雷 毅，申寶宏，劉見中

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013)

煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式初探

雷 毅，申寶宏，劉見中

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013)

在分析和總結(jié)晉城、兩淮和松藻3個(gè)礦區(qū)地質(zhì)條件及煤層氣與煤炭開發(fā)時(shí)間順序、空間布局、技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上，初步提出3種典型地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式及其適用條件，為相似條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)提供借鑒。

煤層氣;煤炭;協(xié)調(diào);模式

煤炭是我國(guó)的主體能源，2010年分別占我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的77.4%和68.6%。煤層氣是我國(guó)重要的非常規(guī)天然氣資源，也是我國(guó)煤礦重特大事故的主要根源，地質(zhì)資源量達(dá)3.68×1013m3。煤層氣與煤炭屬于典型的同源同體的共生礦產(chǎn)，煤層氣開發(fā)與煤炭開采既相互促進(jìn)，也彼此制約。煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)有利于實(shí)現(xiàn)安全、資源、環(huán)保三重效益，研究探討典型地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式具有重要意義。

1 煤層氣開發(fā)與煤炭開采的相互影響關(guān)系

煤層氣與煤炭?jī)煞N資源同源共生的特點(diǎn)，決定了煤層氣開發(fā)與煤炭開采密切相關(guān)且相互影響，其影響關(guān)系主要包括以下兩個(gè)方面:

(1)煤層氣開發(fā)與煤炭開采的正效應(yīng)關(guān)系一方面，通過(guò)地面煤層氣抽采能有效降低煤層氣含量，將高瓦斯礦井變成低瓦斯礦井，有利于煤炭資源的安全開發(fā)。另一方面，煤炭開采引起巖層移動(dòng)，在采空區(qū)四周形成一個(gè)連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，使煤層的滲透性顯著提高，有利于煤層氣資源的高效開發(fā)。

(2)煤層氣開發(fā)與煤炭開發(fā)的負(fù)效應(yīng)關(guān)系一方面，煤炭開采對(duì)上覆巖層產(chǎn)生擾動(dòng)作用，對(duì)地面鉆井產(chǎn)生較大影響，易導(dǎo)致切孔、堵孔、套管變形斷裂甚至鉆孔報(bào)廢，不利于煤層氣抽采井施工。另一方面，地面煤層氣抽采鉆井遺留套管，不利于煤炭開采;抽放鉆孔及水力壓裂等增透措施破壞頂?shù)装?，易溝通含水層，給煤炭開采帶來(lái)安全隱患。

2 典型地質(zhì)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)

晉城礦區(qū)、兩淮礦區(qū)、松藻礦區(qū)是我國(guó)較高滲中硬煤層條件、低滲突出軟煤層群條件及復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的典型代表。在分析和總結(jié)3個(gè)礦區(qū)地質(zhì)條件及煤層氣與煤炭開發(fā)時(shí)間順序、空間布局、技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上，初步提出三種典型地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式及其適用條件。

2.1 較高滲中硬煤層煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)

2.1.1地質(zhì)條件

晉城礦區(qū)位于沁水煤田南部，具有煤層穩(wěn)定、煤層氣賦存條件好的特點(diǎn)，是我國(guó)目前發(fā)現(xiàn)的最具煤層氣開發(fā)潛力的地區(qū)。晉城礦區(qū)煤層主要為高階無(wú)煙煤，埋深300～700m，主采3號(hào)煤層傾角小，厚度5～6m，煤層硬度高，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單;瓦斯含量10～38m3/t，平均16m3/t;滲透率中等偏高，0.1～5mD;資源豐度達(dá)2×108m3/km2。

2.1.2 時(shí)空協(xié)調(diào)

為實(shí)現(xiàn)采煤采氣一體化協(xié)調(diào)開發(fā)，將礦區(qū)劃分為煤炭采空區(qū)、煤炭生產(chǎn)區(qū)、煤炭遠(yuǎn)景區(qū)，不同區(qū)域內(nèi)采用不同的煤層氣開發(fā)方式。

