廢棄礦井地面泄壓鉆孔瓦斯治理模式及利用技術研究

于志軍 祁 銘 趙 彥

(中節(jié)能寧夏新能源股份有限公司，寧夏 750002)

廢棄礦井地面泄壓鉆孔瓦斯治理模式及利用技術研究

于志軍 祁 銘 趙 彥

(中節(jié)能寧夏新能源股份有限公司，寧夏 750002)

隨著國家煤炭行業(yè)結構性改革和去產能工作的逐步推進，國內將會陸續(xù)出現大量廢棄煤礦。煤礦關停后會遺留大量的安全隱患和環(huán)境問題，造成大量溫室氣體排放的同時也造成了資源的嚴重浪費。廢棄礦井瓦斯災害治理對解決煤礦關停后出現的一系列問題，尤其是提高煤礦瓦斯防治水平具有重要意義。

廢棄礦井 地面泄壓鉆孔 瓦斯治理

1 地質概況

1.1 地層

區(qū)內賦存的地層，平面上，淺部大面積出露二疊系上統石盒子組，深部邊緣零星出露二疊系上統石盒子組及石千峰組，中部多為第四系覆蓋。剖面上，由下至上依次是寒武系、石炭系中土坡組、太原組、二疊系山西組、石盒子組、石千峰組和第四系。由下至上分述如下：

(1)寒武系

該地層上部為竹葉狀灰?guī)r，中部為鮞狀灰?guī)r，下部由灰?guī)r、泥巖組成。不整合于太古界之上，厚度約370m。

(2)石炭系下統土坡組

自鋁土巖底到K1石英砂巖底，厚度588m。主要由灰白色和灰黃色砂巖、含礫砂巖、灰黑色泥巖和砂質泥巖及薄層石灰?guī)r、泥灰?guī)r(一般厚1m左右)及薄煤層20余層組成，其中有3～5層煤層局部達可采厚度，底部有0.3m的鋁土巖。屬淺海相及海陸交替相沉積，不整合于寒武系地層之上。

(3)石炭系上統太原組

自K1石英砂巖底到3號煤層底板砂巖底，厚度約217m。由砂巖、砂質泥巖、薄層石灰?guī)r、煤層等組成。為區(qū)內主要含煤地層之一，共夾薄～中厚煤層22層。其中可采和局部可采煤層9層，編號為5、6、7、8、10、12、16、21、22，其余煤層偶見可采點或不可采。與下伏土坡組呈整合接觸。

(4)二疊系下統山西組

該組連續(xù)沉積于太原組之上，屬陸相含煤沉積。自3號煤層底板砂巖底到K7砂巖底，平均厚度約97m。以灰白色、淺灰色中～粗砂巖為主，夾灰色、深灰色砂質泥巖、泥巖，含煤5～6層(3、2下、2、2上、1號煤)，其中下部的3、2號煤厚度大，全區(qū)可采，其余偶見可采點或不可采。

(5)二疊系石盒子組

本組與下覆山西組地層整合接觸，平均厚度550m，屬陸相沉積。上部主要為由紫褐色，灰綠色砂質巖及肉紅色砂巖組成，砂巖多呈厚層狀，常夾有小礫石。下部主要由黃色，灰白～灰色砂巖與砂質泥巖組成，厚層狀，夾薄煤層1～2層。底部K7砂巖由石英及沉積巖碎屑組成，粒徑1～3mm，上粗下細，規(guī)律顯著，中部夾鐵質結核一層。

(6)二疊系上統石千峰群

本組連續(xù)沉積于石盒子組之上，屬陸相沉積，厚408m。底部為雜色礫巖，組成成份復雜，由片巖、片麻巖、花崗巖等中基性火成巖礫組成，南部分叉為二層，全層為紫紅色、肉紅色、灰綠色砂巖與泥質巖互層，于中上部有一層灰綠色含礫砂巖。

