二道嶺礦區(qū)天榮井田煤層氣地面抽采利用可行性探討

石磊

摘要： 文章論述了天榮井田內的煤層氣賦存條件、賦存特征及我國煤層氣利用現(xiàn)狀，結合國內煤層氣利用典型企業(yè)的先進技術特點，分析了天榮井田煤層氣地面抽采技術和綜合利用的可行性。

關鍵詞： 天榮；煤層氣；地面抽采利用；可行性

中圖分類號：P618.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）09-0120-03

0 引言

二道嶺礦區(qū)位于內蒙古阿拉善左旗宗別立鎮(zhèn)，以生產(chǎn)馳名中外的“太西無煙煤”而聞名，天榮公司在礦區(qū)內擁有井田面積12.3km2，擁有資源儲量39681.39萬噸，但由于井田內煤層賦存條件復雜、瓦斯含量大且煤層具有突出危險性，使得煤炭開發(fā)較為緩慢。近年來，在地方政府及上級公司的大力支持下，天榮公司開展了資源整合工作和礦井二次升級改造的前期手續(xù)辦理，預計將于2016年前后開工建設天榮公司年產(chǎn)120萬礦井技改、配套洗煤廠及瓦斯發(fā)電廠項目，2020年前后投入生產(chǎn)。與此同時，礦井煤層氣（煤礦瓦斯，下稱：煤層氣）仍是制約企業(yè)發(fā)展的重要課題，本文將圍繞礦井煤層氣地面抽采及利用的可行性進行探討。

1 賦存條件

1.1 構造條件 二道嶺礦區(qū)天榮井田構造形態(tài)總體為一軸向北東-南西、向北東仰起走向的寬緩向斜。向斜北西翼地層走向近東西，傾向南，傾角6～38度，斷層及次級小褶曲不發(fā)育，構造復雜程度屬中等類型；向斜東南翼走向北東，傾向西北，傾角8～58度，斷層稀少，構造復雜程度為簡單。

由于井田北部有一超過120m的大斷層將井田分為兩部分，已作為天榮井田與鄰礦的邊界，天榮井田的實際煤層露頭只處在東南上部，因而有利于煤層氣的儲存。

1.2 埋藏條件 礦區(qū)含煤地層為為侏羅系延安組（J1-2y），天榮井田內煤層賦存較穩(wěn)定，煤層埋深為300～1200m，煤層傾角6～42度，總體為淺部傾角大、深部傾角小。井田范圍內共含可采煤層9層，煤層累計厚度7.14～20.80m，平均11.44m，可采煤層編號自上而下編為一、二1-1、二1-2、二1-3、二2、三、四、五、七1煤層。

1.3 煤層氣含量 2009年，天榮公司委托黑龍江二零四地質隊對井田進行了煤層氣勘探，結果顯示，天榮所屬井田范圍內瓦斯資源儲量約71.5億m3以上，預計可預抽40億m3以上，煤層瓦斯含量10m3/t～43.76m3/t，其中二煤層組為主力煤層，含氣飽和度為65%，占全區(qū)儲量的80%以上，是一個非常理想的地面煤層氣抽采區(qū)。

2 煤層氣儲存特征

2.1 煤巖特征 天榮井田內煤各煤層的宏觀煤巖類型總體以光亮—半亮煤為主，約占80%～90%，顯微煤巖組分中，以鏡質組為主，占85%～90%。煤層呈現(xiàn)貝殼狀—不規(guī)則狀斷口，條帶狀結構，層狀構造，煤的內生裂隙較發(fā)育。

根據(jù)實驗室結果，煤的鏡質組反射率（R°max）在2.667～2.837%之間，其變質程度屬無煙煤階段，具有低硫、低灰、高發(fā)熱量、低揮發(fā)份、高化學活性、熱穩(wěn)定性好等特點。

2.2 煤的裂隙 對井田內煤樣品進行顯微裂隙觀測，煤中發(fā)育具有裂口寬度越小，則裂隙越發(fā)育的特點，尤其以寬度0.1～5μm裂隙最發(fā)育，面割理密度為3.88～17.06條/cm；其次是寬度5～10μm，面割理密度為0.14～0.78條/cm，而裂口寬度在50～100μm以及大于100μm的裂隙極不發(fā)育，大部利于煤層氣流動。

2.3 煤的滲透性 2009年，天榮公司委托黑龍江二零四地質隊在井田內施工了4口煤層氣參數(shù)井，從滲透率測試結果看，該區(qū)煤層的滲透率在0.001～0.75mD，平均為0.18mD，說明井田內煤層的滲透性較低。

2.4 煤層氣組分特征 從煤層氣參數(shù)井的氣成分分析成果可以看出，CO2在12%左右，N2約為5%，井田內煤層甲烷含量是較高的，平均80%以上，說明煤層氣質量較好。

