楊 函，王澤斌，孫澤飛

(1.山西地質(zhì)博物館，山西 太原 030024；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 102200)

因煤層氣和煤炭資源的共伴生關(guān)系、人為的資源種類(lèi)劃分、能源經(jīng)濟(jì)地位差距以及礦業(yè)權(quán)設(shè)立先后順序等諸多原由，煤層氣開(kāi)發(fā)與煤炭開(kāi)采存在諸多密不可分的內(nèi)在聯(lián)系，突出表現(xiàn)為煤層氣礦業(yè)權(quán)和煤炭礦業(yè)權(quán)的普遍重疊[1-6]。截至2019年6月末，山西省共設(shè)置油氣(煤層氣)礦業(yè)權(quán)72個(gè)，登記面積3.15萬(wàn)km2，煤層氣礦業(yè)權(quán)(含增列油氣)63個(gè)，常規(guī)油氣礦業(yè)權(quán)9個(gè)。其中，與煤炭礦業(yè)權(quán)重疊面積大于10 km2的煤層氣礦業(yè)權(quán)就有28個(gè)，重疊面積從10.33 km2到174.26 km2不等，總重疊面積約3 221.34 km2，約占煤層氣礦業(yè)權(quán)總面積的10.5%，呈現(xiàn)出重疊區(qū)塊多、重疊面積大的特點(diǎn)[7]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和煤炭開(kāi)采、瓦斯治理需求的增加，圍繞重疊區(qū)煤層氣資源的開(kāi)發(fā)利用，許多專(zhuān)家學(xué)者提出了采煤采氣一體化的開(kāi)發(fā)模式。張遂安[8]認(rèn)為煤層氣開(kāi)發(fā)必須堅(jiān)持地面開(kāi)發(fā)與井下抽采并舉的方針，確保煤礦安全生產(chǎn)，盡可能實(shí)施一井多用戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)煤層氣高效抽采。馮立杰等[9]認(rèn)為設(shè)計(jì)實(shí)施采氣工程時(shí)，要考慮采煤工程的需求，而設(shè)計(jì)實(shí)施采煤工程時(shí)，又要兼顧采氣工程的需求。張俊威[10]認(rèn)為采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式要求，在時(shí)間上，煤層氣的抽采與礦井的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的全過(guò)程協(xié)調(diào)一致；在空間上，地面煤層氣井位的布置與礦井采掘銜接相一致；在功能上，煤層氣井實(shí)現(xiàn)“地質(zhì)勘探、采前抽、采中抽、采后抽”一井四用。然而，在采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式被認(rèn)可之前，盡管許多煤炭企業(yè)已開(kāi)展了煤礦瓦斯抽采排放，但煤炭開(kāi)采與煤層氣開(kāi)采總是被分開(kāi)進(jìn)行。本文經(jīng)過(guò)對(duì)山西省現(xiàn)有采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式的分析對(duì)比，為礦業(yè)權(quán)人提供了新的采煤采氣一體化參考建議，對(duì)解決礦業(yè)權(quán)爭(zhēng)議、提高資源綜合利用效率具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 采煤采氣一體化的必要性

在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程中，推進(jìn)清潔能源代替煤炭在一次能源消費(fèi)中的占比，將在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)受到煤炭行業(yè)多方面的影響。截至2018年，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中的比重仍然高達(dá)64%，這意味著短期內(nèi)我國(guó)以煤炭為主要能源的基本格局難以實(shí)現(xiàn)根本性改變，煤炭開(kāi)采和利用依然是保證國(guó)家能源安全的最主要途徑。實(shí)踐證明，現(xiàn)有單一煤層氣開(kāi)發(fā)模式既制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)，又可能造成煤層氣資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，導(dǎo)致不良的社會(huì)環(huán)境影響。煤層氣井下抽采與煤礦開(kāi)采、掘進(jìn)并行，危險(xiǎn)性大，瓦斯爆炸事故難以根本杜絕，同時(shí)導(dǎo)致礦井煤層氣“濃度低、抽采率低、利用率低”的三低特性，造成大氣污染。我國(guó)已在多個(gè)氣田實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)，產(chǎn)氣效果較好，但傳統(tǒng)地面抽采更側(cè)重于單一煤層氣資源的開(kāi)發(fā)利用，很少綜合考慮煤礦安全生產(chǎn)，給煤礦的后續(xù)開(kāi)采帶來(lái)一定的影響。為此，煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是兼顧煤層氣和煤炭的綜合開(kāi)發(fā)利用，營(yíng)造煤炭生產(chǎn)安全環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤層氣資源規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用[11]。

