孟召平，李國(guó)富，田永東，王宇紅，李 超，陳浩越，吳 迪

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048012)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源大國(guó)(煤炭資源量約為5.82×1012t)，煤炭資源保有量為1.94×1012t，其中已利用資源量為0.40×1012t(約占20.8%)，尚未利用煤炭資源量為1.54×1012t(約占79.2%)[1]。煤炭作為我國(guó)主要能源之一，對(duì)工業(yè)發(fā)展起著穩(wěn)定支撐作用，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的有力保障。煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)中明確提出“十四五”期間煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主體地位不會(huì)改變。需深入貫徹落實(shí)新發(fā)展理念和能源安全新戰(zhàn)略，加快建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系，為我國(guó)如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)形成煤炭高質(zhì)量發(fā)展新格局。越來(lái)越多的生產(chǎn)礦井因煤炭資源枯竭而報(bào)廢，也有部分落后產(chǎn)能礦井不符合目前國(guó)家安全生產(chǎn)的要求,或開采成本高、虧損嚴(yán)重,面臨關(guān)閉或廢棄[2-3]，據(jù)統(tǒng)計(jì),“十二五” 期間，我國(guó)淘汰落后煤礦7 100處,淘汰落后產(chǎn)能 5.5億 t/a,其中關(guān)閉煤礦產(chǎn)能 3.2億 t/a[3]。到2020年，我國(guó)廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.2萬(wàn)處，預(yù)計(jì)到2030年數(shù)量將到達(dá)1.5萬(wàn)處[2-3],初步估計(jì)，目前廢棄礦井煤炭資源高達(dá)420億t以上，煤層氣近5 000億m3。山西省作為煤炭資源大省，新中國(guó)成立以來(lái)，已累計(jì)生產(chǎn)煤炭200億t左右，積累了眾多廢棄礦井采空區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山西省共有4 700余處廢棄礦井，有開發(fā)利用價(jià)值的廢棄礦井采空區(qū)面積約2 052 km2，初步估算，殘余煤層氣資源量約726億m3。針對(duì)這一資源，山西省自然資源廳與山西省能源局聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于開展煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗(yàn)有關(guān)事項(xiàng)的通知》(晉自然資發(fā)〔2019〕54號(hào))，首次鼓勵(lì)和引導(dǎo)各類市場(chǎng)主體積極參與、有序?qū)嵤┟禾坎煽諈^(qū)(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗(yàn)，為有效開發(fā)利用廢棄礦井煤層氣資源提供有利支持。

綜上所述，煤炭作為我國(guó)主體能源，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開采,廢棄礦井?dāng)?shù)量巨大，廢棄礦井煤層氣資源豐富，抽采廢棄礦井煤層氣對(duì)于推動(dòng)我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)、消除采空區(qū)瓦斯溢出安全隱患、增加清潔能源供應(yīng)、緩解常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況和保護(hù)大氣環(huán)境等多方面均具有十分重要的意義。

1 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣賦存特征

1.1 采空區(qū)煤層氣賦存狀態(tài)

廢棄礦井采空區(qū)煤層氣主要來(lái)源于已開采煤體、煤柱及殘留煤層、鄰近未采煤層和圍巖中的吸附氣和游離氣(圖1)[4-5]。

圖1 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣賦存分布模式[4]

煤層受到地下采掘擾動(dòng)下，煤體產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，煤炭開采導(dǎo)致采動(dòng)煤巖體應(yīng)力降低，當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力低到煤層甲烷的臨界解吸壓力以下時(shí)，煤中甲烷由吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。隨著地下采煤范圍的不斷擴(kuò)大，受到采動(dòng)影響的煤(巖)層范圍也不斷擴(kuò)大，直到礦井被廢棄，這些解吸出的游離態(tài)甲烷一部分隨著通風(fēng)排放到大氣中，一部分以游離態(tài)保存在煤(巖)體孔裂隙空間內(nèi)，還有一部分溶解于礦井水中并隨礦井排水系統(tǒng)排出。吸附態(tài)的甲烷主要分布在未開采煤層和開采后的殘余煤柱中；游離態(tài)甲烷主要賦存于廢棄礦井采空區(qū)垮落帶及斷裂帶中。廢棄礦井采空區(qū)垮落帶及斷裂帶內(nèi)煤層氣富集，在一定程度上服從于常規(guī)天然氣的構(gòu)造控氣規(guī)律；廢棄礦井未開采煤層和開采后的殘余煤柱內(nèi)煤層氣富集卻可能更多地受控于煤儲(chǔ)層的吸附特性和溫度-壓力條件。

