Optimal design of coalbed methane wells in mining area with thin to medium thick coal seam group
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摘要:
利用煤层气井对采煤过程中邻近煤层卸压煤层气抽采是一种高效的瓦斯综合治理与煤层气开发手段。查明采动覆岩应力−裂隙场演化特征，并据此开展煤层气井优化设计是提高卸压煤层气抽采效率的关键。以黔西山脚树煤矿221015工作面为工程场景和实例，基于地质−工程模型构建与工程数据分析，阐明了覆岩层内及层间应力演化特征，探讨了覆岩裂隙与增渗区分布形态，优化了煤层气井井位部署、井身结构设计及增产措施。研究表明：研究区煤系岩石力学性质频繁强弱交互的地质特征提高了卸压煤层气抽采效果。关键层逐次破断后，工作面上方5～20 m层段为贯通裂隙带，带内富集的大量游离态甲烷可跨层运移产出，为煤层气井主气源带。工作面上方20～45 m层段属弯曲下沉带内微裂隙发育带，具有近2 000 m3/d的单层煤产气潜力。该带卸压煤层气以层内运移为主，并积聚了裂隙带煤层气。压实区沿工作面走向的边界切线、压实区沿工作面走向的边界切线与回风巷间的中轴线、裂隙区边界线围成的区域是最有利的井位部署位置。采用高强度水泥固井与扩孔完井的“二开”井或采用筛管悬挂完井的“三开”井井筒稳定性好，可保障煤层气井长期抽采工作。优化方案为黔西地区煤矿采动区卸压煤层气抽采井日产气35 000 m3的突破提供了技术支撑，显著减弱了工作面瓦斯突出风险。基于多层叠置含煤层气系统的地质特点，“合层压裂排采+采动卸压抽采”的“一井多用”模式可作为“提产增效”的重点研究方向。
Abstract:In mining areas, utilizing coalbed methane (CBM) wells to extract stress relief coalbed methane from adjacent coal seams is an efficient strategy. To enhance CBM extraction, it is vital to reveal the dynamics of stress and fracture fields evolution and optimization well locations and structure. Taking No. 221015 coalface in Shanjiaoshu coal mine as the study area. By integrating geo-engineering models and engineering data, the stress distribution within and between the overburden was elucidated, the distribution of fracture and the permeability increased zone in the overburden were elucidated, and the well location, structures and enhancement measures were designed. The research demonstrates that: The frequent alternation of lithological properties in the coal measure strata in the study area enhanced the mining influence on overburden. As the key strata progressively fail, the zone located 5～20 meters above the coalface were the fracture zones, in which a large amount of free methane can be migrated and produced across layers, serving as the primary gas source zone of CBM well. The 20～45 meters interval above the coalface belonged to the microfracture zone in the bending subsidence zone, possessing a gas production potential of nearly 2000 m3/d from adjacent coal seams within a single layer. In this area, stress relief CBM primarily migrates intra-strata and accumulates methane originating from the fracture zone. Optimal well site locations was enclosed by tangential line of the compaction zone along the direction of the coalface and the center line between tangential line of the compaction zone and the return airway, and boundary lines around fractured zones. Meanwhile, the two - or three-stages structure wells with high strength cement cementing and using reaming or screen suspended completion have good stability, which can guarantee long-term extraction work of CBM well. The optimized extraction well scheme provides technical support for achieving a gas production breakthrough of
35000 m3/d from in mining areas of Qianxi region, significantly mitigating the risk of gas outbursts at the coalface. Based on the geological characteristics of multi-layered superimposed CBM systems, the "multi-usage" mode of the vertical well of “multi-layer fracturing and drainage + mining induced stress relief CBM extraction” can serve as a key development direction of “increasing production and efficiency”. -
0. 引 言
工作面回采过程中，邻近煤层发生应力释放与增渗，大量煤层气通过采动裂隙运移进入开采空间，增大了瓦斯涌出量与安全生产威胁，同时造成资源浪费与甲烷温室气体排放[1-3]。利用工作面采动卸压效应，地面施工煤层气井对邻近煤层煤层气进行卸压抽采，是煤层气开发的重要方式[4-6]。