目前來(lái)看，實(shí)施采煤采氣一體化模式，具有巨大的安全價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、能源價(jià)值和環(huán)境價(jià)值，具體表現(xiàn)：①煤層氣的開(kāi)發(fā)可以改善煤礦安全生產(chǎn)，提高安全價(jià)值；②煤層氣的開(kāi)發(fā)降低了井下瓦斯溢出風(fēng)險(xiǎn)，有利于提高井下煤層掘進(jìn)速度，改善井下作業(yè)的通風(fēng)環(huán)境，從而提高煤炭生產(chǎn)效率；③煤層氣作為一種清潔能源，除了可以進(jìn)行瓦斯發(fā)電，節(jié)省供電費(fèi)用，還可以用于居民和工業(yè)燃料，改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)；④開(kāi)發(fā)利用煤礦瓦斯可以有效減少溫室氣體排放。經(jīng)測(cè)算，某礦業(yè)集團(tuán)下屬的某高濃度瓦斯礦實(shí)施采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式后，可以增加1.72億元的綜合效益。

2 典型的采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式

近年來(lái)，許多煤層氣和煤炭企業(yè)探索了多種綜合利用模式，如單一企業(yè)內(nèi)部采煤采氣一體化的“晉城模式”、不同企業(yè)先采氣后采煤的“三交模式”、煤炭和煤層氣企業(yè)合作共贏的“中聯(lián)-陽(yáng)煤模式”，都取得了一定的效果。

2.1 晉城模式

“晉城模式”是晉煤集團(tuán)充分發(fā)揮自身作為煤炭開(kāi)采企業(yè)和煤層氣抽采企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效整合內(nèi)部資源，以寺河煤礦和成莊煤礦為先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展的采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)項(xiàng)目[12]。在煤礦開(kāi)采及之前，主要采取“采前抽”和“采中抽”的煤層氣開(kāi)發(fā)模式，協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)煤炭資源；2013年以后，晉煤集團(tuán)又在煤礦的采空區(qū)陸續(xù)布置了一些抽采煤層氣的直井，實(shí)現(xiàn)了“采后抽”。對(duì)瓦斯含量高于16 m3/t的煤層開(kāi)采區(qū)域，提前5～8年實(shí)施地面鉆井，采用直井壓裂、水平井抽采等方式進(jìn)行“采前抽”，使瓦斯含量降到16 m3/t以下。對(duì)于瓦斯含量在8～16 m3/t的煤層開(kāi)采區(qū)，根據(jù)煤層的賦存特性，提前3～5年或更長(zhǎng)時(shí)間，采用井下抽采和地面抽采相結(jié)合的模式開(kāi)展“采前抽”。對(duì)于瓦斯含量小于8 m3/t的區(qū)域，采用邊抽邊采的方式，治理采掘活動(dòng)中涌出的瓦斯，實(shí)現(xiàn)“采中抽”。

公開(kāi)資料表明，采用以上采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式的寺河煤礦和成莊煤礦，自2003年到2006年，煤層氣抽采量從0.73億m3/a增加到了2.15億m3/a，抽采率從30%提升到了50%，礦井生產(chǎn)能力從1 050萬(wàn)t/a提高到了1 800萬(wàn)t/a。2013年8月，晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司在晉圣永安宏泰煤礦施工了一口廢棄礦井煤層氣抽采井JSCK-02井，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣，目前該井仍保持日產(chǎn)量約4 000 m3，累計(jì)產(chǎn)氣達(dá)320萬(wàn)m3，甲烷濃度穩(wěn)定在90%以上，真正實(shí)現(xiàn)了煤層氣的“采后抽”。截至2016年2月，晉煤集團(tuán)已在各類(lèi)生產(chǎn)礦井采空區(qū)和關(guān)閉煤礦采空區(qū)建成煤層氣抽采井64口，日利用量約4.6萬(wàn)m3，歷史累計(jì)抽采量2 074.3萬(wàn)m3，累計(jì)利用量1 475.7萬(wàn)m3。目前，晉煤集團(tuán)計(jì)劃在旗下寺河、成莊、岳城等煤礦采空區(qū)分三期布置190口采空井，爭(zhēng)取形成1.03億m3/a的產(chǎn)能。

