0 引 言
目前我国大部分高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井为井工生产，瓦斯治理是此类矿井安全生产的第一要务。煤矿传统的瓦斯治理方法为井下煤层钻孔、顶板钻孔、顶板巷道及邻近层抽采，但受井下空间、时间限制较大，不能完全解决煤矿井下的瓦斯问题[1-6]。采动区煤层气地面井抽采技术是近些年发展起来的新技术。煤矿采掘扰动后煤层渗透率可提高1 000余倍，使瓦斯卸压解吸并运移到裂隙带。山西重点煤矿区主采的3、15号煤层的透气性[7-8]不同，煤层瓦斯含量也不同，采取传统的瓦斯治理措施仍存在一定的安全风险，而煤矿采动区地面井瓦斯抽采提供了一种治理瓦斯新途径。煤矿采动区地面井瓦斯抽采是指在采掘扰动区提前布置好地面井，随着采掘工作面的推进，采场覆岩扰动逐渐加剧，大量的瓦斯卸压解吸并运移集聚到裂隙带，在覆岩一定范围内将产生富集瓦斯的裂隙区。采动区地面井抽采技术即通过施工地面井抽采裂隙区内的瓦斯，实现治理采煤工作面瓦斯的目的。许多学者对采动区地面井相关技术进行了研究，文献[9]将上覆岩体视为均匀介质，从地表沉降的角度分析了地面井水平位移和垂直应变量的大小，并提出了钻井孔径应大于岩体水平变形量的设计要求；文献[10]等结合岩层移动规律和关键层理论对地面井的破坏形式及规律作了初步分析；文献[11-14]从采场覆岩变形形式出发分别构建了地面井在岩层层间滑移和岩层挤压作用下的变形模型并分析了瓦斯流量；文献[15]利用有限元方法对井下套管的弯曲变形进行了数值模拟，分析了井下套管的弯曲变形与有效通径、水泥环和地层岩石的破坏范围之间的关系。前人丰富了采动区地面井理论及技术，但较少研究采动区地面井涉及的采动卸压瓦斯运移及抽采问题，导致较难对地面井布置及井身结构及抽采等方面提供针对性的措施。
采动区地面抽采早期为地面直井，随着抽采理论与钻井技术的不断提高，目前已发展为地面L型水平井。采动区地面直井是采煤工作面推至井位一定距离(采煤扰动产生裂隙)时开始负压抽采，待采煤工作面推过地面井位置时，继续抽采采动稳定区、邻近层卸压解吸的瓦斯，以解决采空区瓦斯的隐患[16]。采动区地面L型水平井是通过地面施工形似“L”型的地面井，其水平段层位位于煤层上方裂隙带内，随采煤工作面推进，抽采卸压解吸并运移集聚到覆岩裂隙带内的集聚煤层气的方法，同时可帮助解决采煤工作面瓦斯超限问题。
笔者通过阐述煤矿采动区瓦斯地面井抽采机理，提出采动区地面直井、L型水平井的布置方法、井身结构设计，形成较为成熟的煤矿采动区地面井煤层气抽采成套技术及其工程示范，为我国煤矿瓦斯综合治理提供一种新举措。
1 采动卸压瓦斯运移及抽采
1.1 采动裂隙的形成
山西重点煤矿区晋城、阳泉等矿区目前主要开采单一煤层，采动区主要指的是本煤层采动影响区。根据采动裂隙的形成机制，采煤工作面开采距采动区地面井不同距离时，煤岩层裂隙的形成可分为3个阶段。
1)超前支承压力转移阶段。采煤工作面距地面井一定距离，此时煤壁内以发生应力转移为主，其前方呈现为超前支承压力状态，煤体仅呈现少量的渗透率增加，形成少量的裂隙，因此，地面井仅能以高负压抽采少量的高浓度瓦斯。
2)采动覆岩反复扰动阶段。此阶段覆岩从下向上不断地形成离层和竖向裂隙。离层裂隙和竖向裂隙主要由覆岩关键层或关键层形成的组合岩梁控制。覆岩关键层破断裂隙的形成过程如图1所示。从图1可知，离层裂隙和竖向裂隙为一个反复交替的过程，即“离层裂隙-竖向裂隙-离层裂隙-竖向裂隙”循环交替。对于高瓦斯或突出矿井，离层裂隙可作为存储瓦斯的“容积”，竖向裂隙可作为向“容积”提供瓦斯的通道。因此，煤层气抽采量的大小主要取决于“容积”的大小及保有量和由竖向裂隙形成的“通道”的畅通。
