瓦斯防治煤矿瓦斯抽采新技术与装备.docx

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瓦斯防治煤矿瓦斯抽采新技术与装备

煤矿瓦斯抽采新技术与装备

中煤科工集团西安研究院有限公司

中煤科工集团西安研究院有限公司（以下简称西安院）成立于1956年5月，目前已成为我国煤炭系统专业从事煤炭地质与勘探、煤矿安全高效开采地质保障技术、装备与工程领域唯一具有突出优势的国家重点高新技术企业。

西安院系中国煤炭科工集团有限公司下属的国有全资子企业，专业涉及地质、水文地质与工程地质、地球物理勘探和钻探等4个领域，业务分为煤与煤层气资源勘探、矿山水文地质、煤层气（瓦斯）抽采、钻探技术与装备、地球物理探测、地质与环境工程6大板块。

西安院拥有三个煤炭工业重点实验室：

煤层气基础重点实验室，工程地质重点实验室，煤田地质、矿井地质和地质勘探技术与装备重点实验室；是国家能源煤炭勘探技术装备评定中心、陕西省煤层气（瓦斯）抽采利用工程研究中心、陕西省煤矿井下钻探工程技术研究中心、陕西省煤矿水害防治技术重点实验室的依托单位。

西安院一直致力于煤矿瓦斯综合治理与开发利用技术装备的研究工作，近年来获得以下几项重要成果：

一、煤层气（瓦斯）抽采地面U型井施工技术与装备

U型井一般由直井和定向水平井两口井组成，由于水平井在水平段的靶心末端与直井相连通，两口井形成一个“U”字型的井筒结构，因此形象的称为U型井。

西安研究院利用自主研发的MDY-60全液压车载钻机在沁水盆地潘庄区块施工了一口U型示范井，钻机如图1所示，U型井设计井身结构如图2所示。

图1MDY-60全液压车载钻机图2设计井身结构示意图

MDY-60全液压车载钻机扭矩28200Nm，给进/起拔力150/600kN，成孔工艺能满足终孔直径711mm，孔深600m的钻孔要求。

U型井直井采用二开井身结构：

（1）一开采用Ø311.1mm钻头，钻穿第四系黄土层；

（2）二开采用Φ215.9mm钻头，钻至煤层底板以下40m，防止沟通奥陶系含水层。

水平井采用三开井身结构：

（1）一开采用Φ311.1mm钻头，钻穿第四系黄土层，进入稳定基岩；

（2）二开采用Φ215.9mm牙轮钻头，钻至造斜点后开始定向钻进，煤层顶板以上5m；（3）三开煤层段采用Φ152.4mm钻头钻进，根据岩屑录井和钻时录井判断煤层在着陆点下方5m处，继续向下定向钻进，见煤后沿煤层钻进，于井深1099.37m处与直井对接，主井眼井深1356.72m完钻，并开分支四个。

井组结构如图3所示。

图3井组示意图

水平井完钻后下入Φ114.3mm生产套管以及Φ146mm封隔器7个、Φ139.7mm压裂滑套4个，采用滑套压裂完井，分四段对煤层进行压裂。

该井组自2015年1月初开始排水降压，采用直井排水、直井与水平井共同采气的方式，3月底修泵后，日产气量突破2×104m3，至今为止除几次停机和修泵外日产气量均稳定在2×104m3以上。

井组产气量见图4。

图4井组产气量曲线图

二、碎软煤层煤层气（瓦斯）水平井分段压裂技术

淮北芦岭井田8煤层属于特厚、碎软煤层，如果水平井在煤层中钻进，极易发生煤层坍塌，无法顺利成孔甚至发生卡钻等事故。

为实现对芦岭井田8+9煤层进行瓦斯气体抽采的目的，西安院创造性提出将水平井段轨迹控制在8煤层顶板的砂泥岩中，然后向下射孔，分段压裂的思路，成功回避了在煤层中无法顺利完钻的困难，而又不影响钻完井结束后对储层的压裂改造，目前在国内甚至在国际上还没有其它单位或研究机构进行类似项目的研究。

该井身结构如图5所示。

该井采用定向水平钻井技术，将水平段轨迹控制在垂直距离8煤层顶界以上0.5-1.5m的范围内，水平井钻完井结束后，在水平段进行向下定向射孔和分段压裂，实现水平井眼与8煤层和9煤层的沟通，并在煤层中建立高导流能力的石英砂支撑裂缝，提高煤层泄流面积，对8+9煤层进行瓦斯抽采。

图5井身结构示意图

水平井分段压裂工艺技术中分段方式的优化是煤层气分段压裂的首要环节，考虑到本次压裂射孔位置选择在距离煤层顶板较近、固井好、避开接箍的位置，并兼顾压裂裂缝缝间距离的原则。