采動(dòng)裂隙是廢棄礦井煤層氣賦存規(guī)律研究的基礎(chǔ)，控制著廢棄礦井采空區(qū)地下水和煤層氣滲流及其賦存分布。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)及覆巖采動(dòng)斷裂帶發(fā)育規(guī)律研究方面開展了大量工作，建立了采場(chǎng)巖層移動(dòng)破斷與采動(dòng)裂隙分布的“橫三區(qū)”、“豎三帶”的總體認(rèn)識(shí)[6-11]，為廢棄礦井采空區(qū)煤層氣賦存規(guī)律研究和資源量評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。

1.2 采空區(qū)煤層氣成分

廢棄礦井采空區(qū)中煤層氣與未開采氣在氣體成分上也存在一定差異性，其中廢棄礦井采空區(qū)中CH4含量相對(duì)較低，且會(huì)含有一定量的N2、CO2、O2等成分(表1)。廢棄礦井采空區(qū)煤層甲烷濃度變化主要是因采煤方法和采空區(qū)密閉性所致，這些因素對(duì)資源量的計(jì)算和煤層氣抽采產(chǎn)生影響。

表1 采空區(qū)煤層氣成分檢測(cè)結(jié)果[4]

與相似煤階(或有機(jī)質(zhì)成熟度)常規(guī)儲(chǔ)層中的煤層氣相比，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣穩(wěn)定碳同位素偏輕，反映煤層氣存在運(yùn)移效應(yīng)，采空區(qū)煤層氣富集所要求的“圈閉”條件與常規(guī)天然氣富集條件更趨接近。碳同位素偏輕的現(xiàn)象多是煤層氣在生成之后發(fā)生解吸—擴(kuò)散—運(yùn)移過(guò)程的客觀反映[12-15]。

由于廢棄礦井采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層氣資源相對(duì)分散不均，煤層氣富集規(guī)律和資源狀況不清，其評(píng)價(jià)理論與方法不完善，煤層氣勘探開發(fā)存在著較大的盲目性。因此開展廢棄礦井煤層氣賦存機(jī)理、富集規(guī)律和資源狀況的研究尤為重要。

1.3 采空區(qū)煤層氣資源評(píng)價(jià)

廢棄礦井煤層氣資源是廢棄礦井抽采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者開展了廢棄礦井煤層氣資源評(píng)價(jià)研究[16-19]。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，廢棄礦井煤層氣資源量應(yīng)該等于采礦活動(dòng)前儲(chǔ)集在整個(gè)受采礦影響范圍內(nèi)的煤層氣資源量減去整個(gè)礦井開采活動(dòng)過(guò)程中損失的煤層氣資源量以及采礦活動(dòng)結(jié)束后直到開始進(jìn)行廢棄礦井煤層氣開發(fā)之前所有損失的資源量。通常采用物質(zhì)平衡法來(lái)估算廢棄礦井煤層氣資源量，并建立了采空區(qū)煤層氣資源評(píng)價(jià)計(jì)算模型，為廢棄礦井煤層氣資源抽采提供了理論依據(jù)，韓保山等[16]結(jié)合殘余瓦斯壓力理論，探討了廢棄礦井煤層氣資源量的計(jì)算范圍和方法；李日富等[17]分析了采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量評(píng)估與傳統(tǒng)煤層氣資源量評(píng)估的聯(lián)系及區(qū)別，構(gòu)建了采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量評(píng)估模型；CHEN等[18]建立了有關(guān)于采空區(qū)氣體體積與組分的流管模型和守恒方程，通過(guò)對(duì)氣體濃度場(chǎng)模擬，得到了采空區(qū)氣體的分布規(guī)律。文光才等[19]通過(guò)分析煤層氣的來(lái)源、賦存空間和關(guān)鍵影響因素,建立了基于“間接減法” 理念的采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)(廢棄礦井或老采空區(qū))煤層氣資源評(píng)估模型,提出了采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源評(píng)估方法。孟召平等[5]在對(duì)煤炭開采覆巖變形破壞規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo),建立了廢棄礦井煤層氣吸附氣與游離氣資源量評(píng)價(jià)模型和方法,對(duì)山西晉煤集團(tuán)晉圣煤礦采空區(qū)煤層氣資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)。以上研究為廢棄礦井煤層氣抽采奠定了基礎(chǔ)和條件。

