淺析綠色開采框架體系的煤與瓦斯共采技術(shù)

齊大田　吳巖　劉瑜

摘 要：綠色采礦是一種考慮環(huán)境影響和資源消耗的采礦方式。文章闡述了綠色采礦框架體系煤與瓦斯聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的概念和形式，總結(jié)了提取高濃度瓦斯的關(guān)鍵技術(shù)，并強調(diào)重視合理的生產(chǎn)布局和提取系統(tǒng)是實現(xiàn)煤與瓦斯采礦技術(shù)的重要保證。

關(guān)鍵詞：綠色開采;煤與瓦斯共采;生產(chǎn)布局;抽采系統(tǒng)

煤礦開采在礦區(qū)造成了獨特的生態(tài)和環(huán)境問題，并建立了綠色采礦的概念，以確保在煤炭開采材料的基礎(chǔ)上最大限度地控制和保護礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。目前，作為綠色采礦技術(shù)之一的煤與天然氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)取得了初步成效，主要包括沁水盆地金城聯(lián)合開采模式、兩淮降壓模式及地表煤層氣開發(fā)模式[1]。由于我國對天然氣資源開發(fā)的認(rèn)識和技術(shù)存在一些問題，大量的天然氣資源尚未得到利用，影響了煤與瓦斯采礦技術(shù)的工程應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，本文從概念、形式和關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，探討了綠色采礦框架體系中煤與瓦斯采礦技術(shù)的概念，從而加強煤層氣作為清潔能源的開發(fā)利用，有效減少溫室氣體排放，確保煤礦安全生產(chǎn)。

1 ? ?綠色開采的概念

近年來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者系統(tǒng)研究了礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用、環(huán)境、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展，提出了綠色礦業(yè)的概念。雖然“綠色采礦”有不同的表達方式，但總結(jié)來說是一種考慮資源效率和環(huán)境影響的現(xiàn)代采礦模式。目標(biāo)是在采礦過程中最大限度地提高資源開發(fā)效率，最大限度地減少對生態(tài)環(huán)境的影響，協(xié)調(diào)和優(yōu)化企業(yè)的經(jīng)濟和社會效益[2]。綠色采礦的關(guān)鍵是綠色采礦實施技術(shù)和應(yīng)用。

2 ? ?煤與瓦斯共采

2.1 ?煤與瓦斯開采的“O”環(huán)原理

煤層有兩種類型的瓦斯抽放方法：首先，采礦前的預(yù)排水是采礦期間和采礦后的減壓泵送。研究表明，中國的煤儲層一般具有高度變質(zhì)、低滲透、低壓和低含氣飽和度的特點。70%以上煤層的滲透率小于1×10-3 μm2。實踐表明，一旦煤層引起巖石運動，即使是滲透率非常低的煤層也會使其滲透率增加數(shù)十至數(shù)百倍[3]。

2.2 ?減壓瓦斯抽放不足

國內(nèi)外卸油瓦斯抽放研究有兩個方面：首先，目前對覆巖開采裂縫分布特征的研究尚不完全清楚，影響了排水鉆井布置的優(yōu)化;其次，國內(nèi)外減壓瓦斯抽放是以采礦層工作面安全生產(chǎn)為基礎(chǔ)，主要研究煤層及相鄰層的瓦斯抽放。然而，對于壓力釋放程度和卸載瓦斯抽放對上覆長距離煤層的影響缺乏研究。

3 ? ?煤與天然氣合作生產(chǎn)形式和特點

3.1 ?煤層氣開采

中國的資源型煤炭和天然氣開采，主要基于煤層氣開發(fā)企業(yè)。煤層氣開采主要采用地面鉆井和排水，先采煤，然后采煤，分為天然氣生產(chǎn)和煤炭開采兩個階段，實現(xiàn)煤與天然氣的聯(lián)合生產(chǎn)。據(jù)初步估計，中國擁有30～35萬億平方米的煤層氣資源，在2 km的淺水區(qū)，位居世界第一[4-5]。煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景十分廣闊，但中國煤層氣滲透率小，煤層發(fā)生條件復(fù)雜，開發(fā)過程十分困難。