(1)煤炭遠(yuǎn)景區(qū) 以煤層氣地面開發(fā)為主。煤層氣含量q＞16m3/t區(qū)域，提前5～10a采用地面直井或水平井開發(fā)技術(shù)進(jìn)行預(yù)抽;q為8～16m3/t區(qū)域，提前3～5a采用地面直井或水平井開發(fā)技術(shù)進(jìn)行預(yù)抽，同時(shí)進(jìn)行煤礦井下瓦斯抽采。

(2)煤炭生產(chǎn)區(qū) 以井下抽采為主、地面采動(dòng)區(qū)抽采相結(jié)合的方式進(jìn)行煤層氣抽采，保證煤礦井下瓦斯壓力P＜0.74MPa，瓦斯含量q＜8m3/t。

(3)煤炭采空區(qū) 地面煤層氣井進(jìn)行采空區(qū)抽采為主，同時(shí)注重與井下瓦斯抽采相結(jié)合。

在實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)煤層氣含量、煤礦生產(chǎn)規(guī)劃和回采工作面空間位置進(jìn)行立體化設(shè)計(jì)和布置。在時(shí)間方面，保證煤層氣開發(fā)與煤炭開發(fā)的全過(guò)程協(xié)調(diào)一致;在空間方面，保證地面煤層氣井位與礦井采掘之間的銜接與協(xié)調(diào);在功能方面，實(shí)現(xiàn)采前、采中和采后煤層氣綜合抽采，煤層氣開發(fā)與煤炭地質(zhì)勘查、礦井建設(shè)與生產(chǎn)、瓦斯治理等工作的銜接與協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)煤層氣井功能的多元化。

2.1.3 技術(shù)途徑

抽采技術(shù)主要包括地面煤層氣開發(fā)、井下抽采技術(shù)和地面與井下聯(lián)合抽采三方面。地面煤層氣開發(fā)技術(shù)包括直井、水平井和叢式井。直井采用清水鉆進(jìn)、活性水壓裂和定壓排水采氣技術(shù)，適宜于有較長(zhǎng)抽采時(shí)間保證的區(qū)域;水平井適合地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，抽采時(shí)間相對(duì)較短，滲透率中等和投資規(guī)模較大的區(qū)域;叢式井適合地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地面地形條件較差，征地和道路修整困難，投資規(guī)模中等的區(qū)域。

井下抽采技術(shù)包括模塊化區(qū)域遞進(jìn)式抽采技術(shù)、分源雙系統(tǒng)抽采技術(shù)和采空區(qū)抽采技術(shù)。模塊化區(qū)域遞進(jìn)式抽采技術(shù)運(yùn)用順煤層的長(zhǎng)鉆孔、枝狀鉆孔技術(shù)，在煤礦抽采巷道向兩側(cè)施工長(zhǎng)鉆孔，根據(jù)鉆孔長(zhǎng)度和工作面尺寸確定抽、掘、采工作面比例，每一次的抽、掘、采工作面形成一個(gè)模塊。分源雙系統(tǒng)抽采技術(shù)根據(jù)本煤層預(yù)抽需要高負(fù)壓、低流量，采空區(qū)抽采需要低負(fù)壓、大流量的特點(diǎn)，在鉆孔預(yù)抽區(qū)和采空區(qū)分別建立煤層氣抽采系統(tǒng)。采空區(qū)抽采技術(shù)通過(guò)在地面鉆垂直孔至采動(dòng)裂隙帶，抽采采空區(qū)以及鄰近煤層和圍巖中的煤層氣。

2.1.4 模式總結(jié)

較高滲中硬煤條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式主要特點(diǎn)是先采氣后采煤，以采氣保采煤;地面開發(fā)與井下長(zhǎng)鉆孔區(qū)域抽采相結(jié)合，保證安全高效采煤的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)。該模式適用于地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，地勢(shì)平緩，煤質(zhì)較硬，f＞1，q＞16m3/t，滲透率＞1mD，現(xiàn)代地應(yīng)力作用較弱的地區(qū)。

