山西省廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發(fā)關(guān)鍵問題與對策

王 爭，李國富，周顯俊，胡勝勇，李日富，陳文科，焦鵬帥，李 超，李江彪

山西省廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發(fā)關(guān)鍵問題與對策

王 爭1,2，李國富1,2，周顯俊1,2，胡勝勇1,3，李日富4，陳文科5，焦鵬帥6，李 超1,2，李江彪5

(1. 煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實驗室，山西 晉城 048012；2. 易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030031；3. 太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；4. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；5. 山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204；6. 山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030031)

隨著我國煤炭去產(chǎn)能政策的有力實施，一批資源枯竭及產(chǎn)能落后礦井將陸續(xù)關(guān)停廢棄。廢棄礦井仍賦存著大量的煤層氣資源，其開發(fā)利用是實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)清潔安全高效低碳發(fā)展、促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)溫室氣體減排等方面的重要舉措?；谏轿魇∶夯攸c(diǎn)科技攻關(guān)(煤層氣產(chǎn)業(yè)鏈)項目相關(guān)研究，系統(tǒng)闡述了廢棄礦井煤層氣開發(fā)面臨著資源量評價不準(zhǔn)、鉆進(jìn)體系不健全、井上下聯(lián)合缺失等關(guān)鍵問題。針對這些問題提出以下幾點(diǎn)對策：廢棄礦井精準(zhǔn)地質(zhì)探測是采空區(qū)地面鉆井軌跡設(shè)計的重要依據(jù)，尤其是炮采等落后采煤工藝的廢棄礦井，地球物理勘探精度應(yīng)達(dá)到米級才能有效降低鉆遇煤柱風(fēng)險；優(yōu)選廢棄礦井煤層氣地面“L”型鉆井思路，即選采空區(qū)周邊一定距離的保安煤柱作為L型井位，并配套特殊鉆進(jìn)工藝；煤礦企業(yè)應(yīng)將廢棄礦井資源開發(fā)利用納入煤礦全生命周期規(guī)劃，尤其是礦井廢棄前應(yīng)確保煤層氣抽采通道暢通，以實現(xiàn)煤層氣井“一井多用”的新型井上下聯(lián)合開采模式，提高廢棄礦井煤層氣開發(fā)效率；采用防回火、各種傳感器等裝置，并對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置自動報警停機(jī)界限值，從而使廢棄礦井煤層氣地面開采工藝安全、高效；對不同濃度廢棄礦井煤層氣，需要采取相應(yīng)的梯級利用模式，從而提高整體開發(fā)利用價值。以山西省廢棄礦井為示范區(qū)，研究認(rèn)識對推動全國煤礦區(qū)廢棄礦井煤層氣開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)和示范意義。

廢棄礦井；煤層氣；開發(fā)利用；關(guān)鍵問題；對策；L型井；一井多用；

我國煤礦90%以上為地下礦井，其中50%～ 70%為高瓦斯礦井。我國長期高強(qiáng)度的煤炭開采形成大面積的采空區(qū)和數(shù)量眾多的廢棄礦井，隨著我國煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革政策的有力實施，促使部分資源枯竭、產(chǎn)能落后的煤礦加快關(guān)停廢棄[1]，謝和平等[2](2017)統(tǒng)計得出，自2014年初至2016年底全國已關(guān)停煤炭礦井?dāng)?shù)量達(dá)2 858個。中國工程院《我國煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究》重點(diǎn)咨詢項目研究表明，至2020年，我國廢棄礦井的數(shù)量將達(dá)1.2萬處，到2030年將達(dá)1.5萬處[3]，殘留煤層氣資源量將近5 000億m3，具有十分可觀的開發(fā)利用潛力。廢棄礦井煤層氣資源是廢棄礦井資源中不可或缺的組成部分，對其進(jìn)行開發(fā)利用具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。國家將煤層氣開發(fā)工程視為生命工程和資源工程[4-6]，國家能源局關(guān)于印發(fā)煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃的通知中明確指出：廢棄礦井殘存煤層氣開發(fā)利用或?qū)⒊蔀槊簩託猱a(chǎn)業(yè)新的增長點(diǎn)，應(yīng)建設(shè)一批示范工程，并研發(fā)推廣廢棄礦井殘存煤層氣開發(fā)利用技術(shù)。

我國廢棄礦井采空區(qū)煤層氣資源開發(fā)利用率處于極低的水平，不僅造成資源的巨大浪費(fèi)，還造成廢棄礦井采空區(qū)煤層氣逸散到大氣中增加溫室效應(yīng)，進(jìn)而誘發(fā)后續(xù)的環(huán)境及社會問題。因此，對廢棄礦井采空區(qū)煤層氣進(jìn)行地面開發(fā)，不僅可改變井下傳統(tǒng)的被動式煤層氣開發(fā)模式，形成地面主動式煤層氣開發(fā)方式，還有助于推動我國煤層氣產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“資源–環(huán)保”綠色發(fā)展。

依托山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)(煤層氣產(chǎn)業(yè)鏈)等科研項目，經(jīng)過近7年來理論研究和工程實踐，山西省廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發(fā)利用達(dá)到了一定應(yīng)用規(guī)模，實施成效較為顯著。筆者對山西省廢棄礦井煤層氣開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了初步總結(jié)，提出了廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發(fā)中面臨的關(guān)鍵問題和主要對策。

