工艺，可快 速、高效地抽采近井地带煤层瓦斯，降低煤层瓦斯 含量和瓦斯压力，适合于竖井揭煤的瓦斯治理。 c. 地面定向钻井泵送桥塞分段压裂抽采技术， 瓦斯抽采强度随距井眼距离的增加而降低，井眼周 围 30 m 范围瓦斯抽采最为充分，经过 1 a 抽采，瓦 斯含量降到 5.637.41 m3/t，抽采率 67.572.8， 瓦斯突出威胁将大大降低。 参考文献 [1] 胡正田，万志杰，张东亮，等. 贵州官寨井田煤层气直井压裂 工艺分析[J]. 煤田地质与勘探，2015，43446–50. HU Zhengtian， WAN Zhijie， ZHANG Dongliang， et al. Analysis of CBM well fracturing in Guanzhai mine[J]. Coal Geology Exploration，2015，43446–50. [2] 国家安全生产监督管理总局． 强化煤矿瓦斯防治十条规定[Z]. 中华人民共和国国务院公报，2015，3132–33． [3] 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局. 煤矿安全 规程[M]. 北京煤炭工业出版社，2016. [4] 国务院办公厅. 国务院办公厅关于印发能源发展战略行动计 划20142020 年的通知[Z]. 中华人民共和国国务院公报， 2014，338–16. [5] 张大鹏. 进一步扎实推动煤矿安全生产形势持续稳定好转 访国家安全监管总局副局长、国家煤矿安监局局长黄玉治[J]. 中国煤炭，2015，4135–9． [6] 程宇婕. 煤层气信息中心“中美合作的典范”[N]. 中国能源 报，2015-03-09013. [7] 曹佐勇，何学秋，王恩元，等. 新建突出煤矿“先抽后建”模式 与实施路径[J]．煤炭学报，2016，41增刊 2425–433． CAO Zuoyong，HE Xueqiu，WANG Enyuan，et al. Model and implementationpathof “ pumpinginadvanceandthen construction”for a new coal and gas outburst mine[J]. Journal of China Coal Society，2016，41 S2425–433. [8] 江勇. 黔西县官寨井田煤层气地质特征及开发地质评价[J]. 中国煤炭地质，2008，20439–41. 下转第 60 页 ChaoXing 60煤田地质与勘探第 46 卷 开发建议[J]. 煤炭学报，2011，362194–198. TAO Shu， TANG Dazhen， XU Hao， et al. Analysis on influence factors of coalbed methane wells productivity and development proposals in southern Qinshui basin[J]. Journal of China Coal Society，2011，362194–98. [9] 秦勇，熊孟辉，易同生，等. 论多层叠置独立含煤层气系统 以贵州织金–纳雍煤田水公河向斜为例[J]. 地质论评，2008， 54165–70. QIN Yong ， XIONG Menghui ， YI Tongsheng ， et al. On unattached multiple superposed CBM-bearing systemIn a case of Shuigonghe syncline， Zhina coalfield， Guizhou[J]. Geological Review，2008，54165–70. [10] 杨兆彪， 秦勇， 高弟， 等. 煤层群条件下的煤层气成藏特征[J]. 煤田地质与勘探，2011，39522–26. YANG Zhaobiao，QIN Yong，GAO Di，et al. Coalbed methane CBMreservoir-ing character under conditions of coal seam groups[J].CoalGeology Exploration，2011，39522–26. [11] 沈玉林，秦勇，郭英海，等.“多层叠置独立含煤层气系统” 形成的沉积控制因素[J]. 地球科学–中国地质大学学报， 2012，373573–579. SHEN Yulin，QIN Yong，GUO Yinghai，et al. Sedimentary controlling factor of unattached multiple superimposed coalbed methane system ation[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences，2012，373573–579. [12] 杨兆彪，秦勇，陈世悦，等. 多煤层储层能量垂向分布特征及 控制机理[J]. 地质学报，2013，871139–144. YANG Zhaobiao，QIN Yong，CHEN Shiyue，et al. Controlling mechanism and vertical distribution characteristics of reservoir energy of multi-coalbeds[J]. Acta Geologica Sinica， 2013， 871 139–144. [13] 郭晨， 秦勇， 卢玲玲. 黔西红梅井田煤层气有序开发的水文地 质条件[J]. 地球科学进展，2015，304456–464. GUO Chen ， QIN Yong ， LU Lingling. Hydrogeological conditions of orderly coalbed methane development in Hongmei well field，western Guizhou，south China[J]. Advances in Earth Science，2015，304456–464. [14] 郭晨，秦勇，易同生，等. 黔西肥田区块地下水动力条件与煤 层气有序开发[J]. 煤炭学报，2014，391115–123. GUO Chen，QIN Yong，YI Tongsheng，et al. Groundwater dynamic conditions and orderly coalbed methane development of Feitian block in western Guizhou， south China[J]. Journal of China Coal Society，2014，391115–123. [15] 傅雪海，葛燕燕，梁文庆，等. 多层叠置含煤层气系统递进排 采的压力控制及流体效应[J]. 天然气工业，2013，3311 35–39. FU Xuehai，GE Yanyan，LIANG Wenqing，et al. Pressure control and fluid effect of progressive drainage of multiple superposed CBM system[J]. Natural Gas Industry， 2013， 3311 35–39. [16] 全国矿产储量委员会. 矿区水文地质工程地质勘探规范GB 12719 1991[S]. 北京中国标准出版社，1991. [17] 李正根. 水文地质学[M]. 北京地质出版社，1980. [18] 河南理工大学， 重庆地质矿产研究院. 重庆市 1∶ 50 万煤矿瓦 斯地质图说明书[R]. 重庆重庆地质矿产研究院，2012. [19] 国土资源部油气资源战略研究中心. 全国煤层气资源评价[M]. 北京中国大地出版社，2009. 责任编辑 晋香兰 上接第 54 页 JIANGYong.CBMgeologicalfeaturesandexploitation uation in Guanzhai minefield ， Qianxi County[J]. Coal Geology of China，2008，20439–41. [9] 陈名学. 贵州省黔西县官寨井田区地质构造特征及力学特 征[J]. 中国煤炭地质，2008，2044–6. CHEN Mingxue. Geological structural features and mechanical analysis in Guanzhai minefield, Qianxi County ， Guizhou Province[J]. Coal Geology of China，2008，20424–26. [10] 沈玉林，秦勇，郭英海，等. “多层叠置独立含煤层气系统”形 成的沉积控制因素[J]. 地球科学–中国地质大学学报，2012， 373573–679. SHEN Yulin，QIN Yong，GUO Yinghai，et al. Sedimentary controllingfactorofunattachedmultiplesuperimposed coalbed-methane system ation[J]. Earth Science Journal of China University of Geosciences，2012，373573–679. [11] 晋香兰. 煤矿区煤与煤层气协调开发模式的探讨以晋城矿 区为例[J]．中国煤炭地质，2012，24916–19． JIN Xianglan. A discussion on coal and CBM coordinated exploitation mode in coalmine areasA case study in Jincheng mining area[J]. Coal Geology of China，2012，24916–19． [12] 贺天才， 王保玉， 田永东. 晋城矿区煤与煤层气共采研究进展 及急需研究的基本问题[J]. 煤炭学报， 2014， 399 1779–1785. HE Tiancai，WANG Baoyu，TIAN Yongdong. Development and issues with coal and coal-bed methane simultaneous exploitation in Jincheng mining area[J]. Journal of China Coal Society， 2014， 3991779–1785. 责任编辑 晋香兰 范章群 ChaoXing