于志軍，孫 杰，劉天績(jī)，張春林 ，趙 彥

(1.中節(jié)能寧夏新能源股份有限公司，銀川 750002；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究院總院，北京 100039)

廢棄礦井瓦斯抽采利用技術(shù)初探

——以呼魯斯太礦區(qū)烏蘭特礦為例

于志軍1，孫 杰2，劉天績(jī)2，張春林2，趙 彥1

(1.中節(jié)能寧夏新能源股份有限公司，銀川 750002；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究院總院，北京 100039)

廢棄礦井瓦斯資源開(kāi)發(fā)利用在我國(guó)尚處于探索階段。以烏蘭煤礦為依托，分析了烏蘭煤礦地質(zhì)特征及目前瓦斯抽采現(xiàn)狀，開(kāi)展了廢棄礦井瓦斯地面抽采及資源化利用研究。在充分利用已有鉆孔的基礎(chǔ)上，制定了“疏通解堵、降低水位、增透增產(chǎn)”三步走的工程方案，并提出了井位選擇及具體施工方案，為今后廢棄礦井瓦斯抽采利用提供了借鑒。

廢棄礦井；瓦斯；抽采

0 前言

隨著我國(guó)煤炭行業(yè)去產(chǎn)能、去庫(kù)存工作力度逐漸加大，大量煤礦關(guān)停并轉(zhuǎn)。我國(guó)礦井廢棄后,約50%以上的煤炭殘留于井下，這些廢棄礦井蘊(yùn)含著巨大的瓦斯資源。目前，我國(guó)廢棄礦井瓦斯資源開(kāi)發(fā)、利用尚處于探索階段[1-5]。如何對(duì)廢棄煤礦瓦斯進(jìn)行抽采并加以利用，變廢為寶，是煤炭行業(yè)當(dāng)前的重要研究方向。

本文以關(guān)閉的烏蘭煤礦為依托，開(kāi)展廢棄礦井瓦斯抽采利用技術(shù)研究，探索建立廢棄礦井瓦斯綜合治理關(guān)鍵技術(shù)及工藝，為今后其它廢棄礦井的瓦斯治理提供借鑒意義，具有改善煤礦安全，保護(hù)大氣環(huán)境，增加新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排等多重經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 煤礦地質(zhì)特征

烏蘭煤礦位于賀蘭山北段煤田呼魯斯太礦區(qū)的北端，行政區(qū)劃屬內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗宗別立鎮(zhèn)管轄，面積為11.7km2。區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。烏蘭煤礦構(gòu)造整體為走向北西、北北西，傾向南西的單斜構(gòu)造，走向長(zhǎng)5km，傾斜寬3km。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，以走向正斷層為主，但也發(fā)育少數(shù)斜交走向的正、逆斷層。根據(jù)資料分析并經(jīng)開(kāi)采實(shí)踐證明，礦井水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。地下水缺乏補(bǔ)給，礦井排水以靜儲(chǔ)量為主，靜儲(chǔ)量流干后相應(yīng)地段干涸(圖1)。

圖1 烏蘭煤礦交通位置示意圖Figure 1 A schematic diagram of Ulan coalmine location

2016年，烏蘭煤礦因國(guó)家煤炭行業(yè)去產(chǎn)能的政策要求停產(chǎn)關(guān)閉。烏蘭煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，主采煤層自上而下分別為2#、3#、7#、8#煤層。礦井劃分了+1350m、+1150m、+900m三個(gè)水平，其中一水平(+1350m)已經(jīng)開(kāi)采結(jié)束，近年來(lái)開(kāi)采二水平(+1150m)。烏蘭煤礦主采煤層均是煤與瓦斯突出煤層， 2014年礦井實(shí)施下保護(hù)層開(kāi)采[6]， 即先以7#煤層作為上保護(hù)層開(kāi)采，消除8#煤層突出危險(xiǎn)，然后開(kāi)采8#煤層對(duì)上覆的2#、3#煤層進(jìn)行二次保護(hù)，消除2#、3#煤層突出危險(xiǎn)[7]。簡(jiǎn)單說(shuō)，即先采下區(qū)段7#、8#煤層，后采上區(qū)段2#、3#煤層。

根據(jù)烏蘭煤礦地質(zhì)資料，截止2014年12月底，礦井保有資源儲(chǔ)量為1.76億t，可采儲(chǔ)量1.10億t，預(yù)測(cè)烏蘭煤礦瓦斯資源量約12.04億m3，如果采收率按照50%考慮，可采瓦斯資源量為6.02億m3[8]。

