煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)研究

賴立學(xué)

摘要我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富,在現(xiàn)今開(kāi)發(fā)的大部分煤田當(dāng)中瓦斯礦井占絕大多數(shù)。本文分析了我國(guó)煤礦瓦斯的分布特征及其礦井瓦斯利用率情況,提出解決現(xiàn)今煤礦瓦斯開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。

關(guān)鍵詞瓦斯礦井 瓦斯利用現(xiàn)狀 抽采技術(shù)

中圖分類號(hào):TD82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 我國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)煤層氣資源情況

我國(guó)是世界上煤層瓦斯資源儲(chǔ)量巨大的國(guó)家之一。據(jù)2006年國(guó)土資源部油氣中心對(duì)全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果,我國(guó)煤層氣資源量居世界第三位,與我國(guó)陸上天然氣資源量相當(dāng),資源量36.81萬(wàn)億m3,可采資源量10.86萬(wàn)億m3,主要分布在華北和西北地區(qū)。其中,華北地區(qū)、西北地區(qū)、南方地區(qū)和東北地區(qū)賦存的煤層氣地質(zhì)資源量分別占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源總量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以內(nèi)、1000～1500m和1500～2000m的煤層氣地質(zhì)資源量,分別占全國(guó)煤層氣資源地質(zhì)總量的38.8%、28.8%和32.4%。

全國(guó)大于5000億m3的含煤層氣盆地(群)共有14個(gè),其中含氣量在5000～10000億m3之間的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地,含氣量大于10000億m3的有鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、滇東黔西盆地群、二連盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉爾盆地等共有15個(gè),其中二連盆地煤層氣可采資源量最多,約2萬(wàn)億m3。

1.2 資源開(kāi)發(fā)情況

(1)地面開(kāi)發(fā)。煤層氣地面開(kāi)發(fā)始于上個(gè)世紀(jì)70年代末,原煤炭科學(xué)研究院撫順研究所曾在撫順、陽(yáng)泉、焦作、白沙、包頭等礦區(qū),以解決煤礦瓦斯突出為主要目的,施工了20余口地面瓦斯抽排試驗(yàn)井。但由于技術(shù)、設(shè)備等條件限制,試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期效果。

上世紀(jì)90年代,煤層氣開(kāi)發(fā)出現(xiàn)熱潮,在不同地區(qū)開(kāi)展了煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)十余年發(fā)展,取得了重大突破。“十五”期間,初露煤層氣產(chǎn)業(yè)化曙光。煤層氣勘探登記區(qū)塊64個(gè),總面積81810.3 km2,分布在12個(gè)省/區(qū)。1990～2005年累計(jì)鉆井?dāng)?shù)577口,其中2004～2005年累計(jì)329口,占57%。主要項(xiàng)目有:山西沁水棗園井組煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目,生產(chǎn)試驗(yàn)井15口;遼寧阜新劉家井組煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,鉆井8口,單井日均產(chǎn)氣3000m3以上;山西晉城潘莊煤層氣地面開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,施工了175口煤層氣井,日產(chǎn)氣約10萬(wàn)m3;山西沁南潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)工程,計(jì)劃施工900口煤層氣井,到2005年底完成鉆井100口,日產(chǎn)氣約8萬(wàn)m3。

(2)井下抽采。煤礦井下瓦斯抽采始于上個(gè)世紀(jì)50年代初。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,煤礦井下瓦斯抽采,已由最初為保障煤礦安全生產(chǎn)到安全能源環(huán)保綜合開(kāi)發(fā)型抽采;抽采技術(shù)由早期的對(duì)高透氣性煤層進(jìn)行本煤層抽采和采空區(qū)抽采單一技術(shù),逐漸發(fā)展到針對(duì)各類條件適合于不同開(kāi)采方法的瓦斯綜合抽采技術(shù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2005年,全國(guó)煤礦高瓦斯礦井4462處,煤與瓦斯突出礦井911處。在615對(duì)國(guó)有重點(diǎn)礦井中,煤與瓦斯突出礦井近200對(duì),高瓦斯礦井152對(duì),裝備地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)308套。2005年,全國(guó)井下抽采煤礦瓦斯近23億m3,陽(yáng)泉、晉城、淮南、松藻、盤(pán)江、水城、撫順等7個(gè)礦區(qū)年抽采量超過(guò)1億m3。

