专利名称：地面钻井抽采采动区、采空区卸压瓦斯方法
技术领域：
本发明涉及煤体瓦斯的卸压、增透、增流方法。更具体地说是一种针对上覆远距离、低透气、高瓦斯、突出、松软厚煤层的采动区卸压煤层气开采方法。
背景技术：
矿井瓦斯是制约生产发展，造成瓦斯爆炸以及煤与瓦斯突出的主要原因，控制瓦斯灾害，消除煤与瓦斯突出，降低采掘工作面瓦斯涌出量、看提高生产力，实现煤与瓦斯资源绿色共采的根本途径是抽出煤体瓦斯。
安徽淮南煤田在埋深2000m以上，共有保有和预测煤炭储量为50100Mt。整个煤田的煤层气资源密度在142Mm2/km2以上，最高达405Mm3/Km2。据初步估算，在埋深2000m以上共有煤层气资源592800Mm3。
淮南石炭二迭系含煤地层，含煤32-40层，含煤总厚度为42.78m。其中可采煤层15层，可采层总厚度32.14m。主采13-1煤层地应力很大，煤层平均厚度6m，与最近的下部煤层的平均层间距为67m，煤层原始瓦斯压力为4.5Mpa，瓦斯含量13.31m3/tr，煤层透气性系数为0.02746m2/(Mpa2.d)，煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.22654d-1，煤的坚固性系数f值一般在0.3-0.5之间，煤层经多次构造运动，煤层结构遭受破坏形成鳞片状和粉末状的构造煤，煤层的破坏类型一般为三至四类。是一个典型的远距离、低透气、构造煤、高瓦斯、突出、松软厚煤层。
低透气、构造煤、突出、松软厚煤层的瓦斯预抽、煤层气开采和区域性消突，已成为当前国内外公认的技术难题。淮南采取传统方法预抽煤层瓦斯的抽采率在15％以下；利用地面钻井开采煤层气，其开采强度远远低于商业开采标准。由于煤层瓦斯得不到预先有效治理。因此，生产过程中的瓦斯超限、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁安全，制约生产。使煤巷掘进速度仅有40-60m/月，综采工作面平均日产只有1700t，但工作面平均相对瓦斯涌出量却高达24.5m3/t。要将该面的平均日产由1700t提高到5000t，工作面绝对瓦斯涌出量将达85m3/min，冲淡该面瓦斯涌出量，按工作面回风流最高允许瓦斯浓度1.5％计算，采面最低供风量也要5667m3/min，但工作面允许通过风量只有2140m3/min。
运用放顶煤技术开采厚煤层的方法与厚煤层分层开采相比，具有高产、高效、低耗等优点。但根据《煤矿安全规程》规定，突出厚煤层不得使用综采放顶煤采煤方法进行回采。因此，该技术的应用之前必须采取配套的区域性消突措施。
在煤群开采中，利用开采层采动作用所产生的卸压“增透效应”和卸压“增流效应”，来提高卸压煤层的透气性和解吸瓦斯量，是经济有效措施，国内外有煤层群开采条件的俄罗斯、美国和我国的阳泉、淮南、淮北、平顶山、铁法等矿区，为了减少受采动影响的上覆卸压煤层瓦斯涌出量，都在应用卸压瓦斯抽采技术，并取得很好的效果。但这些矿区的上覆卸压瓦斯预抽目标煤层，大都处在采动区裂隙带内，少数矿区虽对上覆远距离卸压瓦斯抽放有所研究，但对弯曲下沉带内的卸压瓦斯抽放方法和动态抽放参数；下部煤层开采能否使弯曲下沉带内的煤层透气性大幅度提高，以及区域性消突效果及参数，消突措施效果检验、综掘、综放生产过程中的实践验证，国内外都缺乏实践与综合考察研究。
