改进的L形井在采矿与采空区连续抽采煤层气的试点测试

将矿井隐患转为清洁能源

煤矿不仅产煤，还释放大量甲烷，这是一种易燃气体，地下泄漏可引发致命爆炸，并在逸散到大气时加剧气候变暖。本文研究一种从地表钻入的特殊弯曲“L形”井，探讨如何重新设计使单口井在煤层开采期间及矿工撤离后长期、安全且高效地收集甲烷。

为什么煤矿甲烷很重要

对产煤地区而言，甲烷既是危险，也是资源。高瓦斯含量可在工作巷道引发突发冒出，并在称为采空区的旧塌陷区域维持缓燃火源。同时，甲烷本质上是可用作燃料的天然气，只要能被回收利用。许多国家在开采前后都向煤层钻孔以降低风险并回收煤层气，但效果差异很大。例如在中国，单井平均产量偏低且稳定产气期往往较短，使得投资难以回收。

L形井理应如何发挥作用

L形井从地表向下钻进后转向水平，使长段位于或靠近煤层上方。该布置允许单口井跨越整个采区而不干扰井下作业。理论上，这类井能在采煤面扰动的岩体中抽采甲烷，并在后期从采空区的破碎岩体和残余煤中继续采集。作者在山西省的三口大型煤矿中跟踪了这类井，记录了它们在采矿期间及采区废弃后的产气表现。

实际矿井中出现的问题

三口试验井中只有一口长期产气量足以被视为有利可图。详细测量显示，在两口效果不佳的井中，L形井的水平段位置距离实际承载气流的裂缝网络过高。破碎煤体与井筒之间缺乏稳定的流动通道，导致产气迅速下降。此外，每口井的下部留作裸眼孔未做水泥固井，采后上覆岩体沉降位移使该段易发生弯曲变形，进一步破坏气流并缩短井的有效寿命。

为两项任务设计一口井

基于观测、岩体力学理论和数值模拟，研究者提出了新的“单井两用”设计。长段不再是简单的单一水平线，而是分为两部分，分别位于采出煤层上方主导产气裂隙带的不同高度。约60%的长度置于该裂隙带的下部，裂缝较宽利于气体流动；其余40%位于稍高的较坚固岩层，能更好抵抗挤压与塌陷。井筒本身升级为大口径两段结构，垂直段与倾斜段采用分段或多段固井；水平段安装带缝隙的滤管，使气体可进入同时避免岩体失去支护。

保持从采区到采空区的气流

改进的井型配套灵活的抽采策略。在采煤活跃期，气压高且新裂隙不断产生时，于地面施加较强负压，快速抽出甲烷以保障工作面安全。采矿停止、采空区沉降后，降低抽吸强度以避免过多吸入空气，同时继续捕集残余煤和附近煤层缓慢释放的气体。由于同一L形井现在在力学上更稳定且与裂隙网络保持良好连通，产气期可延长至约六年，覆盖两阶段的抽采，整体回收率可与为各阶段单独设计的井相当。

对矿井与环境的意义

简言之，研究表明通过合理布位与加固L形井，可以把一种寿命短且具有风险的瓦斯控制工具，转变为长期的双重用途能源井。将水平段放在实际承载甲烷的裂缝带内，并通过强化井筒使其经受地层位移，单口井既能在采矿期间安全排气，又能在采空区继续收集甲烷。这有助于更有效地利用钻探投入、防止爆炸与火灾，并减少煤炭开采造成的甲烷排放，从而把更多的隐患转化为可利用的燃料。

引用: Zhang, J., Qin, Y., Li, G. et al. Pilot tests of continuous gas extraction with improved L-shaped wells from mining and goaf areas. Sci Rep 16, 16597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41494-3

关键词: 煤层气, L形井, 煤炭开采, 甲烷抽采, 采空区瓦斯