采煤工作面覆岩应力−裂隙场演化特征决定了煤层气井的井位部署、井身结构设计[7-9]。研究人员采用相似材料物理模拟、有限元和离散元数值模拟等模拟手段和同位素示踪、微震监测、井上下实时监测等工程方法对采动岩体变形破坏特征进行了大量研究，提出了采动裂隙分布的“O”形圈[10]、采煤工作面的三维环形覆盖区[11]、顶板环形裂隙圈[12]、“∩”型高帽状裂隙[13]、采动裂隙带的圆角矩形梯台带简化模型[14]等应力和裂隙发育特征模型。基于应力−裂隙场模型，形成了应对复杂地层的三开直井[15]，提高抽采及消突效果的大直径地面钻井[16]，适于构造煤发育条件的地面“L”型顶板水平井[17]等采动区卸压煤层气地面开发系列技术。随着煤炭开采的不断深入，对薄至中厚煤层群发育区采动卸压煤层气抽采与弯曲下沉带煤层气抽采潜力评价的研究日益关切[18-20]。黔西地区煤层气资源丰富，煤层多而薄、间距小，煤与非煤含气层叠置[21-22]，采动区具有较大的卸压煤层气抽采潜力。受该地质背景下采动覆岩应力−裂隙场发育特征不明影响，已实施的少量采动区煤层气井效果不佳。探索破解薄至中厚煤层群发育区采动卸压煤层气抽采的关键理论与系列技术，将助力区域煤层气产业发展。
笔者以黔西山脚树煤矿221015工作面为研究对象，数值模拟方法研究了工作面回采过程中覆岩应力−应变特征，计算分析了采动裂隙空间发育及增渗情况，并据此优化了采动卸压煤层气抽采井井位与井身结构设计，提供了煤层气井增产方案，对薄至中厚煤层群发育矿井卸压煤层气地面高效抽采工作具有指导意义。
1. 地质−工程模型与模拟方案
山脚树煤矿位于贵州六盘水煤田盘江矿区，为高瓦斯矿井。正在回采的221015工作面开采层为龙潭组10号煤层。10号煤层平均厚度1.5 m，平均埋深574.9 m，工作面采高1.7 m，工作面走向长度800 m，倾向长度150 m。开采煤层之上80 m内自上而下含1、3、4、6、8、9号共5层煤，其中3、4号煤层平均厚度1.09、1.30 m，为可采煤层，其余煤层为大部可采煤层。开采煤层之下30 m内自上而下含12、13号共2层煤，平均厚度2.99、0.64 m（图1）。
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图 1 工作面位置与开采层及邻近煤岩层特征Figure 1. Location of coalface and characteristics of mining layer and adjacent seams煤矿内煤层瓦斯含量为9.84～14.56 m3/t，为高瓦斯矿井。煤层孔隙率为2.66 %～4.22 %，渗透率为(0.049 2～0.573)×10−3 μm2，属低孔、低中渗储层，瓦斯直接抽采效果较差。煤层储层压力为4.26～5.20 MPa，压力梯度介于0.85～0.90 MPa/hm，属正常压力储层。龙潭煤系非煤地层以粉砂岩、泥质粉砂岩和细砂岩为主，属于中硬岩石。垂向上岩性差异大且变化快，煤与非煤岩层互层。各岩层地层倾角3°～6°。根据矿区内多口煤田勘探钻孔、煤层气参数井采样测试报告，梳理221015工作面上覆、下伏煤岩层物理力学参数见表1。
表 1 山脚树煤矿221015工作面煤系地层物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of f coal measures at 221015 face of Shanjiaoshu coal mine煤岩编号 岩性 密度/(m3·kg−1) 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 抗拉强度/MPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/(°) rock_1 泥质粉砂岩 2 830 16.0 18.0 13.0 9.6 38 seam_1 1号煤层 1 520 5.3 2.8 0.45 2.3 41 rock_3 细砂岩 2 720 26.0 19.0 27.0 6.5 28 seam_3 3号煤层 1 450 4.3 2.6 0.42 1.3 38 rock_4 粉砂岩 2 500 13.0 7.5 37.0 5.5 28 seam_4 4号煤层 1 400 4.9 2.0 0.5 0.8 28 rock_6 粉砂岩 2 780 26.0 19.0 7.0 10.0 25 seam_6 6号煤层 1 560 5.3 2.8 0.45 2.3 41 rock_8 粉砂岩 2 780 25.0 17.0 25.0 7.9 22 seam_8 8号煤层 1 650 5.6 3.2 0.5 2.5 37 rock_9 泥质粉砂岩 2 760 16.0 14.0 15.0 5.3 30 seam_9 9号煤层 1 500 4.3 2.6 0.4 1.5 42 rock_10 粉砂岩 2 720 28.0 19.0 37.0 10.9 28 seam_10 10号煤层 1 700 5.9 3.1 0.5 3.4 32 rock_12 粉砂岩 2 760 25.0 16.0 22.0 3.4 31 seam_12 12号煤层 1 600 5.2 2.8 0.3 4.0 33 rock_13 粉砂岩 2 740 26.0 17.0 2.9 8.5 37 seam_13 13号煤层 1 560 5.3 2.8 0.5 2.3 41 rock_14 粉砂岩 2 500 11.7 7.5 27.0 5.5 28 基于山脚树煤矿煤层气地质条件和221015工作面回采情况，利用3DEC建立了工作面三维数值模型（图2），对覆岩采动特征及煤层气井优化设计研究。各岩层厚度及相对位置均按图1设定，忽略地层倾角，非煤地层按其与煤层相对位置编号（表1）。数值模型几何尺寸为长度400 m，宽度200 m，高度150 m。开采区域的长宽高分别为300、150、1.7 m，设置10 m为一次开采步长。为减小四周边界效应，在工作面走向两侧各设置了50 m煤柱，在工作面倾向两侧各设置了30 m煤柱。根据工作面内煤层埋深情况，设置1号煤层上部15 m处为上顶面，该面平均埋深为500 m，取地层平均密度为2 500 kg/m3，在模型顶部施加12.5 MPa的固定压应力，模型侧边设置为滚动边界，底部设置为固定边界。煤岩体和节理面应力应变演化采用弹塑性的摩尔库伦准则描述[23]。
2. 采动覆岩应力−裂隙场演化特征
2.1 采动覆岩空间位移特征
工作面推进50、150、250、300 m时，沿工作面煤层走向中轴线的XZ切面垂向位移分布如图3所示。回采过程中，开采层10号煤层下伏岩层发生底鼓，但位移较小。开采层上方8.6 m内坚硬粉砂岩作为第一关键层，工作面推进150 m左右，第一关键层的砌体梁结构开始失稳破断并发生初次垮断，发育稳定的砌体结构的岩层逐渐上移；工作面推进250 m时，工作面上方10 m内，即基本顶至9号煤层顶板的岩层大量下沉、破断，9号煤层顶板为第二关键层，控制着其上部岩层的破断；工作面推进300 m后，下沉、破断的层位上移至8号煤层顶板，此后覆岩下沉、破断仅在推进方向上扩大，垂向上基本不变，8号煤层顶板控制着其上方煤岩体的位移，为第三关键层。开采完毕后，工作面上方5 m范围内岩层的垮落长度达190 m，沉降量达1.7 m，表明该范围内岩层发生垮落，为垮落带；工作面上方5～20 m内煤岩层沉降量较小，最大不超过1.3 m，该范围内煤岩体未发生大面积垮落，为裂隙带。本次利用3DEC模拟的裂隙带高度与经验公式计算得到的裂隙带高度15.41 m相比较大，这可能是煤与非煤岩层频繁互层使回采过程中覆岩卸压响应幅度增大所致[24-25]。
