傾斜碎軟煤層群煤層氣協調開發關鍵技術-以艾維爾溝礦區為例

梁運培 ，朱拴成,3 ，陳 亮, ，趙 坤 ，孫東玲 ，陳建杰 ，張碧川

（1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044；2.重慶大學 資源與安全學院, 重慶 400044；3.煤炭工業規劃設計研究院有限公司, 北京 100120；4.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室, 重慶 400037；5.中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司, 重慶 400037；6.新疆焦煤(集團)有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830091）

0 引 言

煤與煤層開協調開發是煤礦促進“雙碳”目標實現的重要途徑之一，傾斜碎軟煤層群煤層氣開發是其中的重要組成部分，其協調程度的提高有賴于相應理論、技術和裝備突破與各種技術、裝備間的協調配合。目前，我國在煤礦區煤層氣開發技術與裝備方面取得了很大的成果，主要表現在煤礦區煤層氣開發基礎理論、地面井采動區抽采技術、煤礦區煤層氣開發與利用技術裝備等方面，同時，針對煤與煤層氣協調開發也相應提出了淮南模式、晉城模式和松藻模式[1-5]。然而，艾維爾溝礦區煤層因其傾角大、多煤組、厚煤層的賦存特點，巖層賦存、移動規律與近水平煤層有很大不同[6-8]。傾斜多煤組開采下覆巖呈現明顯的多重非對稱卸壓特征，即由于在傾角較大的地方進行煤炭開采導致的覆巖卸壓由原來近水平的對稱馬鞍形逐漸向高位卸壓的轉變[9,10]。多個傾斜煤層開采導致覆巖的卸壓范圍與大小會有疊加與抵消，采動卸壓所影響的范圍中包括了鄰近煤層，造成煤層氣解吸并向首采煤層運移，時空約束更為復雜。此外，煤層群開采條件下不同煤層賦存條件各抽采方法的聯合布置模式與煤炭協調開采的時空條件有待深入研究。

因此，有必要提出非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣協調開發模式，并采用理論分析、相似模擬、現場試驗等方法，研究傾斜首采碎軟煤層下向鉆孔煤層氣抽采技術，提出基于非對稱開采巖層卸壓破壞時空演化規律的地面井煤層氣抽采技術，為傾斜多煤組煤層群開采、煤與煤層氣協調開發提供理論、技術及裝備支撐。

1 非對稱卸壓煤與煤層氣協調開發模式

艾維爾溝礦區地處我國西北地區，煤層總體傾角7°～45°，平均約30°[11]。但目前缺少適應傾斜地質條件下的煤與煤層氣協調開發方法。筆者針對傾斜地質條件提出了多重非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣協調開發模式，進一步明確了傾斜采動條件下煤與煤層氣協調開發策略。

1.1 多重非對稱卸壓煤與煤層氣協調開發模式

針對艾維爾溝礦區傾斜多煤組典型地質條件，提出了基于“三孔四區五量”的多重非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣耦合協調開發模式（圖1）。

圖1 非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣耦合協調開發模式Fig.1 Asymmetric pressure relief spatiotemporal coordinated development model of coupling coal and coalbed methane

在艾維爾溝礦區施行時空協同煤與煤層氣耦合協調開發模式的過程中，根據煤炭開采及煤層氣抽采不同時期的特征，將艾維爾溝傾斜多煤組礦區劃分為規劃區、準備區、生產區、采空區4 個階段：

1）在規劃區內不涉及煤炭開采，其主要是對煤炭開采進行遠景規劃，但在規劃過程中要充分考慮礦井、煤層和工作面3 個層級的非對稱卸壓可能影響范圍和疊加效果，提前預判所需的煤層氣抽采作業方式[12]。因此，只進行地面井煤層氣抽采作業。

2）準備區完成井下部分巷道掘進，為煤炭回采作業做好準備，同時準備區內具備煤層氣井下抽采的條件，即在地面井抽采作業的同時，布置井下煤層氣下向遞進式抽采鉆孔，減少傾斜煤層煤層氣抽采時間壁壘，實現地面與井下聯合抽采煤層氣[13]。

