煤炭采空區(qū)下伏煤層氣資源潛力及抽采效果
——以山西省晉城西部礦區(qū)為例

張江華 秦 勇 李國(guó)富 孟召平 李國(guó)慶 李軍軍 季長(zhǎng)江 陳召英

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)礦業(yè)大學(xué)4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院 5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院

0 引言

在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的背景下，中國(guó)天然氣資源供給需求比任何時(shí)候都更為強(qiáng)烈。煤礦采空區(qū)及其圍巖中殘留著豐富的煤層氣資源[1]，是增加天然氣供給的現(xiàn)實(shí)資源。截至2021年，僅山西省廢棄礦井就達(dá)1.2×104處，采空區(qū)面積達(dá)到870.92 km2[2]。為了盤活這一部分煤層氣資源，前人分別對(duì)采空區(qū)煤層氣資源評(píng)價(jià)方法[3-4]、采空區(qū)井設(shè)計(jì)[5]和抽采方法[6]進(jìn)行了研究，但多關(guān)注的是采空煤層之上煤層氣抽采，資源量更為豐富的下伏煤層氣資源長(zhǎng)期未能動(dòng)用。上部煤層開采同樣導(dǎo)致采空區(qū)下伏地層應(yīng)力卸載，煤巖層裂隙張開，滲透率增高，為下伏煤層氣資源高效開采提供了有利條件。結(jié)合煤炭開采向深部延伸的趨勢(shì)，山西藍(lán)焰集團(tuán)率先關(guān)注到采空區(qū)下伏煤層氣資源的開發(fā)利用價(jià)值，啟動(dòng)了針對(duì)性抽采方法研發(fā)[7-9]。然而，過(guò)采空區(qū)煤層氣地面井開發(fā)依然面臨諸多技術(shù)難題，如煤層采空卸壓條件對(duì)下伏煤層氣賦存特點(diǎn)的擾動(dòng)情況不明、資源分布狀況不清、抽采效果有待評(píng)估等?；诖?，針對(duì)晉城西部礦區(qū)，建立了采空區(qū)下伏煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)方法，分析了抽采應(yīng)用效果，為該項(xiàng)技術(shù)方法推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

晉城西部礦區(qū)（簡(jiǎn)稱晉城西區(qū)）早期的煤炭開發(fā)和煤層氣地面抽采對(duì)象為3號(hào)煤層，多年開采形成了大面積采空區(qū)，下伏9號(hào)和15號(hào)煤層的煤層氣長(zhǎng)期未能有效抽采，也給下伏煤層的煤炭安全生產(chǎn)造成極大隱患。同時(shí)，因?yàn)椴删蜚暯拥男枨?，下部煤層的煤層氣預(yù)抽迫在眉睫。

晉城西區(qū)包括寺河、晉圣、成莊和岳城等煤礦，主要可采煤層由淺至深為山西組3號(hào)煤層和太原組9號(hào)、15號(hào)煤層（圖1）。可采煤層累計(jì)厚度約13.5 m，屬于國(guó)內(nèi)緊缺的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤。

圖1 晉城西部礦區(qū)位置及其含煤地層綜合柱狀圖

3號(hào)煤層距離9號(hào)煤層約48 m，距15號(hào)煤層約84 m（圖1）。大量測(cè)試結(jié)果顯示，晉城西區(qū)9號(hào)煤層和15號(hào)煤層的蘭氏體積平均為43.71 m3/t，蘭氏壓力平均為3.42 MPa，臨界解吸壓力平均為3.02 MPa。其中3號(hào)煤層平均厚度為6.09 m，平均含氣量為19.51 m3/t；9號(hào)煤層平均厚度為1.00 m，平均含氣量為17.84 m3/t；15號(hào)煤層平均厚度為3.21 m，平均含氣量為24.10 m3/t；3號(hào)煤層傾角為4°，直接頂板一般為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，單向抗拉強(qiáng)度為1.20 MPa，黏聚力為4.93 MPa，內(nèi)摩擦角為41.6°。