2.2 低滲突出軟煤層群煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式

2.2.1 賦存條件

兩淮礦區(qū)是華東、中南、華北等煤礦區(qū)的典型代表，煤炭?jī)?chǔ)量占華東地區(qū)煤炭總儲(chǔ)量的70%，是我國(guó)高瓦斯、高地應(yīng)力、煤層群、開采條件較復(fù)雜的典型礦區(qū)。兩淮礦區(qū)現(xiàn)有31對(duì)生產(chǎn)礦井，全部為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，具有煤層群 (8～15層可采煤層)、煤層瓦斯含量高 (12～32m3/t)、表土厚 (300～600m)、埋藏深 (400～2000m)、極松軟 (f為0.2～0.8)、透氣性低 (滲透率為 0.001～0.01mD)、瓦斯壓力大 (高達(dá)6.4MPa)、煤層傾角變化大 (0～90°)等特點(diǎn)。

2.2.2 時(shí)空協(xié)調(diào)

為實(shí)現(xiàn)低滲突出軟煤層群條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)，礦井必須提前3～5a制定煤層氣與煤炭共采及煤層氣抽采規(guī)劃，調(diào)整礦井開采部署，制定礦井開拓、掘進(jìn)和回采接替計(jì)劃，以及配套的煤層氣抽采技術(shù)方案，保證首采層和卸壓層工作面正常銜接，做到“抽、掘、采”協(xié)調(diào)。為此，在時(shí)間和空間上將礦區(qū)劃分為準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)，如圖1所示。

(1)準(zhǔn)備區(qū) 在低透氣性煤層群賦存區(qū)域，采用先抽后采模式，先采氣后采煤，以采氣促采煤。利用地面鉆井壓裂抽采和井下穿層鉆孔抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯含量 q＜8m3/t，殘余瓦斯壓力 P＜0.74MPa的目標(biāo)。

(2)生產(chǎn)區(qū) 首采層采用穿層鉆孔、順層鉆孔、邊掘 (采)邊抽和井下強(qiáng)化增透抽采等技術(shù)，卸壓層采用地面鉆井采動(dòng)區(qū)抽采技術(shù)和卸壓層穿層鉆孔抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤層氣與煤炭資源安全高效開發(fā)，工作面瓦斯抽采不低于《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的要求。

(3)采空區(qū) 針對(duì)采空區(qū)、裂隙帶圍巖瓦斯，采用地面鉆井采空區(qū)抽采及采空區(qū)埋 (插)管抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)回收煤層氣資源，防止回風(fēng)瓦斯超限的目標(biāo)。

2.2.3 技術(shù)途徑

兩淮礦區(qū)煤層氣抽采主要技術(shù)途徑包括地面鉆井“一井三用”煤層氣綜合抽采技術(shù)、首采保護(hù)層抽采技術(shù)及卸壓層抽采技術(shù)三方面。

圖1 煤層群條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)時(shí)空布局

(1)地面鉆井“一井三用”煤層氣綜合抽采技術(shù)利用同一個(gè)地面鉆井分階段進(jìn)行煤層氣抽采，實(shí)現(xiàn)采前、采中和采空區(qū)抽放。

(2)首采保護(hù)層抽采技術(shù)包括區(qū)域順層鉆孔、煤 (巖)巷穿層鉆孔、井下深孔控制預(yù)裂爆破增透、邊掘 (采)邊抽、采空區(qū)煤層氣抽采等方面。

(3)卸壓層抽采技術(shù)包括首采關(guān)鍵層頂板采空區(qū)富集煤層氣抽采技術(shù)、大間距上部遠(yuǎn)程卸壓煤層氣抽采、煤層群多層開采底板卸壓煤層氣抽采技術(shù)等。

2.2.4 模式總結(jié)

低滲突出軟煤層群條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式如圖2所示。實(shí)施過(guò)程中，主要做好以下四個(gè)方面的協(xié)調(diào):一是地面鉆井壓裂、采動(dòng)區(qū)、采空區(qū)抽采時(shí)，應(yīng)與煤礦生產(chǎn)區(qū)、遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)協(xié)調(diào);二是首采層煤層氣與煤炭開發(fā)時(shí)，在時(shí)間、空間及產(chǎn)量三方面要協(xié)調(diào);三是鄰近層 (卸壓層)煤層氣與煤炭開發(fā)時(shí)，時(shí)間、空間及產(chǎn)量要協(xié)調(diào);四是首采層與鄰近層煤炭及煤層氣開發(fā)時(shí)，在時(shí)間、空間上要協(xié)調(diào)。該模式適用地質(zhì)條件為:高瓦斯煤層群、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地勢(shì)平緩，煤質(zhì)松軟，0.2＜f＜0.8，q＞16m3/t，滲透率為 0.001 ～0.01mD，P=6MPa。