3）生產區屬于煤炭開采作業區域，在傾斜煤層開采的過程中會產生相應的非對稱采動影響，鄰近煤層卸壓導致煤層氣大量解吸、通過采動裂隙運移至本煤層采空區[14-15]。

4）采空區域是煤層氣開采的“甜點”區域，因此，在該區內實施井上下聯合抽采，但在傾斜煤層群采動條件下，采動地面鉆井或高位鉆孔以布置于多煤層工作面卸壓疊加區為佳，這樣可以保證高位鉆孔的高效性，同時在一定程度上為地面鉆井實現“一井三用”提供了可能，有助于實現更高水平的煤與煤層氣高效協調開發。

通過地面立井抽采煤層氣貫穿規劃區、準備區、生產區、采空區等四區；采用井上下聯合，采用地面鉆井、定向鉆孔、下向鉆孔有機結合的煤層氣抽采模式；井上下聯合實現精準高效抽采，在煤層氣含量較高的位置采用穿層鉆孔以縮短抽采時長，在煤層氣含量較低的煤層中采用定向長鉆孔抽采煤層氣。非對稱采動后，覆巖影響區內裂隙呈現高位擴展-低位壓縮的分區分布特征[16]。采動裂隙矩形梯臺也呈現明顯的非對稱特征，開度較小的裂隙主要分布于裂隙矩形梯臺上方和兩側，而開度較大的裂隙則分布于裂隙矩形梯臺高位側[17-18]（圖2）。而裂隙是煤層滲流的通道，因此，依據多重非對稱卸壓特征預判抽采特定時間“甜點”位置是煤層氣高效開發的有效方式。

圖2 非對稱采動下卸壓系數分布模型Fig.2 Model of pressure relief coefficient under asymmetric mining

部分礦井在采掘過程中實際“三量”及“三量”可采期遠大于規定值的情況下仍出現采掘接替緊張現象，究其原因，主要是因為“三量”中的準備煤量和回采煤量中有部分煤量具有突出危險性，需通過區域性瓦斯治理消除突出危險后才能進行采掘作業。而災害治理需要時間和空間，若礦井沒有預留足夠的瓦斯治理時間和空間就會導致礦井接替緊張。因此，在原有“三量”劃分的基礎上將煤量劃分為開拓煤量、準備煤量、回采煤量、保護層抽采達標煤量、可供布置的被保護層煤層五量，針對性提出掘進超前、瓦斯抽采達標超前、保護層開采超前，保證煤礦的安全生產。

1.2 非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣協調開發機制

在上述煤與煤層氣開采四區劃分的基礎上，各階段之間轉換必須滿足礦井災害防治的相關規定。如圖3 所示，多重非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣耦合協調開發四區的接續依據為：各區內煤層氣含量是否符合既定標準，即當抽采煤層氣量達標后方可進入下一階段作業。為順利實現地面井“一井三用”，在規劃區內布置地面井時要充分考慮艾維爾溝礦區多傾斜煤層這一典型地質條件的影響：多重采動卸壓下其覆巖破壞具有明顯非對稱性，而垂直井對此種地質條件具有較好的適應性。因此，規劃區內主要采用垂直井進行采前預抽。當規劃區內煤層氣含量降低至βW0時（W0為原煤煤層氣含量，β介于0～1 的經驗系數）方可進入準備區作業階段。此時準備區內已經具備井下煤層氣抽采條件，因此通過在底抽巷布置相應鉆孔實現井上下聯合抽采，井下鉆孔抽采在新疆煤層地質條件下主要有2 種方式：①當井下煤層氣含量小于βW0時，考慮在規定時間內抽采煤層氣的同時節約生產成本，應采用定向鉆孔；②當井下煤層氣含量大于βW0時，為滿足在規定時間內抽采量達標的要求，應采用抽采速度較快的穿層鉆孔；鉆孔的布置需結合覆巖卸壓特點選取合理的參數（根據艾維爾溝礦區傾斜煤層典型地質條件，所選取的βW0為9 m3/t）。當準備區內煤層氣小于8 m3/t 時，進入生產區作業階段。煤炭開采造成的覆巖采動裂隙為煤層氣運移創造有利條件，是煤與煤層氣協調開發的核心區域，在生產區內采用的主要抽采方式為井下雙系統分源抽采與頂板長鉆孔抽采技術，并根據傾斜煤層地質特點與采空區煤層氣富集特征確定合理的鉆孔布置參數，由于各地區對于生產區內安全生產要求不同，該區域內煤層氣含量小于8αm3/t（α為介于0～1 的經驗系數）。

