賀天才,王保玉,田永東

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西晉城 048006)

晉城礦區(qū)煤與煤層氣共采研究進(jìn)展及急需研究的基本問(wèn)題

賀天才,王保玉,田永東

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西晉城 048006)

晉城礦區(qū)是我國(guó)最大的無(wú)煙煤生產(chǎn)礦區(qū),自投產(chǎn)以來(lái),受制于礦井煤層高瓦斯含量,常規(guī)井下抽采難以滿足礦井安全高效生產(chǎn)的需要。晉煤集團(tuán)通過(guò)探索地面抽采技術(shù)、井下抽采技術(shù)和地面與井下聯(lián)合抽采技術(shù),形成了“采煤采氣一體化”的立體抽采模式,稱為“晉城模式”,并在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用,取得了好的效果?；跁x城礦區(qū)實(shí)際,提出了煤與煤層氣共采的基本概念,分析了煤與煤層氣共采研究現(xiàn)狀,介紹了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理模式、地面抽采關(guān)鍵技術(shù)和井下抽采關(guān)鍵技術(shù),并提出了今后一段時(shí)間內(nèi)的努力方向和急需研究的幾個(gè)基本問(wèn)題。

晉城礦區(qū);煤與煤層氣共采;研究進(jìn)展;抽采技術(shù);三區(qū)聯(lián)動(dòng)

我國(guó)煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井眾多,隨著煤炭開采深度的增大,煤層瓦斯問(wèn)題愈趨嚴(yán)重。2013年全國(guó)發(fā)生各類煤礦事故604起,其中,瓦斯事故57起,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成極為嚴(yán)重的損失,因此煤礦瓦斯已成為影響我國(guó)煤礦安全高效開采的主要因素[1]。

早在1733年,英國(guó)一家煤礦首次進(jìn)行了煤礦瓦斯抽放和管道輸送的嘗試。1844年又有另一個(gè)發(fā)生過(guò)瓦斯爆炸事故的礦井將采空區(qū)的瓦斯抽放至地面。19世紀(jì)后期,英國(guó)的威爾士開始進(jìn)行從煤層中抽排瓦斯的試驗(yàn)。英國(guó)生產(chǎn)礦井中45%的瓦斯通過(guò)管道抽排到地面進(jìn)行利用。20世紀(jì)40年代,德國(guó)的一座煤礦首次大規(guī)模利用瓦斯[2-5]。

我國(guó)的煤層氣(煤礦瓦斯)抽采可追溯到20世紀(jì)50年代的煤礦井下瓦斯抽采。1952年,在遼寧的撫順礦務(wù)局龍鳳煤礦進(jìn)行了井下瓦斯抽采試驗(yàn)并獲得成功。通過(guò)50 a的發(fā)展,我國(guó)煤礦井下瓦斯抽采,由最初為保障煤礦安全生產(chǎn)的“抽采”發(fā)展到“抽采-利用”,之后又進(jìn)一步發(fā)展成“抽采-利用-環(huán)?！钡纳虡I(yè)理念。抽采技術(shù)也由早期的只能對(duì)高透氣性煤層進(jìn)行本煤層抽采,而逐漸發(fā)展到對(duì)低透氣性煤層進(jìn)行鄰近層卸壓抽采[6-10]。

20世紀(jì)70年代,美國(guó)的一些煤礦業(yè)主為了減少煤礦瓦斯災(zāi)害,試圖利用石油天然氣開采技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽放,通過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn),獲得成功。之后,實(shí)現(xiàn)了煤層氣地面商業(yè)開發(fā),并形成煤層氣產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界基于煤層氣吸附理論,研究并形成了一套完善的煤層氣開采理論和技術(shù)體系,即煤層氣產(chǎn)出遵循“排水-降壓-采氣”的開發(fā)理論,從煤層氣藏的雙重孔隙和各向異性以及地層條件下研究甲烷氣的吸附-滲流機(jī)理,但對(duì)高煤級(jí)煤層氣缺乏相應(yīng)的有效技術(shù)[10-12]。隨著美國(guó)煤層氣地面開采的成功和對(duì)煤層氣商業(yè)價(jià)值與能源戰(zhàn)略地位的認(rèn)識(shí)不斷提高,20世紀(jì)70年代末,我國(guó)開始參考美國(guó)的有關(guān)理論進(jìn)行煤層氣地面開發(fā)的研究和試驗(yàn),尤其在“八五”期間積極進(jìn)行了煤層氣可采性的理論探索?！熬盼濉币詠?lái),我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)集中在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣、鐵法盆地和阜新盆地[11-13]。截至2013年底,國(guó)內(nèi)各有關(guān)部門、單位以及一些外國(guó)公司出資,在我國(guó)施工各類煤層氣井14 000余口,多個(gè)煤層氣開發(fā)區(qū)塊已取得較好的產(chǎn)氣效果,并實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。

