淺析煤與瓦斯共采技術(shù)

姜海鵬

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

·試驗(yàn)研究·

淺析煤與瓦斯共采技術(shù)

姜海鵬

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

近年來(lái),隨著開(kāi)采深度和集約化生產(chǎn)程度的迅速提高,地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜,煤層瓦斯已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。煤層瓦斯是一種具有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的氣體,其大量直接排放將嚴(yán)重污染大氣環(huán)境,但是,瓦斯又是經(jīng)濟(jì)的可燃?xì)怏w,是一種清潔、方便、高效的能源。我國(guó)埋深在2 km以內(nèi)的煤層瓦斯儲(chǔ)量為32～35×101 2m3,幾乎與常規(guī)天然氣資源量相當(dāng),大力開(kāi)發(fā)煤層氣,既可以充分利用地下資源,又可以改善礦井安全生產(chǎn)條件和提高經(jīng)濟(jì)效益,并有利于改善地方環(huán)境質(zhì)量和全球大氣環(huán)境。因此,如何更有效地開(kāi)發(fā)和利用煤層瓦斯,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯兩種資源的安全高效共采,一直以來(lái)都是廣大科研工作者努力的方向和目標(biāo)。論述了我國(guó)煤與瓦斯共采現(xiàn)狀、技術(shù)理論基礎(chǔ)、原理、需解決的關(guān)鍵問(wèn)題及其研究方向。

煤；瓦斯；共采;問(wèn)題；原理；研究方向

1 我國(guó)煤與瓦斯的現(xiàn)有情況

我國(guó)的煤炭資源較豐富,目前的保有儲(chǔ)量1 100多億t，且有48%的煤層屬于高瓦斯和突出煤層,因此，瓦斯儲(chǔ)量豐富。埋深2 000 m以淺已探明煤層氣資源約為31萬(wàn)億 m3,位列世界第三。但我國(guó)大規(guī)模的商業(yè)化瓦斯開(kāi)采尚處于起步階段,國(guó)家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策出臺(tái)較晚,或尚不明朗。這里有認(rèn)識(shí)和技術(shù)問(wèn)題,更有我國(guó)煤層的透氣性差,抽放困難等原因。煤層氣體壓力也對(duì)瓦斯的抽放起著重要作用,有關(guān)資料表明,我國(guó)煤層壓力普遍偏低,這對(duì)抽放瓦斯極為不利。中國(guó)的含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞,成為低透氣性的高延性結(jié)構(gòu)。目前,我國(guó)瓦斯勘探和開(kāi)發(fā)的主要煤階是中階煤和高階煤,具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性,導(dǎo)致井網(wǎng)的井間干擾效應(yīng)降低,相互間不能形成有效的聯(lián)系,水力壓裂增產(chǎn)效果也不明顯。

2 煤與瓦斯共采技術(shù)的理論基礎(chǔ)

限制我國(guó)高瓦斯礦井井下瓦斯抽放的原因,主要是煤層的低滲透率和高可塑性,使得沿煤層打鉆孔困難,煤層采前預(yù)抽效果較差。由于我國(guó)含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞,塑變性大大增強(qiáng),因而成為低透氣性的高可塑性結(jié)構(gòu),這使得地面鉆孔完井后采氣效果差,水力壓裂增產(chǎn)效果不明顯。而且煤層普遍具低滲透率,一般在0.000 000 1×0.000 001 μm2范圍內(nèi),水城、豐城、霍崗、開(kāi)灤、柳林等滲透率較好的礦區(qū)也僅為0.1×10-3～1.8×10-3μm2,這一特點(diǎn)決定了我國(guó)地面開(kāi)發(fā)煤層氣的難度很大。鑒于此,我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的重點(diǎn)應(yīng)放在井下,利用井下的采掘巷道,并盡量利用煤層采動(dòng)影響,通過(guò)打鉆孔和其它各種有效技術(shù)強(qiáng)化煤層的瓦斯抽放。同時(shí),應(yīng)進(jìn)一步研究和不斷完善提高煤層滲透率的技術(shù)和鉆孔技術(shù),研究提高氣體質(zhì)量的技術(shù),研究井下煤炭與瓦斯的協(xié)調(diào)開(kāi)采配套技術(shù)以及煤礦瓦斯利用技術(shù),使之與井下煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)配套,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯的安全共采?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)研究表明,不論原始滲透系數(shù)怎樣低的煤層,在采動(dòng)影響煤層卸壓后,其滲透系數(shù)會(huì)急劇增加,煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流速度大增,瓦斯涌出量也隨之劇增。因此,只要合理布置鉆孔位置和其它相關(guān)參數(shù),完全能夠高效地實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放。

