烏蘭廢棄煤礦瓦斯賦存地質(zhì)特征及開發(fā)技術(shù)

王勃，朱慶忠，劉文革，于志軍，劉春春，史鳴劍，周曉剛，韓甲業(yè)，郭岐山

（1.應(yīng)急管理部 信息研究院，北京 100029；2.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552；3.中節(jié)能寧夏新能源股份有限公司，寧夏 銀川 750002；4.山西尚道能源開發(fā)有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

廢棄煤礦瓦斯是指因煤礦煤炭資源開采基本結(jié)束，或礦井不符合安全生產(chǎn)條件，或其他政策原因關(guān)閉的煤礦瓦斯資源，這些瓦斯主要以吸附和游離態(tài)賦存于剩余煤層、落煤、圍巖和井下密封巷道中［1-3］。開發(fā)廢棄煤礦瓦斯符合社會期許，也符合安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多方考量［3-4］。國內(nèi)外學(xué)者圍繞采空區(qū)上覆與下伏巖層采動裂隙動態(tài)分布規(guī)律、瓦斯資源潛力評估、采空區(qū)瓦斯氣體的運(yùn)移及分布規(guī)律等方面開展了諸多理論研究［5-7］，也有學(xué)者對廢棄煤礦瓦斯資源開發(fā)利用的必要性和經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了研究。桑逢云等［8］分析了英國廢棄煤礦瓦斯的開發(fā)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)煤礦關(guān)閉后，廢棄煤礦瓦斯開發(fā)越早，開發(fā)效果越好；劉文革等［3］對陜煤陳家山礦采空區(qū)蓋層封蓋能力及采空區(qū)瓦斯資源量進(jìn)行了評價(jià)，分析了廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)效益；晉煤集團(tuán)積極開展廢棄煤礦瓦斯賦存規(guī)律、抽采技術(shù)基礎(chǔ)理論研究以及相關(guān)設(shè)備研發(fā)，形成了較為完備的抽采利用技術(shù)體系，其下屬沁水藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司目前已部署廢棄煤礦瓦斯抽采井40余口，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^［9］。

國內(nèi)廢棄煤礦瓦斯開發(fā)雖然起步較晚，但近年來受到越來越多學(xué)者關(guān)注，張東亮等［10］、于志軍等［11］根據(jù)陽泉礦區(qū)和呼魯斯太礦區(qū)的地質(zhì)特征和瓦斯抽采現(xiàn)狀，分析了礦區(qū)內(nèi)廢棄煤礦瓦斯開發(fā)的優(yōu)劣條件，并提出廢棄煤礦瓦斯開發(fā)綜合利用的合理建議；郝海金等［12］、郭繼圣等［13］分析了近年來國內(nèi)煤礦瓦斯開發(fā)利用的發(fā)展歷程和總體情況，指出了制約煤層瓦斯開發(fā)利用的主要問題，并提出相應(yīng)建議；劉文革等［14］、桑逢云等［8］通過總結(jié)英國、德國和芬蘭等國家廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)外廢棄煤礦瓦斯資源特征及開發(fā)條件，為我國廢棄煤礦瓦斯開發(fā)提出新方法和新思路。

本文以烏蘭廢棄煤礦瓦斯為研究對象，基于礦區(qū)地質(zhì)特征，分析該廢棄煤礦瓦斯資源富集模式和開發(fā)優(yōu)勢條件，綜合目前井下瓦斯抽放狀況及煤層氣地面抽采的技術(shù)進(jìn)展，提出廢棄煤礦瓦斯開發(fā)的技術(shù)對策，以期為烏蘭廢棄煤礦瓦斯的開發(fā)利用提供技術(shù)指導(dǎo)，并為相似廢棄煤礦的瓦斯資源開發(fā)提供借鑒。

1 礦井開采概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

烏蘭煤礦地處內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗呼魯斯太礦區(qū)的北部，位于呼魯斯太向斜的東翼及北部轉(zhuǎn)折端，地質(zhì)構(gòu)造基本為一單斜構(gòu)造，走向?yàn)镹20°～30°，在井田北翼走向折轉(zhuǎn)成近東西向。由于劇烈的地質(zhì)運(yùn)動使北翼地層突起，傾角60°～80°，形成急傾斜地層。南翼地層傾角15°～21°，形成緩傾斜地層，雖有局部褶皺起伏地段，但其變化幅度不大，除礦井北部采區(qū)外，其他采區(qū)構(gòu)造分類屬簡單類型［10］。區(qū)內(nèi)大型斷層有2條，為F73正斷層和呼魯斯太逆斷層，烏蘭煤礦發(fā)育的斷層主要為正斷層，斷層主要產(chǎn)狀走向NE、傾向NW、傾角近60°，表明構(gòu)造主應(yīng)力場方向?yàn)镹E—SW向，烏蘭礦區(qū)構(gòu)造綱要圖如圖1所示。