“煤與煤層氣共采”是將煤與煤層氣作為資源一起開發(fā),包括先采氣、后采煤協(xié)調(diào)開發(fā)和采煤采氣一體化,即充分利用采煤過(guò)程中巖層移動(dòng)對(duì)瓦斯卸壓作用并根據(jù)巖層移動(dòng)規(guī)律來(lái)優(yōu)化抽放方案、提高抽出率等。目前,以保護(hù)層卸壓和強(qiáng)化預(yù)抽技術(shù)為代表的區(qū)域性瓦斯治理技術(shù),稱為“淮南模式”,已在國(guó)內(nèi)多煤層高瓦斯礦區(qū)廣泛應(yīng)用[14-16]。

20世紀(jì)90年代初,隨著山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱“晉煤集團(tuán)”)東部老區(qū)煤炭資源逐步衰竭,煤炭開采不得不向西部新區(qū)轉(zhuǎn)移。西部新區(qū)煤炭開采面臨的主要問(wèn)題是瓦斯含量太高,生產(chǎn)實(shí)踐證明僅僅靠傳統(tǒng)的瓦斯抽采,不能滿足礦井銜接和安全生產(chǎn)的需要,如何有效降低煤層瓦斯含量成為了制約煤礦安全生產(chǎn)的首要問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn),從根本上解決瓦斯問(wèn)題,晉煤集團(tuán)開始從地面和井下兩個(gè)方面治理瓦斯,并針對(duì)我國(guó)許多地區(qū)實(shí)行單一煤層開采,井下和地面抽采煤層氣(瓦斯)的情況,晉煤集團(tuán)成功開發(fā)了煤礦規(guī)劃區(qū)、開拓準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)煤層氣開發(fā)模式,建立了立體抽采工藝與配套技術(shù),稱為“晉城模式”,并在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用,取得了非常好的效果[17-19]。

煤與煤層氣兩種資源具有同源共生的特點(diǎn),決定了煤炭開采與煤層氣開發(fā)密切相關(guān)且相互影響。通過(guò)地面煤層氣抽采能有效降低煤層氣含量,有利于煤炭資源的安全開采和采掘活動(dòng)的銜接;煤炭開采引起巖層移動(dòng),使鄰近層的透氣性顯著提高,有利于煤層氣資源的高效開發(fā)。但煤炭開采與煤層氣開發(fā)如何協(xié)調(diào)共采,是目前煤與煤層氣共采急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

1 晉煤集團(tuán)煤層氣抽采現(xiàn)狀

晉煤集團(tuán)是全國(guó)520家重點(diǎn)企業(yè)之一,擁有6對(duì)生產(chǎn)礦井,核定生產(chǎn)能力為3 060萬(wàn)t,擁有當(dāng)今世界先進(jìn)的采礦設(shè)備、現(xiàn)代化的洗選加工系統(tǒng),是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤生產(chǎn)基地。

為解決晉煤集團(tuán)煤礦瓦斯問(wèn)題,從1992年開始,原晉城礦務(wù)局與中美能源公司合作在沁水盆地南部晉城礦區(qū)潘莊井田開展煤層氣勘探和試驗(yàn),施工了一個(gè)7口井組成的井組。1993年完成第1口煤層氣參數(shù)井(潘1井),1994年施工了潘2井生產(chǎn)試驗(yàn)井,經(jīng)壓裂、排采,煤層氣產(chǎn)量最高峰值達(dá)10 000 m3/d,這是沁水盆地第1口有工業(yè)價(jià)值的煤層氣產(chǎn)氣井。1995—1996年,相繼完成了潘3井、潘4井,經(jīng)壓裂、排采,最高產(chǎn)氣量分別達(dá)12 000 m3/d和6 000 m3/d。1997年,完成潘5井、潘6井、潘7井的鉆探,并對(duì)潘1井進(jìn)行了擴(kuò)眼下套管完井,當(dāng)年對(duì)4口井進(jìn)行壓裂,經(jīng)排采最高產(chǎn)氣量達(dá)到2 500～7 000 m3/d,后維持在1 000～3 000 m3/d。

為全面啟動(dòng)地面煤層氣抽采工作,晉煤集團(tuán)在2003年8月成立了藍(lán)焰煤層氣公司,專門從事地面煤層氣抽采工作,其目標(biāo)是通過(guò)地面煤層氣抽采降低煤層含氣量、解決煤礦瓦斯安全問(wèn)題。截至2013年底,山西藍(lán)焰煤層氣公司已完成煤層氣地面預(yù)抽井達(dá)5 030口,年鉆井情況如圖1所示。歷年煤層氣抽采和利用情況如圖2所示。

圖1 晉煤集團(tuán)地面煤層氣鉆井?dāng)?shù)量變化趨勢(shì)Fig.1 The number of wells drilled change trend of Jincheng Anthracite Mining Group

圖2 晉煤集團(tuán)煤層氣抽采利用情況直方圖Fig.2 Coal-bed methane extraction and utilization situation of Jincheng Anthracite Mining Group