目前已有的抽放瓦斯和煤层气开采方法，包括开采煤层顶板走向高抽巷(或顶板走向钻孔)法、开采煤层顶板远距离穿层钻孔法、低透气高瓦斯软厚煤层远程卸压瓦斯抽放方法和地面钻井开采煤层气方法。其中，顶板走向高抽巷法，是将抽放巷道或钻孔布置在卸压煤层的顶板裂隙带内，卸压煤层瓦斯在抽放负压的作用下，沿坚向破断裂隙所形成的流动通道向抽放巷或钻孔汇集。该法对处于裂隙带内的卸压煤层瓦斯具有良好的抽放效果。由于弯曲下沉带内无坚向破断裂隙与高抽巷或采空区构成通道，所以卸压瓦斯无法向高抽巷或钻孔汇集，也不能流入采空区。故该法也无法预抽弯曲下沉带内的卸压煤层瓦斯；顶板远距离穿层钻孔法，是由开采煤层的回风巷向上覆卸压煤层打远距离穿层钻孔，由于钻孔要首先穿过开采层的采空区冒落带，造成钻孔与开采层的采空区导通而形成短路，故该法也无法预抽弯曲下沉带的卸压瓦斯；低透气性高瓦斯软厚煤层远程卸压瓦斯抽放法，首先要在远程卸压煤层底板掘进专用瓦斯抽放巷，再由抽放巷向卸压煤层打上向网格式(30m×30m)穿层抽放钻孔，卸压瓦斯在抽放负压的作用下，沿卸压煤层的顺层张性裂隙向抽放钻孔运移汇集，并通过管道得以抽放。该法虽能有效地抽放弯曲下沉带内的卸压煤层瓦斯，但也存在一些问题，如一、远距离卸压煤层的底板必须有专用的底板抽放瓦斯巷；二、专用瓦斯抽放巷的工程量很大，费用高，工期长。而且抽放巷和钻孔全在井下施工，这样既影响、干扰井下安全生产，又向地面排放大量矸石污染环境；三、回采面推进速度一般在120-200m/月，而专用岩巷的掘进速度一般在100m/月左右。由于采掘速度不配套，往往导致开-抽-掘-采失衡；四、由于网格式穿层上向钻孔的施工长度一般在100-150m之间。因此该法只能对距离底板抽放巷较近的卸压煤层瓦斯实施穿层钻孔抽采。反之，则无力抽采。故该法也不能对开采层的上覆所有卸压煤层瓦斯实施全层同时抽采。
运用地面钻井开采煤层气的方法，是采用类似石油天然气的工业开采设备和技术，对矿区尚未进行井下开采活动的煤层气进行商业性开采。两淮地区经数口煤层气压裂试生产井试验，日产气均未达到美国煤层气商业开发标准，其根本原因是由于煤层存在特殊性，主要表现在一、两淮煤田经历多次构造运动，一些煤层的原生结构遭受破坏，形成鳞片状和粉末状的构造煤，煤的破坏类型一般为三至四类，导致煤层储层裂隙-割理系统复杂化，煤质松软，煤层渗透率低，压裂效果差。
二、两淮的多数煤层透气性系数低，钻孔瓦斯流量衰减系数大，属较难抽放煤层。导致煤层气的排采气不能取得很好的产能。
三、两淮煤田的地应力较大，而且分布不均，地应力越大，煤层的压裂难度一般也越大，越不利于煤层的压裂与煤层气排采。
四、煤层松软，给钻井、固井、完井和压裂等造成困难。特别是在钻井和完井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻，甚至埋井等事故。
五、煤层松软破碎和高剪切应力使钻井极不稳定，为了安全钻穿煤层，采取提高钻井和完井液的密度即增加固相含量。增加固相含量又极易污染煤层，处理十分困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是避免上述现有技术中所存在的问题和不足之处，提供一种地面钻井抽采采动区、采空区卸压瓦斯方法，以期应用该法达到以下目的。
1、提高低透气、高瓦斯、突出、松软煤层的透气性和瓦斯抽采率。
2、把低透气、构造煤、突出、松软煤层的煤层气开采强度和单井平均产气量，提高到美国煤层气商开采标准(3000m3/d)。