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图 3 沿工作面中轴线的XZ切面煤岩层垂向位移量Figure 3. Vertical displacement of XZ section strata including the central axis of coalface工作面推进50、100、200、300 m时，沿工作面走向中轴线的XZ切面水平位移分布如图4所示。由图4可知，工作面推进50 m时，覆岩下沉对本岩层两侧拉伸产生的水平位移量较小，水平位移主要在开切眼和工作面上方岩层发育；随着工作面持续推进，工作面上方不断形成水平位移，覆岩最大水平位移量及分布区域不断增大，最终呈梯形分布在采空区上方，最大位移量为14 cm。水平位移量与岩性密切相关，坚硬的厚层岩石内基本不发生水平位移，位移主要发生在岩性接触面上下的煤层中。
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图 4 沿工作面中轴线的XZ切面煤岩层水平位移量Figure 4. Horizontal displacement of XZ section strata including the central axis of coalface2.2 采动覆岩应力演化特征
工作面回采过程中，覆岩应力重新分布影响着卸压煤层气的抽采效果。工作面推进0、100、200、300 m时，沿工作面走向中轴线的XZ切面上支撑应力分布如图5所示。由图可见，覆岩受采动影响出现卸压区，区内支撑应力降低。开采层近距离覆岩卸压区域大，向上采动影响范围及应力波动减小。卸压区域垂向上呈拱形分布，且随工作面推进拱形不断扩大。采空区与煤柱交界的垂向投影处发生卸压与应力集中的转换，应力波动剧烈。工作面前缘应力集中区随工作面推进而前移，切眼附近应力集中的位置基本不变（距开切眼3 m处的煤柱）。支撑应力峰值在工作面推进至见方前（工作面宽度与推进距相等）逐渐增加，见方后基本不变，最大超过30.5 MPa（图5 (d)），约为初始应力的2倍。工作面前100 m以远及工作面上方70 m之上则基本不受采动影响；当推进距离达到300 m后，采空区上方不高于15 m的岩层部分区域逐渐被压实，出现应力恢复。
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图 5 沿工作面中轴线的XZ切面垂向不同位置支承应力分布Figure 5. Supporting stress distribution at different positions of XZ section strata including the central axis of coalface设置工作面中心垂线为监测线，按与10号煤层的相对距离（上为正、下为负）取9个监测点，提取观测点采动过程应力数据，以x轴表示时间步、y轴表示应力数据得到图6。在工作面的推进的前期，各层位出现微弱卸压，垂向上距离10号煤层越远，应力变化越不明显。当工作面推进至监测线附近时，采动引起岩体应力集中，距离10号煤层越近的岩层应力增幅越大，10号煤层上方5～25 m段垂向正应力显著增大。当工作面推过观测点，各煤层均显著卸压，即正应力的最大值应发生在工作面推进至监测线的时刻。工作面推过观测点后，采空区上方5 m范围内应力完全释放，对应着岩体垮落。
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图 6 工作面推进过程中工作面中心垂线上正应力变化Figure 6. Change of stress on the vertical line of stope center during the advancing of coalface2.3 采动覆岩裂隙场发育特征
开采煤层之上3、4、6、8、9号煤层以相对软弱的薄层状态夹于坚硬的非煤岩层中，软弱夹层降低了组合体整体刚度和弹性模量的同时，提升了煤岩组合体的变形程度。据塑性区分布特征（图7）可知，岩性接触面上下的煤岩层力学性质差异导致的应力差使煤岩层发生水平滑移，形成剪切破坏；煤柱的存在使得水平向煤岩体拉张断裂塑性变形充分发育，发育区随工作面推进在垂向和走向上逐渐增大；同时，主要位于拉伸破坏区域上部的剪切破坏区域也在不断扩大。关键层破断时塑性变形区域激增。采空区上方煤岩的塑性区域逐渐增大，回采到300 m时塑性区域高度趋于稳定，达到70 m。工作面回采过程中，塑性区发育特征与垂向、水平发育特征密切相关：工作面上方5 m内主要发生拉张破坏的区域视为垮落带，工作面上方5～20 m内拉张−剪切破坏密集分布的区域视为裂隙带，局部发育拉张−剪切破坏的位于工作面上方20～45 m区域视为发育微裂隙的弯曲下沉带，45～70 m视为受采动影响弱的弯曲下沉带。
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图 7 沿工作面中轴线的XZ切面煤岩层塑性区分布Figure 7. Distribution of plastic zone of XZ section strata including the central axis of coalface覆岩的非协调变形使得煤层上方产生相互交错贯通的纵向破断裂隙和横向的离层裂隙。选取离层率对水平裂隙发育程度进行评估，离层率大于30 mm/m的区域为水平裂隙发育区。计算方法如式(1)所示[26]：
$$ F = \frac{{{S_{\text{x}}} - {S_{\text{s}}}}}{h} $$ (1) 式中：F为离层率，mm/m；Ss、Sx分别为上、下位岩层的下沉量，mm；h为上下岩层的距离，m。
由图8可知，工作面上方5～10 m的区域仅在开切眼处形成较大离层，其余区域离层现象较弱，表明此层段因应力恢复被压实。10～20 m为离层主要发育区，由下至上裂隙发育位置由采场投影的四周向采场投影的中心位置过渡，可以确定压实区高度应低于10 m。20～45 m以上区域离层率为10～15 mm/m，并由采场投影的中心位置向四周逐渐减小，该区域离层裂隙发育受控于岩性差异，离层率较小但数值较稳定，可以认为是水平微裂隙发育区。45 m之上基本不发育水平离层。
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图 8 沿工作面走向中轴线XZ切面上不同层位离层率Figure 8. Separation rate at different layers of XZ section strata including the central axis of coalface第一关键层初次破断后，上覆9号煤层顶板卸压，该顶板受其下部已垮落岩层支撑，其破断角β2T与破断距L2T将大于第一关键层的破断角β1T与破断距L1T，破断岩体裂隙张开角度θ随距煤壁的距离增加而逐渐减小（图9）。因此，随着距工作面高度增加，岩体破断距变大，新生垂向贯通裂隙密度及开度减小，水平向裂隙发育区新增区域减小。工作面上方5 m内的基本顶逐步垮落使其采场四周岩层拉张、转动，形成开度较大的垂向贯通裂隙；工作面上方5～10 m的基本顶至9号煤层顶板区域垂向位移显著小于基本顶，在自身重力及上覆压应力的作用下，成为垂向贯通裂隙的主要发育区。
2.4 采动覆岩增渗特征
为了确定煤层气的运移特征与富集区，需量化采动增渗效果，采用应力诱导渗透率演化模型对不同层位渗透率变化系数进行定量描述，如式(2)所示[27-28]：