圖1 烏蘭礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure map of Wulan mining area

1.2 煤層氣地質(zhì)條件

烏蘭煤礦含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組［15］，以陸相沉積為主，下部地層為陸相黏土巖、砂巖、泥巖夾煤線及煤層，共含煤20層，主采煤層為山西組的2號、3號煤層和太原組5號、6號、7號、8號煤層［10］。主采煤層單層厚度為0.56～8.25 m。其中2號煤層最厚，平均厚度為3.52 m；其次為8號煤層，平均為2.25 m；6號煤層最薄，平均為1.22 m［15］。研究結(jié)果表明，礦區(qū)越向西南，越靠近向斜軸部，埋深越大，瓦斯含量越高；礦區(qū)內(nèi)小斷層發(fā)育，但由于小斷層切割地層不多，有利于煤層瓦斯的儲集。

1.3 采空區(qū)概況

烏蘭煤礦建有瓦斯發(fā)電廠，煤礦正常生產(chǎn)期間利用回風(fēng)巷低體積分?jǐn)?shù)瓦斯發(fā)電。2016年烏蘭煤礦關(guān)停后，瓦斯發(fā)電廠失去氣源，經(jīng)多次嘗試和技術(shù)攻關(guān)，探索出利用地面卸壓鉆孔抽采瓦斯的新途徑。目前采空區(qū)井接入負(fù)壓抽采系統(tǒng)的有效產(chǎn)氣井18口，每天產(chǎn)氣量40000 m3（純量）。

烏蘭廢棄煤礦現(xiàn)有地面卸壓鉆孔106個(gè)［11］，地面鉆孔分布（表1）為：5757工作面14個(gè)，5767工作面32個(gè)，5768工作面42個(gè)，5778工作面18個(gè)。其中采空區(qū)共有瓦斯抽采鉆孔44個(gè)，包括5757工作面14個(gè)，5767工作面10個(gè)，5768工作面20個(gè)。

表1 烏蘭廢棄煤礦地面鉆孔分布Tab.1 Surface borehole distribution in Wulan abandoned coal mine

2 瓦斯富集模式與開發(fā)優(yōu)勢

2.1 優(yōu)質(zhì)封蓋-斷層-水動力封堵瓦斯富集模式

（1）區(qū)域蓋層發(fā)育，封蓋性好。山西組頂部為河流沉積相，位于高位體系域［16］，巖性以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，地層厚度為4.07～40.36 m，平均厚度為17.97 m，整體上，烏蘭廢棄煤礦煤系地層上方發(fā)育較為穩(wěn)定的泥巖蓋層，且厚度較大，封蓋性較好（圖2），對整個(gè)煤系地層中瓦斯局部富集成藏較為有利。

圖2 烏蘭廢棄煤礦蓋層厚度直方圖Fig.2 Histogram of caprock thickness in Wulan abandoned coal mine

（2）斷層組合有利于瓦斯富集。烏蘭廢棄煤礦內(nèi)斷層較為發(fā)育，有40條斷層落差大于5 m（圖3），其中正斷層32條，逆斷層8條；斷層走向大多為北東向，個(gè)別斷層為北西向；延伸長度一般為140～3200 m［17］。

圖3 烏蘭廢棄煤礦斷層落差分布特征Fig.3 Distribution characteristics of faults fall in Wulan abandoned coal mine

區(qū)內(nèi)斷層落差＜10 m的占72.5%，且多數(shù)存在轉(zhuǎn)折，因此，斷層在轉(zhuǎn)折處、泥巖封堵處、深部或局部泥巖涂抹潛勢值較大，泥巖涂抹效應(yīng)強(qiáng)烈，這些現(xiàn)象可能造成局部瓦斯大量富集［18］。研究區(qū)內(nèi)斷層類型分為2種，即單一型和階梯型。單一型受斷層影響，煤層厚度變化大，斷層附近構(gòu)造煤較發(fā)育，斷層附近應(yīng)力集中煤儲層透氣性差，造成瓦斯局部富集；F73斷層發(fā)育多處轉(zhuǎn)折和分叉點(diǎn)，為瓦斯的富集區(qū)；階梯型每個(gè)斷階處煤體受其兩側(cè)斷面的對向揉搓、擠壓作用，造成斷層附近煤體強(qiáng)度變低，并因雙向斷層擠壓作用形成較高的構(gòu)造應(yīng)力，也可能導(dǎo)致瓦斯壓力局部較高。