O、A、B、C、D—关键层各岩块；L—C岩层长度；hi—岩块高度；θ1、θ2—岩层B和岩层A的旋转角；T、R—水平力和支撑反力；W—下沉量；q—覆岩均载荷
图1 覆岩关键层结构中破断竖向裂隙演化特征[17]
Fig.1 Evolution characteristics of vertical fracture in key layer structure of overburden[17]
3)采动覆岩基本稳定阶段。随着工作面向前推进，采场覆岩逐渐趋于稳定。此时由离层裂隙所形成的“储气容积”和由竖向裂隙形成的“瓦斯通道”基本稳定。因此，基本稳定阶段煤层气抽采的关键因素在于通过覆岩的移动规律提前预判形成最大瓦斯“容积”的区域和最稳定瓦斯“通道”。
1.2 瓦斯运移及富集区
煤层回采的不同阶段，采动区内的瓦斯来源、赋存状态、运移规律是不同的，总体上可以分为5个阶段(Ⅰ—Ⅴ)，如图2所示。
图2 瓦斯运移及富集区
Fig.2 Gas migration and enrichment area
第Ⅰ阶段，瓦斯以采动影响煤层内的瓦斯吸附状态为主，在采动卸压影响下经历解吸过程，向游离态转化；第Ⅱ阶段，涌出瓦斯源以新鲜落煤、煤壁等为主，主要是游离态，聚集在回采工作面的狭小空间内并随回风流进入回风巷及第Ⅲ阶段新采空区的裂缝空间；第Ⅲ、Ⅳ阶段，以回采工作面的涌入瓦斯、采空区落煤解吸瓦斯及煤壁与上下邻近层解吸瓦斯为主，以游离态存在并迅速向采场上方的裂缝场空间汇集、运移；第Ⅴ阶段，垮落带处于基本压实状态，遗煤、煤柱、上下邻近层等的瓦斯解吸趋于平衡，垮落带内的瓦斯大部分运移到了采场裂隙带内的“O”形圈空间聚集区[18]。
煤层回采的第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ阶段总体上属于采动活跃区，该阶段内涌出的瓦斯是采动活跃区地面井抽采的重点；煤层回采的第Ⅴ阶段总体上属于采动稳定区，该阶段内赋存的瓦斯是采动稳定区地面井抽采的重点。
1.3 地面井负压抽采控制
采动区地面井一般选用水环真空泵通过负压将裂隙带集聚的煤层气抽采至地表，其抽采系统压损计算公式为
(1)
式中：hf 为某段管路的摩擦阻力，Pa；L1为管路长度，m；Δ为混合瓦斯对空气的相对密度；Q为某段管路的混合瓦斯流量，m3/h；K0为系数，根据管径确定；d为管路内径，cm；Py为管道系统中设备固有压损，Pa。
由于随采煤工作面的推进，采动卸压程度不一致，地面井负压抽采时应根据采动卸压条件进行相应地调控。采动区煤层气抽采工作程序为：采煤工作面距地面井40 m左右时负压泵开始试抽，若负压急剧上升且无甲烷浓度，则停泵；待采煤工作面推进一个循环(6 m左右)后，再进行负压泵试抽。采煤工作面距井位20 m时，每4 h试抽一次，抽采时如有较高甲烷浓度、产出量较小但可持续提供时，应在地面井开启配风阀门，降低负压继续抽采。配风量需根据抽采甲烷浓度、抽采量及负压变化情况决定，直至抽采负压、抽采量及甲烷浓度相对稳定，则可正常抽采。
2 采动区地面井的布井技术
采动区地面直井井位应优先选择布置在回采工作面回风巷侧地表沉降拐点连线和采场中线之间的区域。采动区L型水平井层位应优先布置在裂隙带中部。
2.1 采动区地面直井井位布置