3.2 ?煤礦瓦斯抽采

中國安全和資源的煤與天然氣共同開采，主要集中在礦山和高瓦斯礦井，提煉和綜合利用煤礦瓦斯，是一種寶藏，但從煤礦中提取的天然氣濃度不穩(wěn)定，可用量有限。煤礦瓦斯抽放主要采用地下鉆井和開采，采礦時采用第一采礦層（保護層），同時，保護層作用在于使氣體減壓和解吸，并在提取氣體的同時提取煤。近十年來，中國的天然氣開采技術(shù)取得了快速發(fā)展。煤層瓦斯氣主要通過地下煤層瓦斯預(yù)排水、側(cè)采（鉆井）側(cè)提取和采后提取來提取。大口徑、長孔鉆、定向鉆、煤層防反射等工藝流程日趨成熟，應(yīng)用廣泛，排水效果顯著，為煤礦瓦斯防治奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 ?煤層氣開采和煤礦瓦斯抽放的特點

為了達到節(jié)約資源的目的，煤層氣開采是從地面鉆到目標(biāo)煤層，采用壓裂和防反射措施，采用排水工藝收集目標(biāo)層解吸氣體。煤層氣的甲烷濃度超過90%，相當(dāng)于傳統(tǒng)的天然氣，可用作民用燃料和工業(yè)原料。通過凈化、壓縮油罐車或通過燃?xì)夤艿拦?yīng)周圍城鎮(zhèn)是方便的。煤礦瓦斯抽放的目的是控制天然氣，主要是在地下鉆井，有時與施工地面鉆井相結(jié)合，采用防反射措施或利用巖層運動的效果[6]。

4 ? ?煤與瓦斯共采技術(shù)

4.1 ?開采保護層技術(shù)

通過理論分析和現(xiàn)場試驗，該研究成功開發(fā)了一系列減壓和防反射技術(shù)，如長距離煤層向上卸壓、近距離煤層多次降壓減壓以及采礦急傾斜煤層的平行減壓。煤層氣的通孔鉆井和排水施工，消除了煤層突出的危險，降低了煤層瓦斯含量。

4.2 ?頂板鉆井和排水技術(shù)

通過泵送和切斷上部相鄰層氣體的通道到工作表面，同時拉動采空區(qū)下部的氣體以減少氣體流入工作面。原理是增加采空區(qū)流場上部的下沉點，使大量氣體通過下沉點流出。

4.3 ?建立有效地質(zhì)保障系統(tǒng)

高分辨率和三維三分量地震勘探技術(shù)用于準(zhǔn)確解釋地質(zhì)結(jié)構(gòu)并準(zhǔn)確預(yù)測煤層分布和厚度，有效識別中小型斷層和裂縫，準(zhǔn)確預(yù)測天然氣及其分布。

4.4 ?優(yōu)化礦井開拓布局

采用“分區(qū)開拓、分區(qū)建設(shè)、分區(qū)通風(fēng)”，礦山安全生產(chǎn)系統(tǒng)減少了采礦工作量，減少了投資，縮短了施工周期。

4.5 ?創(chuàng)新開采方法

在礦區(qū)的劃分和采礦區(qū)的布局中，應(yīng)盡可能增加采區(qū)的面積，并應(yīng)增加工作面的長度和工作面的長度。當(dāng)煤層傾角小于12°時，采用傾斜條帶布置，采煤方法盡可能選擇全機械化采礦，何時不采用高等級綜采。

5 ? ?結(jié)語

煤與瓦斯采礦可分為地表煤層氣開發(fā)和煤礦瓦斯抽放。引導(dǎo)煤層氣開發(fā)形成規(guī)模較大，從煤礦瓦斯抽放中獲取更經(jīng)濟、可用的高濃度瓦斯，以更好地利用瓦斯資源。

[參考文獻]

[1]章磊，王勇，高保彬，等.復(fù)雜礦井綠色安全開采體系設(shè)計探討[J].煤炭工程，2017（7）：4-7.

[2]余陶，李平，張錘金，等.深井高瓦斯煤層群首采層開采卸壓瓦斯高效抽采模式與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科技成果，2017（2）：37-38.

[3]郭文兵，王云廣.基于綠色開采的高強度開采定義及其指標(biāo)體系研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2017（4）：616-623.

[4]杜君武，易永忠.綠色開采技術(shù)在煤炭企業(yè)中的應(yīng)用分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2018（6）：58.

[5]陳強，蘇鋒，焦士海.對煤與瓦斯治理的現(xiàn)狀分析及防治對策探討[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2017（22）：129.

[6]于海旭，張偉華，李強.試論煤礦綠色開采技術(shù)研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2019（2）：232.

作者簡介：齊大田（1988— ），男，工程師，技術(shù)員，學(xué)士。