據(jù)2013年統(tǒng)計(jì),全國(guó)煤層氣總地面抽采量30.00億m3;其中山西藍(lán)焰煤層氣公司煤層氣產(chǎn)量14.17億m3。地面煤層氣抽采總量占全國(guó)的50%。煤層氣產(chǎn)品銷往全國(guó)7個(gè)省、20多個(gè)地市。目前,晉煤集團(tuán)在沁水盆地南部已成為我國(guó)具有商業(yè)性開發(fā)價(jià)值的煤層氣生產(chǎn)企業(yè),形成了一套完善的、具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“清水鉆進(jìn)、活性水壓裂、定壓排采、低壓集輸”煤礦區(qū)煤層氣地面預(yù)抽和井上下聯(lián)合抽采技術(shù)體系,在高變質(zhì)無(wú)煙煤層中獲得了較為理想的單井工業(yè)氣流,實(shí)現(xiàn)了單井產(chǎn)氣突破,創(chuàng)建了一定規(guī)模的生產(chǎn)試驗(yàn)井組的煤層氣開發(fā)示范工程,率先創(chuàng)立了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理新模式,解決了井下瓦斯抽采受時(shí)間、空間等條件限制的問(wèn)題,為我國(guó)煤炭礦區(qū)瓦斯綜合治理、保證高瓦斯礦井安全生產(chǎn)探索出了一條新的有效途徑。

2 “采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理模式

晉煤集團(tuán)提出從兩個(gè)方面研究煤層氣的抽采技術(shù)和工程示范:一是借鑒美國(guó)的地面煤層氣開發(fā)理論,對(duì)于5 a以上的采煤規(guī)劃區(qū)實(shí)施地面煤層氣開發(fā),研究適用于本區(qū)域的煤層氣地面開發(fā)工藝技術(shù),研究的主要方向是降低開發(fā)成本;二是改進(jìn)井下瓦斯抽采工藝技術(shù),擴(kuò)大抽采范圍,提供足夠的抽采時(shí)間,確保煤層瓦斯含量降低到規(guī)定值以下。同時(shí)加強(qiáng)煤層氣利用技術(shù)研究,開拓煤層氣利用市場(chǎng),在解決煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題的同時(shí),提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 “采煤采氣一體化”開發(fā)模式

晉煤集團(tuán)通過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)研發(fā)和工程示范,突破了無(wú)煙煤礦區(qū)煤層氣地面抽采的“禁區(qū)”,進(jìn)行無(wú)煙煤礦區(qū)地面煤層氣抽采大規(guī)模工業(yè)性試驗(yàn),創(chuàng)立了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理模式,形成“變被動(dòng)治理瓦斯為主動(dòng)開發(fā)利用瓦斯”的理念。

通過(guò)實(shí)施地面鉆井、井下順煤層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽、邊采掘邊抽、采空區(qū)抽放相結(jié)合的單一中厚煤層瓦斯綜合治理模式,實(shí)現(xiàn)煤炭與煤層氣資源的合理開發(fā)、綜合利用及兩類產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。通過(guò)多年的實(shí)踐和研究,探索出“采煤采氣一體化”主要包括以下3方面內(nèi)容:①在時(shí)間上,保持瓦斯預(yù)采與礦井的開發(fā)協(xié)調(diào)一致,形成地質(zhì)勘探、地面預(yù)抽、礦井建設(shè)、煤炭開采、采中抽采、采后抽采的煤與煤層氣開發(fā)的科學(xué)序列;②在空間上,保證地面煤層氣抽采井位的布置與礦井開拓與采掘布置銜接相適應(yīng);③在功能上,努力實(shí)現(xiàn)煤層氣井“地質(zhì)勘探、采前抽、采動(dòng)抽、采后抽”的一井多用技術(shù)[21-22]。

2.2 三區(qū)聯(lián)動(dòng)井上下立體抽采技術(shù)

基于“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理模式和思路,根據(jù)煤炭開發(fā)時(shí)空接替規(guī)律,將煤礦區(qū)劃分為煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū)(簡(jiǎn)稱規(guī)劃區(qū))、煤炭開拓準(zhǔn)備區(qū)(簡(jiǎn)稱準(zhǔn)備區(qū))與煤炭生產(chǎn)區(qū)(簡(jiǎn)稱生產(chǎn)區(qū))3個(gè)區(qū)間,探索形成了三區(qū)聯(lián)動(dòng)井上下立體抽采技術(shù)(表1和圖3),進(jìn)一步突出了煤炭開采和煤層氣開發(fā)統(tǒng)籌規(guī)劃,煤層氣地面抽采與井下抽采在時(shí)間和空間上必須與煤礦生產(chǎn)相結(jié)合,通過(guò)抽采為煤炭開采創(chuàng)造出安全開采的條件?！安擅翰蓺庖惑w化”開發(fā)模式包括如下:

(1)規(guī)劃區(qū)開采模式:規(guī)劃區(qū)的煤炭資源一般在5～8 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間以后方進(jìn)行采煤作業(yè),留有充分的煤層氣預(yù)抽時(shí)間。煤炭規(guī)劃區(qū),可以采用地面直井、叢式井、水平井等多種方式進(jìn)行最大限度的超前預(yù)抽,實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣兩種資源的有效協(xié)調(diào)開發(fā),最好提前15 a進(jìn)行預(yù)抽。

