地面鉆井抽采突出煤層群保護(hù)層

1、. 地面鉆井抽采突出煤層群保護(hù)層開采卸壓瓦斯技術(shù)煤業(yè)集團(tuán)公司烏蘭煤礦一、礦井概況及工程研究意義烏蘭煤礦是煤業(yè)集團(tuán)公司所屬重點礦井之一，是公司的焦煤生產(chǎn)基地，始建于1966年，1975年建成投產(chǎn)。井田位于阿拉善盟左旗的呼魯斯太礦區(qū)，走向長約5km，傾斜寬約3km，面積為15km2。礦井原設(shè)計年產(chǎn)能力90萬t，后來經(jīng)改擴(kuò)建，2007年礦井實際產(chǎn)量187萬t。礦井主采2號、3號、7號、8號煤層。2號煤為中厚煤層，平均煤厚3.28m；3號煤為特厚煤層，平均煤厚9.22m，儲量占全礦井57；7號煤平均煤厚1.89m；8號煤平均煤厚2.77m。煤層傾角為2025，2號與3號煤的平均層間距為31.5m，3號

2、與7號煤的平均層間距為75m，7號與8號煤的平均層間距為4.2m。煤種為肥煤和1/3焦煤，現(xiàn)礦井地質(zhì)儲量13363.9萬t，可采儲量8143萬t。烏蘭煤礦為煤與瓦斯突出礦井。2007年礦井瓦斯絕對涌出量為104.64 m3/min，相對瓦斯涌出量為29.96 m3/t。2號和8號煤層均為突出煤層，3號和7號煤層為非突出煤層。1987年1月11日在1350水平北一采區(qū)二石門掘進(jìn)揭2號煤時發(fā)生了煤與瓦斯突出，突出煤量90t、瓦斯1.5萬m3，2號煤層被定為突出煤層，隨后5232、5233機(jī)巷掘進(jìn)中先后發(fā)生傾出，從此2號煤層再未開采。8號煤層在5867風(fēng)、機(jī)巷掘進(jìn)過程中曾屢次出現(xiàn)突出預(yù)兆，2007年

3、8月14日發(fā)生煤與瓦斯傾出，傾出煤量35t，瓦斯1600 m3，后經(jīng)鑒定8號煤為突出煤層。礦井各煤層透氣性差，屬較難抽放煤層。經(jīng)測定，3號煤層透氣性系數(shù)為0.0250.98mD，礦井瓦斯預(yù)抽率僅為10.17，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。2號煤層因發(fā)生煤與瓦斯突出事故而被迫停采，礦井將生產(chǎn)重點轉(zhuǎn)為開采下層的3號煤層。由于2號煤層與3號煤層之間的平均間距為31.5m，3號煤層開采期間本層涌出的瓦斯和鄰近的2號煤層涌出的瓦斯嚴(yán)重制約了3號煤層的平安生產(chǎn)，雖采取了地面鉆井抽放、埋管抽放、順層鉆孔抽放、穿層鉆孔抽放、頂板高位巷引排等技術(shù)措施，但是工作面和上隅角的瓦斯仍時常超限;2號主焦煤層停采后造成了大量

4、資源浪費(fèi)，對焦煤產(chǎn)量造成了嚴(yán)重影響。因此，針對礦井煤層群開采的實際情況，如何采用有效的瓦斯治理方法徹底解決2號、8號煤層的突出問題及3號煤層的高瓦斯問題，確保平安地開采2號主焦煤層。2005年5月國家煤礦平安技術(shù)“會診第八專家組對烏蘭礦井進(jìn)展平安“會診，要求從礦井開拓系統(tǒng)及開采方式上研討治理瓦斯方案，研究出針對烏蘭礦實際情況的瓦斯治理技術(shù)。2006年45月，神寧集團(tuán)、烏蘭礦和中國礦業(yè)大學(xué)經(jīng)過調(diào)研論證后，提出了開展“地面鉆井抽采突出煤層群保護(hù)層開采卸壓瓦斯的技術(shù)方案。二、技術(shù)方案一總體方案經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的綜合計算，確定的總體方案為：首采7號煤層，保護(hù)下部8號煤層，再采8號煤層，7號、8號煤層開采