3、采用该技术作为区域性消突措施，将低透气、突出、松软厚煤层转化为非突出低瓦斯高透气性煤层开采，使综采放顶煤的采煤技术得以成功地应用。
4、利用该法能首先有效地预抽采动区卸压瓦斯(煤层气)资源或煤层气资源，然后再用井下开采方法开采煤炭资源。实现煤与瓦斯资源绿色共采，同时，把治理瓦斯灾害为目的瓦斯抽放，转变为开采利用瓦斯资源为目的的瓦斯抽开采。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是本发明方法特点是在煤层群下部开采煤层的回采工作面开始采煤之前或上覆各煤层未受下部开采煤层的工作面采动影响之前，预先由地面向远距离、低透气、高瓦斯、突出、松软的上覆各煤层打穿层地面钻井；然后再采距上覆各煤层，层间距为66.7m-96.8m，相对层间距为35-51倍的下部开采煤层；在采面的后方形成采空区，在采空区内形成一个连续卸压空间，位于卸压空间上方的岩层和上覆各煤层，因受采动卸压、膨胀变形和下沉作用，开始向采空区卸压空间方向变形和位移，使远距离上覆各煤层卸压，在已卸压的上覆各煤层中，产生卸压膨胀“增透效应”和卸压解吸“增流效应”以及顺层离层张性裂隙，使煤层透气性增加；上覆各煤层的卸压解吸“增流效应”瓦斯，在地面钻井抽放负压的作用下，沿已卸压的上覆各煤层的顺层离层张性裂隙向钻井运移汇集，并通过管道，对远距离已卸压的上覆各煤层的解吸瓦斯实施全层同时预抽或煤层气开采。
下部开采煤层的工作面采煤所形成的连续卸压采空区，位于采空区以上的煤岩层，由下往上依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。实测可知，冒落带高度为8.5-11.0m，裂隙带高度为30.1-36.1m。由此判断，上覆各煤层应处于弯曲下沉带内。由于弯曲下沉带内只产生顺层离层张性裂隙，而不发生坚向破断裂隙，因而该带内的卸压煤层瓦斯，无法沿坚向层间破断裂隙流入下部开采层的采空区，只能在地面钻井抽放负压的作用下，沿已卸压的上覆各煤层的顺层张性裂隙向抽放钻井汇集。为此，预先向上覆各煤层打穿层抽采瓦斯地面钻井是一种行之有效的方法。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明可使下部开采层的远距离上覆各煤层的卸压瓦斯实现全层同时抽采，即由地面布置下向并穿过上覆各煤层的抽放钻井，在钻井抽放负压的作用下，已卸压的上覆各煤层解吸瓦斯，沿已卸压的上覆各煤层的顺层离层张性裂隙向抽采钻井汇集，再经管道，实施地面钻井全层同时预抽瓦斯或开采煤层气。从而区域性、有效地降低各卸压煤层瓦斯含量和压力，使综采放顶煤的采煤技术得以成功应用；减少采掘工作面瓦斯涌出量，实现了集约生产；消除煤与瓦斯的突出危险性，减少瓦斯对臭氧层的破坏作用。
2、本发明方法可使煤层层间距为66.7-96.8m，相对层间距为35-51倍条件下的远距离上覆各煤层有效卸压，并产生良好的卸压“增透效应”和卸压“增流效应”，同时使煤层的最大膨胀变形值和变形率分别达145mm和27.9‰，煤层透气性系数增加1820倍，卸压煤层瓦斯抽采率由15％提高到54％以上(加考察已后的抽排瓦斯量，实际抽采率在60％以上)，煤层瓦斯含量由13.31m3/t·r降至5.46m3/t·r，煤层瓦斯压力由4.5Mpa降至0.6Mpa以下，回采工作面平均相对瓦斯涌出量由原来的24.5m3/t降至6.4m3/t。因此把低透气性、远距离的上覆各煤层转化为高透气性容易抽采煤层；把突出、松软厚煤层转化为非突出煤层；把高瓦斯突出工作面转化为非突出低瓦斯面。