2 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面抽采國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，在煤炭地下開采過(guò)程中煤層氣被視為有害氣體，大多進(jìn)行井下抽放，利用率很低，從資源的角度對(duì)煤層氣的認(rèn)識(shí)較少。直到20世紀(jì)80年代，美國(guó)率先成功利用鉆井水力壓裂和排水降壓等地面煤層氣開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤層氣的商業(yè)化生產(chǎn)，從而使煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，日益受到世人關(guān)注。廢棄礦井煤層氣抽采是繼井下瓦斯抽放、地面垂直井開采、地面采動(dòng)區(qū)井抽采之后發(fā)展起來(lái)的一種新的煤層氣開發(fā)方式，即將廢棄礦井采空區(qū)和殘留、聚集在地下巷道、巖層和煤層中的煤層氣抽取出來(lái)并加以利用。

在采動(dòng)巖體變形破壞研究的基礎(chǔ)上，開展了廢棄礦井煤層氣抽采技術(shù)及試驗(yàn)研究，英國(guó)煤炭開采歷史悠久，早在1954年就開始對(duì)廢棄礦井煤層氣進(jìn)行開發(fā)利用，隨后，德國(guó)、美國(guó)和我國(guó)也相繼開展了廢棄礦井煤層氣抽采研究與應(yīng)用[20-24]。

1)英國(guó)從20世紀(jì)50年代開始在北威爾士郡進(jìn)行大規(guī)模的廢棄礦井瓦斯抽放與利用，開發(fā)了廢棄礦井煤層氣抽放和利用技術(shù)[23]。英國(guó)廢棄礦井瓦斯抽放方式大體有2種：① 沒(méi)有充填的廢棄礦井或平硐抽放瓦斯；② 在廢棄礦井采空區(qū)或井下卸壓地區(qū)采用大直徑地面鉆孔抽放采空區(qū)煤層氣。采出的甲烷用來(lái)發(fā)電以供地方工業(yè)或國(guó)家電網(wǎng)使用，或用作工業(yè)燃?xì)?。通過(guò)對(duì)廢棄礦井煤炭開采變形破壞的研究，揭示了長(zhǎng)壁工作面以上150～200 m和以下40～70 m的煤層都可能被卸壓，壓力降低將產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致開采層周圍含煤巖層的滲透性增加，從而解吸出受開采擾動(dòng)影響地層中的吸附氣，并認(rèn)為越遠(yuǎn)離開采煤層，受采動(dòng)影響越小。目前英國(guó)的Alkane能源公司、Octagon能源公司、Edinburgh石油與天然氣公司、Evergreen資源公司(英國(guó))和stataGas煤層氣公司等在Markham、Steetly、Shirebook、Silverdale、HemHealth、Bersham等6個(gè)廢棄礦井建立了商業(yè)化地面煤層氣開發(fā)基地，并取得了好的應(yīng)用效果。