2.2 三交模式

“三交模式”是中石油煤層氣公司為解決三交區(qū)塊復(fù)雜的礦業(yè)權(quán)重疊問(wèn)題，在彼此承認(rèn)對(duì)方礦業(yè)權(quán)的基礎(chǔ)上，與煤炭開(kāi)采企業(yè)簽訂合作協(xié)議，進(jìn)入礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)域內(nèi)進(jìn)行煤層氣的勘查開(kāi)發(fā)，有效降低開(kāi)發(fā)區(qū)瓦斯?jié)舛?，解決礦業(yè)權(quán)重疊矛盾的一種互利共贏模式。在該模式下，三交項(xiàng)目與煤炭企業(yè)共同維護(hù)重疊區(qū)內(nèi)煤層氣和煤炭的勘查開(kāi)發(fā)秩序，及時(shí)交換、共享動(dòng)態(tài)資料，在雙方礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)共同進(jìn)行規(guī)劃部署，采用地面抽采方式(采前抽)進(jìn)行煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了“先采氣、后采煤，采煤采氣協(xié)調(diào)發(fā)展”。這一模式得到了時(shí)任國(guó)務(wù)院副總理張德江的充分肯定，“中石油創(chuàng)新煤層氣開(kāi)發(fā)模式，意義重大，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)和支持”。

在“三交模式”指導(dǎo)下，中石油煤層氣公司先后與17家煤炭開(kāi)采企業(yè)開(kāi)展了采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)合作，有效化解了絕大部分的礦業(yè)權(quán)重疊問(wèn)題(礦業(yè)權(quán)面積383.202 km2，與煤礦重疊面積約295 km2)。在煤礦8年首采區(qū)以外的區(qū)域，正常開(kāi)展煤層氣地面抽采，可以將高瓦斯煤礦降低為低瓦斯煤礦；在煤礦5～8年首采區(qū)內(nèi)，加密布井，加快抽采速度，從而有效地減少煤礦瓦斯礦難事故；在煤礦5年首采區(qū)注重一井多用，充分發(fā)揮該井對(duì)采氣和采煤的貢獻(xiàn)；在煤炭正采區(qū)，進(jìn)行積極避讓?zhuān)贿M(jìn)行地面抽采。目前，中石油煤層氣公司在重疊面積大的錦源煤礦、西坡煤礦范圍內(nèi)(重疊區(qū)面積約100 km2)合作程度最高。

針對(duì)錦源煤礦、西坡煤礦重疊區(qū)3#/4#/5#煤瓦斯含量高(8～12 m3/t)、埋深適中(350～850 m)、厚度較大(4～6 m)的特點(diǎn)，三交項(xiàng)目充分發(fā)揮地面抽采技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在錦源、西坡8年首采區(qū)以外進(jìn)行正常煤層氣地面抽采。 截至2017年6月，在該區(qū)域內(nèi)已陸續(xù)完成各類(lèi)鉆井97口(圖1)，累計(jì)產(chǎn)氣約3億m3，有效地降低了抽采區(qū)域瓦斯含量，局部區(qū)域已由煤層氣含量8 m3/t以上降至4 m3/t以下，有助于煤礦從根本上解決瓦斯溢出事故、加快采煤速度、降低煤炭開(kāi)采成本。通過(guò)前期的合作，錦源煤礦、西坡煤礦已有望在其5～8年開(kāi)采規(guī)劃區(qū)內(nèi)盡快實(shí)施地面鉆井抽采。目前，中石油煤層氣公司已啟動(dòng)錦源煤礦5年首采區(qū)內(nèi)的井位優(yōu)化部署工作。

圖1 錦源煤礦、西坡煤礦重疊區(qū)已鉆井位分布圖Fig.1 Drilled distribution map in overlap areaof Jinyuan and XiPo coal mines