（3）斷層與水動力的良好配置有利于瓦斯保存。研究區(qū)主體部分位于地下水滯流區(qū)，對于煤層瓦斯的富集成藏較為有利。另外，該區(qū)斷層主要為開放性正斷層，但斷層規(guī)模較小，均未切穿區(qū)域蓋層，因此區(qū)域蓋層以下含水層中的地下水可以沿著開放性斷層帶補(bǔ)給煤儲層水力，在斷層面附近形成局部水力封堵區(qū)，有效封堵了瓦斯的逸散通道。

綜合以上分析，筆者繪制了蓋層-斷層-水動力封堵瓦斯富集模式（圖4）。在區(qū)域蓋層厚度大、小斷層大量發(fā)育和地下水動力封堵的地質(zhì)環(huán)境中，烏蘭廢棄煤礦形成了封蓋-斷層-水動力封堵的瓦斯富集獨(dú)特模式，以此模式可預(yù)測瓦斯資源甜點(diǎn)區(qū)。

圖4 烏蘭廢棄煤礦蓋層-斷層-水動力封堵瓦斯富集模式Fig.4 Gas enrichment models of caprock-fault-hydrodynamic plugging in Wulan abandoned coal mine

2.2 資源開發(fā)優(yōu)勢

2.2.1 高滲透性

研究區(qū)煤層埋深較淺，總體小于700 m，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌的綜合影響下，埋深呈現(xiàn)“北部淺、南部深”的分布規(guī)律。以8號煤層為例，其賦存底板標(biāo)高1150～900 m，埋深為369～670 m［19］。

試井結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)煤層滲透率與埋深之間有一定相關(guān)性。埋深300 m以上的區(qū)域煤層滲透率為2 mD以上，埋深300～500 m的區(qū)域煤層滲透率為1～2 mD，埋深500 m以下的區(qū)域煤層滲透率為0.6～1 mD［20-23］。由該區(qū)煤層氣參數(shù)井的解釋結(jié)果可知，X-1井2號、3號、7號、8號煤層滲透率為0.66～0.95 mD，平均0.83 mD；X-2井2號、3號、7號、8號煤層滲透率為0.65～0.94 mD，平均0.78 mD（表2）；各煤層滲透率大致相同，3號煤層滲透率值較高。

表2 研究區(qū)煤層氣參數(shù)井參數(shù)解釋結(jié)果Tab.2 Parameter interpretation results of coalbed methane parameter wells in the study area

2.2.2 較高的儲層壓力

煤儲層壓力控制著煤層氣的吸附和產(chǎn)出。研究區(qū)2號、3號、7號、8號煤層瓦斯壓力為0.55～2.13 MPa，瓦斯壓力隨著煤層埋深增大而增大，4套主采煤層瓦斯含量為3.39～14.84 m3/t，平均7.86 m3/t。

研究區(qū)X-1和X-2參數(shù)井的參數(shù)解釋結(jié)果表明，2個(gè)參數(shù)井參數(shù)極為相似，其主采煤層的儲層壓力梯度為0.896～0.954 MPa/100 m，接近常壓［18］。與沁水盆地其他區(qū)塊相比［24］，該參數(shù)井的壓力梯度在區(qū)域內(nèi)屬于較高水平。

從國內(nèi)現(xiàn)有開發(fā)區(qū)塊的產(chǎn)氣效果看，儲層壓力梯度越高，產(chǎn)氣效果越好［21］，從而說明該區(qū)具備較好的產(chǎn)氣潛力。

2.2.3 采動后裂隙發(fā)育導(dǎo)流能力增加

煤層開采后，采空區(qū)及其圍巖可劃分為3個(gè)區(qū)，即原巖應(yīng)力區(qū)、支承壓力區(qū)和卸載壓力區(qū)（采空區(qū)）［25］。豎向可以劃分為底鼓破碎帶、冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，如圖5所示［15］。