1 廢棄礦井煤層氣資源開發(fā)現(xiàn)狀

廢棄礦井煤層氣開發(fā)技術(shù)是繼井下煤層氣抽采、地面預(yù)抽井開采、地面采動井開采等開發(fā)技術(shù)之后而發(fā)展起來的一種新的煤層氣開發(fā)技術(shù)方式，具體為從廢棄或已停采的煤礦中將聚集在巷道、鄰近巖層和采空區(qū)殘煤中的煤層氣開發(fā)出來并加以利用。世界各國都很重視廢棄礦井煤層氣資源評價與開發(fā)[7-9]，廢棄礦井煤層氣開發(fā)工藝技術(shù)首先在英國進(jìn)行了試驗，隨后德國和美國等國家也相繼開展了廢棄礦井煤層氣開發(fā)利用研究。

1.1 國外開發(fā)利用現(xiàn)狀

廢棄礦井煤層氣開發(fā)技術(shù)首先在英國取得了商業(yè)性成功，其開發(fā)利用技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。英國廢棄礦井煤層氣開發(fā)方式主要有兩種：一種為從沒有充填的廢棄礦井或平硐抽采煤層氣；另一種是向廢棄礦井采空區(qū)或采掘卸壓地區(qū)施工大直徑地面鉆孔抽采煤層氣。從20世紀(jì)50年代開始英國在北威爾士郡進(jìn)行較大規(guī)模的廢棄礦井煤層氣抽采與利用工程，60年代很多煤礦已經(jīng)建立了煤層氣利用系統(tǒng)，主要供煤層氣發(fā)電及管網(wǎng)集輸后民用或工業(yè)使用。2014年有15個正在運(yùn)行或在建的廢棄礦井煤層氣發(fā)電項目，總裝機(jī)容量約52 MW[7]，2016年全國總裝機(jī)容量達(dá)到60 MW。

德國在魯爾區(qū)廢棄礦井進(jìn)行煤層氣開發(fā)，總結(jié)了一些寶貴經(jīng)驗，在廢棄礦井即將關(guān)閉前封閉礦井巷道，利用原井筒或地面重新鉆井等方式實現(xiàn)煤層氣資源開發(fā)目的。如圖1所示，德國煤礦開采過程中為采空區(qū)煤層氣開發(fā)預(yù)留專門的管道，通過原井筒連通至地面開發(fā)利用設(shè)施，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣開發(fā)取得了良好的效果。在沒有預(yù)埋管道的采空區(qū)，采用地面重新鉆井開發(fā)采空區(qū)煤層氣，也取得了很好的效果。德國在魯爾區(qū)和薩爾州等礦區(qū)開展了廢棄礦井煤層氣開發(fā)[9]，其中規(guī)模最大的斯蒂亞格新能源公司年開發(fā)利用廢棄礦井煤層氣約3億m3(折純)，年發(fā)電量約10億kW·h、供熱4.4億kW·h。截至2010年底，德國廢棄礦井煤層氣綜合利用項目總裝機(jī)容量達(dá)到了175 MW[10]。

注：右圖中1—10為預(yù)留的管道或閥門。

美國作為世界首個將廢棄礦井煤層氣納入溫室氣體排放總量的國家，其廢棄礦井煤層氣抽采利用技術(shù)較為成熟。如Stroud Oil Properties能源公司自1996年以來在廢棄礦井Gold Eagle Mines利用原采動區(qū)煤層氣井及通風(fēng)井進(jìn)行煤層氣開發(fā)，雖然濃度較低，但通過與常規(guī)高濃度煤層氣摻混后可以達(dá)到管網(wǎng)安全集輸?shù)囊蟆avenRidge能源公司已經(jīng)開發(fā)了可以用來模擬計算廢棄礦井煤層氣資源量的軟件系統(tǒng)，并對外服務(wù)。截至2011年底，美國約有38個廢棄礦井實施了煤層氣地面開發(fā)和利用，總抽采利用量約1.6×108m3[11]。

1.2 國內(nèi)開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國煤層氣開發(fā)利用技術(shù)主要是從生產(chǎn)礦井未采煤層或卸壓煤層中開采煤層氣資源為主，真正意義上的廢棄礦井煤層氣開發(fā)技術(shù)尚處于探索階段[12–13]。1994年在鐵法礦區(qū)首次進(jìn)行了伴隨采煤影響的采空區(qū)地面垂直鉆井開發(fā)煤層氣技術(shù)試驗。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司2000年開始進(jìn)行廢棄煤礦甲烷資源量評價和開發(fā)技術(shù)研究工作。

國內(nèi)在中外聯(lián)合的基礎(chǔ)上做了一些理論基礎(chǔ)研究工作，主要開展了廢棄礦井采空區(qū)煤層氣來源及賦存規(guī)律狀態(tài)、資源量評價及地面井位優(yōu)化模擬與瓦斯?jié)B流模型等方面研究，并形成了一些認(rèn)識和共識。20世紀(jì)50年代，劉天泉[14]、仲惟林等[15]、錢鳴高等[16]對煤礦開采過程中巖層破壞及導(dǎo)水裂隙分布做了大量的實測和理論研究，建立了采面巖層移動破斷與采動裂隙分布的“橫三區(qū)”“豎三帶”的整體認(rèn)識，即沿工作面推進(jìn)方向覆巖將分別經(jīng)歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，由下往上巖層移動分為垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和整體彎曲下沉帶。覆巖移動變形破壞機(jī)理等理論的重要成果，有助于提高及深化對采空區(qū)煤層氣富集運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識。