5、對2號、3號煤層進(jìn)展二次保護(hù)，兩次卸壓抽采，消除其突出危險性。開采順序為7號8號2號3號煤層，2號、3號煤層的卸壓瓦斯采取地面鉆井抽采，首采工作面選擇在二水平二階段的5757工作面，抽出瓦斯用于發(fā)電。地面瓦斯抽采鉆井抽采卸壓瓦斯如圖1所示。圖1 烏蘭煤礦煤與瓦斯卸壓共采原理圖二首采工作面根本參數(shù)5757工作面位于烏蘭井田南翼采區(qū)1213勘探線之間的二水平二階段，工作面距地表最小垂深為211.4m。5757工作面區(qū)域沉積穩(wěn)定，煤層構(gòu)造簡單，煤層厚度變化不大，適合于單一煤層走向長壁炮采法，全部冒落法管理頂板。工作面參數(shù)為：工作面走向長：600m；工作面傾斜長：210m；煤層厚度：1.42.3m，平

6、均1.9m；煤層傾角：1525，平均20；首采區(qū)的地表地勢平坦，空曠無物，局部地區(qū)存在裸露的基巖，局部地區(qū)覆蓋有17m厚的表土層，車輛可以通行，適于開展地面工程。三、地面鉆井設(shè)計及施工一地面考察鉆井為了考察2號煤層的瓦斯壓力變化及卸壓邊界，在首采區(qū)布置8個瓦斯壓力測壓鉆井。1布井。測壓鉆井P1P3布置在開切眼處，用來考察此處邊界壓力及卸壓邊界的變化；因為風(fēng)巷處旁邊的3號煤層已采，2號煤層冒落，所以布置測壓鉆井P4P6在機(jī)巷處，用來考察此處邊界壓力及卸壓邊界的變化；測壓鉆井P7P8布置在中部，用來考察抽放孔之間的卸壓圍和效果。P1P8鉆頭都鉆至2號煤層底板以下10m的位置完鉆。P1P2相距20m

7、，P2P3相距18m，P4P5相距15m，P5P6相距12m，P3P7相距120m，P7P8相距230m。2鉆井工程。一開：用311mm潛孔錘鉆頭開孔，鉆進(jìn)至基巖35m后下套管，然后用水泥封固套管。二開：換215.9mm潛孔錘鉆頭鉆至2號煤層頂板以上10m處。三開：換114mm潛孔錘鉆頭鉆至2號煤層底板以下10m的位置完鉆。3完井工程。三開鉆完后，下入50mm鋼管到2號煤層頂板以上2m處，用密度為1.501.75103kg/ m3的水泥漿固井，固井段從2號煤層頂板以上10m至孔口。測壓鉆井的井身構(gòu)造如圖2所示。圖2 測壓鉆井井身構(gòu)造圖圖3 地面鉆井及抽采系統(tǒng)布置圖二地面抽放鉆井1布井。根據(jù)相關(guān)

8、礦區(qū)的地面卸壓瓦斯的抽放工程實踐，卸壓抽放活潑期地面鉆井的單孔瓦斯流量高達(dá)2.2萬m3/d，CH4濃度大于80，經(jīng)計算烏蘭礦需要采用流量不低于60 m3/min的移動瓦斯抽放泵。預(yù)計單孔瓦斯流量為14 m3/min，即每天2萬m3，透氣性系數(shù)增加1500倍，即=60m2(MPa2d)，則可計算得：按單井連續(xù)有效抽放時間90a計算，得直徑139.7mm鉆井的有效間距為60130m，同時抽放鉆井?dāng)?shù)為14個。為了考察相關(guān)鉆井抽采參數(shù)，采用非均勻布井法。瓦斯抽采鉆井沿煤層走向兩排布置，如圖3所示。(2)鉆井工程。一開：用245mm潛孔錘鉆頭開孔，鉆進(jìn)至基巖35m后，下244mm套管，然后用水泥封固套管