$$ \begin{gathered} \frac{{{K_k}}}{{{K_{k0}}}} = \frac{{\text{1}}}{2}\left\{ {{\left[ {1 - \frac{1}{{{K_{ni}}{b_i}}}\left( {\Delta {\sigma _i} - v\left( {\Delta {\sigma _j} + \Delta {\sigma _k}} \right)} \right)} \right]}^3} + \right.\\ \left.{{\left[ {1 - \frac{1}{{{K_{nj}}{b_j}}}\left( {\Delta {\sigma _j} - v\left( {\Delta {\sigma _i} + \Delta {\sigma _k}} \right)} \right)} \right]}^3} \right. \end{gathered}$$ (2) 式中：Kk为k方向的渗透率；Kk0为初始状态下k方向的渗透率；Kni、Knj分别为i、j方向裂缝的刚度；Δσi、Δσj、Δσk为i、j、k方向的应力变化量；bi、bj为i、j方向的裂缝开度。
将工作面上方不同高度覆岩垂向应力数据代入式(2)得到垂向渗透率变化系数（Kz/Kz0）平面特征如图10所示。工作面上方5 m处的岩层渗透率变化系数仅在采空区四周的砌体梁结构发育处有明显增加，且大部分区域渗透率变化系数不超过300，中部受上覆岩体压实而增渗效果不显著；位于工作面上方15 m的岩体渗透率增加系数最大接近800，其中心的渗透率变化系数普遍超过400；工作面上方35 m处渗透率变化系数分布与工作面上方15 m类似，但范围及数值有所减小，其中心区域为渗透率变化系数最大的区域，数值为200左右。结合前文的应力−裂隙分区，采动显著增渗区为距工作面高度45 m左右的梯形体。
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图 10 距采面不同高度覆岩渗透率变化系数平面特征Figure 10. Plane characteristics of permeability variation coefficient at different heights from coalface3. 采动区煤层气井优化设计
3.1 煤层气井井位部署优化
采动区煤层气井井位部署应综合考虑井身结构稳定、煤层气抽采高效、工作面甲烷体积分数不超限等因素[29]。由于221015工作面薄煤层开采后，工作面回风巷侧地表沉降拐点连线和采场中心线之间的布井区难以识别，因此需结合3DEC模拟获得的工作面覆岩应力与裂隙发育特征开展井位部署工作。
工作面回采过程中，增渗区不断前移、扩大。工作面推进300 m后，增渗区稳定为工作面上方5～20 m内的贯通裂隙带与20～45 m内的发育微裂隙的弯曲下沉带部分组成的区域，垂向切面上呈梯形，俯视显示为“O”形圈，是煤层气的主要富集区。覆岩沉降量最大值位于采空区中心的垮落带，垂向位移达1.7 m，地面井易发生拉张破坏；覆岩的沉降使工作面四周覆岩的水平位移发育高度与位移量增大，位移量最大达14 cm，岩性接触面的上下煤岩也产生显著水平位移，可造成地面井由下至上分段的剪切破坏。回采结束后，工作面上方10 m以内的部分区域发生微弱的压实与应力恢复，呈椭圆体分布在工作面中心，增渗程度较完全卸压时有所减弱。压实区外的“O”形圈为孔渗改善程度最大的区域[10]。受井下通风影响，回风巷侧增渗区内甲烷浓度显著高于进风巷一侧，是煤层气抽采的有利区。
基于采动裂隙发育的“O”形圈理论与采动过程中覆岩应力−裂隙场发育特征，煤层气井井位部署应规避工作面中心与四周位移发育的区域，由于研究区的压实区发育高度低，压实效果不明显，可将井位布置在靠近压实区附近。综上，确定采动区煤层气井井位应优先选择布置在由压实区沿工作面走向的边界切线、压实区沿工作面走向的边界切线与回风巷间的中轴线、裂隙区边界线围成的区域内（图11）。
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图 11 基于采动区“三场”分布特征的井位优化部署方案Figure 11. Optimal deployment scheme of well location based on "Three Fields" distribution characteristics in mining area3.2 煤层气井井身结构优化
采动区煤层气井工程在考虑钻井抗采动影响能力、抽采效果的条件下，必须对各井段岩层移动影响、套管选型、水泥环参数优化等进行逐级优化设计[30-31]。221015工作面上方5 m内为垮落带，覆岩的变形破坏严重，煤层气井完井位置应高于垮落带；工作面上方5～20 m的裂隙带内渗透率变化系数显著增加，20～45 m的弯曲下沉带的微裂隙带有一定程度卸压增渗，45 m以上的岩层增渗作用较弱，应设计主要抽采工作面上部45 m以内的3、4、6、8、9号煤层卸压煤层气。在工作面由井前推进至井后过程中，覆岩经历了应力集中到卸压的快速转变，煤层气井应具有抗拉张和挤压的能力。随着工作面的推进，工作面上方持续发生岩体的水平位移与剪切破坏，而松散层内部和基岩段内较大岩性差异的岩性交界处也是套管常发生错断的位置，煤层气井需具备一定抗剪能力。采用高强度水泥全固井，扩孔或采用悬挂器将筛管悬挂完井，可增大井身结构变形的安全余量，减轻采动对井身结构的破坏，保障煤层气的长期高效抽采。
基于3DEC模拟结果分析，设计了适用于复杂地质条件区的“二开”和“三开”井身结构的采动区煤层气井（图12）。一开钻进使用φ311.15 mm钻头，下入φ244.5 mm表层套管，使用硅酸盐高强水泥封固。设计为“二开”结构时，一开深度应至模拟测算的采动影响最大高度处；二开钻进深度应该深入到煤层覆岩裂隙带内，采用φ215.9 mm钻头，下入φ139.7 mm生产套管+φ139.7 mm筛管，同时下入分节箍，其中套管下深至采空区上100 m，筛管下深至采空区上5～10 m，即筛管底部位于富集煤层气的覆岩裂隙带，使用硅酸盐高强水泥封固，对筛管附近的3、4、6、8、9号煤层进行扩孔卸压，增大井身结构受岩石应力应变影响的缓冲区。如图12b所示，设计为“三开”结构时，一开钻进深度应穿过施工区域表土覆盖层及风化带岩层，并深入基岩15 m以下；二开钻进深度应该达到弯曲下沉带下部的微裂隙区的位置，使用φ215.9 mm钻头，下入J55级、φ177.8 mm套管，套管高出地表0.3 m，使用硅酸盐高强水泥封固；三开钻进应深入到覆岩裂隙带的煤层气富集带区，三开使用φ149.2 mm钻头，入筛管，筛管处煤层应包括3、4、6、8、9号煤层，采用悬挂方式固定筛管，完井位置为采空区上5～10 m，以减轻采动对筛管的破坏，保证较长的抽采期。
3.3 煤层气井增产措施
目前，对处于弯曲下沉带内煤层的研究较少[19]。本文研究发现，弯曲下沉带内部分区域发育微裂隙，区域内富集的大量煤层气具开采价值。在贵州各煤田，煤层气合层排采技术得到了广泛应用[20,32]。该技术降低了煤矿规划区多煤层瓦斯含量，减小了工作面瓦斯突出风险。预抽后对下部煤层开采，煤层气井排采造成的储层压降可显著降低邻近煤层应力集中程度，减弱瓦斯突出风险；此外，压裂裂缝与采动裂缝的沟通将构建弯曲下沉带内煤层气高效渗流通道，有利于煤层气井提前抽采与增产。因此，合理规划采煤产气工程接续，优化设计井位与井身结构，可形成贵州特色的“合层压裂排采+采动卸压抽采”的“一井多用”煤层气地面抽采模式。
在不具备长期预抽条件下，矿区可施工专门采动井抽采卸压煤层气。由于裂隙带充分卸压，将发育贯通裂隙，对弯曲下沉带煤层施工预增渗（水射流割缝、气体致裂等）措施，有助于提前构建其层内及层间甲烷渗流通道，增大采动卸压效果，提升煤层产气量与采收率。
结合地质与工程条件，应构建适配性的煤层气井增产工艺。基于矿区覆岩特征与采动井和原位改造井井身结构特征，本文主要从提升煤层气产气量的角度提供增产方案（图13）。采动井采用前文提出的“三开”井身结构，对弯曲下沉带中的发育微裂隙煤层采用增渗技术构建渗流通道，若推进过程中井下通风效果差，工作面甲烷浓度超限，也可对裂隙带煤层开展增渗工程，将煤层气井启抽时刻提前，保障采煤安全。预抽井改造前，在井筒内安装安全防护套管，随后对煤层位置井身射孔改造。在产气初期，应尽可能维持套压高于大气压，若套压下降至大气压以下，应尽快负压抽采，并随着工作面推进逐渐加大负压。