(2)準(zhǔn)備區(qū)開采模式:準(zhǔn)備區(qū)是煤炭生產(chǎn)礦井近期(一般為3～5 a內(nèi)即將進(jìn)行回采的區(qū)域)。煤炭開拓準(zhǔn)備區(qū),一般在3～5 a轉(zhuǎn)化為煤炭生產(chǎn)區(qū),超過(guò)5 a以上會(huì)增加維護(hù)成本,時(shí)間太短因瓦斯解吸時(shí)間不足會(huì)造成瓦斯含量和瓦斯壓力不達(dá)標(biāo)。晉煤集團(tuán)首創(chuàng)了井上下聯(lián)合抽采技術(shù),充分發(fā)揮“地面壓裂技術(shù)”與“井下定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)”的優(yōu)勢(shì)疊加,為準(zhǔn)備區(qū)加速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)區(qū)創(chuàng)造了條件。

表1 三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采技術(shù)體系Table 1 Technology of three-region integrated CBM stereo-extraction

圖3 三區(qū)劃分及抽采條件示意Fig.3 Three-region divided and pumping conditions schematic diagram

(3)生產(chǎn)區(qū)開采模式:生產(chǎn)區(qū)即煤炭生產(chǎn)礦井現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域;煤炭生產(chǎn)區(qū),雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域抽采達(dá)標(biāo),但為保障煤炭安全高效生產(chǎn),仍然需要進(jìn)行本煤層鉆孔抽采。如果瓦斯含量和瓦斯壓力高于煤礦安全生產(chǎn)容許閾值,應(yīng)實(shí)施邊抽邊采同時(shí)采動(dòng)區(qū)地面抽采技術(shù),提高煤層氣抽采率。

3 煤與煤層氣共采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 煤層氣地面抽采

晉煤集團(tuán)針對(duì)無(wú)煙煤特點(diǎn),經(jīng)過(guò)不斷探索、實(shí)踐、總結(jié),在鉆井、壓裂、排采和集輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)探索出一套成熟工藝技術(shù),突破了無(wú)煙煤不適合地面煤層氣開發(fā)的“禁區(qū)”,為我國(guó)煤層氣地面開發(fā)利用的第1個(gè)成功范例[23]。

3.1.1 煤層氣井鉆井技術(shù)

(1)直井清水快速鉆進(jìn)技術(shù)。

經(jīng)過(guò)理論探索及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,在晉城礦區(qū),通過(guò)清水欠平衡快速鉆進(jìn)技術(shù),以清水代替泥漿作為鉆井介質(zhì),采用低鉆壓、大鉆進(jìn)液循環(huán)排量鉆進(jìn),獲得更快的鉆進(jìn)速度,清水鉆進(jìn)技術(shù)既能達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的,同時(shí)又能滿足井身質(zhì)量的要求,且清水鉆進(jìn)成本低,能有效降低鉆井成本。

(2)煤層氣水平井鉆采技術(shù)。

煤層氣多分支水平井是20世紀(jì)90年代中后期在常規(guī)油氣水平井和分支井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)煤層氣開采技術(shù)。美國(guó)的CDX公司率先為美國(guó)鋼鐵公司在西弗吉尼亞州的煤層氣開發(fā)項(xiàng)目施工了近60口羽狀水平井,取得了成效。繼2004年奧瑞安能源國(guó)際設(shè)計(jì)并組織施工的第1口煤層氣多分支水平井(DNP02井)成功之后,煤層氣多分支水平井鉆采技術(shù)發(fā)展迅速。隨著煤層氣多分支水平井被規(guī)?；瘧?yīng)用,煤層氣水平井鉆采技術(shù)由單主支多分支水平井向雙主支多分支水平井方向發(fā)展。

3.1.2 煤層氣井壓裂技術(shù)

考慮到晉城礦區(qū)煤儲(chǔ)層特點(diǎn)及壓裂工藝的要求,對(duì)壓裂液的添加劑、壓裂液性能及經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了優(yōu)化,其優(yōu)化基本原則為:與水源和儲(chǔ)層的配伍性良好;濾失低,壓裂液效率高,能造長(zhǎng)縫;攜砂能力強(qiáng);摩阻低,穩(wěn)定性良好;殘?jiān)?容易返排;貨源廣,價(jià)格低。

煤層氣井的增產(chǎn)改造技術(shù),已由單一的活性水大排量加砂壓裂朝著大排量中砂比活性水壓裂、液氮泡沫加砂壓裂和清潔壓裂液壓裂等更科學(xué)的增產(chǎn)改造技術(shù)方向發(fā)展。

3.1.3 煤層氣井排采技術(shù)

煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤基質(zhì)的微孔隙中,煤儲(chǔ)層壓力必須低于氣體的臨界解吸壓力,煤層氣才能解吸出來(lái),在實(shí)際生產(chǎn)中是通過(guò)排水降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)采氣。煤層氣井排采技術(shù)也由定性的定壓排采朝著智能化控壓控粉定壓排采方向發(fā)展。