3、本发明方法可使低透气、构造煤、突出、松软煤层的煤层气得到有效开采。在413.3天的试验期间，单井抽采和自然排放煤层气2566253m3(不包括试验期间之外的30余万立方米产气量)，平均产气6209m3/d，达到美国煤层气商业开采标准，并实现了长期稳产高产。与煤层气地面压裂生产井相比，单井平均产气量由906m3/d提高到6209m3/d，最高产气量由3277m3/d提高到22190m3/d。
4、本发明方法把以安全为目的的瓦斯抽放转为利用瓦斯资源为目的的瓦斯抽采，即首先利用地面钻井预抽卸压瓦斯资源，然后再利用井下方法开采煤炭资源，以此得到煤与瓦斯资源绿色共采目的。
5、本发明方法可实现一井多用，既可作为采动区卸压煤层瓦斯预抽地面钻井，也可作为采动区卸压煤层气开采井，还可作为开采煤层和上覆各卸压煤层的采空区瓦斯抽放。
6、本发明方法的预抽和自然排放瓦斯的有效半径可达211m-300m以上；预抽瓦斯浓度稳定在90％以上，最高浓度达98％；单井总产气2827926m3，在657.3d内，平均产气量4302m3/d。由于地面钻井的各项工程和工作均在地面进行，无需再在井下施工抽放巷和钻孔。因此，该法与由专用抽放巷向卸压煤层打上向网格式穿层钻孔抽放法相比，不但工程量小、投资省、见效快，而且不干扰、不制约井下安全生产，也不向地面排放矸石污染环境，实现了煤与瓦斯资源的绿色开采。
图1为本发明方法具体应用的煤层走向剖面示意图。
图中标号1下部开采煤层、2上覆各卸压煤层、3采空区、4冒落带、5裂隙带、6弯曲下沉带、7水泥砂浆固管、8钻井孔口套管、9防流砂套管、10抽放瓦斯套管、11抽放瓦斯筛管、12地面钻井、13园木柱、14弯曲下沉积水区、15地面。
图2为本发明方法开采层的上覆卸压煤层膨胀变形示意图。
图中示号21上覆13-1卸压煤层、22下部11-2开采煤层、23为11-2煤层采空区、24为13-1煤层底板抽放巷、25考察钻孔、2a为11-2开采面的倾斜方向、2δ为开采层的倾斜上方有效卸压保护角。
图3为本发明方法走向有效卸压保护范围示意图。
图中标号33首口地面钻井、34次口地面钻井、35末口地面钻井、36开采层始采线、37开采层采止线、3a开采层回采方向、3b开采层的上覆各煤层有效卸压带、3c开采层的上覆各煤层非有效卸压带、3δ开采层的始采线和采止线的有效卸压保护角。
图4为本发明方法开采层上覆卸压煤层下沉规律示意图。
图中标号41为B11b上覆卸压煤层、42为B10下部开采煤层、43为B10煤层采空区、4b为B10煤层工作面回采方向。
具体实施例方式参见图1，在煤层群下部开采煤层1的回采工作面开始采煤之前或上覆各煤层2未受下部开采煤层1的工作面采动影响之前，预先由地面15向远距离、低透气、高瓦斯、突出、松软的上覆各煤层2打穿层地面钻井12；然后再采距上覆各煤层2，层间距为66.7m-96.8m，相对层间距为35-51倍的下部开采煤层1，由于下部开采煤层1的工作面采出大量煤炭，因而在采面后方形成一个很大的开采层采空区3，在采空区3内形成一个连续卸压空间，位于卸压空间上方的岩层和上覆各煤层2，因受采动卸压、膨胀变形和下沉作用，开始向采空区卸压空间方向变形和位移，使远距离上覆各煤层2卸压，在已卸压的上覆各煤层2中，产生卸压膨胀“增透效应”和卸压解吸“增流效应”以及顺层离层张性裂隙，使煤层透气性增加1820倍。上覆各煤层2的卸压解吸“增流效应”瓦斯，在地面钻井抽放负压的作用下，沿已卸压的上覆各煤层2的顺层离层张性裂隙向钻井运移汇集，并通过管道，对远距离已卸压的上覆各煤层2的解吸瓦斯实施全层同时预抽或煤层气开采。