2)德國(guó)從20世紀(jì)開始對(duì)魯爾煤礦區(qū)廢棄礦井煤層氣進(jìn)行抽采試驗(yàn)研究[23]，在煤炭開采過(guò)程中為采空區(qū)煤層氣開發(fā)預(yù)留專門的管道，連通地面抽采利用設(shè)施進(jìn)行采空區(qū)煤層氣抽采；在沒(méi)有預(yù)埋管道的采空區(qū)，采用地面鉆井抽采采空區(qū)煤層氣，均取得了很好的效果。目前，德國(guó)在魯爾區(qū)和薩爾州等礦區(qū)開展了廢棄礦井煤層氣抽采，其中規(guī)模最大的斯蒂亞格新能源公司年抽采利用廢棄礦井煤層氣抽采濃度15%～70%，約3億m3(折純)，年發(fā)電量約10億kW·h、同時(shí)供熱4.4億kW·h。

3)美國(guó)開展了廢棄煤礦煤層氣抽采利用商業(yè)化，美國(guó)環(huán)保署組織開展了廢棄礦井煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和理論分析方法，完整描述了廢棄礦井煤層瓦斯涌出量及其衰減特征，為廢棄礦井煤層氣抽采提供了基本參數(shù)[23]。據(jù)《2013美國(guó)溫室氣體排放清單》數(shù)據(jù)，2011年美國(guó)共建設(shè)38個(gè)廢棄煤礦煤層氣抽采利用項(xiàng)目，利用煤層氣總量約1.6億m3，其中近60%的項(xiàng)目分布在伊利諾伊州的煤盆地中。

4)我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)主要是以抽采生產(chǎn)礦井的未采或卸壓煤層中瓦斯為主，廢棄礦井煤層氣開發(fā)研究始于20世紀(jì)90年代后期，主要開展了廢棄礦井采空區(qū)煤層氣來(lái)源及賦存狀態(tài)、廢棄礦井采空區(qū)煤層氣資源量評(píng)價(jià)等方面的探索研究，廢棄礦井煤層氣開發(fā)技術(shù)尚處于探索階段[4]。遼寧鐵法礦區(qū)通過(guò)改進(jìn)封閉工藝，在已封閉區(qū)上施工地面抽采鉆井，進(jìn)行了采空區(qū)定向抽采，使采空區(qū)抽采瓦斯純量占總供氣量的8%～10%。焦煤集團(tuán)、陽(yáng)煤集團(tuán)和淮南礦業(yè)集團(tuán)建立了低濃度瓦斯發(fā)電站(廠)，可滿足本集團(tuán)內(nèi)部部分生產(chǎn)用電需要。山西省政府為了引導(dǎo)各類市場(chǎng)主體積極參與、有序?qū)嵤┟禾坎煽諈^(qū)(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗(yàn)，出臺(tái)了一系列政策，明確立足不同地區(qū)煤炭礦業(yè)權(quán)主體情況，分類施策，積極穩(wěn)妥開展采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣資源抽采試驗(yàn)。

3 晉城礦區(qū)廢棄礦井煤層氣地面抽采研究

3.1 研究區(qū)抽采概況

晉城礦區(qū)位于沁水盆地南部，開采石炭-二疊系煤層，主要可采煤層有3層：二疊系山西組3號(hào)煤層、石炭系太原組9號(hào)煤層和15號(hào)煤層，煤種為優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤。礦區(qū)煤炭資源豐富，煤層含氣量高，是目前我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)程度最高的區(qū)域。目前，晉城礦區(qū)擁有 6 對(duì)生產(chǎn)礦井,核定生產(chǎn)能力為 3 060 萬(wàn) t。廢棄礦井采空區(qū)主要分布在這些礦井的淺部。初步估算，晉城礦區(qū)廢氣礦井采空區(qū)煤層氣資源量占山西省廢氣礦井煤層氣資源量的1/4。

