晉煤集團煤礦瓦斯災(zāi)害地面防治經(jīng)驗

何慶宏 趙祉友 張 蒙

(1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 048000；2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司，山西 048000；3.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048000)

煤礦瓦斯是井下采掘的三大殺手之一，但瓦斯爆炸是可以預(yù)防的，瓦斯突出也是可以預(yù)測的，煤礦瓦斯災(zāi)害防治重要的是應(yīng)該研究解決煤礦瓦斯的綜合利用問題，變害為利，采煤之前先開采煤層氣能有效地減少煤礦瓦斯。

山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司(以下簡稱“晉煤集團”)是全國最早工業(yè)化開采煤層氣的企業(yè)，自20世紀90年代初開始煤層氣勘探開發(fā)工作，經(jīng)過多年的探索與實踐，形成了以煤層氣勘探、開發(fā)為龍頭，集煤層氣抽采、壓縮、液化、輸送、加注、民用、車用、發(fā)電等于一體的上下游完整產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)模式，推動晉煤集團建成了地面開發(fā)、井下抽采、壓縮、液化、發(fā)電等5項全國規(guī)模最大的示范基地。主要實施單位山西藍焰煤層氣集團有限責任公司(以下簡稱“藍焰公司”)是晉煤集團下屬專門從事煤礦瓦斯地面治理的企業(yè)，成立初衷就是為煤礦服務(wù)，通過現(xiàn)場試驗和工程示范，已掌握了煤層氣井設(shè)計、鉆井、壓裂、集輸和利用等環(huán)節(jié)的系列技術(shù)。在煤礦瓦斯災(zāi)害防治和煤層氣地面抽采取得一定成就，為煤礦安全提供保障，提供清潔能源。

為此，文章總結(jié)了30年來晉煤集團在煤礦瓦斯災(zāi)害防治和煤層氣地面抽采方面的先進技術(shù)和經(jīng)驗，以期為國內(nèi)外其他區(qū)塊煤層氣開發(fā)提供借鑒與思路。

1 概述

為保障煤礦安全生產(chǎn)，晉煤集團創(chuàng)新的提出了采煤采氣一體化煤與煤層氣共采技術(shù)體系，形成了瓦斯抽采“晉城模式”，實現(xiàn)了地面與井下聯(lián)合抽采煤層氣。針對煤礦規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)，分別實施采前抽、采中抽、采后抽，煤礦區(qū)煤層氣地面抽采，切實降低了煤層瓦斯含量。同時加強煤炭和煤層氣開發(fā)的溝通和協(xié)調(diào)，形成煤與煤層氣共采的良好局面，對于提高煤層氣抽采效率、解決礦井生產(chǎn)銜接緊張、促進煤層氣與煤炭兩種資源健康協(xié)調(diào)發(fā)展，具有十分重要的作用。根據(jù)煤礦采掘計劃，按其針對的區(qū)域?qū)ο?，可分為常?guī)防治和重點防治，常規(guī)防治為煤礦采前地面預(yù)抽井技術(shù)和煤礦區(qū)采空井技術(shù)，重點防治包括煤礦區(qū)采動井技術(shù)、煤礦重點災(zāi)害區(qū)域防突井技術(shù)、煤礦立井快速揭煤中徑向井壓裂增透技術(shù)。

2 煤礦采前地面預(yù)抽井技術(shù)

對于煤礦瓦斯壓力達到0.74MPa以上或瓦斯含量達到8m3/t以上的煤層，至少提前5年以上施工地面煤層氣預(yù)抽井進行抽采，能大幅度的降低煤層瓦斯含量，達到地面煤層氣預(yù)抽效果。藍焰公司在晉煤集團施工的煤層氣抽采效果測試評價結(jié)果可知，寺河煤礦區(qū)域抽采8年后，煤層瓦斯含量最高每年降低2m3/t；成莊煤礦區(qū)域抽采8年后，煤層瓦斯含量最高每年降低1m3/t。

近年來隨著煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)的發(fā)展，針對不同的地質(zhì)條件，開發(fā)出連續(xù)油管壓裂L型井抽采技術(shù)、煤層氣工廠化L型井平臺抽采模式、松軟低滲煤層頂板鉆井定向射孔分段壓裂技術(shù)、過采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)等多種地面預(yù)抽技術(shù)，抽采效果明顯。結(jié)合山西省瓦斯抽采全覆蓋工程，煤層氣地面預(yù)抽技術(shù)已由晉城礦區(qū)推廣至陽泉、西山、呂梁等多個地區(qū)的煤礦應(yīng)用。2019年藍焰公司煤層氣抽采量為1.48×109m3。

3 煤礦采空區(qū)井技術(shù)

