煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

樊 劭

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

樊 劭

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

本文簡述了煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了以井上下聯(lián)合抽采技術(shù)、三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采技術(shù)、煤與瓦斯共采技術(shù)為代表的當(dāng)前新興的煤層氣抽采技術(shù)，認(rèn)為未來地面抽采、井下抽采和煤炭開采相結(jié)合的瓦斯抽采技術(shù)模式將會(huì)大力發(fā)展。

抽采技術(shù) 地面抽采 發(fā)展趨勢(shì)

1 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)的發(fā)展歷程

我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)經(jīng)歷較長時(shí)期的發(fā)展，在20世紀(jì)50年代在撫順高透氣性特厚煤層中第一次采用井下鉆孔預(yù)抽瓦斯，解決了礦井深部瓦斯事故預(yù)防的問題；此后陽泉地區(qū)采用穿層鉆孔抽采鄰近煤層瓦斯，解決了在煤層群中首采工作面，瓦斯大量涌出的問題，在20世紀(jì)60年代臨近層瓦斯抽采卸壓技術(shù)得到普遍推廣；我國存在大量透氣性差的高突煤層，布孔預(yù)抽的方式難以解決問題，松動(dòng)爆破、水力壓裂、交叉布孔、大直徑鉆孔等方法紛紛應(yīng)用于低透氣性煤層抽采以提高瓦斯抽采量；此后隨著煤礦大規(guī)模機(jī)械化開采的應(yīng)用，采掘推進(jìn)效率大幅提高，同時(shí)也導(dǎo)致了瓦斯涌出的絕對(duì)量增大，為解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯問題，逐漸建立了高、低負(fù)壓的瓦斯抽采系統(tǒng)并結(jié)合多種抽采方法，實(shí)現(xiàn)瓦斯的綜合抽采；當(dāng)前地面井開采技術(shù)取得長足發(fā)展，在我國許多不同地質(zhì)構(gòu)造盆地內(nèi)地面垂直井鉆井技術(shù)都取得了成功，多分支水平井技術(shù)的試驗(yàn)成功推廣應(yīng)用，極大地推進(jìn)了煤層氣(煤礦瓦斯)開采技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新。

2 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)的發(fā)展前景

2016年煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量達(dá)到173億m3、利用量90億m3。其中，地面煤層氣產(chǎn)量45億m3、利用量42億m3；井下瓦斯抽采量128億m3、利用量48億m3，同2006年相比提高了2.26和2.48倍。山西、貴州、重慶、安徽、河南、四川、遼寧、河北等省(市)的井下抽采利用量已超1億m3。

我國始終鼓勵(lì)煤層氣開采利用，2016年財(cái)政部頒發(fā)了《關(guān)于“十三五”期間煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的通知》(財(cái)建[2016]31號(hào))，將煤層氣(瓦斯)開采利用中央財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)從0.2元/m3提高到0.3元/m3，補(bǔ)貼力度增長50%，將進(jìn)一步促進(jìn)煤層氣抽采利用量的提高，有利于煤層氣抽采技術(shù)的發(fā)展升級(jí)。同時(shí)，由于瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展，煤礦瓦斯事故也得到有效控制，2005年瓦斯事故起數(shù)約400起，造成約2100人死亡，當(dāng)前瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)均有大幅下降，約是2005年十分之一，事故約40余起，死亡人數(shù)約200人左右。

3 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，煤層氣抽采主要方式包括井下鉆孔抽采和地面抽采。井下鉆孔抽采成本低、可靠性高，經(jīng)過多年發(fā)展比較成熟，是個(gè)大多數(shù)礦區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采的主要技術(shù)。但在部分礦井也遇到僅靠直接抽采無法解決瓦斯大量涌出的問題，因此必須將地面抽采技術(shù)與井下鉆孔抽采綜合使用，才能解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的難題。

3.1 井上下聯(lián)合抽采技術(shù)