1.3 煤層氣利用現(xiàn)狀

我國(guó)煤層氣(煤礦瓦斯)利用進(jìn)展緩慢。2005年,全國(guó)利用量約10億m3。煤礦瓦斯利用主要集中在抽采量高的國(guó)有重點(diǎn)礦區(qū)。地面鉆井抽采利用,主要集中在山西沁水棗園井組、遼寧阜新劉家井組、晉城潘莊、山西沁南潘河項(xiàng)目等,采取管匯車(chē)運(yùn)輸銷售,供周邊地區(qū)使用。沁南棗園煤層氣井組是目前我國(guó)最大的煤層氣井組(16口井),TL-007井最高單井日產(chǎn)達(dá)到16000 m3。

煤層氣開(kāi)發(fā)利用“十一五”規(guī)劃提出,到2010年應(yīng)實(shí)現(xiàn)四個(gè)目標(biāo):全國(guó)煤層氣產(chǎn)量達(dá)100億m3,其中地面抽采煤層氣50億m3,井下抽采瓦斯50億m3;利用80億m3,其中地面抽采煤層氣利用50億m3,井下抽采瓦斯利用30億m3;新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量3000億m3;逐步建立煤層氣和煤礦瓦斯開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)業(yè)體系。

1.4煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在的主要問(wèn)題

(1)缺乏有力的扶持政策。地面開(kāi)發(fā)煤層氣初期投入高、產(chǎn)出周期長(zhǎng)、投資回收慢。煤層氣開(kāi)發(fā)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期積極性不高;礦井平均瓦斯利用率僅在30%左右。

(2)基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新不夠。瓦斯治理和利用難度大,從理論和技術(shù)方面都存在許多關(guān)鍵性難題,特別是社會(huì)公益性研究被大大削弱,瓦斯治理和利用等方面的技術(shù)研究和創(chuàng)新進(jìn)展緩慢。

(3)煤礦瓦斯抽采難度增大。我國(guó)高瓦斯礦井多,煤層瓦斯含量高、壓力大、透氣性差、抽采難度大。

(4)煤層氣和煤炭礦業(yè)權(quán)重疊。煤層氣和煤炭是同一儲(chǔ)層的共生礦產(chǎn)資源。目前,由于部門(mén)之間、企業(yè)之間不協(xié)調(diào),造成煤層氣開(kāi)采權(quán)和煤炭開(kāi)采權(quán)設(shè)置重疊,影響了煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

(5)煤層氣利用受限制。開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)脫節(jié),缺乏低濃度瓦斯的安全輸送和利用技術(shù);瓦斯發(fā)電上網(wǎng)難、入網(wǎng)價(jià)格低,發(fā)電企業(yè)無(wú)利可圖,限制了礦井瓦斯抽采利用。

(6)煤礦瓦斯直接排空對(duì)環(huán)境影響較大。煤層氣的溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍。據(jù)測(cè)算,我國(guó)煤炭開(kāi)采、加工、運(yùn)輸過(guò)程中每年釋放瓦斯約150億m3,對(duì)環(huán)境影響較大。

2 我國(guó)煤層氣賦存的特征

我國(guó)煤層瓦斯的賦存特征是“兩高三低”:煤層瓦斯貯存量高、煤層吸附瓦斯能力高、煤層瓦斯壓力較低、煤層在水力壓裂等強(qiáng)化措施下形成常規(guī)破裂裂隙所占比例低、煤層瓦斯儲(chǔ)層滲透系數(shù)低。另外,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯區(qū)域分布具有重要影響。

(1)煤層瓦斯的滲透率低。我國(guó)煤層的滲透率通常較小。撫順煤田的滲透率相對(duì)較高,但也只有0.5～3.8md,水城、豐城、鶴崗、開(kāi)灤、柳林等礦區(qū)高滲透煤層滲透率只有0.1～1.8md,其它地區(qū)絕大多數(shù)實(shí)測(cè)的滲透率值都在0.001md以下,比美國(guó)的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

煤層滲透率的影響因素十分復(fù)雜,原巖應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤的變質(zhì)程度、煤巖組分等都將不同程度地影響煤層滲透率。一般情況下,煤層滲透率隨壓力(或深度)的增加而減小,與美國(guó)、澳大利亞相比,中國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層所承受的地應(yīng)力大,美國(guó)黑勇士盆地地應(yīng)力值1～6MPa,澳大利亞?wèn)|部悉尼盆地鮑恩盆地1～10MPa,少數(shù)達(dá)14MPa(Enever,1996),中國(guó)很多地區(qū)的地應(yīng)力相當(dāng)于或大于這些地區(qū)的高限值。

