连晓阳
（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）
井下煤层瓦斯的抽采通常有井下钻孔抽采与地面钻孔抽采两种抽采方式，井下钻孔抽采难度较大，投入资金较大，且资源利用困难，相比较而言，地面钻孔抽采则有着安全性高、效果较好的优点[1-3]。研究表明，西山矿区工作面瓦斯来源，本煤层瓦斯占65%，邻近层瓦斯占25%，采空区瓦斯占10%。西山矿区开采的2#煤层透气性较差，本煤层瓦斯抽采效果不好，因此，屯兰矿12501工作面进行了地面压裂钻井瓦斯抽采技术试验研究。
屯兰矿12501工作面位于矿井南五盘区，工作面南边为12503采空区，东边为断层保护煤柱，北边为四盘区12403、12405工作面，西边为白草塔保护煤柱。工作面走向长度为1 751 m，倾斜长度为199 m，煤层平均厚度3.69 m，煤层倾角为1°～7°，煤的硬度低，煤层为较稳定。工作面煤层瓦斯含量为12.7 m3/t，瓦斯压力为2.14 MPa，煤层透气性系数为1.62 m2/（MPa2·d），煤层自然发火类型为Ⅱ类，属自燃煤层，煤尘具有爆炸性。
工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高全部垮落综合机械化采煤方法，工作面平均采高3.69 m，跟2#煤顶板和3#煤底板向前推进，两端头与巷道平缓过渡。回采工序为双滚筒采煤机割煤、装煤→可弯曲刮板输送机运煤→移架→推移刮板输送机。
根据工程经验对屯兰矿实施地面钻井TLK-T1进行压裂钻井抽采瓦斯，钻井距离12501工作面切眼以里260 m，钻井距离12503采空区100 m，钻井距离12501工作面轨道巷115 m，钻井深480 m，钻孔影响范围为200 m，钻井施工时限制压力为35 MPa。
（1）钻井开钻工艺：
一开钻井，采用表层套管，钻头尺寸直径为311.1 mm，套管尺寸直径为244.5 mm，型号为J55。二开钻井采用生产套管，钻头尺寸直径为215.9 mm，套管尺寸直径为139.7 mm，型号为J55。
（2）压裂工艺
压裂是采用液体传动压力的原理，通过钻井向煤层中以一定压力注入具有一定粘度的液体，使得煤层达到破碎状态，并使裂缝不断延伸扩展，进而达到瓦斯通过裂缝传递的作用。
（3）排采集输工艺
完成钻井压裂后，安装井下抽采设备，将压裂的液体通过抽采设备排出，减小井内压强，进而将煤层瓦斯解析出来。
（4）地面钻井施工目的层位为2号煤层，共6支径向孔分支（如图1所示），各分支长度为100 m。在径向井施工完成后进行水力压裂，共注入液量550 m3，加入石英砂26 m3。
图1 径向分支
钻孔设计及施工。
根据实验室测定，12501工作面煤层瓦斯原始含量为12.7 m3/t，瓦斯含量较大，回采前需将瓦斯含量降低至8 m3/t以下。因此设计工作面进行本煤层瓦斯预抽，具体参数为：孔深210 m、钻孔方位角90°、孔径113 mm，间距为3 m，倾角0°～2°，设计钻孔共217个，进尺共计45 570 m。实际施工钻孔205个，缺少钻孔的空白地带采用胶带巷钻孔抽采瓦斯进行解决，实际进尺40 332 m。12501工作面轨道顺槽压裂区本煤层抽采钻孔布置如图2所示。
图2 区本煤层抽采钻孔布置
在屯兰矿12501工作面轨道顺槽形成瓦斯抽采系统后，将压裂区钻孔抽采与未压裂区钻孔抽采效果及参数进行对比：
压裂区钻孔参数为孔深210 m、方位角90°、倾角2°、孔径113 mm，抽采参数为瓦斯浓度65%～80%、抽采量为0.3～0.5 m3/min、负压为110 mmHg、节流为6 mmHg。
未压裂区钻孔参数为孔深210 m、方位角90°、倾角1°～3°、孔径113 mm，抽采参数为瓦斯浓度30%～45%、抽采量为0.02～0.05 m3/min、负压为150 mmHg、节流为1 mmHg。
对比分析可以得到，未压裂区预抽钻孔百米瓦斯抽采量为0.005 m3/min·100 m，压裂区钻孔百米抽采量0.009 6 m3/min·100 m。通过对压裂区及未压裂区钻孔观测可知，本煤层218#钻孔预抽效果最为明显，瓦斯浓度为75%，单孔流量最大能够达到0.5 m3/min，其余压裂区瓦斯浓度均在60%～75%，但是流量较小，压裂区本煤层钻孔抽采效果明显。可以总结得出：压裂区本煤层瓦斯抽采钻孔瓦斯浓度较高、抽采流量较大，相比较未压裂区钻孔瓦斯抽采量约增大十倍。
地面压裂钻井瓦斯抽采技术的关键在于地面压裂钻孔抽采范围，其范围的确定对于地面压裂钻井瓦斯抽采技术具有重要的指导意义。范围确定主要由两方面：一是沿煤层走向，二是沿煤层倾向。由于井下工作面瓦斯抽采范围无法人工直接测定，因此采用示踪技术，采用示踪剂标定气体的流动踪迹，监测示踪气体的浓度变化，进而掌握瓦斯抽采规律。
本次屯兰矿12501工作面采用示踪技术检测地面压裂钻井瓦斯抽采效果的抽采半径，采用SF6气体（属于无色无味的极其稳定的气体）做示踪剂。由于煤层倾角较小，设定地面钻井抽采煤层瓦斯沿煤层倾向和走向方向的抽采半径大小相等。共释放5次示踪气体。气体分析采用SP-3420气相色谱仪进行检测。共采样5天，前两天，每10 min采集一次，后三天，每20 min采集一次。示踪气体检测布置如图3所示，示踪气体记录如表1所示。
图3 示踪气体释放点和取样点布置
表1 释放SF6气体记录
根据取样测试结果，地面井水力压裂煤层增透半径为103 m。
针对屯兰矿12501工作面煤层瓦斯含量较高及抽采设计等问题，采用地面钻井煤层压裂瓦斯抽采和井下煤层钻孔瓦斯抽采相结合的技术进行瓦斯抽采。压裂钻孔附近200 m范围内煤层透气性大幅提高，抽采瓦斯浓度及瓦斯抽采量有了明显的提高，其单孔抽采纯量提高了近10倍；
通过示踪技术测得地面井水力压裂煤层增透半径为103 m。此项技术提高了瓦斯抽采效果，保证了矿井的安全生产。目前，屯兰矿地面抽采钻井已达400口，其中193口压裂，69口产气。在控制排气情况下，地面抽采煤层气日抽采量已达4.4万立方米，既推进了煤层气的规模化开发利用，又深化了瓦斯治理工作，取得了很好的安全效果和经济效益。