圖3 非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣耦合協調開發機制Fig.3 Asymmetric pressure relief spatiotemporal synergistic coupling and coordinated development mechanism of coal and coalbed methane

2 傾斜碎軟煤層下向孔煤層氣抽采

2.1 傾斜碎軟煤層鉆進施工工藝

隨著煤礦開采效率的提升，采煤工作面間距增大，越來越多的碎軟煤層礦井對鉆進深度的要求越來越高，目前的鉆進技術與裝備達不到其使用需求，且鉆孔軌跡不可控，容易造成抽采盲區，為后期的煤炭回采埋下施工隱患，目前隨鉆測量在油氣井工程領域已有較深入的研究和應用[19-20]，但由于油氣井工程在地面開展，其隨鉆測量的功率、精準度均較高，但由于煤礦鉆孔中受井下采掘空間限制，其隨鉆測量設備必須是小型化、輕型化，這在一定程度上限制了隨鉆測量精度的提升空間；另一方面碎軟煤層鉆孔起鉆后容易垮孔，制約了煤層氣抽采量和抽采速度。因此，實現碎軟煤層定向鉆進，提高碎軟煤層成孔深度及煤層氣抽采效果，具有重大意義，也具備巨大的應用市場和前景[21-22]。

采用LDZYW-3 200 全液壓坑道鉆機+?73 三棱螺旋鉆桿+?94 三翼內凹PDC 鉆頭+中風壓排渣的鉆孔工藝，配套設備如圖4 所示。利用三棱螺旋鉆桿攪動孔內沉淀煤屑和輔助排渣的特性，將鉆渣機械和壓風排出，有效防止排渣效果不好或孔內卡鉆，導致的成孔性差的問題。采用MEMS 傳感器自主研制省電探管（圖5）。具體包括以下2 方面：接收機微弱信號處理方面，根據在井下現場應用經驗與效果，采用RLS 濾波提取微弱電磁波信號，并經過放大濾波后進行相關接收解碼，研制電磁波無線接收機，實現提高傳輸距離；在探管省電設計方面，采用微功耗MEMS 傳感器及其周邊電路，根據井下鉆孔工況設計儀器的工作邏輯來實現省電設計，并采用大容量鋰電池盡量增大電池工作時間；根據鉆桿震動情況及鉆桿旋轉情況與傳輸誤碼率統計特性判斷是否停止數據采集與電磁波發射，以此提高工作時間。通過以上兩方面的優化實現了探管的續航時間和精度兩方面的進一步提升。

圖4 下向鉆孔施工裝備Fig.4 Downhole drilling construction equipment

為了提高隨鉆伽馬探管的抗振動性能，對INA伽馬探測器和電路板安裝結構采取減小振動設計，使探測器和電路板與儀器外筒之間無相對運動，元器件接觸良好。為了減小振動對測量數據的影響，對閃爍晶體的安裝支撐系統采取加強及緩沖措施，使該系統內剛性物體的諧振頻率處于整個鉆柱振動頻率的帶寬之外。另外通過探測器的室內振動試驗，得到探測器的動態響應關系，并利用隨鉆測量儀器的振動傳感器，實時監測儀器的振動情況，根據探測器的動態響應關系和實時振動值對伽馬測量值進行修正，從而使測量值接近于地層的真實伽馬值。通過優化，煤矸的識別精度由原來的0.5 m 提升至0.3 m，傾斜、方位角測量精度提升超過40%。