2 采空區(qū)下伏煤層氣資源潛力

2.1 采空區(qū)卸壓范圍分析

與常規(guī)采空區(qū)煤層氣抽采井相比，采空區(qū)下伏煤層氣地面井抽采技術(shù)難點(diǎn)之一在于鉆井需穿越采空影響區(qū)。鑒于這一特點(diǎn)，過(guò)采空區(qū)井鉆遇的采空影響區(qū)在垂向上可分為3部分：①上覆卸壓區(qū)；②采空破碎區(qū)；③下伏卸壓區(qū)（圖2）。根據(jù)“上三帶”及采空區(qū)應(yīng)力釋放原理，由上而下的巖層移動(dòng)分為彎曲下沉帶、裂隙帶、垮落帶、采空區(qū)煤層、底臌裂隙帶和底臌變形帶。筆者將彎曲下沉帶和裂隙帶定義為上覆卸壓區(qū)，將底臌裂隙帶、底臌變形帶定義為下伏卸壓區(qū)，將垮落帶和采空區(qū)煤層定義為采空破碎區(qū)，同時(shí)，將裂隙帶、采空破碎區(qū)和底臌裂隙帶統(tǒng)稱為采煤影響區(qū)域。

圖2 采空區(qū)卸壓范圍示意圖

上述分帶中，垮落帶由上覆巖層垮落巖石組成，裂隙帶隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生變形與位移導(dǎo)致裂隙發(fā)育，兩者直接導(dǎo)通采空區(qū)破碎區(qū)。在下伏卸壓區(qū)，底臌裂隙帶裂隙主要為沿層理的順層張裂隙和巖層破斷后垂直、斜交層理形成的穿層裂隙，裂隙連通性較好，并與采空區(qū)導(dǎo)通；底臌變形帶裂隙以沿層理形成的順層張裂隙為主，上、下巖層之間不導(dǎo)通，順層裂隙發(fā)育程度與采空區(qū)距離呈反比[10]。

根據(jù)寺河煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告及國(guó)家安全監(jiān)管局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[11]，計(jì)算寺河礦3號(hào)煤層采空區(qū)上部裂隙帶最大高度、工作面底板破壞深度（即底臌裂隙帶的范圍）。基于穩(wěn)壓區(qū)理論可以確定上部煤層開采對(duì)下部煤層的影響范圍，利用穩(wěn)壓區(qū)錯(cuò)距公式計(jì)算底臌變形帶的最小深度。相關(guān)計(jì)算公式分別如下[12]。

垮落帶最大高度（Hk）計(jì)算如下：

式中M表示煤層厚度，m；表示累計(jì)采厚，m。

裂隙帶最大高度（Hl）[13]計(jì)算如下：

工作面底板破壞深度（Hp）[14]計(jì)算如下：

式中T表示開采深度，取平均值331.4 m；α表示煤層傾角，取平均值4°；W表示工作面傾向長(zhǎng)度，取平均值 250.0 m。

利用穩(wěn)壓區(qū)開采計(jì)算模型[15]計(jì)算底臌變形帶的最小深度，公式如下：

式中Xmin表示兩煤層影響最小錯(cuò)距，m；D表示兩煤層平均間距，取84.0 m；δ表示巖石移動(dòng)角，取55°；L表示安全距離，一般為20.0～25.0 m，取20.0 m；B表示上煤層工作面的最大控頂距，取7.0 m。

計(jì)算結(jié)果分別為：垮落帶最大高度為15.0 m，裂隙帶最大高度為59.4 m，底臌裂隙帶（即工作面底板破壞深度）最大深度為25.9 m，底臌變形帶最小深度為86.0 m。因此，采煤影響區(qū)域?yàn)?號(hào)煤層頂板以上74.4 m至底板以下25.9 m，下伏卸壓區(qū)最小深度為3號(hào)煤層底板以下86.0 m。3號(hào)煤層距離9號(hào)煤層約48.0 m，距15號(hào)煤層約84.0 m。由此可知，9號(hào)和15號(hào)煤層均處于底臌變形帶內(nèi)，處于3號(hào)煤層采空區(qū)下伏卸壓區(qū)范圍。

2.2 采空區(qū)下伏地層卸壓效果分析

利用FLAC3D模擬軟件，分別模擬3號(hào)煤層采高為 1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m 和 6.0 m（煤層原始厚度）時(shí)的開采活動(dòng)，計(jì)算采空區(qū)下伏巖層的彈性卸壓應(yīng)力變化（圖3）。

圖3 上部煤層采高與下伏巖層卸壓程度關(guān)系圖

如圖3所示，隨著3號(hào)煤層采高的增加，下伏巖層的卸壓范圍逐漸變大，且卸壓梯度也逐漸變大?；跀?shù)值模擬結(jié)果，擬合得到3號(hào)煤層采高與卸壓最大深度之間關(guān)系如下：