山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司對(duì)研究區(qū)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣進(jìn)行了抽采技術(shù)探索，地面采空區(qū)煤層氣井抽采是通過(guò)真空泵、螺桿增壓機(jī)等設(shè)備進(jìn)行負(fù)壓抽采。截至2019年底，已在晉城、西山和陽(yáng)泉礦區(qū)實(shí)施廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井129口，投運(yùn)71口，單井抽采量(混量)在500～5 000 m3/d，多數(shù)抽采量在1 000～3 000 m3/d；抽采甲烷體積分?jǐn)?shù)在30%～90%，多數(shù)煤層氣井甲烷濃度在80%以上，日產(chǎn)氣量約11萬(wàn)m3，累計(jì)利用量1.28億m3(折純量)，累計(jì)創(chuàng)造產(chǎn)值2.18億元，其中在晉城礦區(qū)晉圣永安宏泰、岳城和侯村等廢棄煤礦，從2014—2019年鉆井抽采煤層氣純量分別為409.6、881.6、1 317.1、1 683.4、2 181.7萬(wàn)m3和2 238.5萬(wàn)m3。通過(guò)廢棄礦井地面煤層氣抽采工程的實(shí)施，山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司已形成包括采空區(qū)井位優(yōu)選、抽采井設(shè)計(jì)、安全鉆井、地面抽采、管網(wǎng)集輸、分級(jí)利用的完整開發(fā)利用體系，實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)和銷售利用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，發(fā)揮了顯著的產(chǎn)業(yè)示范引領(lǐng)作用。

3.2 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣抽采工藝與技術(shù)

采空區(qū)煤層氣抽采工藝與技術(shù)包括在采空區(qū)煤層氣井身結(jié)構(gòu)、鉆井工藝與技術(shù)、抽采設(shè)備及抽采控制等方面的研究[23-24]，并在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

1)井身結(jié)構(gòu)。廢棄礦井采空區(qū)地面煤層氣井的井身結(jié)構(gòu)為三開結(jié)構(gòu)：一開結(jié)構(gòu)的鉆進(jìn)深度應(yīng)穿過(guò)表土覆蓋層及風(fēng)化帶巖層，并進(jìn)入基巖下10 m；二開結(jié)構(gòu)的鉆進(jìn)深度一般深入到距目標(biāo)煤層最近一層含水層位置；三開結(jié)構(gòu)的鉆進(jìn)深度應(yīng)該深入到目標(biāo)煤層頂板以上采空區(qū)斷裂帶，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的漏漿(風(fēng))情況決定最終止深，如圖2所示。

圖2 煤層氣井井身結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)三開鉆進(jìn)至采空區(qū)上部裂隙發(fā)育區(qū)，選擇壓縮氮?dú)庾鳛榫畠?nèi)循環(huán)介質(zhì)，氮?dú)饨橘|(zhì)相比空氣介質(zhì)可抑制甲烷爆炸，極大地提高了鉆井安全性。

2)鉆井工藝與技術(shù)。為提高鉆井施工效率、避免液體鉆井液堵塞采空區(qū)頂板斷裂帶產(chǎn)氣通道，廢棄礦井采空區(qū)地面鉆井應(yīng)優(yōu)先采用壓縮空氣潛孔錘鉆井技術(shù)，氣體鉆井由于循環(huán)介質(zhì)的比重大大低于泥漿，利用氣體鉆井的特點(diǎn)，可以大幅度降低成本、提高產(chǎn)量、提高勘探開發(fā)總體效益。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，該技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)如下：①氣體密度低，降低了井底的壓力，有利于提高機(jī)械鉆速；②氣體對(duì)不穩(wěn)定低滲煤層氣儲(chǔ)層有保護(hù)作用；③氣體循環(huán)流速快，能夠迅速將井底巖屑?xì)獯抵恋孛?，利于?zhǔn)確判斷井底情況；④氣體介質(zhì)容易制備，在井漏、供水困難的鉆探施工區(qū)可降低成本；⑤壓縮空氣除在井內(nèi)循環(huán)外，還可作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，可大幅提高鉆井速度，降低鉆井成本。