具体实施中，穿层地面钻井12由地表向下，穿过将成为弯曲下沉带内的全部岩层或流砂层，以及上覆各煤层、再向下穿过下部开采层回采所形成的裂隙带、冒落带、采空区至采空区底板1m终止。穿层地面钻井内下抽放套管，套管的内直径为139.7-245mm，地面钻井的有效预抽和自然排放瓦斯半径为211-300m。
穿层地面钻井处于硫砂层段的钻井采用由钻井孔口套管8和防流砂套管9构成的双层套管并注水泥砂浆固井形成水泥砂浆固管7；处于岩层段钻井下单层套管，即抽放瓦斯套管10；处于卸压煤层段的钻井，下单层筛管，即用于抽放瓦斯的筛管11，不固井，瓦斯通过筛管11周边的间隙和筛孔流入钻井；处于下部开采煤层1回采后所形成的采空区段，以及采空底板向下1m深处的钻井，不下套管，只下园木柱13。
如图1所示，根据淮南煤层群的开采特点，首先开采距上覆各煤层66.7m-96.8m，相对层间距为35-51倍的下部开采煤层1。受采动影响与下沉作用，上覆各煤层卸压并产生卸压“增透效应”和卸压“增流效应”，同时产生大量卸压解吸瓦斯和顺层离层张性裂隙。在开采层回采之前，预先由地面15向上覆各卸压煤层2打穿层地面钻井12，上覆各煤层2的卸压解吸“增流效应”瓦斯，分别沿上覆各煤层的顺层离层张性裂隙向预抽钻井汇集，并通过抽放管道实施全层同时预抽或煤层气开采，图1所示，在采空区内，自下而上依次为冒落带4、裂隙带5和弯曲下沉带6，该位置处地面15上为弯曲下沉积水区14。
参见图2，针对上覆13-1卸压煤层21，位于下部的是11-2开采煤层22，形成11-2煤层采空区23，同时设置的有13-1煤层底板抽放巷24，并有考察钻孔25，图中为11-2开采面的倾斜方向2a为箭头指向，开采层的倾斜上方有效卸压保护角为2δ。
参见图3，地面钻井是布置在与下部开采煤层的采动区相对应的上覆各煤层2的有效卸压带范围内，有效卸压带沿煤层倾斜方向的中部位置，按此位置并沿有效卸压带走向是首口地面钻井33、次口地面钻井34……和末口地面钻井35的有效合理布置位置。沿有效卸压带走向布置的首口和末口钻井的具体位置，要根据下部开采层与上覆各卸压煤层的层间距、开采层始采线36、开层采止线37的走向有效卸压保护角，分别计算首口和末口钻井位置要内错下部开采层的始采线、采止线的垂直投影线距离。在首口、末口钻井之间的钻井位置，按钻井设计抽放瓦斯半径并沿有效卸压带走向均匀分布。
图4所出开采层上覆卸压煤层下层规律。其中，座标X轴为-430m岩巷测点，Y轴为下沉量(mm)。
具体实施中关于地面钻井在采动区卸压煤层中的合理位置1、地面钻井沿有效卸压煤层(回采面)倾斜方向的合理位置参见图2，开采距上覆13-1卸压煤层21以下77m，相对层间距为45倍的下部11-2开采煤层22期间，在上覆13-1煤层的1781(3)回采面的上边界，沿该面倾斜方向连续布置各考察钻孔5。实测13-1卸压煤层21的最大膨胀变形值依次是22mm、53mm、37mm、425mm；煤层的膨胀变形率依次是2.68‰、8.75‰、6.99‰和16.52‰。依变形率6‰为标准进行判断，可得11-2回采面倾斜上方有效卸压保护角为91度，按11-2下保护层回采工作面的倾斜上、下方有效卸压保护角关系式计算，该面倾斜下方的有效卸压保护角为69度。该面的上、下有效卸压保护角，将11-2采面相对应的上覆各卸压煤层，沿倾斜方向分为内、外两部分，有效卸压保护角界线以外部分，属非有效卸压保护区，在该区内不宜布置地面钻井；以内部分是有效卸压保护区，在该区内沿上覆卸压煤层回采面的倾斜方向，布置预抽地面钻井是有效的。但从最大膨胀变形值和变形率沿采面倾斜方向的变化趋势分析，回采面倾斜方向的中间位置，是地面钻井的最佳位置选择。