采动区地面井布置原则：①布井应综合考虑有利于地面井井身结构稳定和有利于抽采煤层气与治理瓦斯效果2个方面；②由于采场上覆岩层不同深度的剪切位移最大位置是不同的，但均在岩层沉降拐点附近；最大离层位移发生在离层位置的中间位置；因此，从地面井井身结构稳定性上考虑，地面井应尽可能回避剪切和离层拉伸位移最大区域，选择在地表沉降拐点和采场中线之间的区域；③受采场通风系统风流流向的影响，地面井布置在靠近回风巷侧时能更好地起到瓦斯抽采与上隅角瓦斯治理效果；④综合考虑以上多种因素，煤矿采动区地面煤层气抽采井井位应优先选择布置在回采工作面回风巷侧且在地表沉降拐点连线和采场中心线之间的区域；不同矿区应根据具体的工程地质条件和通风系统布置进行具体分析和计算选择[17]，如图3所示。
图3 采动区地面直井井位布置
Fig.3 Layout of surface vertical wells in mining area
2.2 采动区地面L型水平井布置及层位优选
采动区地面L型水平井垂直段布置原则同上，但其水平井段层位布置既要考虑井身结构稳定性，又要考虑地面井产气效果，近水平煤层开采条件下，采动区L型地面井的布置方法为：
1)根据导水裂隙带计算方法计算出裂隙带高度。
2)根据组合岩梁理论对垮落带和裂隙带高度进行分析，组合岩梁的基本原理是其下部关键层破断下沉，其上覆岩层同步下沉，可根据该理论修正垮落带和裂隙带的高度。
3)裂隙带的高度计算出来之后，由于裂隙带内从下向上裂隙发育程度逐渐减小，因此，将裂隙带分为3个部分，即裂隙带上部、裂隙带中部和裂隙带下部。
4)将采动区地面L型井水平段分成3个部分，各段长度分别为：第1段长0.1L、第2段长0.8L及第3段长0.1L(L为水平井段总长度)，且水平井段设计为单斜向下布置，倾角为1°～2°。
5)分析裂隙带中部的岩层情况，在裂隙带中部寻找厚度及强度均较大的岩层，将水平井段的第2段主要布置在裂隙带中部的此区域内，而将第1段主要布置在裂隙带上部内，第3段主要布置在裂隙带下部内。采动区L型水平井水平层位布置如图4所示。
图4 采动区L型地面井水平井段层位布置示意
Fig.4 Layer layout of L-type surface well in mining area
3 井身结构设计优化技术
煤矿采动区地面井井身结构破坏的根本原因是由于地面井在岩层移动影响下的迅速切断、拉断、堵塞破坏，造成地面井失去抽采工作面及后续采空区瓦斯的功能，无法有效缓解回采工作面瓦斯超限的压力。因此，进行煤矿采动区地面井井身结构优化的根本目的是要保证地面井在采动影响下井身结构的畅通，从而保证抽采效果。
从采动区地面井变形破坏模拟试验发现，岩层移动的剪切滑移位移量、离层拉伸位移量是对地面井井身结构产生影响的关键参量。因此，增大采动区地面井的井径，使地面井在岩层移动量发生后仍能够保证井眼的有效畅通是最为有效的方法。但是随着地面井井径的增大，工程成本会倍增，因此在扩大井径的同时，可采取改进的固井技术提高地面井的有效通径，增强地面井的抗拉剪能力。
另外，由于瓦斯(甲烷)密度小于空气，回采空间内的甲烷总体上会有向采场上方运移的趋势；而采动影响下的地面井卸压抽采充分利用了采动裂隙场的导流通道作用，为了保证有更好的抽采效果，需要将采动区地面井的生产套管布置在采动裂隙场的上方。由采场“竖三带”分布范围计算模型可以较准确地获得不同应用矿区的采动裂隙场高度，进而在地面井井身设计中优先保证生产套管段穿越整个裂隙场发育区。据上述分析确定采动区地面井井身结构如图5、图6所示。
