湖南省煤炭和頁巖氣協(xié)同開采研究

王宏宇，魏軍才，趙建光，傅群和，趙伏軍

（1.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南長沙410007；3.湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201）

湖南省煤炭和頁巖氣協(xié)同開采研究

王宏宇1，2，魏軍才1，2，趙建光1，2，傅群和1，2，趙伏軍3

（1.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南長沙410007；3.湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201）

湖南各煤田煤系地層厚大且含頁巖類巖層，頁巖氣資源潛力巨大。煤層開采在其上覆巖層中會形成“上三帶”，通過數(shù)值分析對煤層開采對上覆含氣頁巖層影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明煤層開采導(dǎo)致上覆頁巖層形成導(dǎo)氣裂隙，對頁巖氣的高效開采有積極作用。因此，可在條件允許地區(qū)積極進(jìn)行煤炭與頁巖氣協(xié)同開采。

煤炭；裂隙帶；頁巖氣；協(xié)同開采

湖南省為一個常規(guī)能源礦產(chǎn)較為貧乏（無油、貧煤、少氣）的省份，也是我國中部主要產(chǎn)煤省份之一［1］，但非常規(guī)能源頁巖氣潛在資源儲量豐富［2-4］。目前桑石、黔溆、漣邵等6大煤田均已不同程度進(jìn)行開發(fā)，上述幾大煤田主要屬海相沉積地層，煤系地層厚大且含頁巖類巖層［5，6］，而頁巖氣即是一種賦存于頁巖中的清潔、高效的非常規(guī)天然氣。頁巖氣儲層一般表現(xiàn)為低孔隙、低透氣性特征，對其開采主要方法為水平井（直井）+水力（凝膠）壓裂［7］，關(guān)鍵在于將含氣巖層壓裂形成導(dǎo)氣裂縫，因此裂縫的發(fā)育程度為影響頁巖氣開采效率和產(chǎn)量的重要因素。而現(xiàn)行的壓裂技術(shù)主要為通過給水、氮氣、凝膠等介質(zhì)施加壓力使儲氣巖層產(chǎn)生裂縫，采用介質(zhì)壓裂不可避免對地下水等環(huán)境造成一定影響，但煤礦開采則是由于物理力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致上覆巖層產(chǎn)生裂隙帶也有利于頁巖氣的開采且不會對環(huán)境造成附加影響。

1　煤層開采上三帶

煤礦開采由于原巖應(yīng)力重新分布，形成采空區(qū)后在重復(fù)應(yīng)力的作用下在采空區(qū)上覆巖層由下往上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶［8-11］，即“三帶”（見圖1）。煤層上方頁巖氣含氣層若處于裂隙帶或冒落帶則可直接在地面打井至裂隙帶中進(jìn)行頁巖氣的高效開采。而上覆巖層的巖性（如抗壓強度等）、層理、節(jié)理等對冒落帶和裂隙帶高度有直接影響。上覆巖層為砂巖、砂質(zhì)頁巖、頁巖等中等硬度巖層時冒落帶高度和裂隙帶高度可由公式1、2計算。在查明含氣頁巖層與煤炭層位關(guān)系后即可初步根據(jù)公式計算出煤炭開采形成的冒落帶和裂隙帶高度。

圖1　煤層開采上三帶示意圖

式中：Hm－冒落帶高度；Hl－裂隙帶高度；∑M－采高。

2　煤層開采上三帶數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模擬模型

假設(shè)某地煤層厚2 m，其上有一層厚27 m的含氣頁巖層，為研究煤層開采對上覆頁巖層的影響，采用數(shù)值分析軟件建立相關(guān)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模型水平方向取250 m，垂直方向取130 m，單元尺寸1 m×1 m，總單元數(shù)37 500個（見圖2）。煤層厚度2 m、傾角10°，沿煤層走向每步開挖10 m，共開挖25步。