4. 工程实例应用与分析
4.1 山脚树煤矿221015工作面“一井多用”实例
山脚树煤矿上二叠统龙潭组薄至中厚煤层群发育，煤层气井应尽可能实现多煤层的卸压煤层气抽采。煤矿施工了YP-4井对工作面采动卸压煤层气抽采，但工作面推进缓慢，该井尚未产气。YP-3井位于煤矿221015工作面开切眼处，采面回采前进行长期煤层气预抽。首先，压裂12、18号煤层，排采216 d。随后封隔10号煤层以下井筒并对10号煤层压裂改造，排采173 d后受221015采面顶抽巷掘进影响而失效停抽。工作面回采前对4、6、8、9号煤层所在处井筒射孔改造，旨在抽采开采层上部邻近煤层采动卸压煤层气。
YP-3井对采动卸压煤层气的抽采分为3个阶段（图14）。工作面揭露该井后，采煤机切割生产套管，抽采泵负压抽采，开始第一产气阶段。该阶段产气量快速提升至1 991 m3/d后缓慢下降，甲烷体积分数维持在95 %左右。第87 d停产并采用井下电视观测井筒变形情况，发现该井4号煤层段套管发生显著挤压变形（图15），推测井筒在4号煤层下方不远处发生截断。此阶段关键层未破断，煤层气层间运移较弱，仅能抽采4号煤层甲烷，造成产气量较低。此后工作面间歇式推进，煤层气井未复工，至该井停产286 d后，增加一台相同功率抽采泵并恢复生产，产气量显著提升并稳定在5 400 m3/d，甲烷体积分数高于95 %。这表明在煤层气井停产期内，采动覆岩持续运动，关键层破断，大量贯通裂隙形成，甲烷在气体密度差影响下积聚在4号煤层附近，但该处渗流速度仍较低，即抽采泵压限制了煤层气井产气能力，这也使得甲烷体积分数维持在高值。至总产气的第156 d，撤下一台抽采泵，继续采用单泵抽采，开始第3产气阶段，产气量稳定在2 800 m3/d，甲烷体积分数在85%～90%范围波动。这表明各关键层均已破断，垂向贯通裂缝进一步发育，在停产撤泵过程中，4号煤层附近甲烷与空气快速混合，产出气甲烷体积分数受井下通风影响程度增加。
YP-3井不合理的井位、井身结构、抽采制度限制了其产气。首先，该井未全固井、未加安装防护套管，且位于覆岩水平位移发育的开切眼处。这造成地面井在裂隙带以上发生截断，层间贯通裂隙发育前，难以有效抽采裂隙带卸压煤层气。其次，虽然4号煤层显著卸压增渗，同时射孔后形成了煤层气向井筒渗流的通道，但负压抽采面积较小，压降漏斗难以扩展，即便层间贯通裂隙发育，裂隙带煤层气的跨层运移所需能量较大，多台泵抽下煤层气渗流速度仍较低。除第一阶段外，煤层气井产气量长期受限于抽采泵压，产气潜力难以激发，裂隙带大量煤层气未产出。此外，该井经历了多次井身结构改造，实现预抽井至采动井的转换，但多次改造的衔接关系较弱，未实现煤层气高效开发。
统计了未开展采动卸压煤层气地面抽采工程的
221013 工作面的井下通风数据与221015工作面的井下通风数据（表2）。对比发现，地面抽采降低了井下通风压力，有助于煤炭安全生产与煤层气的高效利用。表 2 不同工作面甲烷参数特征Table 2. Gas parameter characteristics of different coalfaces工作面编号 排风量/
(m3·min−1)风排甲烷体积分数/
%甲烷涌出量/
(m3·min−1)221013 972 0.50 4.86 221015 746 0.45 3.36 YP-3“一井多用”实例表明：采动覆岩内煤与非煤岩层频繁互层增强了采动影响，发育微裂隙的弯曲下沉带煤层仍有近2 000 m3的单层日产气潜力；即便井筒受采动影响截断，关键层破断使得卸压煤层气大量层间运移，辅以较高的抽采泵压，产气量仍显著提升，产出气甲烷体积分数较高且稳定。研究区具有广阔的“一井多用”应用前景。
4.2 肥田煤矿
210703 工作面采动井实例肥田煤矿煤层气地质背景与山脚树煤矿类似，其
210703 工作面开采8号煤层，采高2.2 m，上覆煤层主要为6下、6号煤层。该采面施工了FT-X2井抽采6下、6号煤层的采动卸压煤层气。该井位于模拟预估的压实区与采动裂隙带交界处，为前述优化设计的三开井身结构。根据FT-X2井产气资料，绘制了日产气量曲线如图16所示。结果显示：在产气19 d后工作面推过井位，产气量快速提升，进入高产期，日产气量在34 000 m3上下波动，第40 d达到产气峰值35 094 m3，随后产气量开始快速下降，截至第207 天，日产气量为11 617 m3。在此过程中，产出气体甲烷体积分数在60%～90%波动，大部分时期维持在80%左右，产气量快速降低后，甲烷浓度并未有显著降低。此外，统计了FT-X2井产气过程中井下通风数据（图17），由图可知，当工作面推过井位后，在排风量逐渐降低的情况下，甲烷涌出量则在2.5 m3/min左右波动。FT-X2井实例表明：研究提出的采动区煤层气井的优化设计方案具有地质适配性，合理的井位与井身结构设计有助于多煤层采动卸压煤层气高效抽采，显著降低井下甲烷涌出量，减弱瓦斯突出危险性，下一步可探索“合层压裂排采+采动卸压抽采”的“一井多用”煤层气开发模式。
5. 结 论
1）研究区煤系岩石力学性质频繁强弱交互的地质特征提高了采动卸压煤层气抽采效果，受采动影响的覆岩高度可达70 m。关键层则控制着邻近煤层的应力应变特征，进而控制着煤层气的运移与产出。
2）关键层依次破断后，工作面上方5～10 、10～20 m层段分别形成了垂向贯通裂隙和离层的主要发育带，两者组成的贯通裂隙带渗透率变化系数超过800，构成了煤层气井主要气源带。工作面上方20～45 m层段属弯曲下沉带内的微裂隙带，渗透率变化系数达200，带内单煤层具有2 000 m3的日产气潜力，裂隙带卸压煤层气运移积聚至此带内。高抽采泵压下，卸压煤层气可跨层运移产出。
3）以井身结构稳定、煤层气高效抽采、工作面甲烷体积分数不超限为约束条件，综合分析研究区地质条件与覆岩应力−裂隙场发育特征，优选了由压实区沿工作面走向的边界切线、压实区沿工作面走向的边界切线与回风巷间的中轴线、裂隙区边界线围成的区域内为煤层气井井位部署的有利区，设计了可应对复杂地形的二开、三开2种井身结构的煤层气井井型。
4）地质适配的井位与井身结构助力研究区采动卸压煤层气抽采井日产气量超35 000 m3，显著降低了工作面瓦斯突出风险，“合层压裂排采+采动卸压抽采”的煤层气生产模式可助力研究区实现煤层气高效抽采与煤炭安全生产。
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图 1 工作面位置与开采层及邻近煤岩层特征
Figure 1. Location of coalface and characteristics of mining layer and adjacent seams
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图 3 沿工作面中轴线的XZ切面煤岩层垂向位移量
Figure 3. Vertical displacement of XZ section strata including the central axis of coalface
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图 4 沿工作面中轴线的XZ切面煤岩层水平位移量
Figure 4. Horizontal displacement of XZ section strata including the central axis of coalface
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图 5 沿工作面中轴线的XZ切面垂向不同位置支承应力分布