通過以上的方式可以傾斜煤層中實現下向鉆孔的準確鉆進鉆孔防偏，保證了遞進式抽采的可靠性，破解了傾斜煤層中煤層氣含量較高位置抽采的時空銜接難題。

2.2 傾斜碎軟煤層下向長鉆孔排采工程試驗

采用?73X1000 凹槽螺旋鉆桿+?94PDC 鉆頭的回轉切削鉆進方式，并采用中風壓（1.2 MPa）空氣排渣。2018 年6 月在2130 煤礦25312 工作面運輸巷施工了7 個下向孔，鉆孔最大施工深度209 m，最小施工深度44 m；2020 年5 月在2130 煤礦25222 工作面運輸巷施工了10 個鉆孔，最大施工深度216 m，最小施工深度44 m。

鉆孔布置在5 號煤層（圖6）。開孔位于巷道下幫底角處，開孔高度0，間距0.6 m，終孔間距20 m。25213 運輸巷在該位置處的方位角為273°57’31”。

下向長鉆孔施工完成后，6 月18 日至8 月19 日開展了排采試驗。采用威力巴管道抽采參數測定儀對接抽的20 個鉆孔抽采數據進行了連續的監測。在排采的60 d 內，甲烷濃度前10 d 處于2.1%～3.21%、后30 d 處于0.99%～1.73%、最后20 d 處于1%以下，抽采純流量如圖7 所示。

圖7 下向遞進式抽采鉆孔封孔管件實物Fig.7 Physical of downward progressive drainage drilling and sealing pipe fittings

下向長鉆孔排采量與礦井過往該區域順層鉆孔抽采濃度、抽采量基本相符（圖8），通過下向遞進式抽采鉆孔，可以提前預抽下一個工作面的煤層氣縮短了抽采達標時間約半年，平均1 個工作面節約了1 個底抽巷的工程量。

圖8 下向長鉆孔排采流量Fig.8 Downward long borehole drainage flow

3 非對稱開采巖層卸壓破壞時空演化規律及地面井煤層氣抽采技術

覆巖卸壓是煤層氣流動的必要條件之一，傾角影響下采動覆巖的非對稱破壞特征與影響范圍是煤層氣抽采鉆孔和地面井布置的可行空間。井下鉆孔和地面井抽采是緩解礦井煤層氣超限的主要方法，因此尋找覆巖非對稱響應下的優選開發位置就顯得尤為關鍵。

3.1 非對稱開采巖層卸壓破壞時空演化規律

采動卸壓應力場是裂隙帶煤層氣抽采位置優選位置的潛在可能區，覆巖滲流裂隙場是煤層氣輸送的通道，即輸送區，煤層氣富集濃度場是卸壓煤層氣在覆巖裂隙場的匯集區。煤層傾角的存在會導致采動上述三場呈現明顯的非對稱特征，以致抽采鉆孔優選布置位置難以確定。為深入詳細探究傾斜煤層多重開采層上下鄰近層的卸壓破壞特征為煤層氣抽采鉆孔布置位置提供參考，以新疆1930 煤礦實際地質條件為基礎，利用可旋轉相似模擬試驗臺，對1930 煤礦4 號、5 號煤層的采動過程進行物理模擬。

由圖9 可知，4 號煤層回采推進170 m 時，覆巖裂隙的數量為273 個。5 號煤層回采推進170 m 時，覆巖裂隙的數量為556 個，新增283 個。傾斜煤層條件下，煤層開采后，離層裂隙和豎向貫穿裂隙分布位置存在差異。離層裂隙主要分布在采空區中部的上方巖層，隨著采空區巖層的下沉壓實逐漸閉合；而豎向貫穿裂隙主要分布在工作面兩端上方巖層，且工作面傾向上方的豎向貫穿裂隙多于傾向下方的豎向貫穿裂隙，主要原因是煤層傾角為30°，煤層回采后工作面傾向上方巖層垮落和破斷較工作面傾向下方更為嚴重，故形成的豎向貫穿裂隙更多。