圖2　數(shù)值模型

2.2數(shù)值模擬結(jié)果

上覆巖層隨煤層開挖的巖層變化情況，其中黑色部分代表破碎單元（見圖3）。由圖3可以直觀地看出，隨著煤層的不斷開挖，采空區(qū)面積逐漸擴大，上覆巖層受到采動影響越來越大。巖層中的力學(xué)性質(zhì)較弱單元首先發(fā)生破壞，這些破壞單元在自重的作用下從母巖中分離出來并垮落，形成冒落帶。而上方巖層較厚、力學(xué)性質(zhì)相對較強的巖層則失去原有支撐形成裂隙，這些裂隙會隨著開挖程度擴大不斷擴展形成裂隙帶。而上覆巖層中厚度大且力學(xué)性質(zhì)強的單元則雖然受采動影響，緩慢下沉，但其仍有一定支撐力，形成彎曲下沉帶。待開挖完成后上覆巖層自下而上形成冒落帶，裂隙帶和彎曲帶。由第25步開挖結(jié)束后圖可以看出，在原頁巖層中形成大量裂隙，這對于賦存在其內(nèi)部的頁巖氣的流動創(chuàng)造了良好條件。因此只需從地面施工抽氣井至該層裂隙帶即可進(jìn)行頁巖氣的開采。

圖3　模擬結(jié)果

3　煤與頁巖氣協(xié)同開采

由以上分析，若煤炭開采后上覆巖層冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到含氣頁巖層，即可不必實施壓裂，從地面打抽氣井至裂隙帶，安設(shè)抽采管道進(jìn)行煤炭和頁巖氣的協(xié)同高效開采（見圖4）。

圖4　煤與頁巖氣協(xié)同開采示意圖

煤炭和頁巖氣協(xié)同開采具有以下優(yōu)點：

（1）裂隙帶發(fā)育，導(dǎo)氣通道好，頁巖氣資源回采率高；（2）抽采井打直井即可，不需打施工難度大的水平井；（3）抽采管路安裝容易，管理和維護(hù)較方便；（4）免除壓裂程序，頁巖氣開采工程量小，開采成本低；（5）無需注水和其他物質(zhì)進(jìn)行壓裂，對環(huán)境影響小。

4　結(jié)論及建議

（1）湖南省各煤田煤系地層主要屬海相沉積，是我國南方頁巖氣富區(qū)，頁巖氣資源潛力巨大。

（2）煤礦開采活動引起上覆巖層形成的冒落帶和裂隙帶對提高巖層內(nèi)導(dǎo)氣通道十分有利。

（3）煤炭和頁巖氣協(xié)同開采對提高資源開發(fā)效率，減少資源浪費，節(jié)約開采成本且對環(huán)境影響較小。

（4）積極開展頁巖氣勘查研究，在充分認(rèn)識含氣巖層和煤層層位關(guān)系的基礎(chǔ)上逐步開展煤炭與頁巖氣協(xié)同開采。

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Research of Hunan coal and shale gas collaborative mining

WANG Hongyu1，2，WEI Juncai1，2，ZHAO Jianguang1，2，F(xiàn)U Qunhe1，2，ZHAO Fujun3
（1.Hunan Institute of Geological Sciences，Changsha Hunan 410007，China；2.Hunan Land and Resources Planning Institute，Changsha Hunan 410007，China；3.Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

The coal measure strata of each coalfields in Hunan is large and thick and there are shale strata in these coal measure strata.The shale strata has gas great resources potentialities of shale gas.The coal mining can form"three zone"in the overlying strata.Numerical simulation was used to analysis the effect of shale strata from coal mining.The result show that the coal mining can cause the formation of mediated gas fissures in the shale strata because of coal mining.These fissures has a positive effect of the shale mining.So the coal and shale gas collaborative mining should be actively developed at the conditions allowed region.

coal；fissure zone；shale gas；collaborative mining

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.006

TE132.2

A

1673-5285（2015）06-0019-03

2015－04-22

湖南省國土資源廳2014-09號科技項目資助。

王宏宇，男（1986-），工程師，碩士，從事地質(zhì)與采礦方面的研究工作，郵箱：why949@126.com。