2 瓦斯抽排現(xiàn)狀

烏蘭煤礦建有瓦斯發(fā)電廠，在煤礦正常生產(chǎn)期間通過(guò)利用回風(fēng)巷低濃度瓦斯發(fā)電。2016年烏蘭煤礦關(guān)停后，瓦斯電廠失去氣源，經(jīng)多次嘗試、攻關(guān)，探索出利用地面卸壓鉆孔瓦斯抽采的新途徑。目前采空區(qū)井接入負(fù)壓抽采系統(tǒng)的有效產(chǎn)氣井18口，每天產(chǎn)氣量4萬(wàn)m3(純量)。

烏蘭煤礦現(xiàn)有地面卸壓鉆孔106個(gè)。地面鉆孔分布如下：5757工作面14個(gè)，5767工作面32個(gè)，5768工作面42個(gè)，5778工作面18個(gè)。其中采空區(qū)共有瓦斯抽排鉆孔44個(gè)，包括5757工作面14個(gè)，5767工作面10個(gè)，5768工作面20個(gè)(表1)。

表1 烏蘭煤礦地面鉆孔分布Table 1 Surface boreholes distribution in Ulan coalmine /個(gè)

未采動(dòng)區(qū)合計(jì)62個(gè)鉆孔， 5767工作面22個(gè)，5768工作面 22個(gè)，5778工作面18個(gè)鉆孔(圖2)。

圖2 采空區(qū)位置圖Figure 2 Gob area location

卸壓孔布置采用非均勻布井法，對(duì)應(yīng)地面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)側(cè)50m范圍布置兩排地面鉆井，鉆井走向間距100m，抽采上部2#、3#煤層卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯(圖3)。

卸壓鉆孔均為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。在7#煤層頂板以上10m處至2#煤層頂板以上10m處下入篩管，2#煤層頂板以上10m處至井口下入實(shí)管。即主要抽放受下部7#、8#煤層采空影響，聚集在2#、3#煤層及頂?shù)装辶严吨芯奂耐咚?圖4、圖5)。

圖4 卸壓孔井身結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Pressure relief borehole configuration

圖5 瓦斯抽采運(yùn)移方向Figure 5 Gas drainage migratory directions

3 總體工程方案

根據(jù)烏蘭煤礦關(guān)停后，瓦斯電廠氣源供應(yīng)逐漸衰減的現(xiàn)狀，制定了 “疏通解堵、降低水位、增透增產(chǎn)”三步走的工程方案。首先，采用井下電視對(duì)已有的卸壓孔進(jìn)行檢查，觀察井內(nèi)套管是否存在錯(cuò)斷、變形，井內(nèi)篩管是否有堵塞現(xiàn)象。對(duì)于套管完整的，可以進(jìn)行疏通、清洗。對(duì)于套管已經(jīng)損壞的，可選擇在原孔附近重新施工補(bǔ)井，以快速增加抽采瓦斯量。第二步，降低地下水水位。烏蘭煤礦關(guān)停后，井下排水系統(tǒng)停止工作，地下水水位隨時(shí)間推移逐漸上升，水位上升至2#、3#煤層以上后，必將影響鉆孔的產(chǎn)氣效果。因此，必須采取有效措施，降低地下水水位，保障現(xiàn)有鉆孔的產(chǎn)氣量。第三步，未采動(dòng)區(qū)鉆井由于煤層處于原始狀態(tài)，裂隙不發(fā)育，可實(shí)施增透增產(chǎn)作業(yè)。選擇距離巷道適宜的井位，進(jìn)行壓裂改造，提高單井瓦斯產(chǎn)量。

由于廢棄礦井瓦斯治理沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，一定要按照先行先試的思路進(jìn)行試驗(yàn)，待驗(yàn)證可行后再進(jìn)行大面積推廣。

3.1 采動(dòng)區(qū)排采井疏通解堵

由于煤巖具有低彈性模量、高泊松比的特點(diǎn)，長(zhǎng)期負(fù)壓抽采過(guò)程中，因不斷卸壓對(duì)煤體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，會(huì)直接影響滲流裂縫的導(dǎo)流能力，并且會(huì)使煤層中的煤粉和近井筒地帶的顆粒物發(fā)生運(yùn)移，造成近井筒帶滲流通道堵塞，致使產(chǎn)氣量急劇下降，如果長(zhǎng)期無(wú)法解決會(huì)對(duì)負(fù)壓抽采井造成永久傷害。撈砂和空氣振蕩洗井解堵是一種非常有效的解堵方式，它安全可靠，作業(yè)周期短，疏通滲流通道，加快煤粉的返排，疏通由于煤粉堵塞造成的儲(chǔ)層傷害，據(jù)此而達(dá)到恢復(fù)產(chǎn)能甚至增產(chǎn)的目的。