3 煤層氣開發(fā)的必要性

3.1 符合國內國際環(huán)保要求 煤層氣的主要成份是甲烷（CH4），是很好的燃料。目前瓦斯利用方式有作為工業(yè)或民用燃料直接加熱、作為化工原料和燃氣發(fā)電。但因用作燃料直接加熱的間斷性以及用量的有限性，使許多煤層氣的利用受到影響。二道嶺天榮井田富含瓦斯，瓦斯排空會造成大量的資源浪費，同時煤層氣中的甲烷是一種僅次于氟利昂占第二位的重要溫室氣體，能破壞大氣的臭氧層。根據(jù)氣候變遷跨國委員會研究報告，其溫室效應是CO2的21倍，因此需要嚴格控制煤層氣的排空。

3.2 國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要 近年來，我國對天然氣的需求量迅速增加，屢屢遭遇“氣荒”。因此，我國每年都要花費大量資金從國外進口天然氣，目前對外依存度已經(jīng)超過30%。據(jù)國家發(fā)改委數(shù)據(jù)顯示，2013年我國煤層氣產(chǎn)量為30億立方米，僅占天然氣表觀消費量1692億立方米的1.77%，對緩解全國“氣荒”貢獻不大。相比之下，盡管美國的煤層氣儲量大大低于我國，但開發(fā)速度卻遠超我國，美國煤層氣年產(chǎn)量早在2004年就已經(jīng)達到500億立方米，且已經(jīng)穩(wěn)定了10年，目前約占其天然氣比重達到10%，已處于供過于求狀態(tài)。

為此，國務院辦公廳在原《關于加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的若干意見》（國辦發(fā)[2006]47號）基礎上，于2013年又下發(fā)了《國務院辦公廳關于進一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見》（國辦發(fā)[2013]93號），以支持鼓勵各產(chǎn)氣企業(yè)加大煤層氣開發(fā)與利用。同時，產(chǎn)氣大省如山西在2013年下發(fā)了以“氣化山西”目標為導向的“煤層氣二十條”，國家能源局下發(fā)《煤層氣產(chǎn)業(yè)政策》，首次將煤層氣產(chǎn)業(yè)定位為重要的新興能源產(chǎn)業(yè)，并再次對各方參與煤層氣產(chǎn)業(yè)進行鼓勵，支持民間資本、境外資金參與煤層氣勘探開發(fā)和管網(wǎng)等基礎設施建設。因此，天榮公司開發(fā)煤層氣利用符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

3.3 企業(yè)安全發(fā)展的需要 根據(jù)天榮公司近期工作進展和發(fā)展規(guī)劃，計劃于2016年前后開工建設年產(chǎn)120萬噸整合技改礦井，預計2020年前后完成建設。

由于煤層賦存條件復雜、瓦斯含量高、壓力大、不易抽放，建井施工期間需安排較多時間進行防突措施實施，會使掘進進尺低、建井工期長；建井開拓完成后，還需再施工煤層底板巷利用2～3年的時間進行區(qū)域瓦斯治理來消突，使礦井投產(chǎn)時間嚴重推后；建井及投產(chǎn)后進行“短兵相接”式的防突措施實施，安全隱患也極大。綜合上述因素，如果天榮公司能夠提前或在建井期利用地面抽采井進行大面積區(qū)域提前進行瓦斯預抽，則會減小建井期間防突措施的工作量，提高單進進尺，縮短建井工期；同時可減少或者取消煤層專用瓦斯抽放巷的施工量，可大大降低礦井基建和生產(chǎn)期間瓦斯治理成本和防突工作的安全風險。由此，開發(fā)煤層氣對天榮公司的安全發(fā)展具有很大的經(jīng)濟和安全效益。

4 煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)最新一輪資源評價結果顯示，我國埋深2000米以淺的煤層氣地質資源量為36.81萬億立方米，埋深1500米以淺的煤層氣可采資源量為10.87萬億立方米，居世界第三。2013年，我國煤層氣產(chǎn)量為138.13億方，其中地面抽采29.26億方，井下抽采108.87億方，占到全國天然氣產(chǎn)量約11.4%，已成為我國氣體清潔能源最現(xiàn)實、最可靠的補充資源。

在這一領域占有資源和技術優(yōu)勢的有中石油、中石化、中聯(lián)煤、山西、河南等煤層氣開發(fā)企業(yè)，其中，山西晉煤集團的煤層氣開發(fā)已成為其除煤炭以外的第二大產(chǎn)業(yè)。