(7)第四系

厚度在0～7.5m。巖性主要為沖洪積、殘坡積礫砂，主要分布在呼魯斯太溝，勒胡同溝中，厚度小于7.5m。

1.2 構造

烏蘭煤礦位于賀蘭山北段煤田呼魯斯太礦區(qū)北端。烏蘭煤礦構造整體為走向NW、NNW，傾向SW的單斜構造，走向長5km，傾斜寬3km，面積16.15km2。井田內有可采及局部可采煤層17層，總厚度30.74m，主采2號、3號、7號、8號煤層均為突出煤層，且具有自然發(fā)火傾向和煤塵爆炸危險性；煤層平均傾角在20°～21°左右。

受呼魯斯太向斜影響，區(qū)內構造以斷裂為主，以走向正斷層為主，但也發(fā)育少數斜交走向的正、逆斷層。據生產實際揭露，在淺部生產區(qū)，F23正斷層將各主要煤層切割成兩塊，嚴重破壞了煤層的連續(xù)性，影響了生產。局部區(qū)域褶曲發(fā)育，但主要發(fā)育于石炭系地層中，幅度小于20m，對煤炭生產影響不大。整體而言，構造復雜程度為中等偏簡單。

1.3 煤層

區(qū)內含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。含煤地層厚度314m，含煤26層，平均厚度累計為26.56m，含煤系數為8.5%。可采、大部可采煤層8層，平均厚度為20.43m(其中山西組含煤2層，編號為2、3，太原組含煤6層，編號為5、6、7、8、12、16)，含煤系數為6.5%。本次僅介紹2、3號煤層。

2號煤層賦存于山西組中部，煤層厚度0.56～8.25m，平均3.52 m。上距K7砂巖平均45m，下距K6砂巖約22m。下距3號煤層約25m。煤層賦存底板標高為+1150m～+900m，埋深375m～664m。直接頂板多為細、中粒砂巖，底板以粉砂巖、細粒砂巖為主，局部為泥巖、砂質泥巖。

3號煤層賦存于山西組底部，煤層厚度3.32～24.1m，平均9.00m。下距5號煤層約16m。煤層賦存底板標高+1150m～+900m，埋深373m～665m。直接頂板為K6砂巖，局部為泥巖、砂質泥巖；底板以粉砂巖、細粒砂巖為主，局部為泥巖。

烏蘭煤礦為中灰、低～中硫、低磷、中高發(fā)熱量煤；主要為焦煤，局部為1/3焦煤和肥煤。

1.4 水文地質條件

1.4.1 含水層劃分

根據井田含水層的特征，共分為一個含水組和五個基巖含水帶，現分述如下：

第四系孔隙潛水含水組：本組巖性為粗砂至礫石夾薄層亞粘土，厚度0～7.5m。

第Ⅰ含水帶：位于2號煤層底板以上100～150m，含水帶厚度為60m，巖性為中砂巖。

第Ⅱ含水帶：位于2號、3號煤層底板的細砂巖之間，含水帶厚度為41m，含水層厚度為23m，巖性為中粗砂巖。

第Ⅲ含水帶：位于3號煤層底板細砂巖至8號煤層底板泥巖之間，含水帶厚度為73m，含水層厚度為24m，巖性為砂巖、泥巖，夾2～3層灰?guī)r，5～7層煤。

第Ⅳ含水帶：位于8號煤層底板～15號煤層底板細砂巖之間，含水帶厚度為69m，含水層厚度為33m，巖性為細砂巖、泥巖，夾7～8層煤。

第Ⅴ含水帶：位于15號煤層底板～K1石英砂巖底部，含水帶厚度為51m，含水層厚度為14m，巖性為細砂巖、泥巖，夾一層灰?guī)r和7層煤。

礦井水文地質條件屬簡單類型?；鶐r含水量極微弱，第Ⅳ、Ⅴ含水帶接近無水，呼魯斯太溝內流水只在井田南部邊界附近與含水帶有補給關系，只影響南翼采區(qū)邊界淺部煤層。地下水缺乏補給水源，礦井排水以靜儲量為主，靜儲量流干后相應地段干涸。

1.4.2 隔水層

在各基巖裂隙承壓含水組間，發(fā)育有十余米或數十米的泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等組合成隔水層，在斷裂不發(fā)育的區(qū)段，上、下含水組間不存在水力聯系，具有較強的隔水性能。