9、。二開：換219.5mm潛孔錘鉆頭鉆至50m，下193.7mm套管，用密度為(1.501.75)103kg/ m3的水泥漿固井至地面。三開：換177mm潛孔錘鉆頭鉆至7號煤層頂板以上10m的位置完鉆。(3)完井工程。三開鉆完后，下入139.7mm套管。在0110m左右處下實管，到2號煤層頂板以上10m處下篩管，直到7號煤層頂板以上10m處。抽放孔的井身構(gòu)造如圖4所示。圖4 抽放鉆井井身構(gòu)造圖四、實施效果一地面抽采鉆井抽采瓦斯總結(jié)及分析2007年6月，5757保護(hù)層工作面開場正常回采，8月受采動卸壓的作用，地面1號、2號孔先后涌出瓦斯，并連管抽采。截止2008年1月31日，礦井保護(hù)層開采區(qū)域已經(jīng)

10、抽出純瓦斯4635574 m3，其中單孔最大抽采量到達(dá)17000 m3/d，抽采半徑到達(dá)96m，取得了顯著的效果。16號鉆井、加1號和加2號鉆井的抽采瓦斯情況見表1，其濃度和標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線分別如圖5圖12所示。圖5 1號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖6 2號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖7 3號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖8 4號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖9 5號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖10 6號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖11 加1號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖圖12 加2號鉆井濃度及標(biāo)準(zhǔn)純瓦斯流量曲線圖各鉆井的單月抽采總量見表2和圖13所示。圖14給出了每個

11、鉆井的抽采量，由圖可知2號鉆井的抽采量到達(dá)1319381 m3，已停抽；1號孔的抽采量到達(dá)1309545 m3，仍然在持續(xù)抽采之中。圖15給出了每個月份地面鉆井的抽采量，8月份由于地面鉆井剛進(jìn)入卸壓區(qū)，抽采的鉆井?dāng)?shù)少，抽采量最少，為532466 m3；9月份采動卸壓作用活潑，抽采量最多，到達(dá)918774 m3；2007年10月2008年1月份隨著西北地區(qū)氣溫降低，特別是嚴(yán)寒對抽采管路的防積水工作造成影響，抽采量有所下降，但各月份抽采總量差異不大，說明卸壓瓦斯抽采工作進(jìn)入正常期。圖13 各個鉆井每月的抽采瓦斯量圖14 各個鉆井抽采總量比照 圖15 各月份抽采總量比照二2號和3號煤層剩余瓦斯分析5

12、757工作面向前推進(jìn)之后，2號和3號煤層被保護(hù)，其卸壓瓦斯被地面抽采鉆井抽出。通過對地面抽采區(qū)域打鉆取2號、3號煤層煤樣進(jìn)展分析，測定得出2號和3號煤層卸壓圍瓦斯抽采參數(shù)，見表3。在沒有采取保護(hù)層開采和地面鉆井抽采卸壓瓦斯時，3號煤層的瓦斯抽采率僅為10.17，與現(xiàn)階段2號、3號煤層卸壓圍的瓦斯抽采率比照關(guān)系如圖16所示。不同時期煤層瓦斯抽采量比照方圖17所示。圖16 煤層瓦斯抽采率比照 圖17 不同時期煤層瓦斯抽采量比照圖18 P3、P4和P7測壓井的表壓變化曲線地面測壓井測定2號煤層瓦斯壓力，從5757工作面開場回采至2008年1月，P3、P4和P7測壓井的表壓見表4。通過上述實測數(shù)據(jù)分析，當(dāng)8號煤層開采后，2號和3號煤層的瓦斯壓力還將進(jìn)一步降低，瓦斯含量將進(jìn)一步減少。五、總結(jié)烏蘭煤礦突出煤層群煤與瓦斯平安高效共采工程雖在試驗階段，但所取得的成果是有成效的。(1)提出了煤層群開采多重保護(hù)層的概念，并進(jìn)展了工程設(shè)計，本工程中7號煤層既是2號、3號煤層的下保護(hù)層，又是8號煤層的上保護(hù)層。(2)提出了保護(hù)層開采地面鉆井抽采和測壓鉆井考察的新方法，為高效抽采卸壓瓦斯和監(jiān)測卸壓煤層的剩余瓦