式中Xmax表示下伏巖層卸壓最大深度，m；式（5）中的系數(shù)23.5，指示采空區(qū)下伏巖層卸壓深度約為采高的23.5倍。

以研究區(qū)3號(hào)煤層平均厚度6.1 m計(jì)算，在采全高條件下，下伏巖層卸壓最大深度可達(dá)143.0 m。進(jìn)一步而言，3號(hào)煤層采空區(qū)卸壓作用大幅提高了采空區(qū)下部9號(hào)和15號(hào)煤層的孔滲性。倪小明等[16]基于樊莊區(qū)塊原始煤儲(chǔ)層參數(shù)，根據(jù)煤基質(zhì)與孔隙應(yīng)力平衡、損傷理論擬合垂向應(yīng)力與孔隙度關(guān)系，提出了如下經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

式中σv表示垂向總應(yīng)力（即原始上覆巖層自重應(yīng)力），MPa；φ表示孔隙度。這一模型采用晉城礦區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，可應(yīng)用于9號(hào)和15號(hào)煤層的孔隙度和滲透率變化幅度估算。

未采區(qū)煤層垂向應(yīng)力（σv0）與采空區(qū)下伏煤儲(chǔ)層垂向應(yīng)力（σv1）的計(jì)算公式均由下式估算：

式中ρ表示巖石密度，kg/m3，計(jì)算σv1時(shí)密度根據(jù)過(guò)采空區(qū)井的測(cè)井曲線予以解釋，計(jì)算σv0時(shí)密度采用采動(dòng)前煤層氣井測(cè)井解釋結(jié)果；h表示深度，m，計(jì)算σv1時(shí)h根據(jù)鉆孔柱狀圖確定采空區(qū)和下伏目的煤層的距離；g表示重力加速度。

將計(jì)算的σv0與σv1的代入式（6），得出9號(hào)、15號(hào)煤層孔隙度分別提高約3.15倍和2.50倍。

陳俊國(guó)[17]利用本文研究區(qū)鄰區(qū)（潞安礦區(qū)李莊煤礦）煤樣，開展物理模擬試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，建立了簡(jiǎn)化的滲透率和孔隙度關(guān)系式。筆者利用這一模型，計(jì)算采空后下伏煤層的滲透率提高倍數(shù)，計(jì)算如下：

式中K0、K1分別表示初始煤層滲透率和采空后下伏煤層滲透率，μm2；φ0、φ1分別表示初始煤層孔隙度和采空后下伏煤層孔隙度。

得出9號(hào)、15號(hào)煤層滲透率分別提高約31倍和16倍。同時(shí)，采空區(qū)下伏煤層因卸壓作用，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度減小，約為相同深度原始抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的1/3，原巖整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，裂隙充分發(fā)育，儲(chǔ)層壓力減小。卸壓作用必將導(dǎo)致采空區(qū)下伏煤層氣解吸，在保存條件良好前提下，游離氣含量在總含氣量中的比例必然提高。

2.3 采空區(qū)下伏煤層氣資源量測(cè)算

計(jì)算模型由煤層吸附氣資源量和采動(dòng)卸壓游離氣資源量?jī)刹糠纸M成，即：

式中G表示采空區(qū)下煤層氣資源量，m3；Gx表示吸附氣資源量，m3；Gy表示游離氣資源量，m3。

2.3.1 吸附氣資源量計(jì)算模型

按照我國(guó)地礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（煤層氣儲(chǔ)量估算規(guī)范：DZ/T 0216—2010），采用體積法計(jì)算煤層氣資源量[18]：

式中Qx表示吸附氣資源豐度，108m3/km2；A表示資源量計(jì)算面積，km2。

吸附氣資源豐度計(jì)算式為：

式中Vx表示吸附氣含量，空氣干燥基樣品的測(cè)定數(shù)值，m3/t；E表示煤層平均容重，t/m3。

其中，煤層吸附氣含量計(jì)算式為：

式中S表示含氣飽和度；VL表示蘭氏體積，m3/t；pL表示蘭氏壓力，MPa；pp表示現(xiàn)今儲(chǔ)層壓力（即采空后煤儲(chǔ)層壓力），MPa。

若已知煤層原始含氣量，根據(jù)Langmuir方程，含氣飽和度的計(jì)算公式為：

式中V0表示煤層原始含氣量，m3/t；p0表示煤儲(chǔ)層原始?jí)毫?，MPa；Vl表示理論飽和含氣量，m3/t。

2.3.2 游離氣資源量計(jì)算模型

受到上部采空區(qū)開采卸壓的影響，下伏煤儲(chǔ)層壓力下降，使一部分吸附氣解吸成為游離氣。為此，采空區(qū)下伏煤層游離氣含量為：

式中Qy表示游離氣資源豐度，108m3/km2，其計(jì)算公式為：

式中Vy表示游離氣含量，m3/t。

其中，暫不考慮采空區(qū)卸壓逸散作用，煤層游離氣含量是原始吸附氣含量與采空區(qū)卸壓導(dǎo)致解吸量之差，計(jì)算公式為：

式中S1表示采空區(qū)下伏煤儲(chǔ)層含氣飽和度。

根據(jù)馬修斯（Matthew）和凱利（Kelly）提出的破裂壓力預(yù)測(cè)模型[19-20]，破裂壓力與地層孔隙壓力（相當(dāng)于采空區(qū)下伏煤儲(chǔ)層壓力pp）和上覆巖層壓力的關(guān)系為：