3)廢棄礦井采空區(qū)地面抽采技術(shù)。廢棄礦井采空區(qū)地面抽采是通過(guò)地面鉆井直接連通采空區(qū)，再利用地面負(fù)壓抽采設(shè)備進(jìn)行負(fù)壓抽采(圖3)。

圖3 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面抽采示意

針對(duì)采空區(qū)煤層氣賦存特點(diǎn)，煤層氣井抽采采用專用螺桿增壓機(jī)組包括真空泵、螺桿增壓機(jī)等設(shè)備進(jìn)行的負(fù)壓抽采。機(jī)組設(shè)有獨(dú)立安裝的油氣冷卻器系統(tǒng)，采用風(fēng)冷方式，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)風(fēng)扇將冷卻器的熱量帶走。機(jī)組的進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)根據(jù)進(jìn)氣壓力采用變頻調(diào)節(jié)，排氣流量調(diào)節(jié)采用旁路自帶調(diào)節(jié)的方式。機(jī)組設(shè)有安全閥，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障，出現(xiàn)不正常超壓時(shí)，安全閥將跳開，使高壓氣體引至高空放空，保護(hù)機(jī)組。

4)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井抽采階段及其控制方法。根據(jù)晉城礦區(qū)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井抽采過(guò)程中壓力和日產(chǎn)氣量的變化特征，將采空區(qū)煤層氣井抽采劃分為4個(gè)階段：即Ⅰ自然放噴階段、Ⅱ氣量快速下降階段、Ⅲ穩(wěn)壓產(chǎn)氣階段和Ⅳ定量產(chǎn)氣階段(圖4和表2)，針對(duì)不同階段分別采用不同的控制方法，保證氣井穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)。

表2 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣抽采不同階段及其控制方法

圖4 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井抽采階段劃分

4 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與研究?jī)?nèi)容

4.1 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外學(xué)者盡管在廢棄礦井煤層氣抽采研究方面有所成就，由于廢棄礦井采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，針對(duì)晉城礦區(qū)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面抽采實(shí)際，有許多理論及實(shí)踐問(wèn)題有待于深入探討與揭示：

1)由于廢棄礦井采空區(qū)煤層氣賦存地質(zhì)條件的復(fù)雜性，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣富集規(guī)律不清，其賦存條件及其受控機(jī)制有待揭示。

2)由于廢棄礦井煤層氣受溫度、壓力、采空區(qū)特征、殘余煤層和煤柱的煤巖煤質(zhì)及含水情況等因素影響，前人在建立廢棄礦井煤層氣資源計(jì)算模型時(shí)，未能全面和系統(tǒng)考慮這些因素，致使廢棄礦井煤層氣資源不清，其評(píng)價(jià)理論與方法需要建立和完善。

3)廢棄礦井煤層氣抽采條件復(fù)雜，有關(guān)采空區(qū)巖體滲流特性的認(rèn)識(shí)不足，缺乏廢棄礦井煤層氣抽采地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及抽采參數(shù)優(yōu)化方法，導(dǎo)致鉆井成功率僅50%，且采空區(qū)地面煤層氣井產(chǎn)量普遍存在衰減快、不穩(wěn)定和抽采控制困難等問(wèn)題。

基于上述研究現(xiàn)狀，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣抽采目前面臨以下2個(gè)方面的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：①?gòu)U棄礦井煤層氣賦存規(guī)律及其控制機(jī)理：由于煤層氣賦存條件及控制機(jī)理不清楚，煤層氣賦存規(guī)律和資源狀況不明。因此，揭示廢棄礦井煤層氣賦存規(guī)律及其控制機(jī)理，是廢棄礦井煤層氣抽采急需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題；②廢棄礦井煤層氣抽采條件評(píng)價(jià)及抽采參數(shù)優(yōu)化方法：廢棄礦井煤層氣抽采條件復(fù)雜，目前其抽采條件評(píng)價(jià)與抽采參數(shù)優(yōu)化方法缺乏，導(dǎo)致鉆井成功率不高，煤層氣井排采控制不合理，煤層氣開發(fā)存在著較大盲目性。因此，建立廢棄礦井煤層氣抽采條件評(píng)價(jià)及抽采參數(shù)優(yōu)化方法，也是當(dāng)前急需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