图5 典型采动区地面直井井身结构示意
Fig.5 Typical structure of surface vertical well in mining area
1—地表；2—直井段；3—水平段；4—煤层；a—地表井位；b—造斜点；cd—弧形井段；A—水平井段起始点；h1—直井段深度；h2—第1弧形井段深度;h3—第2弧形井段深度；h4—第3弧形井段深度
图6 采动区L型地面井井身结构示意
Fig.6 Structure of L-shaped surface well in mining area
4 工程应用
本技术分别在山西重点煤矿区晋城矿区、阳泉矿区及大同矿区进行了100多口采动区地面井的工程示范与应用。晋煤集团下属主要生产矿井以煤与瓦斯突出矿井、高瓦斯矿井为主，主采的3、15号煤层透气性较高，较适合采用地面井(预抽地面井和采动区地面井)抽采瓦斯方式；阳煤集团下属主要生产矿井以煤与瓦斯突出矿井、高瓦斯矿井为主，主采的3、15号煤层透气性较低，采用预抽地面井的方式较难达到预期抽采瓦斯效果，但采动卸压能达到较好的瓦斯抽采效果；同煤集团下属主要生产矿井以低瓦斯矿井为主，但其塔山矿因回采速度超高使得工作面同样存在瓦斯超限隐患。以下对晋煤集团、阳煤集团及同煤集团的相关矿井开展的采动区地面井技术工程应用进行分析。
4.1 采动区地面直井工程应用
晋煤集团岳城矿YCCD-02地面井布置在岳城矿1303工作面，该工作面长158.1 m，采用分层开采方式，地面井井位距开切眼700 m，距回风巷35 m。通过对钻井变形破坏特征进行分析，结合采动裂隙和瓦斯运移规律设计了井身结构。设计一开位于基岩下20 m左右，套管采用J55型API套管，二开布置在地表以下至裂隙带上部处，采用抗剪性能较好的N80套管，在二开采用局部固井技术；三开套管的透气钻孔位于煤层上方5 m，三开筛管悬挂完井，三开井身穿越煤层。
YCCD-02井于2014年5月25日开始进行瓦斯(煤层气)抽采，在下分层回采时开始抽采，当工作面推至该井位处时，抽采纯量最大3.79万m3/d，运行时间至今达5年5个月；平均抽采量为1.56万m3/d，平均抽采体积分数36.45%；累计抽采量3 157.75万m3。抽采数据如图7所示。
图7 岳城矿地面井(YCCD-02)瓦斯抽采数据
Fig.7 Gas drainage data of ground well (YCCD-02) in Yuecheng Coal Mine
YCCD-02井实施抽采后，采煤工作面回风巷瓦斯体积分数下降幅度达到58.75%，上隅角瓦斯体积分数下降了56%，回风巷平均瓦斯体积分数仅0.33%。工作面回风巷和上隅角瓦斯体积分数显著下降，成功消除了采空区瓦斯对工作面安全生产的制约。
同煤集团塔山煤矿采取采动区地面井进行低瓦斯工作面瓦斯治理，在塔山矿施工了数十口采动区地面直井以解决采煤工作面的涌出瓦斯问题。在塔山矿8204工作面施工1、2号地面井，该工作面倾斜长度为182 m，1号地面井距回风巷15 m左右，距开切眼30 m左右；2号地面井见煤位置距回风巷30 m左右，距开切眼75 m左右。当采煤工作面接近1号地面井时，甲烷体积分数最高，达到28.69%，抽采量达到90 m3/min，之后进入采空区，抽采甲烷体积分数下降，但稳定在5%左右。当采煤工作面推进至距2号地面井32 m时，2号地面井甲烷体积分数为11.88%，通过地面井抽采后，采煤工作面瓦斯体积分数基本稳定在0.4%以下；回风巷瓦斯体积分数下降45.2%左右。