山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院實施的“山西省煤炭采空區(qū)煤層氣資源調(diào)查評價”項目是國內(nèi)首次在省級范圍內(nèi)就采空區(qū)煤層氣資源情況進(jìn)行摸底調(diào)查，于2018年通過驗收。依據(jù)該項目的主要成果，至2017年底，山西省生產(chǎn)及在建礦井?dāng)?shù)為1 026座，關(guān)閉煤礦52座，共化解產(chǎn)能4 590萬t/a。山西省有開發(fā)利用價值的煤炭采空區(qū)面積約2 052 km2，預(yù)測殘余采空區(qū)煤層氣資源量約726億m3，其中7個煤層氣含量較高的礦區(qū)(西山、陽泉、武夏、潞安、晉城、霍東、離柳)，采空區(qū)面積達(dá)870.92 km2，預(yù)測煤層氣資源量約303.95億m3(表1)，部分地區(qū)資源相對富集，值得開發(fā)利用。但山西省煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣資源相對分散、資源豐度較低，且一些廢棄礦井歷史地質(zhì)資料不完整，不少采空區(qū)邊界與現(xiàn)有煤炭礦業(yè)權(quán)范圍交錯，使得集中連片開發(fā)、持續(xù)穩(wěn)定利用面臨諸多不確定性，導(dǎo)致這部分資源一直未得到有效利用。2019年山西省自然資源廳、山西省能源局《關(guān)于開展煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗有關(guān)事項的通知》規(guī)定，加快實施如減免費(fèi)用、試采許可、用林用地支持等鼓勵煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣開采試驗的配套政策，并通過選點(diǎn)試驗、分類施策，進(jìn)一步深化對煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣資源的規(guī)律性認(rèn)識，提高規(guī)?；盟剑M(jìn)而形成具有山西特色的成套經(jīng)驗，對于推動全省煤層氣資源綜合利用、消除煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)瓦斯溢出安全隱患、增加全省清潔能源供應(yīng)、服務(wù)全國能源革命戰(zhàn)略，具有重要意義。

表1 山西省7個礦區(qū)煤炭采空區(qū)煤層氣資源量統(tǒng)計

晉城礦區(qū)在廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面開采領(lǐng)域不斷探索，自“十一五”開始就已開展了采空區(qū)地面井煤層氣相關(guān)研究，開展了覆巖移動規(guī)律、采空區(qū)地面開采的初步研究。截至2018年底，在晉城礦區(qū)晉圣永安宏泰、岳城、侯村等煤礦和西山礦區(qū)屯蘭、馬蘭、東曲等煤礦以及陽泉礦區(qū)樂平、紅土溝等煤礦共鉆井110余口，運(yùn)行60余口，單井平均日氣量約1 300 m3，年產(chǎn)氣量約0.28億m3，累計利用量0.82億m3(折純量)，累計創(chuàng)造產(chǎn)值達(dá)1.56億元。

2 廢棄礦井煤層氣開發(fā)面臨的主要問題

廢棄礦井煤層氣開發(fā)涉及通風(fēng)、采煤、水文地質(zhì)、煤層氣地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)、物探及流體力學(xué)等多學(xué)科理論與工程研究，尚未建立系統(tǒng)性理論基礎(chǔ)，現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)仍處于經(jīng)驗性摸索階段，所以必須進(jìn)行技術(shù)理論體系探索研究和開發(fā)工藝優(yōu)化。開發(fā)過程中需要解決煤層氣資源量估算、井位層位設(shè)計、鉆采施工等諸多技術(shù)難題。

2.1 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣開發(fā)存在一定盲目性

1) 煤層氣資源評價指標(biāo)不準(zhǔn)

廢棄礦井煤層氣由采空區(qū)內(nèi)殘煤、上覆煤巖層和下伏煤巖層的吸附氣以及自由空間的游離氣和溶解氣組成，但如何準(zhǔn)確確定上覆煤巖層和下伏煤巖層的擾動影響范圍是一項極為困難的工作，不同地質(zhì)條件的礦井可能有不同的擾動影響范圍，而且采煤過程中部分煤層氣有可能通過地表裂隙逸散至大氣中，少量溶解氣也會隨著井下排水至地面后逸散，這部分逸散量很難估計；采空區(qū)形成后往往會有大量地層水通過裂隙帶涌入采空區(qū)內(nèi)，這部分積水對采空區(qū)殘煤內(nèi)煤層氣的解吸造成了不利影響，而且減少了采空區(qū)內(nèi)自由空間，導(dǎo)致游離氣和溶解氣的計算變得更為困難，如何科學(xué)、合理完善廢棄礦井煤層氣資源計算模型成為科技工作者極為棘手的現(xiàn)實問題。

2) 井位層位確定困難

山西省很多廢棄礦井由于歷史原因存在基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺失、井下資源不清等問題。且地質(zhì)類型及采煤工藝等不同條件下的廢棄礦井采空區(qū)，其煤層氣分布特征及富集規(guī)律差異性明顯。晉城礦區(qū)初期采空區(qū)試驗井鉆井過程中經(jīng)常鉆遇煤柱、積水區(qū)、壓實區(qū)、煤巖巷甚至原位煤，實際鉆井成功率僅50%左右。由于采空區(qū)頂板覆巖“三帶”高度、發(fā)育特征和不同采煤方式下采空區(qū)內(nèi)部空間展布不盡相同，頂板覆巖的裂隙網(wǎng)絡(luò)連通特性對采空區(qū)井層位的確定至關(guān)重要。為盡量增大揭露面積，晉城礦區(qū)采空區(qū)試驗井終孔層位常常選擇為距采空區(qū)底板下10 m左右，然而實際鉆井過程中常常因為漏漿/氣嚴(yán)重而不得不提前停止鉆進(jìn)并終孔，影響了單井產(chǎn)能。現(xiàn)有三維地震勘探等高分辨率物探技術(shù)雖然可以解決上述問題，但施工成本高、投資回收期過長也制約了廢棄礦井采空區(qū)煤層氣資源開發(fā)技術(shù)的推廣。