4.2 研究?jī)?nèi)容

針對(duì)這些需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，主要研究?jī)?nèi)容如下：

1)廢棄礦井煤層氣賦存規(guī)律及其控制機(jī)理研究。從煤層采動(dòng)變形破壞分析入手，研究廢棄礦井采空區(qū)孔隙-裂隙空間分布特征，揭示不同采煤方法和開采地質(zhì)條件下煤炭開采圍巖變形-破壞規(guī)律及其滲透性分布特征；研究廢棄礦井采空區(qū)及其采空區(qū)下煤層氣賦存狀態(tài)(吸附、游離、水溶)及其富集規(guī)律；分析采空區(qū)煤層氣的化學(xué)組分及甲烷濃度分布特征，剖析廢棄礦井采空區(qū)的密閉性、含水性和含氣性及其對(duì)煤層氣富集的控制作用，揭示采空區(qū)煤層氣賦存規(guī)律及控制機(jī)理。

2)廢棄礦井煤層氣資源評(píng)價(jià)模型與方法研究。基于采動(dòng)巖體變形破壞特征，建立采動(dòng)巖體孔隙體積模型；結(jié)合煤層氣資源在廢棄礦井采空區(qū)中賦存特征，并考慮煤炭開采采空區(qū)積水情況,建立采空區(qū)積水量計(jì)算和含水飽和度計(jì)算模型；基于采空區(qū)煤層氣成分、濃度、壓力等參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析廢棄礦井煤層氣資源構(gòu)成，建立廢棄礦井采空區(qū)及采空區(qū)下煤層氣資源(游離氣和吸附氣)的計(jì)算方法。

3)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣抽采技術(shù)研究。查明煤炭開采后應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)及其形成的應(yīng)力降低區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)等抽采條件及影響因素，建立廢棄礦井煤層氣抽采條件評(píng)價(jià)及抽采優(yōu)化布置方法(井位和層位)。結(jié)合廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井實(shí)際，分析采空區(qū)煤層氣井抽采量和抽采氣體濃度與抽采參數(shù)(抽采負(fù)壓和抽采速率等)之間的相關(guān)關(guān)系，揭示廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井的抽采特征及采空區(qū)煤層氣產(chǎn)出機(jī)制，形成適應(yīng)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面抽采技術(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于廢棄礦井采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣資源相對(duì)分散不均，煤層氣富集規(guī)律和資源狀況不清，其評(píng)價(jià)理論與方法不完善，在煤層氣抽采基礎(chǔ)研究方面也相對(duì)薄弱，煤層氣井產(chǎn)量衰減快、不穩(wěn)定和抽采控制困難等問(wèn)題，煤層氣勘探開發(fā)存在著較大的盲目性。因此，有必要針對(duì)目前存在的問(wèn)題，擬解決“廢棄礦井煤層氣賦存規(guī)律及其控制機(jī)理和廢棄礦井煤層氣抽采條件評(píng)價(jià)及抽采參數(shù)優(yōu)化方法”2個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，深入開展煤炭開采圍巖變形破壞特征，剖析廢棄礦井采空區(qū)密閉性、含水性和含氣性，揭示廢棄礦井煤層氣賦存規(guī)律及其控制機(jī)理；分析廢棄礦井煤層氣資源構(gòu)成，建立廢棄礦井采空區(qū)及采空區(qū)下煤層氣資源(游離氣和吸附氣)的計(jì)算方法和廢棄礦井煤層氣抽采條件評(píng)價(jià)及抽采優(yōu)化方法，揭示廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井的抽采特征及采空區(qū)煤層氣產(chǎn)出機(jī)制，形成廢棄礦井煤層氣地面抽采工藝和技術(shù)，為我國(guó)廢棄礦井煤層氣開發(fā)提供理論依據(jù)。