Figure 5. Supporting stress distribution at different positions of XZ section strata including the central axis of coalface
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图 6 工作面推进过程中工作面中心垂线上正应力变化
Figure 6. Change of stress on the vertical line of stope center during the advancing of coalface
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图 7 沿工作面中轴线的XZ切面煤岩层塑性区分布
Figure 7. Distribution of plastic zone of XZ section strata including the central axis of coalface
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图 8 沿工作面走向中轴线XZ切面上不同层位离层率
Figure 8. Separation rate at different layers of XZ section strata including the central axis of coalface
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图 10 距采面不同高度覆岩渗透率变化系数平面特征
Figure 10. Plane characteristics of permeability variation coefficient at different heights from coalface
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图 11 基于采动区“三场”分布特征的井位优化部署方案
Figure 11. Optimal deployment scheme of well location based on "Three Fields" distribution characteristics in mining area
表 1 山脚树煤矿221015工作面煤系地层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of f coal measures at 221015 face of Shanjiaoshu coal mine
煤岩编号 岩性 密度/(m3·kg−1) 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 抗拉强度/MPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/(°) rock_1 泥质粉砂岩 2 830 16.0 18.0 13.0 9.6 38 seam_1 1号煤层 1 520 5.3 2.8 0.45 2.3 41 rock_3 细砂岩 2 720 26.0 19.0 27.0 6.5 28 seam_3 3号煤层 1 450 4.3 2.6 0.42 1.3 38 rock_4 粉砂岩 2 500 13.0 7.5 37.0 5.5 28 seam_4 4号煤层 1 400 4.9 2.0 0.5 0.8 28 rock_6 粉砂岩 2 780 26.0 19.0 7.0 10.0 25 seam_6 6号煤层 1 560 5.3 2.8 0.45 2.3 41 rock_8 粉砂岩 2 780 25.0 17.0 25.0 7.9 22 seam_8 8号煤层 1 650 5.6 3.2 0.5 2.5 37 rock_9 泥质粉砂岩 2 760 16.0 14.0 15.0 5.3 30 seam_9 9号煤层 1 500 4.3 2.6 0.4 1.5 42 rock_10 粉砂岩 2 720 28.0 19.0 37.0 10.9 28 seam_10 10号煤层 1 700 5.9 3.1 0.5 3.4 32 rock_12 粉砂岩 2 760 25.0 16.0 22.0 3.4 31 seam_12 12号煤层 1 600 5.2 2.8 0.3 4.0 33 rock_13 粉砂岩 2 740 26.0 17.0 2.9 8.5 37 seam_13 13号煤层 1 560 5.3 2.8 0.5 2.3 41 rock_14 粉砂岩 2 500 11.7 7.5 27.0 5.5 28 
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表 2 不同工作面甲烷参数特征
Table 2 Gas parameter characteristics of different coalfaces
工作面编号 排风量/
(m3·min−1)风排甲烷体积分数/
%甲烷涌出量/
(m3·min−1)221013 972 0.50 4.86 221015 746 0.45 3.36
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[1] ZHANG R,CHENG Y P,ZHOU H X,et al. New insights into the permeability-increasing area of overlying coal seams disturbed by the mining of coal[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,49:352−364. doi: 10.1016/j.jngse.2017.11.031
[2] 桑树勋,皇凡生,单衍胜,等. 碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展[J]. 煤炭科学技术,2024,52(1):196−210. SANG Shuxun,HUANG Fansheng,SHAN Yansheng,et al. Technology processes of enhancement of broken soft and low permeability coal reservoir and surface development of coalbed methane[J]. Coal Science and Technology,2024,52(1):196−210.
[3] 任波,袁亮,桑树勋,等. 厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防:以淮南顾桥矿为例[J]. 煤田地质与勘探,2018,46(5):159−166. REN Bo,YUAN Liang,SANG Shuxun,et al. Deformation and damage of pressure-relieved gas extraction wells in deep mining under thick surface soil and their prevention:With Guqiao of Huainan mine as an example[J]. Coal Geology & Exploration,2018,46(5):159−166.