式中pf表示煤儲(chǔ)層破裂壓力，MPa；b為常數(shù)，根據(jù)各礦區(qū)實(shí)際壓裂施工所得破裂壓力和試井所得地層壓力代入式（17）擬合計(jì)算得出。

其中，破裂壓力由各區(qū)塊過(guò)采空區(qū)井壓裂報(bào)告予以解釋，利用式（7）計(jì)算的采空區(qū)下伏煤儲(chǔ)層垂向應(yīng)力σv1替代上覆巖層壓力Pf并代入式（17），求得采空區(qū)下伏煤儲(chǔ)層壓力：

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力等于孔隙流體壓力和有效應(yīng)力之和，采空后的煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力為：

式中σe表示有效應(yīng)力，MPa。

利用晉城礦區(qū)煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力和含氣飽和度之間的擬合公式[16]為：

變換式（20），得到采空區(qū)下伏煤層含氣飽和度計(jì)算如下：

將計(jì)算結(jié)果S1代入式（16），可得到游離氣含量。將下伏煤儲(chǔ)層條件和煤樣等溫吸附實(shí)測(cè)資料帶入上述相關(guān)計(jì)算式，計(jì)算得到研究區(qū)各煤礦的煤層氣資源量和資源豐度如表1所示，結(jié)果顯示，晉城西區(qū)采空區(qū)下伏9號(hào)煤層和15號(hào)煤層煤層氣資源量合計(jì)為261.45×108m3。其中，吸附氣資源量為 105.55×108m3，占比40.37%；游離氣資源量為155.90×108m3，占比59.63%。由此可見，各礦游離氣資源量都超過(guò)50%，為過(guò)采空區(qū)煤層氣抽采提供了極為有利的資源條件。

表1 晉城西區(qū)采空區(qū)下伏煤層氣資源量計(jì)算結(jié)果表

3 采空區(qū)下伏煤層氣抽采效果分析

關(guān)于晉城西區(qū)采空區(qū)下伏煤層氣抽采工藝和技術(shù)方法，筆者所在課題組已有介紹[7-8]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)過(guò)采空區(qū)煤層氣井抽采技術(shù)體系，分析抽采效果及經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 采空區(qū)下伏煤層氣抽采技術(shù)體系

煤礦采空區(qū)大部分為破碎帶和遺留煤柱區(qū)域。針對(duì)有煤柱區(qū)域下伏煤層的預(yù)抽選用“L”形井進(jìn)行抽采下組煤，其井身結(jié)構(gòu)采用常規(guī)三開井身結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖4 過(guò)采空區(qū)煤層氣抽采方法示意圖

針對(duì)上覆煤層為采空區(qū)的下伏煤層，抽采井型采用大口徑垂直井，三開井身結(jié)構(gòu)，采用空氣鉆進(jìn)，鉆遇采空區(qū)破碎帶時(shí)利用氮?dú)饨橘|(zhì)進(jìn)行鉆進(jìn)，消除煤礦井下安全隱患。在采煤影響區(qū)域以上的二開技術(shù)套管可利用返扣裝置進(jìn)行回收，鉆井及固井方法詳見本文參考文獻(xiàn)[7-8]。

3.2 過(guò)采空區(qū)煤層氣井抽采效果

跟蹤分析研究區(qū)50口過(guò)采空區(qū)井，分為3種產(chǎn)氣類型[8]。其中60%的井在投運(yùn)1個(gè)月內(nèi)開始穩(wěn)定產(chǎn)氣，為產(chǎn)氣類型Ⅰ；28%的井在排采2～6月內(nèi)開始穩(wěn)定產(chǎn)氣，為產(chǎn)氣類型Ⅱ；12%的井排采7個(gè)月以上開始產(chǎn)氣，為產(chǎn)氣類型Ⅲ（表2）。研究區(qū)大部分常規(guī)煤層氣井都需排采7個(gè)月以上開始產(chǎn)氣，排采兩年后開始穩(wěn)定產(chǎn)氣，過(guò)采空區(qū)井見氣周期明顯快于常規(guī)煤層氣井。