圖5 烏蘭廢棄煤礦采空區(qū)覆巖變形破壞示意圖Fig.5 Deformation and failure diagram of overburden in goaf of Wulan abandoned coal mine

依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中軟弱、中硬巖類冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度計(jì)算方法計(jì)算出冒落帶高度，為8.0～54.4 m，裂隙帶高度為33.3～135.9 m，底板采動破壞帶高度為30.88～30.92 m（表3）。因此，在烏蘭煤礦7號、8號煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶會直接溝通上方的5號、6號煤層，不會直接波及到上方的2號、3號煤層，但根據(jù)5757工作面抽采效果看，2號、3號煤層的滲透性會大幅度提高，在一定抽采負(fù)壓條件煤層中殘存的廢棄煤礦瓦斯會不斷解吸，同時(shí)底板采動破壞帶波及下方的10號、11號煤層。

表3 冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of height of caving zone and water conducting fracture zone

另外，原巖應(yīng)力區(qū)和支承應(yīng)力區(qū)豎直應(yīng)力隨著深度增加而增大［26-27］，而滲透率隨著豎直應(yīng)力增加呈負(fù)指數(shù)減小，因此，可以推測出采空區(qū)的滲透率得到不同程度增大，而支承壓力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)的滲透率均有不同程度減小。整體上采空區(qū)的滲透性得到了較好改善，增強(qiáng)了氣體的導(dǎo)流能力，同時(shí)游離態(tài)氣體占比較大，有利于氣體的快速產(chǎn)出。因此，烏蘭廢棄煤礦瓦斯開采可以依照以下順序：首先開采7號煤層，以對8號煤層實(shí)施下保護(hù)，其次開采8號煤層；這兩層煤層的開采是對2號、3號煤層的二次保護(hù)，進(jìn)行該兩次卸壓抽采，有效消除了瓦斯突出的危險(xiǎn)；7號、8號煤層開采后，再對2號、3號煤層進(jìn)行開采。

2.2.4 較為豐富的瓦斯資源

采用目前瓦斯資源計(jì)算普遍應(yīng)用的資源構(gòu)成法［24］計(jì)算研究區(qū)的瓦斯資源量。其中，受擾動區(qū)域內(nèi)各煤層中的吸附態(tài)可采儲量資源量［1，3］為

式中：Qmt為整個(gè)受擾動區(qū)域內(nèi)可采出的瓦斯資源量；Ti為整個(gè)受擾動區(qū)域內(nèi)第i層煤的煤炭資源量；為整個(gè)受擾動區(qū)域內(nèi)第i煤層可解析瓦斯含量；G1mti為整個(gè)受擾動區(qū)域內(nèi)第i煤層在一定抽采負(fù)壓條件下殘存的瓦斯含量。

采空區(qū)內(nèi)游離態(tài)瓦斯的可采儲量［3］為

式中：Qy為廢棄煤礦瓦斯抽采前采空區(qū)游離態(tài)瓦斯的可采資源量；V為采空區(qū)體積；gy1為廢棄煤礦瓦斯抽采前采空區(qū)甲烷體積分?jǐn)?shù)；gy2為廢棄煤礦瓦斯抽采終止時(shí)采空區(qū)甲烷體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)采煤范圍和對煤層的擾動情況，對采空區(qū)、采動區(qū)及未采區(qū)進(jìn)行劃分，結(jié)果如圖6所示，并在此基礎(chǔ)上開展瓦斯資源量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，烏蘭廢棄煤礦現(xiàn)存瓦斯資源量為691.13×106m3，其中，吸附態(tài)瓦斯為683.83×106m3，游離態(tài)瓦斯為7.3×106m3。

圖6 烏蘭廢棄煤礦不同工作面采動影響區(qū)和采空區(qū)劃分Fig.6 Divisions of mining influence area and goaf in different working faces of Wulan abandoned coal mine

3 開發(fā)技術(shù)對策

3.1 檢修鉆孔提高采氣效率

利用井下可視傳感器對已有鉆孔的孔身結(jié)構(gòu)和篩管暢通性進(jìn)行檢測，分析鉆孔的完整性，對于井筒完好的鉆孔進(jìn)行沖砂洗井作業(yè)，堅(jiān)持連續(xù)穩(wěn)定的負(fù)壓抽采；對于井筒發(fā)生變形的鉆孔，分析變形原因，根據(jù)其錯(cuò)斷位置，在錯(cuò)斷處鉆斜孔以形成有效連通，之后進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的負(fù)壓抽采。