3.1.4 煤層氣低壓集輸技術(shù)

煤層氣井集輸?shù)奶攸c(diǎn)和難點(diǎn)有兩點(diǎn):一方面,煤層氣井大都采用網(wǎng)格狀布井,井間距離一般為幾百米,井間距小,井的數(shù)量多,同時(shí)煤層氣井的單井產(chǎn)氣量低,井口壓力低,不同煤層氣井的氣產(chǎn)量和井口壓力差別很大,氣井的日產(chǎn)氣量可能從幾百立方米到幾千立方米不等,井口壓力也從略高于大氣壓與十幾個(gè)大氣壓之間變化,產(chǎn)氣量和壓力高的煤層氣井往往影響產(chǎn)氣量和壓力低的煤層氣井,因此煤層氣井的集輸要求盡量降低氣井之間壓力差異的相互干擾;另一方面,煤層氣的生產(chǎn)要求降低煤層氣井的井口壓力,以提高氣井的產(chǎn)量,因此,煤層氣井的集輸要求盡量降低管道工作壓力。

3.2 煤層氣井下抽采

針對(duì)晉城礦區(qū)井下抽采實(shí)際情況,采用區(qū)域遞進(jìn)式抽采技術(shù)、條帶邁步式抽采技術(shù)和千米長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)技術(shù),與地面煤層氣抽采技術(shù)相配合,成功實(shí)現(xiàn)了地面與井下聯(lián)合抽采,建立了井上下聯(lián)合抽采技術(shù)體系[23-24]。

3.2.1 區(qū)域遞進(jìn)式抽采技術(shù)

在采煤工作面生產(chǎn)的同時(shí),利用巷道向接替面施工定向長(zhǎng)鉆孔,實(shí)施區(qū)域抽采,實(shí)現(xiàn)回采工作面與接替工作面的循環(huán)遞進(jìn)、良性接替,如圖4所示。

圖4 區(qū)域遞進(jìn)式抽采示意Fig.4 Regional progressive pumping schematic diagram

3.2.2 條帶邁步式抽采技術(shù)

礦井掘進(jìn)按雙巷或多巷組織生產(chǎn)。一條巷道掘進(jìn),其他巷道前方布置條帶式定向長(zhǎng)鉆孔抽采,抽采達(dá)標(biāo)后進(jìn)行掘進(jìn),多條巷道循環(huán)往復(fù),如圖5所示。

圖5 條帶邁步式抽采示意Fig.5 Moving style strip pumping schematic diagram

該技術(shù)的成功應(yīng)用,對(duì)實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合抽放提供了技術(shù)支撐。

3.2.3 千米長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)技術(shù)

隨著我國(guó)煤炭綜采技術(shù)的推廣和發(fā)展,對(duì)煤層氣抽采量和抽采效率提出更高的要求。對(duì)于高瓦斯礦區(qū)實(shí)施沿煤層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù),進(jìn)行本煤層模塊抽采可減少專用巷道掘進(jìn)量、減少鉆孔工程量、縮短工作面準(zhǔn)備時(shí)間、降低噸煤成本,同時(shí)可滿足高產(chǎn)高效綜采技術(shù)的要求,為煤礦的安全生產(chǎn)提供有力保障。近10 a來(lái),晉煤集團(tuán)通過(guò)引進(jìn)澳大利亞千米鉆機(jī)和通過(guò)與煤炭科學(xué)研究總院合作,在晉城西區(qū)和成莊煤礦進(jìn)行了有益的探索,逐漸形成了以順煤層模塊式鉆孔抽采工藝技術(shù)為主的煤礦井下順煤層大口徑千米長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)工藝技術(shù)。

4 煤與煤層氣共采綜合效益分析

4.1 安全效益

通過(guò)實(shí)施煤層氣地面抽采工程,有效釋放煤層的流體能量,利用煤層氣地面抽采效果評(píng)價(jià)技術(shù),得到準(zhǔn)確的煤層氣含量變化規(guī)律,為煤礦的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安全和通風(fēng)方式的選擇提供理論依據(jù),并對(duì)下一步的抽采計(jì)劃安排都起到了指導(dǎo)作用,使煤層氣地面抽采和井下煤炭生產(chǎn)的銜接更加合理有序。

(1)寺河礦東區(qū)抽采效果檢測(cè)。

2012年,在寺河礦東五盤區(qū)布置14口抽采效果檢驗(yàn)井,該區(qū)原始煤層氣含量為18.98～29.02 m3/t,經(jīng)過(guò)2005年1月至2012年7月的地面預(yù)抽,經(jīng)取芯檢驗(yàn)確定本區(qū)域3號(hào)煤層剩余含氣量為8.47～13.76 m3/t,平均為10.51 m3/t,含氣量降幅達(dá)55% (圖6(a)和圖7)。

圖6 東區(qū)和西區(qū)抽采前后煤層含氣量對(duì)比Fig.6 The contrast diagram of coal-bed gas content of gas drainage before and after in east area and west area

