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近日，中国煤科重庆研究院张志刚研究员团队在总结分析重复扰动下地面井变形特征及力学机理的基础上，提出了重复扰动下地面井安全防护与抽采设计技术，成果以《煤矿重复扰动“ 采动－采空” 地面井抽采技术及应用》为题发表于《煤炭科学技术》2021年第10期。李日富研究员为通讯作者。
煤矿采动区地面井抽采技术能够充分利用地下煤炭开采引起的“卸压增透效应”，采用负压将煤岩层的卸压瓦斯抽采至地表，可以克服我国含煤地层“三低”（低压、低渗、低饱和）的缺点，是实现煤与煤层气共采目标的适用技术。
张志刚等在深入分析重复扰动下地层的移动规律、地面井的变形破坏力学机理、失效方式与特征，发现地面井破坏的直接原因是发生了过量的位移变形，据此总结分析出地面井破坏失效的判识条件：①套管剪切位移量超过其管内直径；②套管的最小拉伸安全系数小于阈值“1”。
一、地面井防护设计技术
在此认识基础上提出了“避、抗、让、疏、护”五大地面井防护技术理念。
（1）“避”的理念，通过合理选择地面井位置减少地面井的破坏性位移量。重复扰动影响下地面井变形破坏方式更加复杂，地面井位置应该以保证产气通道的稳定性为主，尽量延长有效抽采期间，因此井位宜选择在回风巷一侧的第1次采动影响的地表沉降拐点连线与第2次采动影响的地表沉降拐点连线的中间区域，合理布井区域如图所示。
地面井合理布井区域示意
（2）“抗”的理念，通过提高井身结构的抗破坏能力减少地面井的破坏性位移。重复扰动地面井的生产套管宜使用N80以上钢级且壁厚不低于10 mm的管材，同时优化护井水泥环的厚度保证其对井身强度的增益。
（3）“让”的理念，通过提前留设位移空间减少地面井的破坏性位移。设计大直径井身结构增加地面井的有效通径，同时利用局部固井工艺给地面井下部岩层移动较强烈的区域“让”出一定的变形空间。
（4）“疏”的理念，通过使用三开筛管等结构保证抽采通道的畅通。采用三开筛管悬挂完井工艺可在增加导气筛眼的同时解决三开井段易缩颈、塌孔难题，优选空气钻进工艺可以大幅减少井底、井壁残存钻渣保障抽采通道的畅通。
（5）“护”的理念，通过研发抗破坏防护装置、工艺减少地面井高危位置的破坏性位移量。开发偏转结构、伸缩结构、厚壁刚性结构等局部防护装置，或者利用外径缠绕匝丝对地面井局部井段实行重点防护。
二、地面井连续抽采技术
由于受井下工作面生产影响，采动区地面井抽采的瓦斯体积分数波动范围大（10%～90%），抽采管路需要按照行业标准进行“三级”防护设计，同时在管路上安设相应的参数监测装置，检测收集瓦斯浓度、抽采负压、氧气浓度、抽采流量等气体参数，同时进行如下操作以保证系统正常安全运行：
（1）当对应的工作面推至距离采动区地面井60 m左右时应开机试运行，若负压急剧上升超过50～60 kPa，则停泵，然后根据工作面进尺按每5～10 m的频率开机试运行；当瓦斯浓度较高、产气量较小但持续稳定时，可开启管道上的调节阀门，直至负压稳定在30 kPa以下，开始连续运行抽采。
（2）抽采负压检测：地面井抽采过程中负压急剧升高、混合流量自然变小时，适当降低抽采负压，并以不低于24 h/次的检测频度抽采运行。
（3）氧气浓度检测：氧气浓度在采动区地面井正常运行后应相对稳定，密闭采空区抽采氧气体积分数一般应低于5%或长期保持一平衡值。
（4）一氧化碳浓度检测：当开采煤层有自然发火危险时，应补充监测管道内气体的一氧化碳浓度，一氧化碳浓度临界值应依据矿区资料确定。
三、应用效果
采动区地面井井深结构
利用该成果在岳城煤矿设计施工了5 口地面井，累计抽采标况纯瓦斯量约5 240 万m3，保障煤矿安全生产的同时提高了瓦斯抽采利用量，社会经济效果显著。其中，YCCD-02井经过5年持续运行，其最大抽采影响半径超过800 m，这一发现对采动区地面井抽采影响范围研究及地面井群合理布置有重要意义。
这项研究得到了国家科技重大专项、重庆市科技创新领军人才计划、山西省科技揭榜招标计划项目的资金支持。
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