3) 井上下聯(lián)系缺失

山西省煤炭行業(yè)相關(guān)企業(yè)技術(shù)、管理人員存在思想認(rèn)識不足等問題，未將廢棄礦井內(nèi)殘存煤層氣作為資源看待，絕大部分廢棄礦井閉坑時未預(yù)留相關(guān)管道等設(shè)備，導(dǎo)致銜接后續(xù)煤層氣開發(fā)時手段單一，僅能選擇地面鉆井開發(fā)廢棄礦井煤層氣資源。地面煤層氣開發(fā)工程往往比井下采煤工程提前進(jìn)行，二者在時間上與空間上存在一定的相互制約關(guān)系，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)企業(yè)布置預(yù)抽井時不能考慮有一定滯后性的煤礦生產(chǎn)規(guī)劃方案，而且預(yù)抽井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計之初并未考慮轉(zhuǎn)為后期采空區(qū)抽采時要求的大井徑和一定抗擠壓應(yīng)力強(qiáng)度的套管組合，采煤工作面形成采空區(qū)后絕大部分預(yù)抽井井身結(jié)構(gòu)受到破壞而報廢，二次鉆井施工提高了采空區(qū)煤層氣開發(fā)成本。

2.2 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面鉆采工藝不配套

1) 地面鉆完井工藝不健全

目前廢棄礦井煤層氣鉆進(jìn)過程中分別采用泥漿鉆井工藝和氮?dú)馇菲胶忏@井工藝，經(jīng)常面臨井漏嚴(yán)重、掉塊卡鉆、下套管遇阻、固井質(zhì)量差等一系列問題。泥漿鉆井工藝對設(shè)備要求不高，施工成本也低，在鉆進(jìn)不漏失及漏失不太嚴(yán)重地層時，可以作為鉆進(jìn)的首選工藝。當(dāng)鉆進(jìn)至采空區(qū)地層時，因采空區(qū)裂隙帶和垮落帶地層普遍漏失嚴(yán)重，而基于常規(guī)堵漏方式的泥漿鉆井工藝將面臨采空區(qū)井底部不返漿和堵不住的難題，廢棄礦井煤層氣地面定向井(水平井、“L”型井)鉆井過程中循環(huán)介質(zhì)漏失現(xiàn)象更為明顯，再加上常規(guī)堵漏材料容易污染產(chǎn)氣層，所以泥漿鉆井工藝無法滿足采空區(qū)裂隙發(fā)育地層的鉆井施工技術(shù)要求。另外空氣可以通過井筒與采空區(qū)內(nèi)煤層氣混合，導(dǎo)致鉆井過程中存在極大的安全隱患。基于泥漿鉆井工藝無法解決采空區(qū)地層漏失、污染儲層及安全鉆進(jìn)等問題，在施工采空段地層時更換為氮?dú)馇菲胶忏@井工藝，一方面因空氣密度小，循環(huán)過程中將大大降低井筒壓力與地層壓力的壓差作用，減少循環(huán)介質(zhì)向裂縫地層的漏失量，對儲層污染的影響極??；另一方面氮?dú)鉃槎栊詺怏w可以安全揭露采空區(qū)。但是氮?dú)忏@井工藝在沖擊碎巖時會產(chǎn)生大量的粉狀巖屑，在高壓空氣的作用下積聚于采空區(qū)裂隙帶及垮落帶孔隙內(nèi)，阻礙采空區(qū)煤層氣運(yùn)移通道，降低單井產(chǎn)能。另外氮?dú)忏@井工藝由于高壓氣體排屑影響，井場附近存在大量揚(yáng)塵，污染周邊環(huán)境。

廢棄礦井采空區(qū)裂隙帶和垮落帶既是產(chǎn)氣層，又是破碎程度嚴(yán)重區(qū)域，當(dāng)采用裸眼完井設(shè)計可能存在井壁坍塌堵住井眼的問題；采用篩管完井設(shè)計，井壁仍有坍塌可能，會使篩管受到擠壓錯斷變形，篩眼也很容易被粉狀巖屑堵塞。

2) 地面抽采工藝

廢棄礦井采空區(qū)地面井作為一種煤層氣開采新井型，即在廢棄后的小中型煤礦通過地面垂直鉆井至采空區(qū)垮落帶內(nèi)，使井口與采空區(qū)有效溝通，地面使用負(fù)壓抽采設(shè)備產(chǎn)生壓力降直至采空區(qū)內(nèi)部裂隙空間，達(dá)到抽采煤層氣的目的。采空區(qū)煤層氣安全抽采必須要避免在煤層自燃發(fā)火傾向嚴(yán)重或曾經(jīng)發(fā)生過采空區(qū)自燃著火的采空區(qū)開展。此外，還需要從抽采工藝流程、抽采制度、抽采設(shè)備、安全監(jiān)測監(jiān)控、安全保障措施、安全操作規(guī)程等方面采取完善措施。對采氣管線內(nèi)涉及防火防爆的指標(biāo)氣體濃度和主要抽采參數(shù)開展實時監(jiān)測，包括CH4濃度、O2濃度、CO濃度、抽采壓力、氣體溫度、采出氣混合流量及CH4純流量等。