[4] 王双明,刘浪,赵玉娇,等. “双碳” 目标下赋煤区新能源开发:未来煤矿转型升级新路径[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):59−79. WANG Shuangming,LIU Lang,ZHAO Yujiao,et al. New energy exploitation in coal-endowed areas under the target of “double carbon”:A new path for transformation and upgrading of coal mines in the future[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):59−79.
[5] 刘志高,张守宝,皇甫龙. 腾达煤矿倾斜煤层覆岩运移规律及“上三带” 高度的确定[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2022,4(3):70−79. LIU Zhigao,ZHANG Shoubao,HUANGFU Long. Overburden migration law of inclined coal seam and determination of ‘' upper three zones’ ‘height in Tengda Coal Mine[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2022,4(3):70−79.
[6] 姜小强,樊少武,程志恒,等. 基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式[J]. 煤炭科学技术,2018,46(6):107−113. JIANG Xiaoqiang,FAN Shaowu,CHENG Zhiheng,et al. Three region linkage comprehensive gas control model based on ground and underground gas joint drainage[J]. Coal Science and Technology,2018,46(6):107−113.
[7] ZHENG C S,KIZIL M S,AMINOSSADATI S M,et al. Effects of geomechanical properties of interburden on the damage-based permeability variation in the underlying coal seam[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,55:42−51. doi: 10.1016/j.jngse.2018.04.017
[8] 武玺,李国富,王争,等. 晋城岳城矿地面采动区井井位优选与抽采寿命研究[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(1):130−136. WU Xi,LI Guofu,WANG Zheng,et al. Study on the optimization of well location and extraction life in mining disturbed zone of Yuecheng mine in Jincheng[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(1):130−136.
[9] 张永将,邹全乐,杨慧明,等. 突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术[J]. 煤炭学报,2023,48(10):3713−3730. ZHANG Yongjiang,ZOU Quanle,YANG Huiming,et al. Joint ground and underground gas extraction mode and its key technology for outburst coal seam group[J]. Journal of China Coal Society,2023,48(10):3713−3730.
[10] 钱鸣高,许家林. 覆岩采动裂隙分布的“O” 形圈特征研究[J]. 煤炭学报,1998,23(5):20−23. QIAN Minggao,XU Jialin. Study on the “O shape” circle distribution characteristics of mining induced fractures in the overlaying strata[J]. Journal of China Coal Society,1998,23(5):20−23.
[11] MAJDI A,HASSANI F P,NASIRI M Y. Prediction of the height of destressed zone above the mined panel roof in longwall coal mining[J]. International Journal of Coal Geology,2012,98:62−72. doi: 10.1016/j.coal.2012.04.005
[12] 刘泽功,袁亮,戴广龙,等. 开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法抽放瓦斯研究[J]. 中国工程科学,2004,6(5):32−38. LIU Zegong,YUAN Liang,DAI Guanglong,et al. Study on coal seam roof gas drainage from the strike of annular fracture areas by the long drill method[J]. Engineering Science,2004,6(5):32−38.
[13] 杨科,谢广祥. 采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应[J]. 煤炭学报,2008,33(10):1092−1096. YANG Ke,XIE Guangxiang. Caving thickness effects on distribution and evolution characteristics of mining induced fracture[J]. Journal of China Coal Society,2008,33(10):1092−1096.
[14] 张礼. 采动裂隙环形体理论模型及其在卸压瓦斯抽采中的应用[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2020. ZHANG Li. Theoretical model of mining fractured annular body and its application in pressure relief gas drainage[D]. Beijing:China University of Mining & Technology-Beijing,2020.
[15] 付军辉. 采动区瓦斯地面井井身结构设计及安全防护研究[J]. 煤炭工程,2020,52(5):48−53. FU Junhui. Study on structure design and safety protection of gas surface well in mining area[J]. Coal Engineering,2020,52(5):48−53.
