1、专题部分深部煤与瓦斯共采技术浅析摘要：近年来，随着开采深度和集约化生产程度的迅速提高，地质条件越来越复杂，煤层瓦斯已成为制约矿井安全高效生产的关键因素。煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体，其大量直接排放将严重污染大气环境，但是，瓦斯又是经济的可燃气体，是一种清洁、方便、高效的能源。我国埋深在2 km以内的煤层瓦斯储量为32351012 m3 ，几乎与常规天然气资源量相当，大力开发煤层气，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全生产条件和提高经济效益，并有利于改善地方环境质量和全球大气环境。因此，如何更有效地开发和利用煤层瓦斯实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采，一直以来都是广大科研工作者努力
2、的方向和目标。论述了我国煤与瓦斯共采现状、技术理论基础、原理、需解决的关键问题及其研究方向。关键词：深部；煤；瓦斯；共采；方法。1绪论1.1世界煤与煤层气共采研究现状煤层气是一种清洁、高效的非常规天然气能源，煤层气的开发利用有利于煤炭企业的安全高效生产和可持续发展， 有利于资源节约型、环境友好型社会的建设。目前， 美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家的煤层气产业发展比较迅速， 其中美国是世界上煤层气产量最高的国家， 也是迄今为止世界上煤层气商业化开发最成功的国家。由于各国的煤层气资源条件、政策等差别， 煤层气发展的状况有所不同。美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家， 也是迄今为止煤层气产量最
3、高的国家。目前， 美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位。美国利用地面钻孔水力压裂开采煤层气技术， 进行煤层气地面开发有两种情况， 一种是以圣胡安盆地为代表， 在没有采煤作业的煤田开采煤层气， 采用的技术与常规天然气生产技术基本相似， 渗透率低的煤层往往需要采取煤层激励增产措施; 另一种以黑勇士盆地为代表， 在生产矿区内开发煤层气。采气与采煤密切相关， 特别是采用地面钻井抽取采空区的煤层气， 由于采煤时引起上覆煤层和岩层下沉与煤裂， 采空区上方岩石冒落， 压力释放， 透气性增加，瓦斯大量释放聚集于采空区， 抽气容易， 不需要进行煤层压裂处理。由于美国极力支持煤层气的开发利用， 国内大批
4、科研院所积极投身于煤与煤层气共采的科学研究。美国还十分重视煤层气的勘探技术开发， 20世纪80年代先后投入60多亿美元， 进行了大规模科研试验， 取得了总体勘探技术的突破， 对世界煤层气产业的发展做出了重要贡献加拿大对煤层气的开发利用和对煤与煤层气共采的研究的起步时间基本和我国相当。由于加拿大政府一直支持煤层气的发展， 一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点， 开展了一系列的技术研究工作，在多分支水平羽状井、连续油管压裂、煤与瓦斯共采等技术方面取得了进展，降低了煤层气的开采成本，给煤层气的发展带来了机遇。澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气，主要在昆士兰的鲍恩盆地。1987年1988年期间
5、已经用地面钻井方法在煤层中采出了煤层气。昆士兰天然气公司已经在靠近Chinachill的Argyle-1井取得煤层气生产成功，日产气量超过2.832万m3。但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。欧洲等国开发利用煤层气资源已有很长的历史，但将煤层气作为单独的资源进行开发是最近的事，对煤与煤层气共采技术的研究也处于初级阶段。欧洲主要的产煤国有三个，即德国、波兰和英国。此外，乌克兰、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法国、比利时及荷兰也拥有大量的煤炭资源，因而也是煤层气开发的有利地区。全球已进入能源紧缺时代，煤层气作为气体能源家族三大成员之一，