3.2 借鑒地面煤層氣開發(fā)技術(shù)開發(fā)未采區(qū)資源

由于未采區(qū)資源量較大，且受采空區(qū)地應(yīng)力釋放卸壓作用影響，使煤儲層滲透率得到明顯改善，在充分考慮研究區(qū)地質(zhì)條件的情況下，進(jìn)一步借鑒煤層氣地面開發(fā)的成熟技術(shù)，綜合鄰區(qū)成果、經(jīng)濟(jì)極限井網(wǎng)密度、單井合理控制儲量、壓裂裂縫半長和經(jīng)驗(yàn)等，在距離采空區(qū)1000 m的富集區(qū)優(yōu)選合適的井距開展叢式井（組）先導(dǎo)性試驗(yàn)，在取得成效后逐步由采空區(qū)向外擴(kuò)展，并采用叢式井（組）開發(fā)主采煤層，充分開發(fā)未采區(qū)的瓦斯資源。

3.3 降低開發(fā)成本爭取優(yōu)惠政策

由于煤層氣產(chǎn)氣機(jī)理異于常規(guī)天然氣，總體開發(fā)成本較高，需要相應(yīng)的政策支持。相對于整裝煤層氣井田而言，廢棄煤礦瓦斯資源豐度和資源品質(zhì)較差，類型復(fù)雜多樣，且安全隱患大，企業(yè)投入開發(fā)資金多，這會造成企業(yè)缺少開發(fā)工程的主觀能動性。因此，需要爭取政策的有效扶持。

3.4 改進(jìn)煤層氣抽采工藝提高產(chǎn)氣量

煤層氣井開采過程中，煤粉不僅影響煤層氣井的排采工作，而且還影響煤儲層的滲透率，進(jìn)而造成煤層氣井產(chǎn)氣量下降。因此，選擇合理的煤層氣井壓裂設(shè)計(jì)、性能良好的壓裂支承劑和煤粉分散劑、防砂性能好的泵型，對于提高廢棄煤礦瓦斯開發(fā)意義重大。

3.5 摸清采空區(qū)礦井水分布改進(jìn)排水采氣工藝

依據(jù)現(xiàn)有煤層氣井產(chǎn)水特征及礦區(qū)地質(zhì)條件，估算采空區(qū)積水量，選擇合理的排水泵；根據(jù)采空區(qū)地質(zhì)特征，合理布置排水井位置，以期快速進(jìn)行排水降壓。

3.6 結(jié)合關(guān)閉煤礦巷道分布優(yōu)化地面鉆孔設(shè)計(jì)

通過數(shù)據(jù)模擬和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，在兼顧構(gòu)造影響的前提下，優(yōu)選鉆孔布置位置；根據(jù)估算煤礦瓦斯資源量、工作面位置和抽采泵站工作能力，選擇合理鉆孔內(nèi)徑；根據(jù)采空區(qū)深度，合理設(shè)計(jì)并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，確定終孔位置。

4 結(jié)論

（1）烏蘭廢棄煤礦瓦斯賦存地質(zhì)特征顯示良好，其構(gòu)造簡單、煤層厚度較大、埋深適中、滲透率較高、儲層壓力較大、含氣量較高。資源量較大，初步預(yù)測總量為691.13×106m3。

（2）太原組和山西組地層巖性為“多層砂+多層煤”相互疊置的關(guān)系，同時(shí)斷層附近出現(xiàn)泥巖涂抹現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)之上，總結(jié)出優(yōu)質(zhì)封蓋-斷層-水動力封堵的瓦斯富集模式，可預(yù)測瓦斯資源甜點(diǎn)區(qū)。

（3）采空區(qū)和圍巖空間應(yīng)力呈過渡狀態(tài)，卸載壓力區(qū)煤儲層滲透性得到改善，氣體導(dǎo)流能力得到增強(qiáng)。

（4）針對不同的開發(fā)問題，結(jié)合技術(shù)和政策等，提出不同的技術(shù)對策：檢修鉆孔，盤活采空區(qū)；采用叢式井（組）開發(fā)未采區(qū)；尋求政府優(yōu)惠政策支持。

（5）針對關(guān)閉煤礦的工作面分布和采空區(qū)地質(zhì)條件，改進(jìn)排水降壓工藝、優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)方案、改進(jìn)煤層氣井抽采工藝。