當(dāng)前地面抽采主要技術(shù)包括垂直井瓦斯抽采技術(shù)、水平井瓦斯抽采技術(shù)；井下鉆孔抽采技術(shù)包括本煤層抽采、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采等。井上下聯(lián)合抽采技術(shù)是利用地面垂直井和井下水平長鉆孔，使得采面附近和采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)的煤層產(chǎn)生應(yīng)力釋放，原有裂縫擴(kuò)張并產(chǎn)生新的裂縫，增加煤層的滲透性，降低抽采難度。袁亮等指出，由于我國煤層低滲透性、低儲(chǔ)層壓力、低飽和度等特點(diǎn)，必需采用井上下聯(lián)合抽采的方式，解決相關(guān)抽采難題。河南某礦4301回采工作面實(shí)行井上下聯(lián)合抽采，在井下實(shí)行煤層瓦斯預(yù)抽，在地面用水環(huán)式真空泵進(jìn)行抽放。地面施工后，工作面上隅角的濃度明顯降低，有效解決了分層綜采工作面采空區(qū)瓦斯治理的難題。

井上下聯(lián)合抽采作為一項(xiàng)新技術(shù)，也存在許多有待解決的問題，特別是在地面鉆井過程中受制于地質(zhì)條件、井眼穩(wěn)定性等因素，為項(xiàng)目實(shí)施帶來困擾。對(duì)此侯金玲采用層次分析法+模糊綜合評(píng)判法為基礎(chǔ)，將煤厚、水動(dòng)力條件、地應(yīng)力、含氣面積、地質(zhì)構(gòu)造等因素納入模型考量因素，建立了煤層氣地面井適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。劉小磊等利用煤炭開采形成的冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的特點(diǎn)，在裂隙帶和彎曲下沉帶的過渡區(qū)域進(jìn)行直井和水平的對(duì)接，利用分段密封和梯度負(fù)壓抽采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域的空間上立體式抽采，時(shí)間上的同時(shí)抽采，有效解決聯(lián)合抽采帶來的直井井筒不穩(wěn)等問題。

3.2 “三區(qū)聯(lián)動(dòng)”立體抽采技術(shù)

晉城集團(tuán)研究的“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”立體抽采模式初步實(shí)現(xiàn)了煤炭和煤層氣兩種資源共同開發(fā)，利用礦區(qū)的規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)分別采用地面鉆井抽采、井上下聯(lián)合抽采和本煤層鉆孔抽采等技術(shù)確保煤層氣抽采和煤炭開發(fā)協(xié)調(diào)有序進(jìn)行。

根據(jù)煤礦生產(chǎn)、接替及規(guī)劃的周期，將井田劃分為未采區(qū)(5年以后煤炭開采區(qū)域)、采動(dòng)區(qū)(正在生產(chǎn)及5年以內(nèi)煤炭生產(chǎn)接替區(qū)域)、已采區(qū)(已開采的密閉穩(wěn)定區(qū)域)，對(duì)不同區(qū)域分別采用不同的抽采技術(shù)和抽采方式，實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井采煤采氣一體化協(xié)調(diào)開發(fā)?！叭齾^(qū)聯(lián)動(dòng)”立體化瓦斯抽采模式的特點(diǎn)可以概括為“三結(jié)合”，具體體現(xiàn)為空間概念上井上下結(jié)合，地面與井下瓦斯抽采相結(jié)合；在時(shí)間上體現(xiàn)為與煤礦開采銜接完全一致，煤礦規(guī)劃區(qū)實(shí)施地面預(yù)抽、煤礦準(zhǔn)備區(qū)實(shí)施井上下聯(lián)合抽采、煤礦生產(chǎn)區(qū)實(shí)施井下瓦斯抽采，保證每一區(qū)域都得到充分的抽采; 在方式上體現(xiàn)多種抽采方式相結(jié)合，即地面抽采、長鉆孔抽采和順層鉆孔抽采方法相結(jié)合。