2.3 中聯(lián)-陽(yáng)煤模式

中聯(lián)煤層氣公司將自身的煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)與陽(yáng)煤集團(tuán)煤炭礦業(yè)權(quán)優(yōu)勢(shì)、煤礦瓦斯治理需求相結(jié)合，成立聯(lián)合管理會(huì)，以煤礦五年規(guī)劃區(qū)為重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)域，采用“采前抽”的方式，費(fèi)用分擔(dān)、利益共享，實(shí)現(xiàn)了采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。 截至2016年4月，該模式已在陽(yáng)煤集團(tuán)七元煤礦實(shí)現(xiàn)成功運(yùn)用，并在泊里煤礦、新元煤礦、西上莊煤礦進(jìn)行推廣。

為有效解決中聯(lián)煤層氣公司壽陽(yáng)煤層氣區(qū)塊和陽(yáng)煤集團(tuán)七元煤礦礦業(yè)權(quán)重疊問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)瓦斯治理和煤層氣開(kāi)發(fā)并舉，中聯(lián)煤層氣公司和壽陽(yáng)集團(tuán)在146.23 km2(礦權(quán)重疊面積116.9 km2)的區(qū)域上合作開(kāi)展了采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)合作模式。該模式綜合考慮了安全管理、采掘布局、煤層氣資源節(jié)約、規(guī)劃礦井接續(xù)時(shí)間等諸多因素，利用“采前抽”“采中抽”的地面開(kāi)發(fā)手段，確保首采面巷道掘進(jìn)過(guò)程中煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下。為確保項(xiàng)目能夠?yàn)殡p方提供最大程度的收益，雙方共同組建了聯(lián)管會(huì)來(lái)管理項(xiàng)目的運(yùn)行。該項(xiàng)目按照地面抽采井的服務(wù)年限，計(jì)劃分四個(gè)階段實(shí)施99組水平井、821口定向井，項(xiàng)目的實(shí)施將帶給中聯(lián)煤層氣1.39億元的效益(煤礦補(bǔ)助收益)。截至2016年5月，該項(xiàng)目已完鉆8組水平井，其中7組已經(jīng)產(chǎn)氣，并為煤礦方提供了精細(xì)的地層信息。

3 三種典型開(kāi)發(fā)模式的對(duì)比

三種典型開(kāi)發(fā)模式都是煤層氣企業(yè)和煤炭企業(yè)在解決自身面臨的發(fā)展問(wèn)題時(shí)，針對(duì)煤層氣(瓦斯)抽采這一共同需求，因地制宜探索出的具有顯著成效的采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式，既有相似之處，也有許多不同點(diǎn)。

3.1 相似之處

1) 都是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)和煤礦開(kāi)采的有益結(jié)合，有效地解決了各自實(shí)驗(yàn)區(qū)域的煤層氣、煤炭礦業(yè)權(quán)重疊問(wèn)題。

2) 使煤層氣企業(yè)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)煤層氣資源的有序開(kāi)發(fā)和利用，提升了企業(yè)效益。

3) 為煤炭企業(yè)降低礦井瓦斯治理投入、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提升開(kāi)發(fā)效率、減少低濃度瓦斯浪費(fèi)和避免大氣污染做出了積極貢獻(xiàn)。

4) 都采用了成熟的水平井+直井開(kāi)發(fā)的煤層氣地面抽采方式，在煤礦開(kāi)采之前實(shí)行“采前抽”，降低煤層瓦斯含量。

5) 促進(jìn)了我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)和煤炭產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

3.2 不同點(diǎn)

1) 合作對(duì)象不同。“晉城模式”是大集團(tuán)內(nèi)部的專(zhuān)業(yè)采氣公司和煤礦進(jìn)行的合作；“三交模式”是中石油煤層氣公司和礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)煤礦的合作；“中聯(lián)-陽(yáng)煤模式”是中聯(lián)煤層氣公司與礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)煤礦以及非重疊區(qū)煤礦的合作。

2) 合作緊密程度不同?！皶x城模式”可以利用集團(tuán)內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)，本身不存在溝通銜接的問(wèn)題；“三交模式”僅通過(guò)合作協(xié)議和定期會(huì)晤，存在違約和人員流動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn)；“中聯(lián)-陽(yáng)煤模式”通過(guò)聯(lián)管會(huì)機(jī)制建立了健全的溝通渠道，最大程度地減少了溝通障礙。