采動(dòng)區(qū)排采井疏通解堵所選井滿足以下條件：①井身質(zhì)量沒(méi)有遭到破壞，煤層含氣量高、儲(chǔ)層壓力高、裂隙發(fā)育；②前期氣產(chǎn)量高，由于煤粉堵塞產(chǎn)量大幅度下降，預(yù)計(jì)解堵后氣產(chǎn)量可以大幅度提高；③剩余可采儲(chǔ)量大，解堵后具有較大生產(chǎn)潛力。

撈砂作業(yè)將撈砂泵緩慢下到井內(nèi)沉砂(煤粉)部位，操作卷?yè)P(yáng)機(jī)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)油管，使井內(nèi)煤粉和泥砂等沉淀物不斷抽出井筒外，直至撈取到井底，做到水清砂凈。

空氣振蕩洗井下入Φ73mm油管至篩管部位，開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行間歇式給氣，使井內(nèi)液體產(chǎn)生激烈振蕩，以徹底清除篩管外壁的附著物，最后用清水將井筒沖洗干凈。

3.2 降低水位

烏蘭煤礦關(guān)閉后，礦井排水隨即停止。地下水位隨著時(shí)間的推移，不斷上升，影響瓦斯解吸。如果維持現(xiàn)有鉆井瓦斯正常產(chǎn)量必須對(duì)地下水進(jìn)行排水。目前考慮有兩種處理方案：

第一種是用成熟的煤層氣排采設(shè)備和工藝，在產(chǎn)氣的每口井中安裝抽油機(jī)或螺桿泵，通過(guò)排水降壓來(lái)維持煤層瓦斯的生產(chǎn)。第二種是在礦井+1150m水倉(cāng)位置和采空區(qū)位置施工大口徑排水井。

兩種方案對(duì)比：第一種方式優(yōu)點(diǎn)是只需要購(gòu)置設(shè)備安裝后就可立即投入使用，不需要投入新的鉆探工程量，水處理費(fèi)用較低；缺點(diǎn)是鉆井比較分散，每口井的范圍小，形成壓降漏斗小，鋪設(shè)電纜較多，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用高，且需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的排水管線。第二種方案優(yōu)點(diǎn)是只需要施工一到兩口排水井，降水范圍較大，易實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體排水降壓，不需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的排水管線，缺點(diǎn)是抽水量較大，耗電量也較大，水處理費(fèi)用較高。從效果和成本上比較分析，第二種方案比較合理，便于實(shí)施。

降水井井位、井型、泵型選擇主要從以下幾個(gè)方面考慮：①估算礦井采空區(qū)積水水量，作為選擇泵型的依據(jù)；②選擇采空區(qū)范圍內(nèi)施工降水井有利區(qū)，以便于瓦斯抽采孔能夠快速降低水位；③在地面選擇條件理想的井場(chǎng)位置，有利于鉆探施工；④按照經(jīng)濟(jì)效益最佳的原則，綜合確定鉆井位置和數(shù)量。

由于目前產(chǎn)氣量較大的瓦斯抽采孔在5767和5768工作面的采動(dòng)區(qū)，選擇在這兩個(gè)工作面的采空區(qū)內(nèi)施工排水井是效果最好的，排水井離抽采孔較近，有利于快速形成降壓漏斗，降低水位。

因+1150m水倉(cāng)位置距離5768工作面的采空區(qū)較近，而且場(chǎng)地條件和鉆井地質(zhì)條件都非常好，可以作為首選井位。其次在5767工作面采空區(qū)內(nèi)布置一口排水井(圖6)。

圖6 降水井位置圖Figure 6 Dewatering well locations

根據(jù)地層情況和技術(shù)要求，水井1號(hào)降水井采用先鉆導(dǎo)向孔然后擴(kuò)孔成井的工藝方法。即先用小徑Ф190.5mm鉆頭鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，使用無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀(EMWD)監(jiān)測(cè)孔斜情況，控制井身質(zhì)量并保證井底位移不超過(guò)3m，打到水倉(cāng)頂部10m位置結(jié)束，然后用帶導(dǎo)向的Ф444.5mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，下入Ф339.7mm石油套管后進(jìn)行固井，固井72h后用Ф311mm鉆頭將水倉(cāng)打穿(圖7)。

圖7 降水井井身結(jié)構(gòu)示意圖Figure 7 A schematic diagram of dewatering well configuration

3.3 增產(chǎn)增透

對(duì)于未采動(dòng)區(qū)的煤層由于煤層處于原始狀態(tài)，尚未受采動(dòng)影響變形、破裂和裂隙伸張，且沒(méi)有產(chǎn)生“卸壓增透增流”效應(yīng)，因此其滲透率非常低，必須進(jìn)行壓裂增透改造措施。