2.3 復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式

2.3.1 賦存條件

松藻礦區(qū)地處云貴高原向四川盆地過(guò)渡帶的高山地帶，地面抽采條件極差，是我國(guó)典型的復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦區(qū)。松藻礦區(qū)煤系地層總厚為54.49～88.60m，平均78.45m，共含煤5～14層，全區(qū)穩(wěn)定可采煤層僅8號(hào)煤層，平均厚度2.02～3.83m，約占礦區(qū)總儲(chǔ)量的60%左右，其余各煤層均為局部可采煤層，各開采煤層均屬高變質(zhì)階段無(wú)煙煤，煤層之間間距一般不超過(guò)20m。礦區(qū)瓦斯儲(chǔ)量豐富，總儲(chǔ)量3.83×1010m3，礦區(qū)現(xiàn)有6對(duì)生產(chǎn)礦井，均為煤與瓦斯突出礦井，煤層瓦斯含量最高29m3/t，煤層瓦斯壓力1.2～4.5MPa，滲透率僅 (1.4～8.0)×10－4mD。

圖2 低滲突出軟煤層群條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式

2.3.2 時(shí)空協(xié)調(diào)

由于松藻礦區(qū)地表地形條件復(fù)雜，目前技術(shù)條件不適合進(jìn)行地面煤層氣開發(fā)。因此，目前在遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)無(wú)法采取有效的煤層氣開發(fā)技術(shù)，各類技術(shù)主要應(yīng)用在采掘準(zhǔn)備區(qū)、回采生產(chǎn)區(qū)以及采空區(qū)3個(gè)區(qū)塊，如圖3所示。松藻模式的建立與實(shí)踐也主要體現(xiàn)在這3個(gè)區(qū)塊內(nèi)。

圖3 復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式

(1)采掘準(zhǔn)備區(qū) 各類回采巷道準(zhǔn)備超前時(shí)間應(yīng)該根據(jù)各礦井自身?xiàng)l件測(cè)定總結(jié)得出，沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之前，用于穿層抽采鉆孔施工點(diǎn)的巷道最低超前時(shí)間為4個(gè)月，用于采面本層抽采鉆孔施工點(diǎn)的巷道最低超前時(shí)間為6個(gè)月，不作采面本層抽采的回采巷道最低超前時(shí)間為2個(gè)月。不同區(qū)域煤層氣抽采超前時(shí)間應(yīng)該根據(jù)各礦井自身?xiàng)l件測(cè)定總結(jié)得出，沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之前，超前時(shí)間必須滿足以下條件:突出薄煤層巷道超前掘進(jìn)條帶預(yù)抽采最低超前時(shí)間6個(gè)月，最少超前距離600m;突出薄煤層采面本層采前預(yù)抽采最低超前時(shí)間3個(gè)月，最少超前距離300m(綜采工作面超前距離600m);突出中厚煤層巷道掘前掘進(jìn)條帶預(yù)抽采最低超前時(shí)間12個(gè)月，最少超前距離1000m;突出中厚煤層采面開采前本層預(yù)抽采最低超前時(shí)間6個(gè)月，全部完工;薄煤層開采時(shí)，中厚煤層網(wǎng)格預(yù)抽采最低超前時(shí)間6個(gè)月，最少超前距離300m(綜采工作面超前距離600m);突出煤層揭煤點(diǎn)的預(yù)抽采最低超前時(shí)間6個(gè)月。

(2)回采生產(chǎn)區(qū) 井下煤層氣預(yù)抽超前煤炭生產(chǎn)進(jìn)行，保護(hù)層開采超前被保護(hù)層煤炭開采。保護(hù)層煤炭開采超前時(shí)間應(yīng)該根據(jù)各礦井自身?xiàng)l件測(cè)定總結(jié)得出，沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之前，超前時(shí)間必須滿足:中厚煤層保護(hù)煤量可采期，最低超前時(shí)間30個(gè)月;可供布面的中厚煤層保護(hù)煤量可采期，最低超前時(shí)間20個(gè)月。