3 廢棄礦井煤層氣開發(fā)主要技術(shù)對策

3.1 廢棄礦井采空區(qū)精準(zhǔn)地質(zhì)探測

傳統(tǒng)地面煤礦采空區(qū)探測技術(shù)主要依賴地震類及電磁法類勘探技術(shù)[17-19]，探測能力及分辨率較低，只能適用于大面積采空區(qū)分布范圍的定性推斷。山西省采煤歷史悠久，在長壁式采煤方式推廣以前，主要采用炮采等落后采煤工藝[2]，殘煤率較高，形成的采空區(qū)內(nèi)有大量煤柱，且煤柱間距3～8 m居多，致使真實的采空區(qū)位置與范圍、采空區(qū)裂隙帶空間分布、采空區(qū)及裂隙帶內(nèi)流體性質(zhì)(水、氣)等指導(dǎo)井位布置的關(guān)鍵地質(zhì)信息缺失，工程實施中有很大比例的鉆孔鉆遇煤柱及積水區(qū)內(nèi)，造成產(chǎn)氣效果不佳，嚴(yán)重制約了廢棄礦井煤層氣的開發(fā)效果。

因此，目前傳統(tǒng)的地面采空區(qū)探測技術(shù)普遍存在探測能力不足及精度低的共性，亟需開展多種地球物理探測技術(shù)的集成創(chuàng)新，形成多波場聯(lián)合探測技術(shù)，研究采空區(qū)特別是落后采煤工藝形成的采空區(qū)地震響應(yīng)特征、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法、多場源綜合反演等內(nèi)容，在降低現(xiàn)有勘探成本基礎(chǔ)上大幅度提高探測技術(shù)的分辨尺度與定位精度，由幾十米級提高至米級，用于精準(zhǔn)探測廢棄礦井不同煤層采空區(qū)的邊界及各類煤柱的具體位置、分布和規(guī)模大小，并準(zhǔn)確識別煤炭開采后“豎三帶”中裂隙帶和垮落帶的分布范圍和展布規(guī)律，進(jìn)而為地面鉆井軌跡設(shè)計提供理論依據(jù)，形成廢棄礦井采空區(qū)精準(zhǔn)定位及所含流體性質(zhì)判識的技術(shù)體系。

3.2 廢棄礦井煤層氣地面“L”型鉆井設(shè)計

鉆井施工是廢棄礦井采空區(qū)煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，不同于常規(guī)煤層氣預(yù)抽井的鉆井施工，采空區(qū)鉆進(jìn)的地層是受井下煤層開采擾動后形成的一種類似構(gòu)造地層，其中的裂縫不僅在橫向和垂向十分發(fā)育，而且裂縫的賦存形態(tài)也多變。針對山西典型煤礦采空區(qū)上覆巖層的裂隙特征開展漏失機(jī)理分析，并以此為依據(jù)開發(fā)適用于采空區(qū)破碎地層特點(diǎn)的微泡沫鉆井液材料體系，形成適合廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面開發(fā)的微泡沫欠平衡鉆井工藝：在鉆遇采空區(qū)裂隙帶和垮落帶地層時可以顯著降低鉆井液漏失現(xiàn)象，同時具有較強(qiáng)的洗井能力減少了粉狀巖屑對儲層的嚴(yán)重污染，隔絕空氣進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)達(dá)到安全揭露采空區(qū)目的。通過提高完井篩管的抗擠壓強(qiáng)度并對篩眼形狀及大小進(jìn)行結(jié)構(gòu)性組合優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合微泡沫欠平衡鉆井工藝技術(shù)特點(diǎn)開展相應(yīng)完井工藝優(yōu)化。

對于廢棄礦井單個面積較大采空區(qū)或者相鄰采空區(qū)群，結(jié)合井下高位鉆孔開發(fā)技術(shù)以及地面直井開發(fā)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，提出通過地面施工井身軌跡為直線–曲線形式的單孔底定向孔的“L”型井身結(jié)構(gòu)(圖2)，能夠最大限度開發(fā)區(qū)域性密閉采空區(qū)煤層氣資源，提高廢棄礦井采空區(qū)揭露空間，提高單井產(chǎn)能，相較于井下高位鉆孔開發(fā)技術(shù)則可以有效降低施工成本，提高單井經(jīng)濟(jì)性。

圖2 “L”型井身結(jié)構(gòu)

廢棄礦井采空區(qū)鉆井過程中，定向系統(tǒng)常常選擇電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，對深部煤儲層及地層電阻異常區(qū)，電磁波隨鉆測量技術(shù)不能有效獲取地層參數(shù)，穿采空區(qū)段無法保證造斜率實現(xiàn)精確定向鉆進(jìn)，故地面“L”型井井型僅適用于地質(zhì)構(gòu)造簡單、埋深400 m以淺及基礎(chǔ)資料準(zhǔn)確的廢棄礦井采空區(qū)。主要技術(shù)思路為首先選擇廢棄礦井采空區(qū)周邊一定距離的保安煤柱等實體煤區(qū)域作為“L”型井井位，一開段鉆至基巖下一定距離終孔固井，可選擇常規(guī)泥漿鉆井工藝；二開段鉆至采空區(qū)裂隙帶上方一定區(qū)域停鉆作為造斜點(diǎn)，開始更換氮?dú)獾榷栊詺怏w作為循環(huán)介質(zhì)，根據(jù)井位與采空區(qū)實際相對位置關(guān)系設(shè)定方位角，設(shè)置一定小角度的頂角值可以盡快鉆至裂隙帶區(qū)域終孔固井；三開段保持方位角不變，設(shè)置一定大角度的頂角值可以較大范圍地揭露采空區(qū)空間，至預(yù)定區(qū)域或嚴(yán)重漏風(fēng)位置處終孔不固井，僅采用割縫篩管護(hù)壁。