6、与天然气、天然气水合物的勘探开发一样，日益受到世界各国的重视。世界范围内，美国、加拿大、澳大利亚、印度、英国等国家的煤层气勘探开发活动最为活跃，煤炭大国纷纷重视煤层气的勘探与开发。到目前为止，世界上已有29个国家开展了煤层气研究、勘探和开发活动。煤与煤层气共采的开发理念日益被人们重视，各国加大科研投入研究煤与煤层气共采技术，实现科学采矿、绿色采矿。1.2我国煤与瓦斯的现有情况我国的煤炭资源较丰富，目前的保有储量1100多亿t，且有48%的煤层属于高瓦斯和突出煤层，因此，瓦斯储量丰富。埋深2000m以浅已探明煤层气资源约为31万亿m3，位列世界第三。但我国大规模的商业化瓦斯开采尚处于起步阶段，国
7、家的相关产业政策出台较晚，或尚不明朗。这里有认识和技术问题，更有我国煤层的透气性差，抽放困难等原因。煤层气体压力也对瓦斯的抽放起着重要作用，有关资料表明，我国煤层压力普遍偏低，这对抽放瓦斯极为不利。中国的含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，成为低透气性的高延性结构。目前，我国瓦斯勘探和开发的主要煤阶是中阶煤和高阶煤，具有很强的非均质性，导致井网的井间干扰效应降低，相互间不能形成有效的联系，水力压裂增产效果也不明显。1.3煤与煤层气共采技术研究历史阶段我国煤层气资源的开发利用历史可以追溯到20世纪50年代。1952年原煤炭部首先在辽宁抚顺矿务局龙凤煤矿进行了井下瓦
8、斯抽采实验并获得成功。20世纪60年代到70年代，一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用。20世纪70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂实验，但是效果不佳。20世纪80年代初期，国内开始进行煤层甲烷相关资源研究。20世纪90年代煤矿井下瓦斯抽放利用工作普遍在高瓦斯大型煤矿开展，形成了多种抽放方式，抽放技术也得到快速发展。1992年，联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了中国煤层气资源开发项目，1993年又资助了/中国深层煤层气勘探项目，对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用。1996年，一批
9、有影响的研究项目和规划相继完成，如原煤炭部计划项目/全国煤层气资源评价、国家计委I类资源勘查项目/中国煤层气资源评价、国土资源部地质调查项目、全国煤层气综合规划研究等。现阶段，井下瓦斯抽放方法很多，例如，掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等。1.4我国瓦斯抽采现状我国是世界上煤层气资源储量丰富的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源的评价结果，我国煤层气资源量居世界第3位，与我国陆上天然气资源量相当，为36.81万亿m3，可采资源量10.86万亿m3。我国煤矿井下的瓦斯抽采始于20世纪50年代。2005年瓦斯抽采量23亿m3，
10、平均利用率达40%左右。我国煤层瓦斯资源为美国的3倍，但瓦斯抽采量与美国相差较大，这主要是由我国煤层瓦斯赋存特征所决定。1.5煤与瓦斯共采技术的研究现状我国的煤层甲烷研究开始于50年代煤矿井下的瓦斯抽放，其中抚顺、阳泉是抽放量最大的矿区。目前，我国已有123个矿井建立了井下瓦斯抽放系统，年抽放量达6亿m3，抽放瓦斯利用率达80%，但井下瓦斯的抽放率很低，只有20%左右。60年代到70年代，一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用。70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂实验，但是效果不佳。80年代初期，国内
11、开始进行煤层甲烷相关资源研究。“六五”期间，煤炭、石油以及地质等行业通过国家重点科技攻关项目对国内煤成气资源进行区域性评价和基础理论研究。随后，国家“七五”科技攻关项目设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”专题，取得了对中国煤层气资源状况的初步认识。华北石油地质局1986年在唐山地区开展了煤层甲烷勘探开发实验和工艺技术研究，并进行了“煤层甲烷评价与开发利用状况”调研。1989年，第一次“开发煤层气研讨会”在沈阳召开，标志着煤层甲烷从“瓦斯灾害”到“优质能源”的认识转变、从“井下抽放”到“地面开发”的技术转移。“八五”期间，国家科技攻关项目设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”专题。此后，煤层