缝间距控制在70-100m，由于该井水平段总长为585.96m，因此，可设计水平井分段压裂段数为6段、7段或8段。

通过对6段、7段、8段压裂段数的产能预测模拟，结合投入产出比的分析，优选分段压裂段数为7段。

对比分析水平井分段压裂常用技术，考虑到可钻式机械桥塞隔离分段压裂技术其工艺相对成熟，安全性高，可满足本次煤层气水平井大排量（10m3/min）施工要求，且其分段压裂段数不受限制。

因此，本次分段压裂采用可钻式机械桥塞隔离分段压裂技术，电缆射孔和座封桥塞联作工艺对各目标层段进行压裂施工，其压裂改造示意图如下图6。

图6水平井分段压裂改造工艺示意图

利用目前应用最广、最可靠的专业压裂设计软件对该井压裂裂缝参数进行模拟，模拟了不同加砂规模，不同排量对形成的裂缝几何形态的影响，通过分析评价，优选出支撑缝长最长、裂缝高度控制最好的施工参数。

在此基础上，应用可钻式机械桥塞隔离分段压裂方式顺利实施了LG01-H井7段压裂施工，共计压入地层6892.08吨压裂液、873.43吨石英砂。

本次施工还利用微地震裂缝监测技术对压裂效果进行了监测，监测显示压裂产生了较长的裂缝，说明压裂工艺是成功的，达到了造缝的目的。

图7为第一段和第四段裂缝三维俯视图。

图7第一段和第四段裂缝三维俯视图

该井于2015年1月19日开始排采，2015年4月16日井口有套压，并开始产气，产气量逐渐增加，7月11日，日产气量最高达到7668.1m3/d，后因气量增大后管式泵泵效过低，于7月29日至8月13日，停机进行修井作业，加深泵挂位置。

8月14日重新开机抽采，8月16日开始产气，产气量逐渐增加。

从4月16日开抽，截止8月22日，该井共产气325746.1m3，瓦斯抽采效果良好。

日产气量及8煤层压力数据如图8所示。

图8日产气量及8煤层压力数据曲线图

三、ZDY12000LD大功率定向钻机及配套装备

针对超深本煤层定向长钻孔和大直径顶板高位定向长钻孔钻进需要，西安院在承担的“十二五”油气重大专项课题支持下研制了煤矿井下大功率定向钻进装备，主要由ZDY12000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机、BLY390/12型泥浆泵车、YHD2-1000（A）随钻测量装置和配套钻具等组成，其中定向钻机最大扭矩达到12000Nm，是目前主流定向钻机最大扭矩的2倍；泥浆泵车具有小体积、大排量、高泵压等优点，在12MPa泵压下泵量可以达到390L/min；随钻测量装置采用防爆计算机为防爆测量探管供电，以有线方式进行信号传输，信号传输距离远，抗干扰能力强；实现了定向钻进技术由连续滑动定向钻进到复合定向钻进的跨越。

图9为ZDY12000LD定向钻机，图10为LY390/12型履带式全液压泥浆泵车、图11为随钻测量系统、图12为施工现场图。

图9ZDY12000LD定向钻机

图10BLY390/12型履带式全液压泥浆泵车

图11随钻测量系统

图12施工现场图

首套大功率定向钻进装备于2014年8月开始在晋煤集团寺河矿进行了现场试验，完成本煤层瓦斯抽采定向孔两个，最大钻孔深度达到1881m创造了煤矿井下顺煤层定向钻孔新的世界纪录，同时将定向钻孔直径从φ96mm提高到φ120mm，实现了φ120mm直径定向孔一次成孔且成孔深度达到1209m；截止2015年5月，完成顶板高位大直径定向钻孔17个，最大钻孔深度达到1026m，钻孔直径为153mm，总进尺达到9474m，创造国内煤矿井下岩石定向孔新的孔深纪录，高位定向钻孔单孔全天最大抽采量为42.09m³/min，高位定向钻孔介入瓦斯抽采前回采工作面回风巷各采集点的瓦斯浓度最高达到0.65，介入后下降至0.4，工作面回风巷和上隅角瓦斯治理效果显著。

以上钻孔钻进时，本煤层瓦斯抽采定向长钻孔施工平均日进尺210m，孔深达到1000m以上时，日平均进尺仍能达到180m以上；顶板岩石高位定向长钻孔Φ98mm先导孔钻进时最大日进尺达到了159m，单班最大进尺达到60m，平均单班进尺42m，比现有钻进装备的钻进速度提高40%以上。

图13为1881m钻孔实钻轨迹图，图14为顶板高位钻孔实钻轨迹图。

图131881m钻孔实钻轨迹图

图14顶板高位钻孔实钻轨迹图

2015年7月，第二套装备晋煤集团成庄矿投入使用，完成深度为834m主孔一个，钻孔直径φ120mm，分支孔74个，单孔总进尺达到9999m，钻孔施工平均日进尺247m，成孔深度、钻孔直径和钻进效率与现有装备相比显著提高。

