1、专题部分煤 与 煤 层 气 共 采 的 研 究 进 展 与 面 临 的 问 题摘 要 : 介绍了世界上当前煤层气的应用现状和研究进展 ; 阐明了我国煤与煤层气共采技术的发 展阶段 , 论述了当前实现煤与煤层气共采技术的理论基础 ; 分析了我国煤与煤层气共采面临的新 问题 , 指出了煤与煤层气共采技术的重点研究方向。关键词 : 煤与煤层气共采 绿色开采 瓦斯 流变规律 机理The Researching Progress and Problems of The Extraction of Coal and Coalbed MethaneAbstract : This paper introduc
2、es the worlds current situation and the application of the coalbed methane . It clarifies the development of the extraction of coal and coalbed methane technology and the theoretical founda2 tion of achieving the extraction of coal and coalbed methane of China . The article analyses the new problems
3、 of the extraction of coal and coalbed methane , and pointes out the the key researching direction of the extraction of coal and coalbed methane .Key words : Extraction of coal and coalbed methane ; green exploitation ; gas ; mechanism ; law of rheology 煤层气不仅是与煤炭同样的资源 , 而且煤层气是影响环境的重要要素。因此 , 所谓煤与瓦斯共采
4、 就是在开采高瓦斯煤层的同时 , 利用岩层移动的特 点将煤层气开采出来。煤与煤层气共采可以从根本 上防止煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全、提高经济效益 ; 优化能源结构、增加清洁能源、减少甲烷的排 放、缓解温室效应 ; 保护大气环境 , 实现两种资源 的协调、合理的开发利用与生态环境的有效保护。1 国外研究现状 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。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
5、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 , 国内大批科研院所积极投身于 煤与煤层气共采的科
6、学研究。美国还十分重视煤层 气的勘探技术开发 , 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
7、1988 年期间已经用 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 Argyle21 井取得煤层 气生产成功 , 日产气量超过 21832 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
8、开发的有利地区。2 国内研究现状211 煤与煤层气共采技术的基础研究 煤与煤层气共采是钱鸣高院士和缪协兴教授等 提出的绿色开采的有机组成部分 , 因其要在一定的 地质条件下实现煤与煤层气共采 , 所以其基础包括 矿井地质和煤层气防治理论、采动岩体结构运动规律、煤层气运移规律和卸压煤层气富集区理论及创 新型技术等。 采动岩体结构理论是采场矿压理论等基础上发 展起来的 , 最重要的核心是由钱鸣高院士、缪协兴教授等将采场矿压砌体梁力学模型发展到岩层控制的结构关键层力学模型。关键层理论提出的目的是 为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂 隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉 陷控制等的影
9、响。在 “煤与瓦斯共采”技术方面 , 岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙场分 布、离层规律将对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放 层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要 参考作用。 周世宁院士于 1963 年在北京矿业学院科学文 选中首次完整的发表了“煤层瓦斯流动理论及其应 用”。周院士在实验室进行了瓦斯流动的物理模拟 试验 , 并应用相似理论将实验结果以相似准数的形 式导出通用的单向、径向和球向不稳定流动瓦斯涌 出量计算公式 , 科学系统的阐明了瓦斯在煤层中的 单向、径项和球向流动规律和瓦斯在煤层中的扩散- 渗透规律。煤层瓦斯流动理论的提出及发展给煤 与煤层气共采的科学研究提供技术和理论