(3)采空區(qū) 采空區(qū)煤層氣開發(fā)的目標(biāo)主要有兩個(gè)方面:一方面是能進(jìn)一步提高煤礦區(qū)煤層氣的抽采率，保證礦井瓦斯抽采率達(dá)到《抽采基本指標(biāo)》要求;另一方面是可有效控制采空區(qū)內(nèi)部瓦斯涌入到生產(chǎn)空間，保證井下煤炭安全生產(chǎn)。

2.3.3 技術(shù)途徑

松藻礦區(qū)主要技術(shù)途徑包括煤層氣開發(fā)技術(shù)和煤層卸壓增透技術(shù)兩個(gè)方面。

(1)煤層氣開發(fā)技術(shù)主要包括底板穿層鉆孔預(yù)抽煤層氣技術(shù)、順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)、鄰近層煤層氣抽采技術(shù)、采空區(qū)井下煤層氣抽采技術(shù)、綜合多源立體抽采煤層氣技術(shù)、采空區(qū)地面煤層氣抽采技術(shù)等。

(2)煤層卸壓增透技術(shù)主要包括保護(hù)層開采卸壓增透技術(shù)、深孔預(yù)裂爆破技術(shù)、高壓水力增透技術(shù)。

以松藻礦區(qū)為代表的復(fù)雜條件礦區(qū)具有煤層滲透率低以及含氣飽和度低的特點(diǎn)，直接采取煤層氣采前預(yù)抽技術(shù)效率低下，因此積極探索、應(yīng)用煤層卸壓增透技術(shù)是保障礦區(qū)安全生產(chǎn)的重要途徑。

2.3.4 模式總結(jié)

復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式的主要特點(diǎn)在于“三超前”，即抽采準(zhǔn)備巷道超前部署，抽采系統(tǒng)超前運(yùn)行，保護(hù)層超前開采。模式適用地質(zhì)條件為:地表地形條件復(fù)雜、高山地帶、松軟突出薄煤層群、地質(zhì)構(gòu)造極復(fù)雜，煤質(zhì)松軟，0.2＜f＜0.8，含氣量 17 ～29m3/t，滲透率 ＜0.0008mD，P＜4.5MPa。

3 結(jié)論

晉城礦區(qū)、兩淮礦區(qū)、松藻礦區(qū)是我國(guó)較高滲中硬煤層條件、低滲突出軟煤層群條件及復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的典型代表。在總結(jié)三個(gè)礦區(qū)地質(zhì)條件及煤層氣與煤炭開發(fā)時(shí)間順序、空間布局、技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上，初步提出3種典型地質(zhì)條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式及其適用條件。但煤層氣開發(fā)與煤炭開采時(shí)空協(xié)調(diào)關(guān)系尚未定量化，協(xié)調(diào)程度評(píng)價(jià)體系尚未建立，還有待進(jìn)一步開展研究。

［1］武華太.煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采技術(shù)的研究和實(shí)踐［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(8).

［2］吳建國(guó)，李 偉.淮北礦區(qū)煤層氣抽采利用技術(shù)探討 ［J］.中國(guó)煤層氣，2005，2(4).

［3］陳 飛，程 軍，姚光華，等.重慶地區(qū)煤層氣資源開發(fā)模式研究［J］.煤礦開采，2011，16(1):28－31.

Initial Discussion of Coalbed Methane and Coal Coordination Mining Mode

LEI Yi，SHEN Bao-hong，LIU Jian-zhong
(China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China)

On the basis of analyzing and concluding geological condition，coalbed methane and coal mining sequence，space arrangement，technology approach in Jincheng，Huainan and Huaibei，Songzao mining area，this paper put forward coalbed meathane and coal coordination mining mode and adaptable condition of 3 typical geological conditions，which provided reference for mining coalbed methane and coal with similar condition.

coalbed methane;coal;coordination;mode

TD712.6

A

1006-6225(2012)03-0001-04

2012－02－22

雷 毅 (1979－)，男，四川閬中人，工程師，從事煤礦開采、煤層氣開發(fā)及煤礦安全的科研管理及研究工作。

［責(zé)任編輯李 青］