煤矿井下大功率定向钻进技术与装备的成功研发，可以极大地提高井下定向超长钻孔、大直径定向长钻孔的施工能力，标志着我国煤矿井下定向钻进技术与装备获得重大突破，达到国际领先水平,为矿井隐蔽致灾地质因素探查和治理提供了新的技术手段，对保障煤矿安全高效生产起到积极推动作用。

目前已销售6台套，深受用户欢迎。

四、ZDY3500LP型履带式全液压坑道钻机

ZDY3500LP型履带式全液压坑道钻机是西安院针对要求整机宽度尺寸小，能够在皮带巷进行跨皮带、双层孔施工，且调角范围大（-90°～+90°）的特殊需求而专门开发的产品。

该钻机属于西安院中深孔系列履带钻机，是主要针对煤矿井下本煤层特别是中厚煤层的双层孔或多层孔施工、邻近层瓦斯抽采钻孔施工、穿层孔及探放水孔施工的专用设备，具备施工直径φ153mm、孔深300m钻孔的能力。

钻机整体如图15所示。

图15ZDY3500LP型履带式全液压坑道钻机

钻机主要有以下几个突出特点：

1．钻机电机功率为45kW，额定转矩达到3500Nm，最大转速达到200r/min，钻机能力大、钻进效率高，稳固方式包含上下稳固和前后稳固，稳固方式方便、可靠，处理孔内事故能力强；

2．钻机采用整体式结构布局，由履带驱动，整机宽度1.25m；主操纵台和座椅布置于钻机后方，钻机行走和正常钻进时操作人员均可坐在座椅上操作，提高钻机施工的安全性和舒适性。

3．主机回转平台和履带车体之间由回转支承连接、通过插销固定，主机方位角可在顺时90°到逆时90°范围内调节，在某些特殊工况钻机也可以顺时针180°调节，调节方便、快捷；

4．钻机倾角可在-90°～+90°范围内自动调整，开孔高度可在1.45m～2.55m之间调整，满足急倾斜煤层顺层孔、穿层孔及中厚煤层的多层孔的施工要求，且钻机在倾角和开孔高度调整过程中不需要拧卸任何螺栓，只需操作液压阀手柄，可显著减轻工人的劳动强度；

5．整机液压系统采用插装阀控制，系统稳定，可靠性高，且考虑到钻机在进行大角度施工时可能导致动力头下滑，易造成安全事故，钻机液压系统中集成了防动力头下滑功能，防止钻机在大倾角施工时动力头下滑，提高钻机的安全性；

6．钻机整体模块化布置，可根据客户需求进行多种个性化定制。

钻机的主机位于钻机前段，空间上基本不受其他部件的影响，给进起拔行程可灵活多变。

目前已经开发出600mm、1250mm、1800mm行程的给进装置，可进行普通外平钻杆钻进、中间加杆的螺旋钻进、探放水下套管等多种钻进工艺方式选择。

电机泵组位于钻机车体中间的凹槽中，45kW～90kW的电机泵组均可放置，通过更换不同的动力头，钻机的转矩、转速等主要参数可灵活多变。

在该钻机的平台上已经衍生出ZDY2200LR、ZDY3000LG两个新机型和多台个性化改造机型。

该钻机与国内代表机型主要技术参数对比如表1所示。

钻机重点在变幅装置、给进装置、钻机布局、主轴高度调节等方面进行了优化创新，并在液压系统、钻机综合性能等方面进行了优化升级，项目成果达到国内领先水平。

表1钻机技术参数对比表

2014年3月至2014年4月，ZDY3500LP型钻机在陕西彬长胡家河矿业有限公司协同中煤五建三十六处进行新型钻机推广试验。

试验历时25天，共施工水平侧帮卸压孔、超前探卸压钻孔、底板侧帮卸压孔、底板迎头卸压孔、顶板注浆孔和底板卸压孔6种类型钻孔，共完成进尺2124m，其中最大孔深达161m，最大倾角达±60°，完成试验钻孔164个。

2014年12月在义煤集团常村煤矿21220下巷，通过对ZDY3500LP型钻机个性化改造，实现了钻机中间加杆功能，能够快速施工Φ190mm、Φ153mm的卸压钻孔，卸压钻孔截面积较之前分别提高了130%和50%，钻孔深度由20m延长到40m，巷道掘进效率提高10%，累计施工大直径卸压钻孔16个，累计进尺650m。

该钻机设计针对性强，解决了矿井瓦斯抽采实际困难，赢得了用户的信任。

通过在陕煤集团胡家河矿和义煤集团常村矿工业性试验中表现出的良好性能和丰富功能，ZDY3500LP型钻机迅速抢占市场，2013年12月至2015年6月共销售该款钻机110台套。