煤矿采空区瓦斯抽采井钻井工艺研究

1矿井瓦斯异常具体表现

1.1煤层中局部区域瓦斯参数异常

煤层中局部区域会因各种因素的影响而出现参数异常，表现为瓦斯涌出量、瓦斯压力、瓦斯含量较其他正常区域较大，严重时会增加到普通区域的几倍，例如封闭区断层附近瓦斯经常发生的富集问题，这些易发生瓦斯异常的区域多是开采时易出现瓦斯涌动异常、瓦斯动力的位置，一定程度上影响了煤矿的稳定生产。

1.2巷道、采空区局部区域瓦斯参数异常

巷道、采空区局部区域瓦斯参数异常出现的原因大多是矿井通风管理出现问题，一些低瓦斯矿井因设备等因素而未形成负压通风，会以局部风来替代主通风机，虽然会起到一定的效用，但是却会引发工作面瓦斯聚集；还有很多低瓦斯矿井开采时选择串联通风，会使得风流中瓦斯含量持续增加，最后引发瓦斯积聚。

1.3瓦斯动力现象

瓦斯动力现象主要包括三种情况：突出、倾出、压出。在发生瓦斯动力现象时，会在极短时间内由煤体向采场或者巷道抛出各种碎煤，并引发大量瓦斯喷出，在煤体中出现形状各异的孔洞，引发动力效应，比如喷薄而出的煤粉会迅速填充巷道，瓦斯逆流运行数千米，破坏矿井设施、造成人员伤亡。

2综放开采瓦斯安全联动控制方案

综放开采工艺包含割煤和放煤２部分工艺。割煤工艺是指采煤机割煤动作及其与前部刮板输送机、液压支架相互配合而形成的回采过程；综放工作面放煤工艺紧密配合割煤工艺，在采煤机割煤、综放支架移架后，顶煤失去支承发生垮落，通过控制综放支架后部放煤机构的尾梁和插板动作，可将顶煤放出，放出的顶煤由后部刮板输送机运出。综放开采割煤和放煤两个过程中，都会产生较大的瓦斯涌出。现有的综放开采自动化配套过程中，自动化配套集成度不够，在环境参数特别是瓦斯参数的融合与利用方面尚存在欠缺，根据国家相关政策要求，矿方瓦斯监控系统数据不能向第三方提供，更为系统的融合以及更高层次的自动化开采设置了障碍。根据综放工作面瓦斯从进风巷至回风巷瓦斯体积分数逐渐增大的特点，通过在综放工作面上隅角布设一定数量的瓦斯传感器，实时采集综放工作面上隅角的瓦斯体积分数值，该瓦斯体积分数值通过综放工作面自动化系统的综合接入器（千兆网络）传送到巷道电液控制系统主机，通过电液控制系统主机逻辑控制系统实现对瓦斯体积分数的预测判断并将瓦斯体积分数值与采煤机割煤速度实时关联，电液控制系统主机通过以太网将瓦斯体积分数数据和逻辑判断结果传送到采煤机控制集控主机，采煤机控制集控主机依据综放工作面瓦斯体积分数高低的逻辑判断结果进行采煤机割煤速度的控制，最终实现综放工作面上隅角瓦斯体积分数与采煤机的联动控制。

3钻井工艺参数优选研究

3.1最小气量选择

通过采用Angel的混合均匀流模型来计算气体钻井井筒的压力可得出，井筒中气体流速的最低值不在井底，而是在钻杆与钻铤的相接处，这说明携屑最困难的位置是环空中过流截面由小变大处，因此需要计算钻杆与钻铤相接处的最小气量。利用井底清洁程度第二类标准选择井底状况下的最小气量和钻杆与钻铤连接处的最小气量，选择两者中的大值作为最终选定的最小气量。根据以上分析，可计算出气体钻井在标准状态下不同井眼尺寸所需的最小气量。

3.2空气钻井钻压和转速的选择

气体钻井中，钻压的确定主要取决于井身质量控制。钻进中不管使用何种钻具组合，钻压要控制在粗径钻具一次临界弯曲钻压以内，以防止井斜过快增长。转速主要由扭矩的控制、胶芯的磨损、所选用气动潜孔锤合理的转速范围等因素确定。从这些方面考虑，转速宜控制在60～70r/min。

4完井工艺优化研究

对于采空区瓦斯抽采井而言，采用的完井方法主要是裸眼完井和筛管完井。由于采空区瓦斯抽采井主要抽采采空区内聚集的瓦斯气体，单井完井后不再进行压裂、酸化等其他增产作业。从理论上说，相较于裸眼完井，筛管完井能够保证井筒在采空区内的稳定性，方便修井，有利于清除井筒内的煤粉，更有利于后期的瓦斯抽采。但在大规模布置采空区瓦斯抽采井进行施工时，发现筛管完井的问题较多：一是施工工艺复杂、难度大，三开钻穿煤层采空区后，由于采空区顶板垮落，地质条件复杂，造成筛管难以下入，施工工艺复杂、难度大，完井较困难；二是施工成本高，相比裸眼完井，筛管完井增加了三开套管，在下入三开套管时需要反复通井，增加了不少钻井完井成本；三是施工工期长，筛管完井增加了三开下套管工序，三开完钻后需要多次通井才能下入筛管，有时多次通井仍无法下入，要采用跟管钻具通井并将筛管下入设计位置，施工工期比裸眼完井要长得多。根据相关的采空区瓦斯抽采井施工经验，采用裸眼完井取得了较为不错的抽采效果。因此采空区瓦斯抽采井的完井方法优选裸眼完井。

5现场应用试验研究

5.1现场应用

某矿受暴雨影响，矿区内二1和一3煤层采空区内有积水，需要在地面施工一个采空区水位观测孔，查清两煤层采空区的积水情况、富水性，为矿井复工复产做准备。根据现场地质条件并结合其他因素分析，选用欠平衡空气钻井工艺，三开井身结构，选用XSZ-800Ⅱ型履带式钻机，配合2台空压机进行施工。

5.2现场应用试验结论

本井纯钻井时长仅是72h，说明与水性钻井液对比，欠均衡气体钻井关键技术于穿越重生空区的井型时钻井工作效率高。按照本井钻井碰到煤巷顶板裂隙带的现象，发觉用经历公式换算的空区顶板裂隙带相对高度和实际裂隙相对高度对比比较传统。工作经验公式换算的顶板裂隙带可供参考，必须最准确数据信息时，应依据所在地区采厚、空区总面积、顶板管理和煤矿开采方式、顶板岩石层结构特征、煤巷赋存情况和开采深层六方面对导水顶板裂隙带开展全面分析。选用井中保持干净第二类规范——煤岩地基沉降终速规范，测算井中保持干净的最低供气量，切合实际状况，可具体指导具体气体钻井工程项目。瓦斯钻井最少注供气量计算，采用确保井中洁净的第二类规范——煤岩地基沉降终速率规范，更贴近具体情况。现阶段浅部油气钻井，施工工地多未配置井控机器设备，但采场瓦斯开采井钻井时，务必配置双水利闸门防喷器和转动操纵头。

结束语：基本设立了在我国瓦斯网络资源赋存要求的重要抽放技术以及瓦斯抽放技术标准体系，重要保障了矿山安全，现阶段已经进入矿井瓦斯产业化抽放与地面油气商业化的开发环节。这种瓶颈问题必须在国家新政策和资金大力支持，煤矿企业与煤碳科研单位通力协作，推进研究和科技攻关，使在我国煤矿业瓦斯抽放技术设备水准再上新台阶，更强确保在我国矿山安全。

参考文献：

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