3 煤與瓦斯共采需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1深入的理論研究

利用采動(dòng)卸壓場(chǎng)與裂隙場(chǎng)增加煤層瓦斯的解吸速度與煤巖的透氣性,實(shí)現(xiàn)礦井煤與瓦斯雙能源開(kāi)采的思想提出來(lái)已經(jīng)有幾年了,按照這一技術(shù)思路,我國(guó)相關(guān)大學(xué)和企業(yè)進(jìn)行了必要的研究和工程實(shí)踐,取得了一定的成果,但是總體上,理論研究有落后于工程實(shí)踐的趨勢(shì),今后在理論上需要解決的主要問(wèn)題有：

1) 采動(dòng)裂隙場(chǎng)的透氣規(guī)律研究。經(jīng)過(guò)多年采礦學(xué)者和技術(shù)人員的研究,目前對(duì)于采動(dòng)卸壓場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的范圍已經(jīng)有了相對(duì)成熟的成果和研究手段,研究的技術(shù)思路上也相對(duì)成熟,有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者已經(jīng)能夠估算出采動(dòng)卸壓場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的范圍以及隨采動(dòng)影響的變化規(guī)律,這對(duì)于裂隙場(chǎng)卸壓抽放瓦斯具有重要的指導(dǎo)作用。但是對(duì)于裂隙場(chǎng)內(nèi)巖體的破裂情況及破裂分布尚沒(méi)有相對(duì)成熟的研究成果,對(duì)于瓦斯氣體在裂隙場(chǎng)內(nèi)的解吸、擴(kuò)散、滲流等規(guī)律以及裂隙場(chǎng)內(nèi)的透氣性等還有待進(jìn)一步研究。

2) 瓦斯?jié)舛确植家?guī)律研究。進(jìn)行煤與瓦斯抽放時(shí)的一個(gè)重要問(wèn)題就是要掌握高濃度瓦斯的分布規(guī)律,為抽放工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。目前需要深入研究的有卸壓帶、采空區(qū)、上覆巖層裂隙場(chǎng)內(nèi)等不同瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律,以及它們隨著工作面推進(jìn)風(fēng)量變化等的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

3) 瓦斯抽放時(shí)的流動(dòng)規(guī)律。主要研究采空區(qū)和裂隙場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行不同壓力抽放時(shí)瓦斯流動(dòng)規(guī)律、瓦斯氣體與裂隙巖體的耦合相互作用規(guī)律,研究原始煤體、卸壓帶與裂隙帶內(nèi)瓦斯抽放過(guò)程中固體煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化,尤其是抽放過(guò)程中透氣性變化規(guī)律等,這些工作需要大量的室內(nèi)試驗(yàn)和研制專用的試驗(yàn)設(shè)備及大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與試驗(yàn)研究。

3.2增加和穩(wěn)定抽放的瓦斯?jié)舛?/p>

在原始煤體中進(jìn)行預(yù)抽放的瓦斯體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到30%以上,但是由于原始煤巖的透氣性低,抽放難度較大,且一般只能抽出煤層瓦斯的20%～30%,煤體中還殘留大量瓦斯。在高位裂隙帶內(nèi)抽放的瓦斯體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到20%以上,這兩部分抽出的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高,目前大部分進(jìn)行了利用,具有利用的前景和可行性。

在煤層卸壓帶內(nèi)和采空區(qū)抽出的瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般均低于20%,大部分為13%～15%,這主要是由于卸壓帶內(nèi)煤巖破裂、空氣滲入,采空區(qū)頂板垮落,大量空氣混入等原因,對(duì)于這些相對(duì)濃度較低的瓦斯輸送、利用和安全保障技術(shù)等還需要進(jìn)一步研究。

3.3低濃度瓦斯利用與提純

除了原始煤層中預(yù)抽和高位裂隙帶內(nèi)抽出的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高外,采空區(qū)、卸壓帶內(nèi)抽出的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低,巷道風(fēng)排的瓦斯?jié)舛雀?但是這些低濃度的瓦斯量很大,一般會(huì)占瓦斯總量的50%以上,如何安全利用這些低濃度瓦斯,一直是瓦斯作為能源開(kāi)采時(shí)的最大障礙之一。目前,在這些方面進(jìn)行了許多探討和研究,但是核心問(wèn)題,如輸送與使用的安全問(wèn)題、提純的高成本問(wèn)題等,依然沒(méi)有解決。