3.3 廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井上下聯(lián)合開發(fā)

我國目前煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)資源量約80%來源于井下鉆孔，20%左右來源于地面鉆井。煤礦廢棄后絕大部分巷道及井下鉆孔隨之棄用，如何充分利用這部分巷道及井下鉆孔是提高廢棄礦井煤層氣開采量的關(guān)鍵因素。煤礦及地面煤層氣開發(fā)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)井上下聯(lián)系，建立新型井上下聯(lián)合開發(fā)模式以提高煤層氣開發(fā)效率：對于即將廢棄礦井，在閉坑廢棄前將不同煤層氣抽采系統(tǒng)連接至地面等措施保證煤層氣抽采通道暢通，提高井下巷道及鉆孔利用率；對于正在生產(chǎn)礦井，地面煤層氣開發(fā)企業(yè)應(yīng)在符合煤礦規(guī)劃基礎(chǔ)上合理布井，實現(xiàn)“一井多用的目的”。

1) 礦井廢棄前保證煤層氣抽采通道暢通

煤礦方應(yīng)提高高抽巷、底抽巷注漿封孔質(zhì)量以及采空區(qū)密閉墻質(zhì)量，從而提高井下煤層氣開采系統(tǒng)生命周期。礦井開采過程中，由于通風(fēng)使巷道內(nèi)充滿空氣，礦井廢棄后，仍有大量空氣存在巷道中，封孔質(zhì)量較好的情況下可以使部分高抽巷、底抽巷在采煤工作面回采后甚至整個礦井廢棄時仍有較好的開采效果；采空區(qū)密閉墻質(zhì)量同樣對井下煤層氣開采系統(tǒng)的開采量、煤層氣濃度、開采時長有顯著影響。高抽巷、底抽巷注漿封孔質(zhì)量以及采空區(qū)密閉墻質(zhì)量不好時，極易引發(fā)漏風(fēng)問題，確定漏風(fēng)點(diǎn)并補(bǔ)充密閉措施將是一項非常困難且成本高昂的技術(shù)工作。礦井廢棄前可以將井下不同煤層氣開采系統(tǒng)如本煤層瓦斯抽采系統(tǒng)、鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)、采空區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)等，利用鋪設(shè)管道等方式盡量延伸至主副井或風(fēng)井地面井口位置處，礦井廢棄后利用地面水環(huán)泵等抽采設(shè)備對井下開采系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一負(fù)壓開采。對不能延伸或延伸成本較高的井下開采系統(tǒng)，可以考慮提前在地面鉆井至高抽巷道內(nèi)或者定向施工鉆井至井下瓦斯管道系統(tǒng)，礦方人員使用波紋管等金屬軟管或?qū)Φ孛娑ㄏ蜚@井井底與煤層氣開采系統(tǒng)管道通過法蘭接頭實現(xiàn)有效物理連接，礦井廢棄后可以通過地面水環(huán)泵等抽采設(shè)備連通井下開采煤層氣。

為降低井下同一開采系統(tǒng)的不同開采區(qū)域相互干擾或不同開采系統(tǒng)相互間干擾，礦井廢棄前應(yīng)將高負(fù)壓、低甲烷濃度及低流量的開采子管路或易積水、高應(yīng)力等風(fēng)險隱患區(qū)域的開采子系統(tǒng)及時關(guān)閉，地面井口位置處對不同開采系統(tǒng)管道設(shè)置閘閥、電磁閥等切斷裝置，礦井廢棄后可根據(jù)各開采系統(tǒng)實際效果進(jìn)行選擇性開采，進(jìn)而提高開采效率。

2) 地面煤層氣開發(fā)企業(yè)合理規(guī)劃，實現(xiàn)“一井多用”

煤礦方應(yīng)與地面煤層氣開發(fā)企業(yè)建立可靠聯(lián)系[20]，在符合煤礦規(guī)劃基礎(chǔ)上實現(xiàn)共贏。規(guī)劃區(qū)預(yù)抽井鉆井階段先進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查及取心測井，為煤礦方提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，并進(jìn)行先期開采；在前期布置地面預(yù)抽井時，就需要結(jié)合井下已規(guī)劃準(zhǔn)備回采工作面巷道的空間位置，合理設(shè)置井位，以便于在后期將其改造為采動井。只有在地面預(yù)抽井井筒較完整、穩(wěn)定性較好且溝通采動裂隙帶時，才可能轉(zhuǎn)為開發(fā)效果較好的采動井。理論上，在采煤過程中頂板覆巖沉降較小區(qū)域與覆巖裂隙場瓦斯富集區(qū)域的交集處為優(yōu)先布置井位，即優(yōu)選靠近回風(fēng)巷側(cè)且地表沉降拐點(diǎn)連線至采場中線(0.2～0.4)(為采煤工作面傾向長度)區(qū)域范圍內(nèi)。煤礦方對規(guī)劃區(qū)進(jìn)行回采時對上述區(qū)域預(yù)抽井采取保護(hù)措施，將預(yù)抽井位區(qū)域設(shè)為煤柱保護(hù)區(qū)及局部頂板加強(qiáng)支護(hù)等，使預(yù)抽井井身結(jié)構(gòu)不受破壞，經(jīng)過射孔壓裂作業(yè)后轉(zhuǎn)為采動井卸壓開發(fā)煤層氣及后續(xù)采空區(qū)開發(fā)，從而實現(xiàn)“一井多用”的目的，減少投資基建成本。