(2)寺河礦西區(qū)抽采效果驗(yàn)證。

2012年,在寺河礦西二盤區(qū)布置8口抽采效果檢驗(yàn)井,該區(qū)原始煤層氣含量為20.30～26.33 m3/t,經(jīng)過(guò)2007年1月至2012年7月的地面預(yù)抽,經(jīng)取芯檢驗(yàn)確定本區(qū)域3號(hào)煤層剩余含氣量為11.98～18.07 m3/t,平均為14.13 m3/t,含氣量降幅達(dá)42% (圖6(b)和圖7)。

4.2 綜合經(jīng)濟(jì)效益

4.2.1 間接經(jīng)濟(jì)效益

(1)降低了煤礦投入,增加了作業(yè)空間。《寺河礦東井區(qū)接替盤區(qū)瓦斯抽采設(shè)計(jì)》初始設(shè)計(jì)抽采工程投入52 334萬(wàn)元,根據(jù)抽采效果評(píng)價(jià)調(diào)減后降低工程投入達(dá)7 476萬(wàn)元。井下瓦斯抽采管直徑由650 mm減至500 mm,節(jié)省了大量的煤礦井下巷道占用空間。

圖7 煤層氣井排采過(guò)程中剩余氣含量變化曲線Fig.7 The residual gas content change curves of CBM wells

(2)提高了掘進(jìn)速度。東五盤區(qū)141口地面井連續(xù)8 a的抽采,使得寺河礦2012年煤礦井下該盤區(qū)巷道掘進(jìn)速度大幅度提高,比預(yù)計(jì)工期提前4個(gè)月,縮短工期35%,且未發(fā)生1次瓦斯超限事故。

(3)煤礦井下巷道布置數(shù)量將大幅度減少。經(jīng)15 a地面抽采后,由于瓦斯含量大幅度下降,預(yù)期減少施工2條巷道,可由原來(lái)的“3進(jìn)2回”通風(fēng)方式變?yōu)椤?進(jìn)1回”通風(fēng)方式;僅東五盤區(qū)即可節(jié)省巷道掘進(jìn)費(fèi)用約8 000萬(wàn)元;減少了煤柱壓煤,僅東五盤區(qū)預(yù)期可多產(chǎn)出煤炭1 300萬(wàn)t。累計(jì)節(jié)約煤礦井下抽采成本430億元。

4.2.2 直接經(jīng)濟(jì)效益

截至2013年底,寺河礦累計(jì)地面抽采煤層氣36億m3,井下抽采近30億m3,相當(dāng)于減排9 000萬(wàn)t二氧化碳,累計(jì)實(shí)現(xiàn)收入100億元。

5 煤與煤層氣共采急需研究的基本問(wèn)題

煤與煤層氣兩種資源具有同源共生的特點(diǎn),決定了煤炭開采與煤層氣開發(fā)密切相關(guān)且相互影響。通過(guò)地面煤層氣抽采能有效降低煤層氣含量,有利于煤炭資源的安全開采和采掘活動(dòng)的銜接;煤炭開采引起巖層移動(dòng),使鄰近層的透氣性顯著提高,有利于煤層氣資源的高效開發(fā)。但是目前煤與煤層氣共采程度低,地面煤層氣井普遍產(chǎn)量低、不穩(wěn)定;煤與煤層氣共采開發(fā)模式及開發(fā)配套技術(shù)不完善。特別是煤與煤層氣共采地質(zhì)理論與方法和三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采理論與技術(shù),是目前煤與煤層氣共采急需解決的兩個(gè)基本問(wèn)題。

5.1 煤與煤層氣共采地質(zhì)理論與方法

(1)煤與煤層氣賦存地質(zhì)規(guī)律。

煤層厚度、煤儲(chǔ)層孔滲性、含氣性和煤的吸附與解吸特性等,是煤與煤層氣共采地質(zhì)研究的一個(gè)重要內(nèi)容;而沉積作用和構(gòu)造演化、水動(dòng)力活動(dòng)及熱力場(chǎng)分布等區(qū)域動(dòng)力學(xué)條件又對(duì)煤儲(chǔ)層特征及溫壓條件有直接的影響,這些因素相互耦合從而決定了煤層氣在儲(chǔ)層中的富集程度,直接影響煤層氣開發(fā)效果。

(2)巖石力學(xué)特性及地應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。

系統(tǒng)分析煤、巖石物理力學(xué)性質(zhì),揭示影響煤、巖石物理力學(xué)性的控制因素,分析煤、巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)煤儲(chǔ)層水力壓裂的控制作用。分析煤儲(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)特征,揭示地應(yīng)力分布規(guī)律;建立煤儲(chǔ)層滲透性與現(xiàn)今地應(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系和模型,探討其作用機(jī)理,為有效開發(fā)煤層氣提供理論依據(jù)。