2、地面钻井沿有效卸压煤层(回采面)走向方向的合理位置(1)首口、末口地面钻井沿走向的合理位置。
参见图3，在开采距上覆13-1卸压煤层77m，相对层间距为45倍的下部11-2煤层期间，经观测与计算，11-2开采面的始采线、采止线沿走向的有效卸压保护角分别为56度。根据该卸压角，按潘一矿11-2开采层与上覆13-1卸压煤层的层间距，经计算，上覆13-1采面的始采线与采止线之间的走向有效卸压保护范围(走向长度)，比相应的下部11-2采面的始采线、采止线之间的走向长度，两端要分别缩短(内错)46m，见附图3。两端内错段为13-1煤层走向非有效卸压保护区，在该区内不宜布置首口和末口地面钻井；两端内错段的中间走向段，是上覆13-1煤层走向有效卸压保护区，在该区内沿卸压煤层走向依次布置首口、次口……和末口抽放地面钻井是合理有效的。
(2)首口和次口地面钻井沿走向的合理位置谢一矿开采B10下部开采煤层42，保护B11b上覆卸压煤层41。据B10煤层采空区43上覆岩层下沉规律观测，由开采层的始采线起，沿B10煤层工作面回采方向4b，在38m范围内，上覆煤岩层的下沉量变化幅度较大，属下沉盆地边缘地带，该带内不宜布置地面钻井；随后，随着开采层的采面距始采线的距离继续扩大，上覆煤岩层的下沉幅度逐渐减缓；当采面距始采线的距离增至47m时，上覆煤岩层的下沉量达最大值；而后，最大下沉量不再随采面距始采线的距离增加而增大，而保持相对稳定值，见附图4。根据上覆煤岩层下沉规律分析，开采层的采面距始采线47m以外，沿采面走向到采止线内错47m止，是上覆煤层的最大下沉量的稳定带，该带是首口、次口和末口钻井依次沿走向布置的合理位置。
以上两种方法，按其中最大数值确定首口和末口地面钻井沿采面走向的合理位置。
(3)在首口和末口之间的地面钻井，依次沿采面走向，按地面钻井设计有效抽放半径在有效卸压煤层中并沿采面走向均匀布置。
关于地面钻井的布井参数通过瓦斯抽采过程的计算分析，得出在有效抽采期间，抽放钻井内的抽放套管内直径为139.7-245mm；地面穿层钻井的有效抽放半径为211-300m。位于上覆各煤层的有效卸压带中的首口和末口钻井位置，距相应下部开采层的始采线、采止线的垂直投影线距离，按开采层与上覆各煤层的层间距，下部开采层回采面的走向与倾向有效卸压保护角和上覆岩层下沉规律计算确定；首口、次口……和末口地面钻井，位于上覆各煤层的有效卸压带的倾斜方向的中部位置，并沿有效卸压带走向，按地面钻井设计有效抽采半径，依次均匀地布置在已有效卸压的上覆各煤层中。