3.4 廢棄礦井煤層氣地面安全高效開發(fā)

廢棄礦井采空區(qū)地面井不同于常規(guī)預(yù)抽井“排水降壓”的產(chǎn)氣機(jī)理，使用抽油機(jī)等常規(guī)預(yù)抽井開采設(shè)備產(chǎn)氣效果不佳。采空區(qū)地面井可使用具有變頻功能和PLC控制系統(tǒng)的增壓機(jī)組等設(shè)備進(jìn)行負(fù)壓開采，不僅可以有效降低電能損耗，而且實現(xiàn)了“定負(fù)壓、變流量”或者“定流量、變負(fù)壓”開采模式的應(yīng)用。地面開采工藝系統(tǒng)設(shè)置干式防回火裝置、單向閥、水封阻火泄爆器等裝置，有效實現(xiàn)燃燒的物理隔離。廢棄礦井采空區(qū)地面井甲烷、氧氣濃度波動較大，增壓機(jī)組進(jìn)行開采時存在燃燒、爆炸風(fēng)險以及管道集輸風(fēng)險，加裝甲烷、氧氣、溫度、壓力、一氧化碳等多種傳感器[21]，對關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)設(shè)置自動報警與停機(jī)界限值，通過全方位、多角度的監(jiān)測監(jiān)控，可以保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，并對廢棄礦井采空區(qū)自燃風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測。

4 廢棄礦井煤層氣梯級利用模式

針對廢棄礦井采空區(qū)煤層氣開采濃度差異較大特點(diǎn)，同時考慮到煤層氣開采的安全性與高效性，如圖3所示，將廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面開采利用分為高體積分?jǐn)?shù)(30%以上)、中低體積分?jǐn)?shù)(20%～30%)、低體積分?jǐn)?shù)(5%～20%)及極低體積分?jǐn)?shù)(5%以下)煤層氣梯級利用技術(shù)體系，根據(jù)煤層氣濃度差異，采用不同開采設(shè)備，并匹配對應(yīng)開采工藝進(jìn)行開發(fā)與利用。廢棄礦井煤層氣地面井布井區(qū)域通常位置偏遠(yuǎn)，配套工程投資較高，利用雙燃料發(fā)電機(jī)組可以為開采設(shè)備持續(xù)提供電能，解決采空井供電線路成本高的難題，對廢棄礦井煤層氣開發(fā)具有重大現(xiàn)實意義[22]。

1) 高濃度煤層氣開采利用技術(shù)

高濃度煤層氣可直接通過增壓機(jī)組進(jìn)行開采，經(jīng)過初步脫水和增壓后并入集輸管網(wǎng)，根據(jù)終端需求用于民用、化工、燃料等行業(yè)。

圖3 山西省部分礦區(qū)煤層氣梯級利用

2) 中低濃度煤層氣開采利用技術(shù)

中低體積分?jǐn)?shù)煤層氣(20%～30%)不能直接通過增壓機(jī)集輸利用，如圖4所示，為充分利用低體積分?jǐn)?shù)煤層氣資源，針對野外地面開采條件開展集成創(chuàng)新，研究具有安全開采、甲烷提純以及增壓集輸?shù)裙δ艿姆植际教峒兿到y(tǒng)[23]，提純后變?yōu)楦邼舛让簩託饪芍苯舆M(jìn)入集輸管網(wǎng)，根據(jù)終端需求用于民用、化工、燃料等行業(yè)。

圖4 晉城礦區(qū)某采空區(qū)井提純系統(tǒng)

3) 低濃度煤層氣開采利用技術(shù)

目前低濃度煤層氣主要有直燃制熱技術(shù)(圖5)，直燃制熱核心技術(shù)是通過自動控制系統(tǒng)自動調(diào)整低濃度煤層氣和空氣的流量、流速，保障穩(wěn)定可控燃燒。采用特殊的金屬織物燃燒器和安全保障系統(tǒng)，避免低濃度煤層氣在燃燒器內(nèi)發(fā)生爆燃、回火等問題，實現(xiàn)低濃度瓦斯安全地直接燃燒，轉(zhuǎn)換為熱能后進(jìn)行后續(xù)供暖及發(fā)電利用。

圖5 晉城礦區(qū)某泵站直燃系統(tǒng)

4) 極低濃度煤層氣開采利用技術(shù)

目前主要應(yīng)用有蓄熱氧化利用技術(shù)(圖6)，主要由低濃度瓦斯輸送安全保障系統(tǒng)、瓦斯混配裝置、蓄熱氧化裝置、新風(fēng)(熱水或蒸汽)換熱裝置、綜合安全控制系統(tǒng)組成，核心裝備為多床式瓦斯熱逆流氧化裝置，極低濃度煤層氣發(fā)生蓄熱氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)換為熱能，用于后續(xù)供暖及發(fā)電。

圖6 山西省某礦區(qū)蓄熱氧化系統(tǒng)