(3)煤與煤層氣共采水文地質(zhì)條件。

水文地質(zhì)條件控制著煤層氣的保存和運(yùn)移,是影響煤層氣富集和后期生產(chǎn)的重要地質(zhì)因素。從水文地質(zhì)條件分析入手,分析煤層氣隨地下水運(yùn)移逸散作用和水力封閉控氣作用;研究水文地質(zhì)條件對(duì)煤與煤層氣開采的影響,揭示煤層氣生產(chǎn)過(guò)程中煤層壓降的擴(kuò)展規(guī)律,并進(jìn)行煤與煤層氣共采的水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與分類,為煤與煤層氣勘探共采提供理論依據(jù)。

5.2 三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采理論與技術(shù)

(1)煤與煤層氣資源特性與工程適配。

基于煤礦區(qū)煤炭開采分區(qū)模式(生產(chǎn)區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、規(guī)劃區(qū)等三區(qū))以及煤炭開采銜接順序,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和樣品測(cè)試分析,研究生產(chǎn)區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、規(guī)劃區(qū)的煤與煤層氣資源開采條件及其工程技術(shù)的適配性,優(yōu)化適宜不同區(qū)的煤與煤層氣開采技術(shù),促進(jìn)煤與煤層氣安全高效共采。

(2)煤與煤層氣共采時(shí)空優(yōu)化。

依據(jù)三區(qū)煤炭開發(fā)時(shí)空接替規(guī)律、不同區(qū)帶煤層氣開采技術(shù)特點(diǎn)和煤礦安全規(guī)程要求,通過(guò)測(cè)試和研究,創(chuàng)建掘進(jìn)和回采的瓦斯安全閾值測(cè)算模型和方法,優(yōu)化三區(qū)聯(lián)動(dòng)煤與煤層氣共采時(shí)空銜接關(guān)系,探索區(qū)域遞進(jìn)式三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采模式,實(shí)現(xiàn)煤炭的安全高效開采和煤層氣資源的有效抽采。

(3)煤礦瓦斯災(zāi)害防治理論與技術(shù)。

通過(guò)對(duì)煤炭生產(chǎn)區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、規(guī)劃區(qū)的煤層巖石力學(xué)測(cè)試和三區(qū)的瓦斯參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè),研究瓦斯賦存、涌出、突出規(guī)律及影響因素,探索高突瓦斯礦井防突消突的基礎(chǔ)理論和技術(shù),優(yōu)化三區(qū)遞進(jìn)時(shí)空關(guān)系和礦井掘、抽、采的時(shí)空銜接和三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采技術(shù),探索并形成煤礦瓦斯災(zāi)害防治理論與技術(shù),實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井的煤與煤層氣安全高效開采。

參考文獻(xiàn):

[1] Meng Zhaoping,Zhang Jincai,Wang Rui.In-situ stress,pore pressure,and stress-dependent permeability in the Southern Qinshui Basin[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences, 2011,48:122-131.

[2] Boyer C M.Coalbed mehane production potential in U.S.Basins [J].Journal of Petro.Tech.,1987,39(7):821-834.

[3] Flores R M.Coalbed methane:From hazard to resource[J].International Journal of Coal Geology,1998,35(1-4):3-26.

[4] 賀天才,秦 勇.煤層氣勘探與開發(fā)利用技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[5] 秦 勇.中國(guó)煤層氣地質(zhì)研究進(jìn)展與述評(píng)[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào), 2003,9(3):339-358.

Qin Yong.Advances and reviews on coalbed methane reservoir formation in China[J].Geological Journal of China Universities,2003, 9(3):339-358.

[6] 傅雪海,秦 勇,韋重韜.煤層氣地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[7] 袁 亮,薛俊華,張 農(nóng),等.煤層氣抽采和煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(9):6-11,17.

Yuan Liang,Xue Junhua,Zhang Nong,et al.Development orientation and status of key technology for mine underground coalbed methane drainage as well as coal and gas simultaneous mining [J].Coal Science and Technology,2013,41(9):6-11,17.

[8] 孟召平,田永東,李國(guó)富.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[9] 孟召平,劉翠麗,紀(jì)懿明.煤層氣/頁(yè)巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對(duì)比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(5):728-736.

Meng Zhaoping,Liu Cuili,Ji Yiming.Geological conditions of coaled methane and shale gas exploitation and their comparison analysis[J].Journal of China Coal Society,2013,38(5):728-736.

[10] 孟召平,田永東,李國(guó)富.沁水盆地南部地應(yīng)力場(chǎng)特征及其研究意義[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(6):975-981.

Meng Zhaoping,Tian Yongdong,Li Guofu.Characteristics of in-situ stress field in southern Qinshui Basin and its research significance [J].Journal of China Coal Society,2010,35(6):975-981.

[11] 秦 勇,袁 亮,胡千庭,等.我國(guó)煤層氣勘探與開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,39(10):1-6.

Qin Yong,Yuan Liang,Hu Qianting,et al.Status and development orientation of coalbed methane exploration and development technology in China[J].Coal Science and Technology,2012,39(10): 1-6.

[12] 接銘訓(xùn),葛曉丹,彭朝陽(yáng),等.中國(guó)煤層氣勘探開發(fā)工程技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展方向[J].天然氣工業(yè),2011,31(12):63-65.