1.4.3 地下水的補給、逕流與排泄

(1)第四系孔隙潛水補給、逕流與排泄

烏蘭煤礦區(qū)第四系松散巖層不甚發(fā)育，最大厚度<8m。含水層為砂、礫石層，一般厚度1～4.5m。含水層主要分布于礦區(qū)西南部的呼魯斯太溝與中部的勒胡洞溝內。

第四系孔隙潛水的主要補給來源為接受大氣降水，一般在每年的7～9月份為主要補給時期，其次為汛期內洪流的短暫補給，再者為呼魯斯太溝上游逕流而來的孔隙水滲透補給。在呼魯斯太溝內，由于含水層相對較發(fā)育，接受補給的孔隙潛水在補勘區(qū)西深部沿呼魯斯太溝走向向東南方形成逕流，經南部邊界流出煤礦區(qū)以外。

煤礦區(qū)孔隙潛水的主要排泄途徑為當地居民生活及農灌抽排，其次為蒸發(fā)排泄和滲入礦井，剩余部分則沿地下流場，流出煤礦區(qū)以外。

(2)基巖地下水補給、逕流與排泄

基巖地下水主要通過弱透水的覆蓋層接受大氣降水間接補給，補給時段主要為7～9月份，補給量微弱，煤礦區(qū)基巖地下水主要以潛水形式賦存于頂部風化裂隙帶，并沿地層傾向向深部緩慢逕流，地下水亦逐漸由潛水過渡為半承壓、承壓水；因深部地下水逕流滯緩，則地下水轉而沿地層走向由北向南運移，越過呼魯斯太溝后，進入百靈礦區(qū)。

基巖地下水沿地層走向逕流途中，大部分排入煤層采掘巷道或老空區(qū)，為礦井所抽排，僅有少部分地下水越過呼魯斯太溝，逕流出界外。

2 含氣性及瓦斯資源量評估

烏蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井瓦斯相對涌出量最高達到63.41m3/t。2號煤層瓦斯含量在6.21～14.83 m3/t，平均10.37m3/t；3號煤層瓦斯含量在5.59～11.57 m3/t，平均6.70m3/t；7號煤層瓦斯含量在3.39～10.07m3/t，平均5.97m3/t；8號煤層瓦斯含量在5.89～10.84m3/t，平均7.84m3/t。瓦斯含量均呈現出隨埋藏深度增加而增高的趨勢。通過采用體積法對殘存瓦斯資源量進行評估，經計算瓦斯資源量約12億m3，如果采收率按照 50%考慮，可采瓦斯資源量為 6 億m3，資源量豐富。

3 地面泄壓鉆孔瓦斯治理技術研究

3.1 地面鉆井的布置

烏蘭煤礦采取先下區(qū)段7號、8號煤層后上區(qū)段2號、3號煤層的開采方式。通過對7號煤層開采，消除上覆的2號、3號煤層瓦斯突出危險。為此，烏蘭煤礦在地面實施了106口地面泄壓鉆孔，其中采動區(qū)鉆孔39口，未采動區(qū)鉆孔66口。在布井時采用非均勻布井法，在工作面對應地面運輸順槽和回風順槽內側50m范圍布置2排地面鉆井，鉆井走向間距60～100m，抽采2、3號煤層卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯。

h1：瓦斯抽采管延伸至地面0.5m；h2：抽采瓦斯篩管的上端在2號煤層頂板上方10m處；h3：抽采瓦斯篩管的下端在3號煤層底板下方10m處；h4：地面鉆井井底距7號煤層10m；h5：固井長50m圖1 地面鉆井井身結構圖

3.2 地面鉆井井身結構

地面鉆井為三開井身結構，鉆井直徑φ177mm，終孔位置位于7號煤層頂板上方10m處。下入φ139.7mm的抽采瓦斯管，其中穿過上部被保護層(2號和3號煤層)部分為篩管，其余為實管(井身結構見圖1)。

本井身結構鉆孔顯示2、3煤層受7號煤層的采掘影響產生裂隙，煤層通透性良好，有利2、3號煤層瓦斯氣有效解析。因此，為通過地面泄壓鉆孔模式治理瓦斯創(chuàng)造了有利條件。