关于钻井结构参见图1，该井表土层厚284m，钻井深度为680.3m。其中地表到坚硬基岩层深324m，采用φ349mm钻头钻进，下φ299×10mm套管，并注水泥砂浆固井，以防第四纪冲积层的流砂和水沿钻井涌入井下；基岩层段用φ241mm钻头，钻进到上覆最顶部的15煤层顶板以上5m为止，下φ177.7×10mm套管至地面，并注水泥砂浆固井。其目的一是对表土流砂层段的井壁实施二次加固，二是万一外层套管破断，内层套管仍能防止流砂和水涌入井下；卸压煤层段改用φ152.4m钻头钻进，并穿过上覆所有卸压煤层至下部开采层的顶板以上5-8m止，该段下φ139.7×10mm筛管，不固井。其目的一是防止在采动影响下导致煤层段井壁垮落，二是各卸压煤层瓦斯和采空区瓦斯，通过穿层筛管周边间隙和筛管孔进入钻井，以此达到全层同时预抽的目的，三是使筛管与周边岩层脱离接触，以此减轻岩移对筛管的影响；抽采筛管结构，根据煤层条件设计筛孔形状和规格；终井改用φ91mm钻头钻至下部开采层的采空区底板1m左右止，并用圆木柱将井底塞实。其目的一是待下部开采层的采空区裂隙带与钻井壁沟通时，使钻井内积水沿导水裂隙流入下部开采层的采空区，消除下部开采层的回采面采至钻井时的出水隐患。二是检验地面钻井的偏斜程度；地面钻井处于塌陷区内，根据潘一矿实测，在开采层和上覆各煤层开采之后，钻井口的地表最大下沉量为4.2m，钻井口也随地表下沉而陷入采煤塌陷区的积水面以下，为预防淹井，将钻井口距地表高度，预先提高到5m以上；在抽采瓦斯或煤层气开采过程中，为预防钻井随地层大幅度动态下沉而拉断管道，我们在钻井口与抽采管道联接处，设计安装了无级升降装置，以此弥补动态高度变化，确保正常抽采。
关于有效抽采和自然排放瓦斯时间及抽排量远距离采动区卸压瓦斯的流动存在一个活跃期，缓慢衰减期和再次受采动影响的瓦斯流动活跃期。在657.3d内，总计抽放和自然排放瓦斯2827926m3，平均单井产气量为4302m3/d，其中在413.3d的试验期间，总计抽放和自然排放瓦斯2566253m3，平均单井产气量为6209m3/d。
在采动影响活跃期内，及时抽采瓦斯或开采煤层气可获得稳定高产的卸压解吸增流效应瓦斯，以此提高抽采量和抽采率。受开采煤层采动影响的活跃期约2个月。在活跃期内，地面钻井的有效抽采半径为211m，抽采甲烷浓度在95％左右，平均单井抽采瓦斯量为14943m3/d，最高为22190m3/d，总计972808m3。
采动影响结束之后，上覆各卸压煤层的岩移转入恢复稳定期，上覆远距离的卸压煤层的离层张性裂隙也随上覆岩移恢复而有所缩减。卸压煤层的瓦斯含量和压力也随瓦斯抽采而降低。由此导致该期抽采瓦斯量的缓慢衰减现象。
缓慢衰减期约6个月。在该期内，地面钻井的抽采和自然排放瓦斯半径为211m-300m，平均单井日抽采和自然排放瓦斯6032m3，总计抽采和自然排放瓦斯1141276m3。其中对钻井抽采瓦斯的流动和衰减规律考察约4个月，考察抽采半径为211m-300m，平均单井日抽采瓦斯5958m3，最高为9316m3，总计抽采瓦斯710150m3，瓦斯沿程流动量衰减71％；对钻井自然排放瓦斯的流动和衰减规律考察约2个月，钻井的自然排放瓦斯半径为211m-300m，平均单井日自然排放瓦斯6159m3，最高为9278m3，总计自然排放瓦斯量431126m3，瓦斯沿程流量衰减82％。在约6个月衰减考察期间，地面钻井的抽采和自然排放瓦斯量虽呈衰减趋势，但抽采与自然排放瓦斯总量仍在1Mm3以上，平均单井日产气量(6032m3/d)仍超过美国煤层气商业开采标准(3000m3/d)。因此，整个衰减期仍是抽采瓦斯或煤层气开采的重要时期。
在衰减期之后，相隔约4个月，上覆各煤层再一次受下段的下部开采煤层采动影响，远距离的上覆各煤层的卸压瓦斯的沿程流量由衰减转化为再次活跃，钻井的自然排放瓦斯能力也由245m3/d增加到4320m3/d。在约10个月的试验期间内，自然排放瓦斯622867m3，平均单井日自然排放瓦斯2250m3。在瓦斯再次活跃期间内，其中5个月的自然排放瓦斯量为452169m3，平均单井日产气(2844m3)接近美国煤层气商业开采标准(3000m3/d)。因此，再次活跃期也是抽采瓦斯或煤层气开采的重要时期。