10、基础。212 煤与煤层气共采技术的研究 我国煤层气抽采技术经历从“高透气性煤矿煤 层气抽放”、“邻近层卸压煤层气抽放”、“低透气性 煤层强化煤层气抽放”和“综合抽放煤层气”四个 阶段。 袁亮院士根据淮南矿区煤层煤层气含量高、埋 藏深、极松软、透气性低和煤层气压力大等复杂地 质条件于 2006 年提出 “复杂地质条件煤与煤层气 共采技术体系”。该体系包括采动煤岩移动卸压增 透抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯技术、采空区瓦斯抽采技术等。 袁亮院士结合淮南矿区煤层群开采条件分别于2008 年和 2009 年提出低透气性煤层群煤与瓦斯共 采技术思路 : 首采关键卸压层 , 沿首采面采空区边 缘快速机
11、械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来 , 形成无煤柱连续开采 ; 在留巷内布置上下向高 低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域 , 实现连续抽 采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步推进 , 构建以留 巷钻孔替代多岩巷的抽采卸压瓦斯的煤气共采技术 体系。这一技术思路回避了深井开采面临的很多技术难题 , 是深部安全高效开采的一个重大技术方 向。 实质上 , 煤与煤层气共采在不同类型矿区有不 同的技术内涵 , 对于高瓦斯矿井不仅要合理开采煤层气做到资源充分利用 , 实现煤与煤层气共采 , 而且还要做好防治煤层气灾害工作。 213瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术 瓦斯治理是煤矿安全高效开采的前提和基础 。 瓦斯问题
12、特别是低透气性煤层瓦斯治理是世界性难 题 , 长期以来没有解决 , 因而导致煤矿瓦斯事故多 发、生产效率低下 , 安全高效开采难以实现 。随着 矿井开采深度加大 , 地质条件更复杂 , 地应力、瓦 斯含量和压力增加 , 瓦斯治理难度进一步增大。近 期我国发生的煤与瓦斯突出引发瓦斯爆炸事故 , 都 是由于煤矿向深部开采过程中瓦斯灾害升级所致 , 如 : 2009 年 2 月 22 日 , 山西古交市屯兰煤矿发生瓦斯爆炸事故 , 77 人死亡 ; 2009 年 5 月 30 日 , 重庆松藻煤电同华煤矿特大瓦斯突出事故 , 30 人死 亡 , 77 人受伤 ; 2009 年 9 月 8 日河南平顶
13、山市新华四矿特大瓦斯爆炸事故 , 54 人死亡 ; 2009 年 11 月 21 日 , 鹤岗新兴煤矿特大瓦斯爆炸 , 108 人死 亡。 淮南矿区煤层赋存条件极其复杂 , 是我国瓦斯含量最高的矿区之一 , 曾是全国瓦斯事故重灾区 。 目前 , 淮南矿区内现有矿井全部为高瓦斯 、煤与瓦斯突出矿井。新建矿井多为深井开采 , 首采区多在 距地表 800 m 以下深度 ; 大部分生产矿井的开采 深度已达 - 700 - 1000 m , 且开采深度正以每年2025 m 的速度增加。由于传统的瓦斯抽放技术 和方法 , 不能解决松软低透气性煤层群开采的瓦斯 治理难题 , 自 1998 年起 , 淮南矿区
14、转变了瓦斯治 理理念 , 开展科研攻关 , 创新瓦斯治理技术 , 取得 了瓦斯治理技术的重大突破 , 实现了煤矿安全高效 开采。1 科学开采是煤炭工业发展的必由之路11 1 煤炭科学产能的制约因素分析 总体来看 , 我国煤炭科学产能制约因素主要 有 : (1) 深部煤炭开发的资源制约 ; (2) 煤炭开发基地西移中的生态环境及长距离输送制约 ; (3) 安 全高效生产能力制约 ; ( 4) 资源回收率制约 ; ( 5) 环境容量制约。我国煤矿灾害类型多 , 分布面广 , 在世界各主要产煤国家中开采条件最差、灾害最严 重。据调查 , 对于国有重点煤矿 , 处在浅部开采时 , 地质构造复杂或极其复
15、杂的煤矿占 36 % , 地 质构造简单的煤矿占 23 % ; 进入深部开采后 , 地 质构造均朝复杂或极其复杂发展 。我国煤层瓦斯含量丰富 , 累计探明煤层气地质 储量 1023 亿 m3 , 可采储量约 470 亿 m3 , 埋深浅于 2000 m 的煤层气资源量为 361 8 万亿 m3 , 居世 界第三位。但我国高瓦斯矿井多 , 国有重点煤矿70 %以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井 , 大部分为 低透气性煤层 (渗透率 1 mD) , 平均在 01 002 161 17 mD 。其 中 , 渗 透 率 小 于 01 10 mD 的 占35 % ; 01 111 0 mD 的占 37 % ; 大于 11 0 mD 的占28 % ; 大于 10 mD 的较少。11 2 煤炭科学开采势在必行 , 瓦斯治理任务艰巨 实践证明 , 靠传统的瓦斯综合治理途径 、引进技术和地面开采煤层气等方法都不能解决我国绝大部分矿区的瓦斯治理难题 , 特别是在类似两淮矿区 复杂的地质条件低渗透率煤层 , 根本就无法解决瓦 斯治理难题