圖9 裂隙統計Fig.9 Fracture statistics

由于5 號煤層開采厚度大于4 號煤層，隨著5號煤層繼續回采，覆巖裂隙數量繼續增加，且增加速率變快。5 號煤層回采后，覆巖受到采動影響的巖層范圍明顯增加，原先已經發生下沉、破斷的巖層再次發生下沉和破斷，且原先未受到4 號煤層采動影響的巖層也發生下沉、破斷，從而導致覆巖中裂隙數量和范圍迅速增多和擴大。5 號煤層工作面回采結束后，覆巖的裂隙數量大于4 號煤層開采后的2 倍。

3.2 非對稱采動區地面井布井選擇

采動覆巖移動規律的研究表明，采動區地面井在采動影響作用下，其套管將受到巖層內部非均勻水平應力擠壓、巖層層間的剪切、復合巖層間的離層拉伸，以及擠壓、剪切、拉伸等綜合形式的作用[16]。而傾斜煤層開采后，由于采場上覆巖層載荷沿層面方向的分量增加，而法向分量卻相對減小，因此造成其礦壓顯現規律與緩傾斜煤層有顯著差異，使得傾斜煤層開采時受到許多安全問題的困擾，如煤層氣泄漏、底板突水、地面塌陷和地表裂縫等，這些安全問題均和擾動巖體的裂隙演化規律密切相關，地面井在井位選擇時若不考慮這些因素，容易造成井身破斷、斷裂，降低煤層氣抽采效率[17-18]，因此，需要基于非對稱開采巖層卸壓破壞時空演化規律，分析地面井井位選擇。

從工程安全、抽采效果及施工條件等方面考慮，地面鉆井布置位置選擇主要考慮2 個方面：①地面鉆井位置應為鉆井抽采效果顯著，有利于最大程度抽采回采工作面附近煤層氣的位置。因此，地面井的布井位置要在采動三場響應較為明顯的高位側區域。②地面鉆井位置應為采動影響下采場覆巖層運動影響綜合效應較弱的位置，以最大程度回避巖層剪切、離層、擠壓等運動對鉆井套管的破壞作用。因此，地面井井身部分要布置在采動影響較小的位置，而在地面井抽采的部分則要布置在采動影響區邊界內側的位置。滿足以上2 個條件即可實現地面鉆井的持續穩定抽采。

根據理論的采動卸壓區域，可將地面井布置于上、中、下3 個區域，如圖10 所示。根據實際工程量、預期抽采煤氣效果、地面井穿過破碎帶的長度等因素比較這3 種布井方式。見表1。

表1 布井方式比較Table 1 Comparison of well layout methods

圖10 地面井布置示意Fig.10 Schematic of ground well arrangement

4 號煤層頂板多為砂巖、礫巖，為堅硬巖層頂板結構，利用采動“三帶”高度計算公式[23]可算得導水（氣）裂隙帶高度為48.06～65.86 m，以最大高度65.86 m 作為井身結構設計依據。

因此通過上面的分析，傾斜煤層開采地面井布置位置的選擇需要綜合煤層氣抽采效果、煤層卸壓范圍以及巖層移動對地面井的影響等因素。結合新疆煤層開采具體情況，地面井走向應盡量布置于靠近工作面回風巷一側，傾斜方向應盡量布置于端部與中部之間的區域。

3.3 非對稱采動區地面井結構設計

地面井井身結構的設計包括鉆井開井次數、鉆頭規格、套管結構及規格、固井水泥返高等。因此，采動區地面井井身結構的優化主要是針對開井次數、鉆頭規格等進行合理組合，使得地面井雖受采動影響，但其完整性和套管有效抽采截面面積保持較好的狀態，使采動區地面井的有效抽采時間得以延長，甚至能夠持續抽采（圖11）。

圖11 地面井結構與局部雙層組合套管孔身結構示意Fig.11 Schematic of surface well structure and partial doublelayer combination casing borehole structure

大量研究表明[19-20]，關鍵層、厚基巖層下巖層界面及厚表土層與基巖層界面是地面鉆井套管發生變形破壞的高危位置。對于軟及中等硬度的覆巖，可以通過在套管破壞危險區域內增加外加輔助強化套管、外加筋等方法增強其抵御巖層層面滑移和離層位移的能力，尤其是在關鍵層、厚積巖層界面及厚表土層下界面等明顯危險段。對于堅硬巖層，其剪切效應是非常明顯的，而地面鉆井套管對巖層移動的抵御作用是有限的，只能起到一定的緩解作用。因此，在關鍵層、厚積巖層等處對套管進行柔化處理，如施加局部柔性變形段或特殊的增強其柔度的方法，使鉆井套管能在巖層滑移變形下發生較大變形而不破裂。