4.2 采动区L型水平井工程应用
晋煤集团寺河矿3313面首创采动区L型水平井示范。3313综采工作面地面标高+788—+960 m，工作面标高+405—+486 m，该工作面煤层结构简单，为一次采全高综合机械化开采工作面，采煤厚度约为6.13 m，煤层倾角0°～12°，平均倾角6°，走向长度为1 239.88 m，工作面倾向长度为301.50 m。采动区地面L型水平井布置在靠近回风侧45 m处。
地面L型水平井平均抽采瓦斯体积分数80%；平均抽采纯量1.1万m3/d，累计运行300余d，抽采纯量累计达320余万m3 ，抽采数据曲线如图8所示。
图8 寺河矿3313工作面采动区L型地面井抽采曲线
Fig.8 Extraction data of L-type surface well in Working Face No.3313 of Sihe Coal Mine
SH3313L井实施抽采后，工作面上隅角瓦斯体积分数降幅达46.5%，如图9所示。L型井的抽采有效提高了该工作面的生产效率，为该面瓦斯治理起到关键性作用，保障了采煤工作面正常采煤，成功消除了采空区瓦斯对工作面安全生产的制约。
图9 L井抽采后工作面瓦斯浓度变化情况
Fig.9 Change of gas concentration in coal mining face after L-type surface well extraction
阳煤集团新景矿在3213工作面施工了一口地面L型水平井。3213工作面3号煤层稳定可采，煤厚为2.34～5.00 m，平均为2.50 m，倾角一般在10°以下。L型井在平面上位于3213工作面回风巷侧，并距回风巷30 m。L型井水平段层位在煤层顶板上方约30 m。
新景矿地面L型水平井平均瓦斯抽采纯量1.3万m3/d，最高抽采量达2.0万m3/d，井口抽采平均瓦斯体积分数58%，最高达95%。在工作面回采完成后，该井仍具有较好的瓦斯抽采效果，产量维持在2 000～3 000 m3/d，累计抽采量410万m3。同时，L型水平井对采煤工作面上隅角瓦斯治理起到非常重要的作用，保障了煤矿安全生产。
5 结 论
1)采动区瓦斯运移过程可为3个阶段：①未采动时，瓦斯以吸附状态为主，在采动卸压影响下经历解吸过程，向游离态转化；②采动活跃区，新鲜落煤、煤壁涌出的瓦斯聚集在回采工作面的狭小空间内并随回风流进入回风巷及迅速向采场上方的裂缝场空间运移、集聚；③采动稳定区，采动裂隙基本稳定，采空区遗煤或邻近煤层解吸瓦斯通过竖向裂隙源源不断涌向已形成的“O”形圈裂隙内。
2)研究提出了采动区地面直井布置原则和方法。即地面直井应布置在靠近回风巷侧且处于地表沉降拐点连线和采场中线之间的区域。为保证井身畅通，提出了适当增大井径、局部固井等措施。
3)采动区L型水平井水平层位应优选在裂隙带中部，并在裂隙带中部寻找厚度及强度均较大的岩层，并要求水平井水平段轨迹为单斜向下布置。
4)在晋城岳城矿、大同塔山矿、阳泉新景矿等矿区进行了采掘扰动区 “仅钻井、不压裂”布设地面采动井，抽采采掘扰动区卸压煤层气工程应用，单井平均总产气量约200万m3、最高达3 000万m3以上，工作面上隅角瓦斯体积分数降幅平均达50%左右，在煤层气抽采及工作面涌出瓦斯治理两方面效果显著，具有良好的推广应用价值。
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