表2 不同類型過(guò)采空區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣效果分析表

上述50口過(guò)采空區(qū)井3種類型的產(chǎn)氣潛能差異較大：Ⅰ型，見氣快，單井最高產(chǎn)氣量達(dá) 11 040 m3/d，井口套壓維持在較高水平，平均井口套壓為0.43 MPa，具有較好的產(chǎn)能潛力；Ⅱ型，見氣較快，單井最高產(chǎn)氣量為9 643 m3/d，單井平均產(chǎn)氣量較高，達(dá) 3 324 m3/d，井口套壓平均為 0.32 MPa；Ⅲ型，見氣時(shí)間較長(zhǎng)，上覆采空區(qū)卸壓效果不明顯，單井平均產(chǎn)氣量為1 496 m3/d，與研究區(qū)常規(guī)煤層氣井產(chǎn)氣效果相當(dāng)。

3.3 采空區(qū)下伏煤層氣抽采效益

過(guò)采空區(qū)抽采下伏煤層氣技術(shù)已在研究區(qū)寺河、岳城、成莊等煤礦推廣應(yīng)用。截至2021年底，累計(jì)施工投運(yùn)煤層氣井102口，日產(chǎn)氣量約27.6×104m3，累計(jì)產(chǎn)氣量 2.54×108m3（表3），累計(jì)創(chuàng)造產(chǎn)值4.31億元（煤層氣井口價(jià)按1.7元/m3計(jì)）。寺河煤礦井下煤層氣抽采成本較高，抽采成本約為15元/m3，過(guò)采空區(qū)抽采下伏煤層氣累計(jì)為煤礦節(jié)約生產(chǎn)成本所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)38.10億元，效益顯著。

表3 過(guò)采空區(qū)煤層氣井經(jīng)濟(jì)效益表

對(duì)比分析寺河煤礦50口3號(hào)煤層常規(guī)煤層氣井，平均成本158 萬(wàn)元/口，投資回收期為4.7 年。50口過(guò)采空區(qū)井平均成本188 萬(wàn)元/口，投資回收期僅3.2年，比常規(guī)煤層氣井縮短1.5年。煤層氣井口價(jià)1.7元/m3，成本按總投資和氣量折算為1.357 元/m3，過(guò)采空區(qū)煤層氣井5年累計(jì)（第1年工程施工，第2年計(jì)為投運(yùn)第1年）新增利潤(rùn)4 973.0 萬(wàn)元，常規(guī)煤層氣井5年累計(jì)新增利潤(rùn)為4 360.2 萬(wàn)元（表4），由此可見，過(guò)采空區(qū)井具有顯著的投資產(chǎn)出效益。

表4 過(guò)采空區(qū)煤層氣井與常規(guī)煤層氣井效益對(duì)比分析表

4 結(jié)論

1）針對(duì)晉城西區(qū)山西組3號(hào)煤層采空區(qū)卸壓情況，將底臌裂隙帶、底臌變形帶定義為下伏卸壓區(qū)，將裂隙帶、采空破碎區(qū)、底臌裂隙帶定義為采煤影響區(qū)域，分別計(jì)算了其范圍，為過(guò)采空區(qū)井鉆進(jìn)施工提供了理論基礎(chǔ)。計(jì)算和數(shù)值模擬表明，下伏卸壓區(qū)范圍最大深度可達(dá)底板以下143 m，太原組9號(hào)煤層和15號(hào)煤層都處于底臌變形帶內(nèi)。

2）建立了采空區(qū)下伏卸壓區(qū)煤層氣資源量及相關(guān)參數(shù)估算模型，計(jì)算了晉城井區(qū)4個(gè)煤礦（寺河、岳城、成莊、晉圣）采空區(qū)下伏煤層氣資源量，資源量合計(jì)為261.45×108m3。其中，吸附氣資源量105.55×108m3，占比40.37%；游離氣資源量155.90×108m3，占比59.63%。各礦下伏9號(hào)和15號(hào)煤層的游離氣資源量占比都超過(guò)50%，為過(guò)采空區(qū)煤層氣抽采提供了理論依據(jù)。

3）對(duì)比常規(guī)煤層氣井，分析了過(guò)采空區(qū)煤層氣井抽采的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，過(guò)采空區(qū)井單井投資回收期比常規(guī)煤層氣單井縮短1.5年，50口井5年累計(jì)新增利潤(rùn)4 973.0萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有向山西南部其他礦區(qū)（如潞安礦區(qū)、西山礦區(qū)、陽(yáng)泉礦區(qū)等）推廣應(yīng)用的前景和價(jià)值。