(2)煤層瓦斯壓力較低。煤層瓦斯壓力是指在煤礦開(kāi)采條件下,在礦井中測(cè)得的煤層孔隙中的氣體(瓦斯)壓力。一般瓦斯壓力隨煤層埋深增大而增大,可用壓力梯度去衡量煤層瓦斯壓力的大小。為了在煤層瓦斯壓力評(píng)價(jià)中統(tǒng)一方法和原則,將煤層瓦斯壓力劃分為三種類型,如表1所列。

我國(guó)煤層瓦斯壓力梯度大小變化幅度很大,最低值為1.2kPa/m(撫順),最大值為13.4kPa/m(天府),但大部分屬于低壓瓦斯。煤層瓦斯壓力低影響煤層氣產(chǎn)率,不利于瓦斯抽采。

(3)煤層吸附瓦斯能力高。煤層吸附瓦斯能力高直接導(dǎo)致瓦斯的抽采效果差、抽采率低、抽采成本高。煤對(duì)瓦斯的吸附能力受多種因素的影響,主要影響因素有壓力、溫度、礦物質(zhì)含量、水分含量、煤階、巖性、氣體組分等。

(4)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯分布區(qū)域的控制。在這樣的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造下,煤層處于封閉型地質(zhì)構(gòu)造的控制,透氣性較差,不利于瓦斯排放,容易造成瓦斯積聚,形成高壓瓦斯集中區(qū)。

3 煤與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)

3.1 煤層氣開(kāi)發(fā)的技術(shù)途徑

瓦斯抽采分為地面鉆井抽采和井下抽采兩大類,如圖1和圖2所示。按煤層氣開(kāi)采方法、卸壓瓦斯的來(lái)源及卸壓瓦斯抽采方法的不同,構(gòu)建了“煤與煤層氣共采”技術(shù)體系圖,如圖3所示。

3.2井下瓦斯抽采技術(shù)

根據(jù)我國(guó)煤層氣低滲透率的特點(diǎn),利用煤層開(kāi)采引起巖層的移動(dòng)破壞,增大煤層滲透性,在采煤的同時(shí)高效抽采卸壓瓦斯,是我國(guó)煤層氣開(kāi)采的主要途徑。選擇礦井瓦斯抽采方法應(yīng)依據(jù)礦井煤層賦存條件、瓦斯基本參數(shù)、瓦斯來(lái)源、開(kāi)采順序、巷道布置、瓦斯抽采的目的及利用要求等因素確定,并遵循以下原則:(1)盡可能利用開(kāi)采巷道抽采瓦斯,盡量采用綜合瓦斯抽采方法;必要時(shí)可設(shè)專用瓦斯抽采巷道;(2)若圍巖瓦斯涌出量大,以及溶洞、裂隙帶儲(chǔ)存有高壓瓦斯時(shí),應(yīng)采取圍巖瓦斯抽采措施;(3)煤層埋藏較淺(一般600m以內(nèi))、瓦斯含量較高、地面施工鉆孔條件較好的厚煤層或煤層群,應(yīng)采用地面鉆孔抽采瓦斯的方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤層氣過(guò)去是煤礦的“第一殺手”,現(xiàn)在是一種優(yōu)質(zhì)、潔凈的能源和化工原料。煤層氣排空不僅是資源的浪費(fèi),而且對(duì)大氣的污染是十分嚴(yán)重的,煤層氣引起的溫室效應(yīng)是CO2的21倍。近年來(lái)從煤礦散發(fā)的大量煤層氣造成的大氣污染,在世界范圍內(nèi)已日漸引起重視。

由于我國(guó)煤層氣儲(chǔ)存條件的特殊性,建議成立國(guó)家煤層氣工程技術(shù)研究中心,集中人力物力,優(yōu)先安排煤層氣基礎(chǔ)研究、重點(diǎn)攻關(guān)、國(guó)家自然科學(xué)基金等科技項(xiàng)目,集中加大煤層氣的科技投入,以煤層氣科技的突破帶動(dòng)煤層氣生產(chǎn)上的突破,應(yīng)把煤層氣作為一個(gè)系統(tǒng)工程來(lái)建設(shè),作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)來(lái)發(fā)展。

我國(guó)擁有豐富的煤層氣資源,可以作為天然氣的重要補(bǔ)充,緩解我國(guó)燃?xì)夤?yīng)不足的局面。民用和發(fā)電為煤層氣的優(yōu)先利用方案,不僅有廣闊的市場(chǎng)前景,而且具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,還能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。