3.3 工程試驗

3.3.1 地面泄壓鉆孔瓦斯治理模式試驗

通過對106口地面卸壓鉆孔氣體成分、氧含量和瓦斯?jié)舛鹊膭討B(tài)數據監(jiān)測分析，結合煤礦水文地質、煤層、巷道連通性等相關基礎資料的研究，首先選擇了15口優(yōu)質鉆孔進行負壓排采試驗，每天產氣量為4萬m3(純量),平均每口井2000多m3(純量)，每天實現瓦斯綜合利用發(fā)電12萬KWh，經濟效益可觀。通過試驗工作的開展，進一步對現有地面泄壓鉆孔進行全面研究分析，一方面驗證地面泄壓鉆孔瓦斯氣量及成分；另一方面驗證長周期排采下泄壓鉆孔內瓦斯氣中氧含量的變化規(guī)律性；三是驗證了采動區(qū)域和未采動區(qū)域煤層瓦斯氣解析規(guī)律，為下一階段技術研究工作的開展提供科學依據。

3.3.2 地面卸壓鉆孔優(yōu)選檢測

隨著地面泄壓鉆孔瓦斯治理模式試驗及研究工作的推進，在之前試驗成果的基礎上，考慮增加地面泄壓鉆孔的使用量來增大研究范圍，為此對地面鉆孔進行逐一優(yōu)選。通過優(yōu)選一是對鉆孔的井筒套管的錯斷、變形情況及篩管孔眼堵塞情況進行了解，掌握井筒情況，作為后續(xù)選井排采的依據；二是掌握鉆孔內水位上升及變化情況，研究水位對瓦斯解析的影響；三是檢測所有鉆孔產氣情況，以便分析研究鉆孔的周圍煤層瓦斯氣體滲流通道的堵塞情況；四是分析研究鉆孔內氧含量上升的原因，以便采取有效措施保證排采的安全性。

3.3.3 優(yōu)選地面卸壓鉆孔解堵增透

通過泄壓鉆孔優(yōu)選檢測結果，選擇出氣量相對較好、井筒套管相對完好但是氧含量較高不能長周期排采的鉆孔，研究制定解堵增透技術方案，對井筒實施解堵疏通改造，同時降低井筒水位，打開煤層滲流通道，為煤層內的瓦斯氣體最大程度的解析創(chuàng)造有利條件。通過優(yōu)選的地面泄壓鉆孔實施解堵增透措施后，效果顯著，鉆孔內瓦斯氣體甲烷含量由10%左右上升到60%左右，氧含量由15%左右下降到5%左右。通過該階段試驗，取得了兩項成果，一是通過對泄壓鉆孔解堵增透改造，可以有效排采采動區(qū)煤層瓦斯；二是通過技術措施可以有效控制地面泄壓鉆孔氧氣含量，保證安全長周期排采。

[1] 何寶興，龍?zhí)锪?煤層氣鉆井完井技術的研究和運用[J].中國煤層氣，1996(1)：50-53.

[2] 丁昊明，戴彩麗，高靜，等.國內外煤層氣開發(fā)技術綜述[J].中國煤層氣，2013,22(4):24-26.

[3] 趙慶波.中國煤層氣地質特征及勘探新領域[J].天然氣產業(yè)，2004，24(5)：4-7.

(責任編輯 王一然)

Gas Management Mode with Surface Pressure Releasing Boreholes for Abandoned Mines

YU Zhijun, QI Ming, ZHAO Yan

(CECEP Ningxia New Energy Resources Joint Stock Co., Ltd., Ningxia 750002)

With the structural adjustment and capacity-removal progress in the coal industry a great number of abandoned coal mines will continue to appear in the future. After these coal mines are closed and abandoned, it may cause some safety risks and environmental issues, which leads to the emission of greenhouse gas and serious wastes of resources. The management of gas accidents for abandoned coal mines will be of great significance to resolve the series of problems after coal mine closure, especially to enhance the gas prevention and control for gassy coal mines.

Abandoned mine; surface pressure releasing borehole; gas control

于志軍，男，高級工程師，碩士學位，從事廢棄礦井瓦斯綜合治理和資源化利用技術、碳捕集及回注技術研究。