在技術創(chuàng)新方面，2009年10月，河南省煤層氣開發(fā)利用公司等單位承擔的“煤礦井下定向壓裂增透消突成套技術”獲得鑒定通過，2010年，由晉煤集團等三家單位共同完成了“無煙煤煤層氣開發(fā)利用關鍵技術與產(chǎn)業(yè)化示范”科研項目，同年中原油田鉆井一公司中奧二隊在陜西省子長縣完成一口高難度連通分支水平井SX01-1H井，井深1046米，創(chuàng)全國煤層氣水平分支井最深紀錄。

這些技術成果和成功經(jīng)驗都為二道嶺礦區(qū)天榮井田煤層氣開發(fā)提供了可靠的技術借鑒，使得天榮井田煤層氣地面開發(fā)成為可能。

5 煤層氣開發(fā)技術與利用方向

5.1 抽采技術方向 目前，國內煤層氣抽采主要有煤礦井下巷道施工鉆孔、地面抽采井及井下抽采與地面抽采相結合三種方式。井下煤層氣抽采是我國煤礦企業(yè)運用最多的煤層氣抽采方式。但在礦井下施工抽采鉆孔再抽放至地面進行利用，存在諸多不安全因素，而地面抽采井抽采在一些埋藏淺、滲透條件好的礦區(qū)運用較多，在其它條件下煤層氣抽采技術仍然有許多技術瓶頸。據(jù)了解，我國現(xiàn)有技術在上述煤層氣抽采技術上比較成熟，尤其在無煙煤上地面抽采技術上還處在試驗和摸索階段，尤其井上下聯(lián)合抽采將是未來煤炭企業(yè)的主要發(fā)展方向。

天榮井田除原天榮煤礦有部分采動外，大部井田都尚未開發(fā)，可以說是整裝煤田。按照國家能源局 “要采煤，先采氣”的倡議，煤層氣地面抽采先行綜合利用，待礦井基建和生產(chǎn)時再進行井上下聯(lián)合抽采，解決礦井瓦斯問題并增加采氣量應為天榮公司整合礦井改造抽采煤層氣的首選方案。

目前，地面煤層氣抽采主要兩種形式：

①L型井 垂直井—煤層羽狀孔。

②U型井 垂直井—煤層孔—垂直井。

由于U型井是沿煤層傾向從高向低鉆進，兩井聯(lián)通后鉆孔涌水可以很容易依靠重力作用排到井底，再經(jīng)過排采設備排至地面，而煤層氣可以從淺井排出。這種U型井結構，充分利用了傾斜煤層水的重力優(yōu)勢和煤層氣上浮的優(yōu)勢，有利于排水和煤層氣排出，可以更大效率的產(chǎn)出煤層氣。

5.2 天榮井田應選擇的抽采技術 天榮公司井田煤層大部埋深在300～1200m之間，而且透氣性較差，而U型井有利于煤層排水和排氣，并可更大效率的產(chǎn)出煤層氣，因此，在煤層埋深300～1000m之間可以考慮采用U型井在淺部先施工抽采實驗井，如果成功，則可以擴大抽采井的施工范圍，在礦井建設和投產(chǎn)后，結合井下以鉆孔施工加大煤層氣抽采量和降低礦井瓦斯威脅。

天榮井田抽采實驗井方案設想如圖3圖4所示。

5.3 利用方向 由于天榮井田位于阿拉善左旗宗別立鎮(zhèn)二道嶺礦區(qū)，離最近的阿拉善盟政府所在地巴彥浩特鎮(zhèn)約45公里，離烏海市約有130公里，距阿拉善經(jīng)濟工業(yè)區(qū)和烏達工業(yè)園區(qū)約有100公里，礦區(qū)常住人員也不多，民用意義不大，作為工業(yè)用品運輸距離又較遠，因此，最有效的開發(fā)利用方向就是進行煤層氣發(fā)電。在天榮公司整合技改項目的可行性研究報告當中，已經(jīng)確立了用瓦斯發(fā)電作為天榮煤層氣綜合利用的方向，但該方案是考慮在礦井建成后再進行瓦斯發(fā)電項目建設，如果能夠在礦井建設前或建井期間對煤層氣進行地面抽采并進行發(fā)電，則可為礦井建設和后期生產(chǎn)打下良好的安全基礎。

6 結論

天榮井田煤層氣儲量大、質量優(yōu)良，但透氣性差，且煤層埋藏較深，如果能夠先期采用U型井進行地面抽采實驗，或與其它國內已經(jīng)從事煤層氣開發(fā)利用技術成熟的企業(yè)進行合作，最終將天榮井田內的煤層氣進行綜合開發(fā)利用從理論上講是可行的，在獲得經(jīng)濟收益的同時也可以為天榮公司今后安全生產(chǎn)奠定良好的基礎，值得企業(yè)在煤層氣地面抽采利用方面再進行論證和試驗。

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