[16] 袁亮,郭华,李平,等. 大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术[J]. 煤炭学报,2013,38(1):1−8. YUAN Liang,GUO Hua,LI Ping,et al. Theory and technology of goaf gas drainage with large-diameter surface boreholes[J]. Journal of China Coal Society,2013,38(1):1−8.
[17] WANG D Y,WANG Z M,ZENG Q S. An experimental study on gas/liquid/solid three-phase flow in horizontal coalbed methane production wells[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2019,174:1009−1021. doi: 10.1016/j.petrol.2018.11.041
[18] 徐凤银,侯伟,熊先钺,等. 中国煤层气产业现状与发展战略[J]. 石油勘探与开发,2023,50(4):669−682. XU Fengyin,HOU Wei,XIONG Xianyue,et al. The status and development strategy of coalbed methane industry in China[J]. Petroleum Exploration and Development,2023,50(4):669−682.
[19] 薛俊华,肖健,杜轩宏,等. 我国煤矿保护层开采卸压瓦斯抽采现状及发展趋势[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(6):50−61. XUE Junhua,XIAO Jian,DU Xuanhong,et al. Current situation and development trend of pressure-relief gas extraction in the protective layer mining in coal mines in China[J]. Coal Geology & Exploration,2023,51(6):50−61.
[20] 陈畅然,周效志,赵福平,等. 薄—中厚煤层群煤层气井高产的地质与工程协同控制技术:以贵州织纳煤田文家坝区块为例[J]. 天然气工业,2023,43(1):55−64. CHEN Changran,ZHOU Xiaozhi,ZHAO Fuping,et al. Geological and engineering collaborative control technology for high production of CBM wells in thin-medium-thick coal seam clusters:A case study of Wenjiaba block in the Zhina Coalfield,Guizhou[J]. Natural Gas Industry,2023,43(1):55−64.
[21] 高为,易同生,颜智华,等. 贵州省煤系气成藏条件及勘探方向[J]. 天然气地球科学,2022,33(5):799−806. GAO Wei,YI Tongsheng,YAN Zhihua,et al. Reservoir forming conditions and exploration direction of coal measure gas in Guizhou Province[J]. Natural Gas Geoscience,2022,33(5):799−806.
[22] 陈捷,胡海洋,娄毅,等. 贵州省低渗薄煤层水力增渗模拟及地面抽采试验:以山脚树矿YP-7井为例[J]. 煤炭科学技术,2023,51(S2):60−70. CHEN Jie,HU Haiyang,LOU Yi,et al. Surface permeability improvement and gas control extraction test of low permeability thin coal seam in Guizhou province:Taking the YP-7 well of Shanjiaoshu Mine as an example[J]. Coal Science and Technology,2023,51(S2):60−70.
[23] 张春雷. 煤层群上行开采层间裂隙演化及卸压空间效应[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2017. ZHANG Chunlei. Evolution of interlayer cracks and spatial effect of pressure relief in upward mining of coal seam groups[D]. Beijing:China University of Mining & Technology-Beijing,2017.
[24] 雷顺,刘跃东,王永明,等. 煤与软弱夹层组合体裂纹扩展及变形破坏规律数值模拟研究[J]. 能源与环保,2023,45(11):21−27. LEI Shun,LIU Yuedong,WANG Yongming,et al. Numerical simulation study on crack propagation and deformation failure law of coal and weak interlayer combination[J]. China Energy and Environmental Protection,2023,45(11):21−27.
[25] 赵鹏翔,王晓玉,李树刚,等. 岩煤强度比对组合体破裂声发射及裂隙分形特性的影响[J]. 西安科技大学学报,2024,44(4):649−659. ZHAO Pengxiang,WANG Xiaoyu,LI Shugang,et al. Effect of rock-coal strength ratio on acoustic emission and fracture fractal characteristics of assemblage[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2024,44(4):649−659.
[26] 李树刚,钱鸣高,石平五. 综放开采覆岩离层裂隙变化及空隙渗流特性研究[J]. 岩石力学与工程学报,2000,19(5):604−607. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2000.05.012 LI Shugang,QIAN Minggao,SHI Pingwu. Study on bed-separated fissures of overlying stratum and interstice permeability in fully-mechanized top coal caving[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(5):604−607. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2000.05.012
[27] MENG Z P,SHI X C,LI G Q. Deformation,failure and permeability of coal-bearing strata during longwall mining[J]. Engineering Geology,2016,208:69−80. doi: 10.1016/j.enggeo.2016.04.029
[28] HUANG Q M,WU B,CHENG W M,et al. Investigation of permeability evolution in the lower slice during thick seam slicing mining and gas drainage:A case study from the Dahuangshan coalmine in China[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,52:141−154. doi: 10.1016/j.jngse.2018.01.036
[29] 胡君. 煤矿采动区地面井群布置优化及其抽采效果评估方法研究[D]. 重庆:重庆大学,2020. HU Jun. Study on optimization of surface well group layout and evaluation method of drainage effect in coal mining area[D]. Chongqing:Chongqing University,2020.
[30] 胡千庭,孙海涛. 煤矿采动区地面井逐级优化设计方法[J]. 煤炭学报,2014,39(9):1907−1913. HU Qianting,SUN Haitao. Graded optimization design method on surface gas drainage borehole[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(9):1907−1913.
[31] 降文萍,柴建禄,张群,等. 基于煤层气与煤炭协调开发的地面抽采工程部署关键技术进展[J]. 煤炭科学技术,2022,50(12):50−61. JIANG Wenping,CHAI Jianlu,ZHANG Qun,et al. Key technology progress of surface extraction project deployment based on coordinated development of CBM and coal[J]. Coal Science and Technology,2022,50(12):50−61.
[32] 刘江,桑树勋,周效志,等. 六盘水地区煤层气井合层排采实践与认识[J]. 煤田地质与勘探,2020,48(3):93−99. LIU Jiang,SANG Shuxun,ZHOU Xiaozhi,et al. Practice and understanding of multi-layer drainage of CBM wells in Liupanshui area[J]. Coal Geology & Exploration,2020,48(3):93−99.
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