4 煤與瓦斯共采技術(shù)原理

煤層的采動(dòng)會(huì)引起其周圍巖層產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng),即引起周圍巖層地應(yīng)力封閉的破壞(地應(yīng)力降低-卸壓、孔隙與裂縫增生張開(kāi))、層間巖層封閉的破壞(上覆煤巖層垮落、破裂、下沉、下位煤巖層破裂、上鼓)以及地質(zhì)構(gòu)造封閉的破壞(封閉的地質(zhì)構(gòu)造因采動(dòng)而開(kāi)放、松弛),三者綜合導(dǎo)致圍巖及其煤層的透氣性系數(shù)大幅度增加,為卸壓瓦斯高產(chǎn)高效抽采創(chuàng)造前提條件。煤層卸壓瓦斯的流動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的兩步過(guò)程:

1) 以擴(kuò)散的形式,瓦斯從沒(méi)有裂隙的煤體流到周圍的裂隙中去。

2) 以滲流的形式,瓦斯沿裂隙流到抽采鉆孔處。卸壓瓦斯的運(yùn)移與巖層移動(dòng)及采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)分布特征有著緊密的關(guān)系。

4.1低濃度瓦斯利用與提純

高抽鉆孔組抽采技術(shù)原理。煤層開(kāi)采將引起巖層移動(dòng)與破斷,并在巖層中形成采動(dòng)裂隙。按采動(dòng)裂隙性質(zhì)可分為兩類:一類為離層裂隙,是隨巖層下沉在不同巖性地層之間出現(xiàn)的沿層裂隙,它可使煤層產(chǎn)生膨脹變形而使瓦斯卸壓,并使卸壓瓦斯沿離層裂隙流動(dòng);另一類為豎向破斷裂隙,是隨巖層下沉破斷形成的穿層裂隙,它構(gòu)成上下層間的瓦斯通道。當(dāng)采空區(qū)頂板充分垮落后,采空區(qū)中部巖層和下方的矸石緊密接觸,從而使得采空區(qū)中部頂板巖層裂隙基本被壓實(shí),結(jié)合采場(chǎng)空間特點(diǎn),采空區(qū)四周形成了一個(gè)環(huán)形的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū),文獻(xiàn)稱之為“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采動(dòng)影響的煤層瓦斯在含量梯度和壓力梯度作用下以擴(kuò)散和滲流的形式向“O”形圈內(nèi)運(yùn)移,使得“O”形圈成為卸壓煤層瓦斯聚集和運(yùn)移的主要通道。

卸壓瓦斯“O”形圈抽采理論表明,卸壓瓦斯抽采鉆孔的合理位置應(yīng)打到離層裂隙的“O”形圈內(nèi)。高抽鉆孔組就是在沿工作面傾斜方向靠近回風(fēng)巷側(cè)布置一組千米大直徑抽采鉆孔,利用采動(dòng)裂隙“O”形圈作為運(yùn)移通道來(lái)抽采采空區(qū)瓦斯。高抽鉆孔組布置靠近在“O”形圈的回風(fēng)側(cè),改變了采空區(qū)瓦斯流場(chǎng),有效解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題,且“O”形圈長(zhǎng)期存在,抽采鉆孔能夠長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的抽采出高含量瓦斯。

4.2頂板裂隙鉆孔組抽采技術(shù)原理

采用全部垮落法管理頂板時(shí),上覆巖層下沉穩(wěn)定后,在采動(dòng)區(qū)沿垂直方向由上至下形成了冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。研究表明,在回采過(guò)程中,靠近工作面一定范圍內(nèi)的采空區(qū)中部上覆巖層離層裂隙發(fā)育,結(jié)合采動(dòng)裂隙“O”形圈,在采空區(qū)豎直方向上,形成了一個(gè)“∩”形拱，采動(dòng)裂隙區(qū)，采空區(qū)不同瓦斯涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采動(dòng)裂隙帶裂隙通道上升,上升中不斷摻入周圍氣體,使涌出源瓦斯與環(huán)境氣體的密度差逐漸減小直到密度差為零,混合氣體則會(huì)聚集在裂隙帶上部的離層裂隙內(nèi)。涌入采空區(qū)的瓦斯,在其含量梯度作用下引起普通擴(kuò)散,由于空氣的重力產(chǎn)生方向向下的壓強(qiáng)梯度,則其產(chǎn)生的擴(kuò)散流方向,與壓強(qiáng)梯度反向,即瓦斯氣體具有向上擴(kuò)散的趨勢(shì)。因此,在瓦斯浮力、含量梯度及通風(fēng)負(fù)壓的作用下“∩”形拱采動(dòng)裂隙區(qū)成為瓦斯聚集區(qū),為采動(dòng)裂隙帶內(nèi)鉆孔抽采、巷道排放等治理瓦斯技術(shù)提供依據(jù)。