权利要求
1.地面钻井抽采采动区、采空区卸压瓦斯方法，其特征是在煤层群下部开采煤层(1)的回采工作面开始采煤之前或上覆各煤层(2)未受下部开采煤层(1)的工作面采动影响之前，预先由地面向远距离、低透气、高瓦斯、突出、松软的上覆各煤层(2)打穿层地面钻井；然后再采距上覆各煤层(2)，层间距为66.7m-96.8m，相对层间距为35-51倍的下部开采煤层(1)；在采面的后方形成采空区，在采空区内形成一个连续卸压空间，位于卸压空间上方的岩层和上覆各煤层(2)，因受采动卸压、膨胀变形和下沉作用，开始向采空区卸压空间方向变形和位移，使远距离上覆各煤层(2)卸压，在已卸压的上覆各煤层(2)中，产生卸压膨胀“增透效应”和卸压解吸“增流效应”以及顺层离层张性裂隙，使煤层透气性增加；上覆各煤层(2)的卸压解吸“增流效应”瓦斯，在地面钻井抽放负压的作用下，沿已卸压的上覆各煤层(2)的顺层离层张性裂隙向钻井运移汇集，并通过管道，对远距离已卸压的上覆各煤层(2)的解吸瓦斯实施全层同时预抽或煤层气开采。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述穿层地面钻井，布置在与下部开采煤层(1)的采动区相对应的上覆各煤层(2)的有效卸压带范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述穿层地面钻井由地表向下，穿过将成为弯曲下沉带内的全部岩层或流砂层，以及上覆各煤层(2)、再向下穿过下部开采层(1)回采所形成的裂隙带、冒落带、采空区至采空区底板1m终止。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是在所述穿层地面钻井内下抽放套管，套管的内直径为139.7-245mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述穿层地面钻井处于硫砂层段的钻井采用双层套管并注水泥砂浆固井；处于岩层段钻井下单层套管；处于卸压煤层段的钻井，下单层筛管，不固井，瓦斯通过筛管周边间隙和筛孔流入钻井；处于下部开采煤层1回采后所形成的采空区段，以及采空底板向下1m深处的钻井，不下套管，只下木柱。
全文摘要
地面钻井抽采采动区、采空区卸压瓦斯方法，在煤层群下部开采煤层的回采工作面开始采煤之前或上覆各煤层未受下部开采煤层的工作面采动影响之前，预先由地面向远距离、低透气、高瓦斯、突出、松软的上覆各煤层打穿层地面钻井；然后再采下部开采煤层；上覆各煤层的卸压解吸“增流效应”瓦斯，在地面钻井抽放负压的作用下向钻井运移汇集，并通过管道排出。本发明方法有效提高低透气、高瓦斯、突出、松软煤层的透气性和瓦斯抽采率，作为区域性消突措施，将低透气、突出、松软厚煤层转化为非突出低瓦斯高透气性煤层开采，使综采放顶煤的采煤技术得以成功地应用，同时实现煤与瓦斯资源绿色共采。
文档编号E21B43/00GK1693654SQ200510040410
公开日2005年11月9日 申请日期2005年6月2日 优先权日2005年6月2日
发明者袁亮, 李平, 刘华民, 王楚光, 刘永庆, 何章盛 申请人:淮南矿业(集团)有限责任公司