5 結(jié)論

a. 山西省廢棄礦井煤層氣資源量豐富，但煤層氣開發(fā)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題有：地質(zhì)條件復(fù)雜、資源量預(yù)測不準(zhǔn)、鉆井體系不健全及抽采工藝不配套等。

b. 針對研究區(qū)生產(chǎn)實際指出：廢棄礦井精準(zhǔn)地質(zhì)探測是采空區(qū)地面鉆井軌跡設(shè)計的重要依據(jù)，尤其是炮采等落后采煤工藝的廢棄礦井，地球物理勘探精度應(yīng)達(dá)到米級才能有效降低鉆遇煤柱風(fēng)險；提出了廢棄礦井煤層氣地面“L”型鉆井設(shè)計思路及新型井上下聯(lián)合開采模式，選取采空區(qū)周邊一定距離的保安煤柱作為L型井位，并配套特殊鉆進(jìn)工藝，同時在煤礦全生命周期的合理規(guī)劃，尤其是礦井廢棄前即確保煤層氣抽采通道暢通，實現(xiàn)一井多用，以提高廢棄礦井煤層氣開發(fā)效率；采用防回火、各種傳感器等裝置，并對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置自動報警停機(jī)界限值，從而使廢棄礦井煤層氣地面開采工藝安全、高效。

c. 依據(jù)廢棄礦井煤層氣濃度特征，需要采取相應(yīng)的梯級利用模式，即低、中、高濃度煤層氣需采取不同的開采、集輸、提純技術(shù)，并應(yīng)用于不同領(lǐng)域，以提高煤層氣的利用價值。

d. 大力研究和推廣廢棄礦井采空區(qū)煤層氣開采技術(shù)，充分利用煤層氣資源，是實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)清潔安全高效低碳發(fā)展、促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)溫室氣體減排、減少大氣污染的重要舉措。山西省作為煤炭與煤層氣開發(fā)的典型示范區(qū)，其廢棄礦井煤層氣開發(fā)有望成為山西省資源轉(zhuǎn)型發(fā)展的新亮點(diǎn)，同時也為全國廢棄礦井資源開發(fā)利用提供借鑒和指導(dǎo)。

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LI Chao，GUO Xiangqian，HU Shengyong，et al. Development and application of distributed purification equipment for low concentration coalbed[J]. Safety in Coal Mines，2018，49(4)：85–88.

Key problems and countermeasures of CBM development through surface boreholes in abandoned coal mines of Shanxi Province

WANG Zheng1,2, LI Guofu1,2, ZHOU Xianjun1,2, HU Shengyong1,3, LI Rifu4, CHEN Wenke5, JIAO Pengshuai6, LI Chao1,2, LI Jiangbiao5

(1. State Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Co-Mining, Jincheng 048012, China; 2. Yi’an Lanyan Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology Co., Ltd., Taiyuan 030031, China; 3. College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 4. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400037, China; 5. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group Co. Ltd., Jincheng 048204, China; 6. Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute, Taiyuan 030031, China)

With the effective implementation of China’s coal capacity reduction policy, a number of resource-depleted and under-developed mines will be abandoned. The plenty of coalbed methane resources still existing in abandoned mines, could be developed and utilized to realize clean, safe, efficient and low-carbon development of coal industry, promote safe production of coal mines, optimize energy structure, and achieve greenhouse gas emission reduction. Based on the relevant research of Shanxi Province Coal-based Key Science and Technology Targeting Project(Coalbed Methane Industry Chain), the author systematically expounds the key problems faced by coalbed methane development in abandoned coal mines, such as inaccurate resource evaluation, unsound drilling system, lack of surface and underground co-extraction, etc. In view of these problems, the following countermeasures are proposed: Accurate geological exploration of abandoned mines is an important basis for the design of surface drilling trajectory in goaf, especially for abandoned mines with backward coal mining technology such as blasting mining. In order to effectively reduce the risk of drilling into coal pillars, the precision of geophysical exploration should reach meter level. “L” –shaped coalbed methane surface boreholes are the best choice in abandoned mines, that is, selecting a certain distance of safe coal pillar around the goaf as the location of L-shaped boreholes and supporting special drilling technology. Coal mining enterprises should consider the development and utilization of abandoned mine resources during the whole life cycle planning of coal mines in advance, especially ensure the unblocked CBM pumping channels before the mine is abandoned, so as to realize the new combined mining mode of “one borehole for multi-purpose” of CBM boreholes and improve the CBM development efficiency of abandoned mines. Adopt backfire prevention device, various sensors and other devices, and set automatic alarm halt limit value for key parameters, so that coalbed methane surface extraction process in abandoned mine is safe and efficient; In order to improve the overall development and utilization value, it is necessary to adopt the corresponding cascading utilization mode for coalbed methane with different concentration in abandoned mines. Taking the abandoned mines in Shanxi Province as a demonstration area, the research and understanding has important guiding and demonstrative significance for promoting the development and utilization of coalbed methane in abandoned mines in the coal mining areas of China.

abandoned mines; coalbed methane; development and utilization;key problems;countermeasures;L-shaped borehole; one borehole for multi-purposes; surface and underground co-extraction

井上下聯(lián)合抽采

TD712.6

A

1001-1986(2021)04-0086-10

2020-10-13；

2021-05-07

山西省揭榜招標(biāo)項目(20201101001)；山西省科技重大專項項目(20201102001，20181101013)

王爭，1986生，男，山東菏澤人，工程師，研究方向為煤層氣開發(fā)與利用. E-mall：1836266331@qq.com

李國富，1965年生，男，山西晉城人，博士(后)，正高級工程師，從事煤與煤層氣共采理論與技術(shù)研究. E-mall：13834068216@qq.com

王爭，李國富，周顯俊，等. 山西省廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發(fā)關(guān)鍵問題與對策[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：86–95. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.011

WANG Zheng，LI Guofu，ZHOU Xianjun，et al. Key problems and countermeasures of CBM development through surface boreholes in abandoned coal mines of Shanxi Province[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：86–95. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.011

(責(zé)任編輯 范章群)