3.4 非對稱采動區地面井煤層氣抽采技術工程應用

基于非對稱開采巖層卸壓破壞時空演化規律及煤層導水（氣）裂隙帶高度分析，結合煤礦地形條件及現有采掘部署情況，綜合考慮試驗工作面開采煤層埋深條件、地面場地等實際條件，確定CD01 號地面試驗井井位坐標，地面井與工作面位置關系（圖12）。

圖12 CD01 地面試驗井與工作面位置關系示意Fig.12 Diagram of CD01 surface test well in relation to the location of the working face

CD01 井于2020 年8 月10 日開始出氣，此時24312 工作面距離井眼約50 m，地面井混合流量4.23 m3/min，采出氣濃度0.1%；隨著工作面推近，地面井抽采數據逐漸上升，至8 月20 日24312 工作面距離井眼約20 m，地面井混合流量13.03 m3/min，采出氣濃度1.3%，此后CD01 井持續抽采運行。8 月26 日24312 工作面揭露地面井井眼。由于工作面開采的4 號煤層具有自燃發火性，考慮到地面井負壓抽采有引起煤層發火的風險，8 月26 日至8 月31日CD01 井間斷性抽采，至9 月1 日以后，CD01 井恢復全天抽采運行。至2020 年9 月22 日，CD01 井穩定持續抽采30 d，累計抽采標況純煤層氣量23 067 m3，最高日抽采煤層氣量2 098 m3，日均抽采煤層氣量760 m3，抽采氣最高濃度23.5%，平均濃度4.4%。CD01 井抽采氣濃度隨工作面推進變化走勢圖如圖13 所示。當地面井處于受采動影響較為劇烈的位置，地面井井身會發生破壞，導致抽采難以進行，而在本次現場試驗過程中即使在覆巖非對稱破壞的條件下地面井仍能夠保證有效抽采，說明地面井井身結構和布置位置的合理性。

圖13 CD01 井抽采氣濃度隨工作面推進變化走勢Fig.13 CD01 surface well extraction gas concentration with coorking face

4 結 論

1）新疆傾斜煤礦礦區多重非對稱卸壓時空協同煤與煤層氣協調開發模式主要結合艾維爾溝礦區多重采動卸壓方式，在煤與煤層氣開發過程中考慮時間與空間上協同開發，同時還要考慮到煤炭開采與煤層氣抽采2 個子系統之間的協調。結合艾維爾溝礦區的煤層賦存及成功的煤層氣抽采技術，提出了基于“三孔四區五量”的煤與煤層氣協調開發模式。

2）為提高碎軟煤層下向深孔快速取樣的成功率，研究得出取樣鉆頭內嵌環形噴射器的最佳噴嘴安裝角為15°。在常用輸送氣流速度（18～40 m/s）條件下，為降低中心管輸送阻力，中心管內徑范圍理論計算值為19.5～29.0 mm。根據研究結果試制了?73 mm雙壁鉆桿定點取樣裝置，實現了傾斜碎軟煤層順層下向鉆孔深孔（200 m 以上），快速（3 min）取樣，煤層瓦斯含量測定結果準確性提高20%以上。

3）闡明了非對稱開采巖層卸壓破壞時空演化規律：多重開采對鄰近煤層的卸壓范圍和卸壓程度均比單層開采大；5 號煤層工作面回采結束后，覆巖的裂隙數量大于4 號煤層開采后的2 倍。確定了新疆傾斜煤層開采地面井布置位置的選擇：地面井走向應盡量布置于靠近工作面回風巷一側，傾斜方向應盡量布置于端部與中部之間的區域。1930 煤礦采動區地面井抽采試驗表明，地面井運行后，24312 工作面的卸壓涌出煤層氣抽采平均比例為53.13%。