如,華晉焦煤集團(tuán)公司沙曲礦近距離高瓦斯煤層群的賦存特性瓦斯涌出量大,僅靠高抽鉆孔組不能完全解決沙曲礦的瓦斯治理難題,因此,基于上述理論分析,在采空區(qū)頂板裂隙區(qū)布置頂板裂隙抽采鉆孔組。頂板裂隙鉆孔組加強(qiáng)了采空區(qū)瓦斯抽采,直接對(duì)上鄰近層卸壓瓦斯進(jìn)行抽采,減弱了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度,從根本上解決瓦斯超限難題。

4.3構(gòu)建煤與瓦斯共采技術(shù)體系

依據(jù)以上分析研究,結(jié)合本煤層預(yù)抽法,構(gòu)建沙曲礦近距離高瓦斯煤層群“煤與瓦斯共采”技術(shù)體系,見(jiàn)圖1。

圖1 沙曲礦煤與瓦斯共采技術(shù)構(gòu)成框圖

5 煤與瓦斯共采的研究方向

1) 煤與瓦斯共采是煤礦綠色開(kāi)采的重要分點(diǎn)，將煤層氣開(kāi)采出來(lái)將是煤與瓦斯共采的一條重要途徑。在井下因采動(dòng)影響地層壓力發(fā)生變化,由于開(kāi)采卸壓,煤層中的瓦斯壓力升高,煤中原來(lái)的孔裂隙系統(tǒng)的毛細(xì)管力反而降低,極易被瓦斯突破形成更大的孔裂隙系統(tǒng),結(jié)果瓦斯解吸運(yùn)移過(guò)程加劇。因此,合理利用采動(dòng)礦山壓力引起的巖層活動(dòng)規(guī)律,有效地進(jìn)行井下瓦斯抽放和地面煤層氣開(kāi)發(fā),是煤與瓦斯共采的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。巖層運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵層理論、煤與瓦斯突出的流變機(jī)理和球殼失穩(wěn)理論等對(duì)煤與瓦斯共采技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展有著重要參考價(jià)值。

2) 在進(jìn)行煤與瓦斯共采技術(shù)的研究過(guò)程中,應(yīng)該具體情況具體對(duì)待,多提出一些有針對(duì)性的瓦斯抽取新技術(shù),如松藻打通一礦的采煤工作面特異型瓦斯涌出及抽放研究,打通二礦的綜合瓦斯抽放技術(shù)提高工作面瓦斯抽放率研究等。同時(shí)應(yīng)該注重將井下瓦斯抽取與地面煤層氣開(kāi)采有機(jī)地結(jié)合起來(lái),形成一整套屬于煤與瓦斯共采的基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系,從而在煤礦區(qū)真正實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采,更好地為煤礦綠色開(kāi)采服務(wù)。

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AnalysisonCommonExtractionTechnologyofCoalandGas

JiangHai-peng，WangShu-rui,GaoYa-bin

In recent years, with mining depth and intensive production levels rapidly increased, more and more complex geological conditions, coal mine gas has restricted the key to safe and efficient production. Coal-bed methane is a powerful greenhouse gas, the large number of direct emissions will pollute atmosphere, but the gas is flammable gas economy, is a clean, convenient, efficient energy. 2 km depth in China's coal seam gas reserves within 32～35×1012m3, almost the very high volume of conventional gas resources, vigorously develop coal-bed methane, can make full use of underground resources, but also to improve mine safety production conditions and enhance economic efficiency, and help to improve local environmental quality and global atmosphere. Therefore, how to more effectively develop and utilize coal gas, coal and gas resources to achieve safe and efficient extraction, it has been the efforts of scientific researchers and the general direction and goals.Discusses the current situation of exploitation of coal and gas in our country,technical theoretical basis,principle,the key problem to resolve and the research direction.

Coal; Gas; Co-mining;Problem;Principle;Research direction

姜海鵬 男 1990年出生 2007年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221116，王術(shù)睿, 高亞斌

TD823.82

A

1672-0652(2010)07-0047-04

2010-05-13