寺河煤礦周邊多小煤窯，自從關(guān)停之后，存在許多采空區(qū)，為避免采空區(qū)瓦斯涌入寺河采掘區(qū)域，藍焰公司在地面施工了部分采空區(qū)井，目前一般采用裸眼完井工藝(目標段無套管或為篩管)，其關(guān)鍵是為保障鉆井成功，在直井過采空區(qū)時，鉆進至3號煤層頂板以上30m位置將循環(huán)介質(zhì)更換為氮氣，直至二開結(jié)束。后利用地面真空抽采設(shè)備抽采，此項技術(shù)在補充地面煤層氣氣源的同時，降低煤礦瓦斯災(zāi)害風險。此技術(shù)已在晉城礦區(qū)岳城、晉圣、侯村等煤礦應(yīng)用，并推廣至陽泉礦區(qū)、西山礦區(qū)。

JSCK-02井，日均產(chǎn)氣量3700m3/d，井口壓力-11kPa，甲烷濃度85%，累計利用量超5.5×106m3；YCCK-11井，日均產(chǎn)氣量3500m3/d，井口壓力9kPa，甲烷濃度95%，累計利用量超4.5×106m3。

4 煤礦區(qū)采動井技術(shù)

利用煤礦開采過程中的擾動對地下滲透性的積極影響，利用前期地面預(yù)抽井改造或后期施工采動井(包括垂直井、頂板L型井等)，盡可能多的抽采煤礦工作面采煤過程中釋放的煤礦瓦斯，確保上隅角瓦斯不超限。該技術(shù)已在晉城礦區(qū)取得良好效果，其技術(shù)要點是采動井位布置，通過理論分析及現(xiàn)場實踐，采動井以布置在回風巷側(cè)40～80m 為宜。因采煤方式所決定，大采高工作面的采動井特點為短暫而快速，瓦斯抽采量相比預(yù)抽井而言，工作面采完則采動井抽完，抽采量相當，但安全效益明顯。此技術(shù)已在晉城礦區(qū)寺河、成莊、岳城等煤礦應(yīng)用，并推廣至大同礦區(qū)、陽泉礦區(qū)、西山礦區(qū)。

在寺河煤礦3313工作面頂板裂隙帶施工的一口定向L型井，運行10個月，平均抽采瓦斯純量2.2×104m3/d，總抽采量6.5×106m3，抽采濃度最高達96%，平均80%，抽采純量最高達3.16×104m3/d。

岳城煤礦為分層開采，瓦斯來源充足，在岳城礦1303(下)工作面距切眼700m施工的YCCD-02井，投運后日均抽采瓦斯量1.54×104m3/d，平均抽采濃度達55.3%。工作面推至井位處時，抽采瓦斯最大純量3.79×104m3/d。該井自2013年開始抽采至今，累計抽采瓦斯量3.10×107m3。

5 煤礦重點災(zāi)害區(qū)域防突井技術(shù)

針對煤礦準備區(qū)，因煤礦采掘所至地面未布置煤層氣井，為盡快降低煤層氣瓦斯含量，防止煤礦瓦斯災(zāi)害發(fā)生，保證煤礦采掘安全，其主要可采取三種方式消突：①可在此先施工煤層氣井，確保井下安全的同時采用大規(guī)模體積壓裂技術(shù)，再施工井下千米鉆孔進行抽采；②先施工井下千米鉆孔至煤層氣井壓裂影響區(qū)域，再進行煤層氣井地面壓裂；③利用地面原有煤層氣井，從井下施工定向千米鉆孔與該井對接，利用地面大規(guī)模壓裂井下鉆孔，盡可能擴大裂縫影響范圍，提前釋放煤層瓦斯壓力，提高煤層滲透性，能大幅度提高井下瓦斯抽采量，并縮短抽采時間。此技術(shù)已在寺河、成莊、趙莊等煤礦應(yīng)用。

(1)先施工井下鉆孔后壓裂直井聯(lián)合抽采技術(shù)

采用“先布孔、后壓裂”的聯(lián)合方式，提前向壓裂裂縫帶120～180m區(qū)域內(nèi)施工定向鉆孔，在保證鉆孔不被壓穿的前提下，及時抽采壓裂過程中被驅(qū)替出的瓦斯。

2012年，在趙莊礦1308準備工作面進行了“先布孔、后壓裂”聯(lián)合抽采示范，抽采效果明顯提高，百米鉆孔流量提高7倍，累計瓦斯抽采量提高8.5倍，抽采達標時間縮短57%，突出危險性大幅減小。

(2)先壓裂直井后施工井下鉆孔聯(lián)合抽采技術(shù)

采用“先壓裂、后布孔”的聯(lián)合方式，在預(yù)測裂縫層位的基礎(chǔ)上，通過施工煤層頂(底)板梳狀鉆孔、順煤層分支孔，繞開裂隙破碎區(qū)，在裂縫系統(tǒng)重新閉合前及時抽采裂縫中大量瓦斯。