Jie Mingxun,Ge Xiaodan,Peng Chaoyang,et al.Advances in the CBM exploration and development techniqucs and their developing trend in China[J].Natural Gas lndustry,2011,31(12):63-65.

[13] 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):1312-1316.

Wu Huatai.Study and practice on technology of three-zones linkage 3D coalbed methane drainage in coal mining area[J].Journal of China Coal Society,2011,36(8):1312-1316.

[14] 李國(guó)富,李 波,焦海濱,等.晉城礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采模式[J].中國(guó)煤層氣,2014,11(1):3-7.

Li Guofu,Li Bo,Jiao Haibin,et al.Three-region integrated CBM stereo-extraction in Jincheng mining area[J].China Coalbed Methane,2014,11(1):3-7.

[15] 雷 毅,申寶宏,劉見中.煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式初探[J].煤礦開采,2012,17(3):1-4.

Lei Yi,Shen Baohong,Liu Jianzhong.Initial discussion of coalbed methane and coal coordination mining mode[J].Coal Mining Technology,2012,17(3):1-4.

[16] 袁 亮.復(fù)雜地質(zhì)條件礦區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)體系研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006,34(1):1-3.

Yuan Liang.Research on comprehensive mine gas prevention and control technology system in mine with complicated geological conditions[J].Coal Science and Technology,2006,34(1):1-3.

[17] 程遠(yuǎn)平,俞啟香.中國(guó)煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(4):383-390.

Cheng Yuanping,Yu Qixiang.Development of regional gas control technology for Chinese coalmines[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2007,24(4):383-390.

[18] 程遠(yuǎn)平.我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣抽采技術(shù)的發(fā)展[A].我國(guó)煤層氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研討會(huì)[C].西安:2011.

[19] 秦 勇,袁 亮,程遠(yuǎn)平,等.我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略效益影響因素分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2012,30(34):70-75.

Qin Yong,Yuan Liang,Cheng Yuanping,et al.Factors affecting the strategic benefits of CBM industry in China[J].Science&Technology Review,2012,30(34):70-75.

[20] 張 群.關(guān)于我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的戰(zhàn)略性思考[J].中國(guó)煤層氣,2007,4(4):3-5.

Zhang Qun.Strategic thinking on coal mine methane development in China[J].China Coalbed Methane,2007,4(4):3-5.

[21] 張俊威.晉煤集團(tuán)采煤采氣一體化綜合開發(fā)模式應(yīng)用探討[J].中國(guó)煤層氣,2008,5(2):12-14.

Zhang Junwei.Application research on the integrated development of coal mining and gas extraction in Jincheng Anthracite Mining Group[J].China Coalbed Methane,2008,5(2):12-14.

[22] 袁 亮.卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術(shù)體系[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(1):1-8.

Yuan Liang.Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[J].Journal of China Coal Society,2009,34(1):1-8.

[23] 袁 亮.低透氣煤層群首采關(guān)鍵層卸壓開采采空側(cè)瓦斯分布特征與抽采技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(12):1362-1367.

Yuan Liang.Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[J].Journal of China Coal Society,2008,33(12):1362-1367.

[24] 袁 亮,郭 華,沈?qū)毺?等.低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(3):357-365.

Yuan Liang,Guo Hua,Shen Baotang,et al.Circular overlying zone at longwall panel for efficient methane capture of mutiple coal seams with low permeability[J].Journal of China Coal Society, 2011,36(3):357-365.

Development and issues with coal and coal-bed methane simultaneous exploitation in Jincheng mining area

HE Tian-cai,WANG Bao-yu,TIAN Yong-dong

(Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng 048006,China)

Jincheng mining area is China’s largest anthracite coal production area with high gas content.Conventional underground drainage is not sufficient to meet the requirements of mine safety and efficient coal production.Through exploring ground drainage technology,underground drainage technology and ground and underground combined drainage technology,Jincheng Anthracite Mining Group has developed an“Integrated Coal Mining and Gas Extraction”3D extraction method named“Jincheng Mode”.This mode is used widely in China,and has achieved good results.Based on the actual situation in Jincheng mining area,this paper presents the basic concept and analyzes the current research status of coal and coal-bed methane simultaneous extraction,introduces the mine gas control model of“coal and coalbed methane simultaneous extraction”and the key technologies of ground drainage and underground gas drainage.Also the future direction and some basic problems needed for further study will be discussed.

Jincheng mining area;coal and coalbed methane simultaneous extraction;research progress;drainage technology;three-region integrated

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1779-07

2014-07-20 責(zé)任編輯:韓晉平

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05063);山西省科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(20111101001)

賀天才(1963—),男,山西晉城人,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士。E-mail:hetianc@163.com

賀天才,王保玉,田永東.晉城礦區(qū)煤與煤層氣共采研究進(jìn)展及急需研究的基本問(wèn)題[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1779-1785.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8022

He Tiancai,Wang Baoyu,Tian Yongdong.Development and issues with coal and coal-bed methane simultaneous exploitation in Jincheng mining area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1779-1785.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8022