采动影响下地面钻井变形破坏机制及卸压瓦斯抽采研究

发布时间：2020-11-13 02:25

　　 对煤炭生产过程中的瓦斯进行高效抽采不仅可防止采空区瓦斯向井下采煤工作面大量涌入,保障煤矿井下安全生产,还可变废为宝,缓解我国常规油气供应紧张状况和改善大气环境,并产生巨大的经济效益。本文主要采用了理论分析、二维及三维相似模拟试验和现场实测的方法研究了采动影响下地面钻井变形破坏机制和采空区气流空间分布特征,并基于上述研究结果提出了采空区瓦斯地面高效抽采技术。主要研究成果如下:采用二维相似试验模拟井下工作面推进过程中上覆岩层弯曲下沉引起的岩层剪切错动,并通过分析钻井的最大相对水平和竖直位移分布,研究了采动过程中地面钻井的破坏特征,确定了钻井破坏的高危时期、高危位置和钻井失效类型。当工作面推过钻井157m时,钻井的整体水平和竖向位移均达到最大:在煤层上方70m、125m、195m和240m处,钻井水平位移达60-75mm,竖向位移达85mm。在高危破坏时期和高危破坏位置处,煤层上覆岩层的硬软组合岩层的交界面、厚岩层内和厚-薄-厚组合岩层内的钻井段易发生钻井破坏。工作面回采过程中现场钻井抽采数据和钻孔窥视验证了上述研究结果的准确性。采用二维相似试验模拟试验研究了采空区裂隙分布特征,将垮落带划分为完全贯通区、部分压实区和稳定压实区,将裂隙带划分为裂隙产生区、裂隙发育区和裂隙闭合区;采用自主构建的三维可加载多元气体渗流试验系统,模拟煤层开挖形成采空区气流空间,并通过注入多元混合气流模拟瓦斯在采空区气流空间内的分布,定点获取气流空间内不同空间位置的瓦斯浓度分布,研究了采空区瓦斯流动及富集的空间分布特征。采空区空间自下而上可划分为下部富集区、过渡区、上部富集区和无流区,且区域边界呈“V”形。采用现场实测的方法,研究了采动过程中变轨迹定向考察井抽出瓦斯的流量和浓度动态变化,气流空间自下而上可划分为阻流区、富集区和乏流区。在富集区内瓦斯浓度随距煤层高度的增加呈现线性降低的变化趋势。基于上述理论研究成果,提出了采空区井位层位精准优选技术:当钻井井位距回风巷约42-54m,且钻井底部穿过采空区上部富集区,进入底部垮落带,以实现“双富集区”瓦斯共采;提出了“低-中-高”变负压效率最大化调控抽采技术:当地面钻井处在畅流阶段时,采用-20~-30kPa的低负压抽采瓦斯以抽采较高的瓦斯混量;当地面钻井处在阻流阶段时,使用-30~-60kPa的中等负压抽采瓦斯;当地面钻井乏流阶段时,使用-60~-80kPa的高负压抽采瓦斯可保证较高的抽采流量。采用“低-中-高”变负压调节控制钻井瓦斯抽采可保持瓦斯抽采效率持续最大化。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712.6
【部分图文】：

分别为采动裂隙场内瓦斯渗流和地面钻井井身稳定性。如随回采井并向前继续推进过程中，钻井井底区域的裂隙发育程度不断降低，动的阻力也不断增大，导致抽采流量降低，但抽采浓度可能升高。又上覆岩层挤压、剪切和拉剪等各种作用力影响而发生缩颈、错断等破采流量下降甚至失效。因此，要研究如何利用地面钻井高效抽采卸压地面钻井变形破坏机制和井下采动裂隙场瓦斯渗流特性。状井稳定性面垂直钻井抽采采动卸压瓦斯在美国、澳大利亚、波兰、加拿大和中国得到了广泛的应用。然而，由于受采动影响，采空区上覆岩层发生剧烈错动变形，导致地面钻井发生破坏而失效（图 1-1）。地面垂直制约着地面瓦斯的抽采量和钻井的服务寿命。

提出了经典的“三带”理论，即自下而上将上覆岩层划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带（如图1-2）。Singh 和 Yadav[30]使用粘弹性模型预测了长壁开采影响下的裂隙区截面特征。钱

太原理工大学硕士研究生学位论文受井下巷道工程条件的限制，且不干扰井下正常生产，采空区瓦斯被直接抽采至地面，安全性高。但仍存在钻井井位和层位不够精准、抽采能耗大等问题，尤其缺乏采空区瓦斯专用地面抽采技术。井地联抽是从地面向下垂直施工钻井，并与采煤工作面主回风巷贯通。并通过钻井内的抽采管与采空区主回风巷布置的抽采管路连接，从而实现对采空区内瓦斯的抽采（如图 1-8）。该方法操作难度较大，抽采浓度偏低。
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