由于烏蘭煤礦現(xiàn)有瓦斯抽采孔鉆井下入的是篩管，地層間是串通的，無(wú)法實(shí)施常規(guī)壓裂，必須對(duì)現(xiàn)有鉆井進(jìn)行技術(shù)改造，封固套管與地層間隙，保障井筒密閉性及套管材質(zhì)、耐壓滿足壓裂要求。

在保證儲(chǔ)層壓裂改造成功的前提下，盡量利用現(xiàn)有鉆孔、降低施工成本的原則，經(jīng)多方研討確定改造措施如下：①使用Φ219mm套銑筒掃開(kāi)Φ177.8mm環(huán)空間隙水泥(深度18m)。②下入打撈工具將Φ177.8mm生產(chǎn)套管提出井外，如果打撈不動(dòng)的話，使用Φ219mm套銑筒每次套銑30m，然后在管內(nèi)下入水力割刀將套管割斷后提出井內(nèi)，直至把所有Φ177.8mm生產(chǎn)套管打撈完畢。③用Φ215.9mm鉆頭鉆至8#煤底板60m。④下入N80, Φ139.7mm×7.72mm生產(chǎn)套管，固井。

對(duì)未采動(dòng)區(qū)滿足壓裂要求的鉆井，采用水力加砂壓裂改造煤儲(chǔ)層，增強(qiáng)煤儲(chǔ)層近井地帶的滲透能力，有效地將煤儲(chǔ)層天然裂隙系統(tǒng)與井筒連通起來(lái)，以提高單井產(chǎn)氣能力。同時(shí)，解除井眼附近因鉆井、固井可能造成的儲(chǔ)層污染。

4 結(jié)論

(1)廢棄礦井瓦斯地面抽采利用目前在國(guó)內(nèi)屬于起步階段。通過(guò)分析烏蘭煤礦地質(zhì)特征及卸壓孔分布特征，在充分利用現(xiàn)有卸壓孔的基礎(chǔ)上提出了“疏通解堵、降低水位、增透增產(chǎn)”三步走的工程方案，為今后廢棄礦井瓦斯抽采利用提供了借鑒。

(2)受烏蘭煤礦采空區(qū)塌陷及瓦斯負(fù)壓抽采影響，卸壓孔出現(xiàn)套管錯(cuò)斷、井底沉沙堵塞等情況，提出了撈砂泵撈砂洗井和空氣振蕩洗井的解堵方式。

(3)烏蘭煤礦關(guān)閉后，地下水位不斷上升，影響瓦斯解吸。選擇了施工降水井排水的措施，明確了降水井布置原則。

[1]韓保山，張新民，張群.廢棄礦井煤層氣資源量計(jì)算范圍研究[J] .煤田地質(zhì)與勘探，2004，32(1)：29-31.

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[7]中國(guó)礦業(yè)大學(xué).西部高瓦斯突出煤層群保護(hù)層開(kāi)采與地面鉆井抽采卸壓瓦斯關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)研究報(bào)告[R].江蘇徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[8]煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院.神華寧煤集團(tuán)烏蘭礦瓦斯賦存規(guī)律及突出綜合防治技術(shù)研究(之二)瓦斯地質(zhì)圖說(shuō)明書[R]，重慶：煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，2009.

Preliminary Study on Abandoned Coalmine Gas Drainage and Utilization—A Case Study of Ulan Coalmine

Yu Zhijun1, Sun Jie2, Liu Tianji2, Zhang Chunlin2and Zhao Yan1

(1.Ningxia New Energy Resources Joint Stock Co. Ltd., China Energy Conservation and Environmental Protection Group, Yinchuan, Ningxia 750002; 2. Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

The exploitation and utilization of gas resource in abandoned coalmines are still in an exploratory stage in China. Rely on the Ulan coalmine, analyzed its geological features and current situation of gas drainage, and carried out abandoned coalmine surface gas drainage and reclamation studies. Based on full use of available boreholes, drawn up “dredging blockage removal, ground-water level lowering, transmissibility and production increasing” three-step project scheme, put forward well site selection and concrete construction scheme; thus provided reference for abandoned coalmine gas drainage and utilization henceforth.

abandoned coalmine; gas; drainage

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.06

1674-1803(2017)07-0024-04

于志軍(1973—)，男，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，從事研究方向：廢棄礦井瓦斯綜合治理和資源化利用技術(shù)，碳捕集及回注技術(shù)，礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)及燃煤鍋爐污染物一體化控制技術(shù)研究。

2017-04-13

責(zé)任編輯：宋博輦

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