2014年，在成莊礦四盤區(qū)采用“先壓裂、后布孔”的方式進行聯(lián)合抽采示范，分別滯后不同時間對壓裂區(qū)域施工鉆孔。綜合比較得出，壓裂后2～4個月內(nèi)施工井下抽采鉆孔，成孔率達81%，抽采流量平均提高2倍，最高增加近20倍，效果最佳。

(3)通過地面井實施井下長鉆孔壓裂抽采技術(shù)

采用“地面直接壓裂井下鉆孔”的聯(lián)合方式，利用地面壓裂裝備優(yōu)勢和井下定向布孔優(yōu)勢，通過優(yōu)化高壓油管連接和井下封孔技術(shù)，實現(xiàn)對井下定向鉆孔的大規(guī)模壓裂和高效抽采。

2014年，在寺河礦三盤區(qū)進行“地面直接壓裂井下鉆孔”聯(lián)合抽采示范，壓裂孔最高抽采量8.8 m3/min，平均5.2m3/min，提高了5倍，最高抽采濃度92%，平均抽采濃度為72.5%，累計抽采時間9個月，抽采瓦斯純量達到2.05×106m3。

6 煤礦立井快速揭煤中徑向井壓裂增透技術(shù)

采用徑向井引導(dǎo)壓裂技術(shù)，針對地層裂縫的分布，應(yīng)力走向，進行方向可控、可選擇性的多層位、多方位、多分支的水力噴射鉆孔，然后實施壓裂作業(yè)，對壓裂作業(yè)起到一個引導(dǎo)作用，極大程度的提高了壓裂的效果，通過壓裂將儲層中大面積的裂縫溝通，生成多條大裂縫通道，形成大面積相聯(lián)通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，可大幅度提高獨立徑向鉆井和壓裂作業(yè)的效果。

2014年，趙莊煤礦南蘇進風立井揭煤時受瓦斯壓力和瓦斯含量影響，煤層氣透氣性較低，傳統(tǒng)的揭煤工藝中瓦斯治理環(huán)節(jié)抽采鉆孔施工數(shù)量多、時間長，瓦斯抽采達標時間長，立井揭煤速度較慢，此時利用附近的煤層氣井，采用徑向鉆井導(dǎo)向壓裂技術(shù)，對立井區(qū)域煤層進行增透，通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，徑向鉆井導(dǎo)向壓裂能增加裂縫延伸范圍，大幅提高煤層透氣性，縮短揭煤周期，保證安全、高效的揭開煤層。整個揭煤過程由原定的約7個月時間縮短至40天，加快了揭煤進度，既安全又高效，對于簡化工序、減少隱患、提高效率具有積極的作用。

7 存在問題和未來工作重點

煤礦瓦斯治理與煤層氣開發(fā)是從安全與資源角度出發(fā)的兩個不同說法，從安全角度出發(fā)是煤礦瓦斯治理，煤礦采掘速度倒逼瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展；從資源角度出發(fā)是煤層氣開發(fā)，能源急需補充推動煤層氣抽采技術(shù)發(fā)展。

(1)相對煤礦采掘速度而言，煤層氣(煤礦瓦斯)抽采是一個緩慢的過程，往往需要提前數(shù)年進行，地面瓦斯治理投入成本較高，煤礦區(qū)煤層氣地面抽采安全效益大于經(jīng)濟效益，如何尋求安全與資源的平衡點，是目前面臨的問題。

(2)另外部分煤礦的滲透性不佳，不論是地面還是井下的瓦斯抽采效果均不好，無法滿足煤礦采掘速度，煤礦瓦斯治理技術(shù)亟待突破。

根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》，“深化瓦斯災(zāi)害治理”，推進煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井先抽后建、先抽后掘、先抽后采，預(yù)抽達標。“災(zāi)害治理工程”，實施煤層氣(煤礦瓦斯)抽采工程，大力推進煤與瓦斯突出礦井先抽后建、先抽后掘、先抽后采。實施致災(zāi)因素普查及治理工程，建設(shè)一批瓦斯綜合治理示范工程。

煤層氣抽采利用，降低煤礦瓦斯災(zāi)害，提高煤礦采掘安全，補充我國能源缺口，雙重效果突出明顯。

(1)調(diào)動煤層氣開發(fā)企業(yè)、煤礦生產(chǎn)單位的行業(yè)聯(lián)動積極性；

(2)發(fā)揮科研平臺作用，研究、示范、推廣一體化產(chǎn)業(yè)實施；

(3)設(shè)立重點研究方向、重點攻關(guān)課題，鼓勵并推廣成熟技術(shù)。