12、甲烷的研究重点转移到了开发工艺攻关上。1992年，联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了“中国煤层气资源开发”项目，1993年又资助了“中国深层煤层气勘探”项目，对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用。1996年，一批有影响的研究项目和规划相继完成，如原煤炭部计划项目“全国煤层气资源评价”、国家计委类资源勘查项目“中国煤层气资源评价”、国土资源部地质调查项目“全国煤层气综合规划研究”、原石油天然气总公司“九五”科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”、国家“九五”科技攻关项目“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等。到目前为止，对全国范围内的煤层气资源、分布、储层
13、特征取得了基础性认识，基本明确了煤层气开发的有利地区。但是由于我国的煤层地质现状(地质条件复杂，构造煤发育，瓦斯含量高，瓦斯压力低，渗透率低等)，煤层气的地面开发并不能很好解决井下瓦斯问题。现阶段，下瓦斯抽放方法很多，例如，掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等。因此，如何将井下瓦斯抽放与地面煤层气开发协调地结合起来，更好地实现煤与瓦斯共采，就成为一个值得深思的问题。总之，我国煤与瓦斯共采的研究开发取得了很大进步，但也存在许多有待于进一步研究和解决的问题。1.6我国瓦斯开采面临的主要问题1)地面开采效率不高。目前地面钻井开采瓦斯最常用的水力压裂法
14、，专用设备复杂、庞大而笨重，成本高，裂缝与支撑剂在煤层内部的控制技术尚有待解决，对低透气性煤层瓦斯抽放效果大多不明显。近年来开始引进国外的多分支水平钻井技术，该项技术成本高，效果也没有预期的好。2)地下开采浪费严重。我国是世界上年开采煤炭最多的国家，2006年全国煤炭产量23.8亿t国有重点煤矿井下瓦斯抽放量约24亿m3。以平均吨煤瓦斯含量8m3/t计，则每年排掉188亿m3。事实上，我国煤炭采出率平均低于30%，大量破坏煤层，实际排气约440亿m3/a，由于开采煤炭而破坏的瓦斯储量在至少1000亿m3以上，是2006年中国天然气总产量的2倍，造成了资源的严重浪费。3)煤矿瓦斯抽放设备缺乏，利
15、用率低。在煤层瓦斯的井下抽放利用方面，瓦斯的预抽会影响采掘接替和工作面推进速度，建立瓦斯抽放系统费时费力，抽放的瓦斯浓度较低，需要进一步压缩提纯，经济效益又不明显，因此绝大多数矿井在保证安全开采标准的条件下，都采用加大通风的方式来代替瓦斯抽放。据统计，到2004年底国有重点煤矿建有瓦斯地面抽放系统308套，井下移动抽放系统272套，高瓦斯矿井的覆盖率不足10%;年瓦斯抽放量为18.66亿m3，利用率不足50%，除部分用于矿区居民用气和自备发电外，绝大部分直接排空。不但井下瓦斯的抽放率低，利用率也低。2我国瓦斯开采模式探讨我国地面煤层气抽放，采用钻孔水力压裂等措施后抽放瓦斯，虽然取得了一些经验，
16、但产气效果不理想，抽气成本太高。到目前为止，在全国已施工的十几个矿区数百口井中，最大产气量达10000m3/d以上，但超过80%的气井产气量小于1000m3/d，据估算，按现有市场价格计，地面钻孔产量小于3000m3/d时，抽放10年以上方可收回投资。因此，从目前试验的情况看，地面钻孔抽放效果较差，商业化大规模开采的前景不明朗。目前，我国煤炭产量的95%来自于地下开采，厚煤层占相当大的比重，占煤炭可采储量的448%，且较大比例为瓦斯或高瓦斯煤层，地质构造复杂，开采困难，瓦斯蕴藏量丰富。目前，我国开采厚煤层主要采用比较成熟的放顶煤和大采高开采工艺，由于一次开采厚度大，上覆岩层的破裂场和卸压场范围也大，有利于瓦斯解吸和增加煤岩透气性，这可以解决我国煤层透气性差，原始煤体中直接钻孔抽放效果不佳的特点。因此，煤炭开采客观上形成的煤岩大范围卸压场和裂隙场，有利于瓦斯的解吸，使原始煤岩体中90%以吸附状态存在的瓦斯能够在开采过程中大量转化为游离状态的瓦斯，并增加煤岩的透气性，从而