3) 合作內(nèi)容和抽采順序不同。“晉城模式”以煤層瓦斯含量來(lái)劃分抽采順序，瓦斯含量8 m3/t以上的區(qū)域采用“采前抽”的方式提前進(jìn)行地面抽采，瓦斯含量在8 m3/t以下的區(qū)域采用“采中抽”的方式邊抽邊采，對(duì)于剩余瓦斯含量較高的采空區(qū)采用“采后抽”的方式實(shí)現(xiàn)資源的最大化開(kāi)發(fā)；“三交模式”是在煤礦的8年規(guī)劃區(qū)以及5～8年規(guī)劃區(qū)內(nèi)進(jìn)行“采前抽”的煤層氣地面抽采；“中聯(lián)-陽(yáng)煤”模式是在煤礦5年規(guī)劃區(qū)進(jìn)行“采前抽”。

4) 合作區(qū)的煤巖性質(zhì)不同?！皶x城模式”的合作區(qū)多以無(wú)煙煤為主，煤巖鏡質(zhì)體反射率基本大于3.68%、煤巖滲透率多在0.3～2.1 mD、含氣量多在12～28 m3/t，尤其是成莊采空區(qū)的剩余含氣量仍高達(dá)7 m3/t，為采空區(qū)的“采后抽”提供了很好的資源基礎(chǔ)?！叭荒Ｊ健钡暮献鲄^(qū)多以肥煤為主，煤巖鏡質(zhì)體反射率多在0.91%～1.19%、煤巖滲透率多在0.028～5.620 mD、含氣量多在10～15 m3/t?！爸新?lián)-陽(yáng)煤模式”的七元煤礦多以貧煤-無(wú)煙煤為主，煤巖鏡質(zhì)體反射率在1.7%～2.6%、煤巖滲透率多在0.02～1.43 mD、含氣量多在10～22 m3/t。

5) 合作項(xiàng)目的費(fèi)用來(lái)源不同。“晉城模式”的合作項(xiàng)目費(fèi)用多是煤礦本身的瓦斯治理經(jīng)費(fèi)，抽采的商品氣銷(xiāo)售收入也由煤層氣企業(yè)支配；“三交模式”的合作項(xiàng)目費(fèi)用完全由煤層氣企業(yè)自籌，雖然抽采的商品氣銷(xiāo)售收入全歸煤層氣企業(yè)所有，但在煤礦有開(kāi)采需求時(shí)，煤層氣企業(yè)要無(wú)償避讓?zhuān)弧爸新?lián)-陽(yáng)煤模式”的合作項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)由煤層氣企業(yè)和煤炭企業(yè)協(xié)商后共同承擔(dān)，抽采后的商品氣銷(xiāo)售收入由煤層氣企業(yè)支配，降低了煤層氣企業(yè)的資金壓力和抽采風(fēng)險(xiǎn)。

4 建 議

1) “晉城模式”“三交模式”“中聯(lián)-陽(yáng)煤模式”的成功實(shí)踐表明，以瓦斯抽采為共同利益切入點(diǎn)的采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式，完全可以實(shí)現(xiàn)煤層氣企業(yè)和煤炭企業(yè)的互利共贏。

2) 在具體開(kāi)展采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先建立常態(tài)化的健全的合作保障機(jī)制，保障信息及時(shí)共享，確保雙方利益最大化。

3) 在合作過(guò)程中，不僅要注重對(duì)傳統(tǒng)的“采前抽”和“采中抽”煤層氣地面開(kāi)采的應(yīng)用，更要注重對(duì)剩余瓦斯含量較高的煤礦采空區(qū)的“采后抽”，加大對(duì)低滲透性、高含氣量尾礦或廢礦的普查，真正做到煤層氣資源的最大化利用。

4) 在合作項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)保障方面，應(yīng)秉持互助共贏、友好協(xié)商的態(tài)度，通過(guò)煤礦瓦斯治理預(yù)算補(bǔ)助一部分、煤層氣企業(yè)自身籌備一部分等措施，有效降低合作項(xiàng)目方的資金負(fù)擔(dān)，確保項(xiàng)目持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。