“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”立體抽采采用遞進(jìn)式抽采，在多條掘進(jìn)巷道布置的回采工作面時(shí)，在外側(cè)巷道內(nèi)提前向下一個(gè)鄰近工作面施工長鉆孔，其長度能覆蓋下一個(gè)工作面兩側(cè)的巷道，在掘進(jìn)本工作面期間就提前對(duì)下一個(gè)工作面的掘采區(qū)域進(jìn)行抽采，保證下一個(gè)工作面有1到3天的抽采時(shí)間;保證下一個(gè)工作面的巷道掘進(jìn)在已抽采過的條帶內(nèi)進(jìn)行，確保回采工作面瓦斯含量也降到較低水平，如此遞進(jìn)式向前推進(jìn)，保證抽、掘、采的接替正常?！叭齾^(qū)聯(lián)動(dòng)”立體抽采利用采動(dòng)泄壓作用，提高了煤層滲透性，最大程度抽采煤礦瓦斯，克服了松軟構(gòu)造煤層滲透性差，瓦斯難以抽采，上隅角瓦斯超限難治理、抽采瓦斯?jié)舛绕偷葐栴}，從而解決了瓦斯抽采困難、投入大、瓦斯?jié)舛鹊陀?0%難利用問題，有利于實(shí)現(xiàn)礦區(qū)瓦斯抽采最大化和礦區(qū)瓦斯“零排放”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，克服單一井下抽采瓦斯所造成煤炭生產(chǎn)接續(xù)緊張的局限性。同時(shí)，晉城集團(tuán)將頁巖氣大規(guī)模開發(fā)進(jìn)入引用到煤層氣的開發(fā)利用中，采用U型井實(shí)施分段壓裂，單井日產(chǎn)氣量突破6000m3，是同一地區(qū)同等條件礦井的9～10倍?，F(xiàn)已在廢棄礦井和煤礦采空區(qū)試驗(yàn)17口采空井，單井平均每日產(chǎn)量超過2500m3，按照山西已廢棄的礦井?dāng)?shù)量計(jì)算，采空區(qū)的資源量約為2000億m3以上，若全部開發(fā)采空區(qū)煤層氣抽采量近30億m3。

3.3 煤與瓦斯共采技術(shù)

煤層開采可以促進(jìn)裂隙發(fā)育有利于瓦斯抽采，同時(shí)瓦斯抽采也為煤礦開采提供安全保障。煤與瓦斯共采技術(shù)主要包括巷道法煤與瓦斯共采、留巷鉆孔法無煤柱煤與瓦斯共采、地面鉆井煤與瓦斯共采等。巷道法煤與瓦斯共采是高瓦斯低透氣性煤層群安全高效開采的典型模式，主要包括采前預(yù)抽和采中卸壓瓦斯抽采。留巷鉆孔法無煤柱煤與瓦斯共采也是針對(duì)高瓦斯低透氣性煤層群，采用無煤柱沿空留巷，沿煤層采空區(qū)邊緣將回采巷道保留下來，形成Y 型通風(fēng)消除上隅角瓦斯積聚，降低回采系統(tǒng)熱害，同時(shí)可以降低地溫、地壓的影響。地面鉆井煤與瓦斯共采是對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)難以進(jìn)行地面煤層氣開采的復(fù)雜低透高瓦斯煤層，采用地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)卸壓瓦斯，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采。

[1] 謝東海.我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前進(jìn)[J].科技視界,2013(2):24-26.

[2] 汪有剛，李宏艷，齊慶新,等.采動(dòng)煤層滲透率演化預(yù)卸壓瓦斯機(jī)理及實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009,34(1)：9-14.

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

The Development Status and Trends of Coalbed Methane (Coal Mine Methane)Extraction Technology

FAN Shao

(China Coal Information Institute,Beijing 100029)

The paper briefly describes the development course of coalbed methane(coal mine methane) extraction technology, introduces combined gas drainage technology from ground and underground，three-region Integrated CBM Stereo-extraction, simultaneous exploitation coal and gas technology as the representatives of the emerging of gas extraction technology. The paper considers that the gas extraction technology will be developed with the Surface hole extraction, underground pumping and coal mining.

Gas extraction technology;Surface hole extraction;development tendency

樊劭，男，碩士，工程師，現(xiàn)就職于國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院。