中國煤與煤層氣共采理論技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張千貴 李權(quán)山 范翔宇 劉 超 葛兆龍 蔣志剛彭小龍 李相臣 朱蘇陽 趙世林 趙鵬斐 陳昱霏

1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.“ 油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 4.“ 深部巖土力學(xué)與地下工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國礦業(yè)大學(xué)5.“ 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·重慶大學(xué) 6. 四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司技術(shù)中心

0 引言

中國是世界上少數(shù)以煤炭作為主要能源的國家，并且煤層普遍瓦斯（煤層氣）含量高且滲透率低，導(dǎo)致煤炭開采前煤層氣難以排出，在煤炭開采的數(shù)十年中瓦斯安全事故不斷。此外，煤礦生產(chǎn)過程中抽出的絕大部分煤層氣濃度小于30%，明顯低于煤層氣使用的國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前不少煤礦仍采取直接排空處理，導(dǎo)致每年煤炭開采作業(yè)中排放200多億立方米煤層氣到大氣中，對大氣造成的污染是CO2的數(shù)十倍之多。目前，在國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的背景下[1]，快速發(fā)展清潔的煤層氣資源來代替對國民生命安全與自然環(huán)境影響惡劣的煤炭能源的需求變得越來越迫切。中國煤層氣可采資源居世界第3位，達(dá)到10×1012m3左右。煤層氣平均年產(chǎn)量在“十一五”“十二五”和“十三五”期間分別為7×108m3、16×108m3和 48×108m3[2]，初步突顯了中國煤層氣資源開發(fā)的潛力。但是煤礦區(qū)煤層氣的抽采效率和利用率依舊很低，地層中煤層氣殘余量較大。因此，確保煤礦生產(chǎn)安全以穩(wěn)定中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的能源需求，加大煤礦區(qū)煤層氣抽采技術(shù)開發(fā)力度，增加煤層氣產(chǎn)量，對于加快中國生態(tài)文明健康發(fā)展、促進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程均具有重要意義。

經(jīng)過十?dāng)?shù)年在高含氣儲層煤與煤層氣共采理論技術(shù)的發(fā)展，雖然已初步形成較為全面的技術(shù)成果，但中國煤層地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，現(xiàn)有理論技術(shù)仍不能支撐煤與煤層氣安全高效共采。為此，筆者分析了中國煤層氣開發(fā)模式與資源產(chǎn)量、煤與煤層氣共采理論與技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)了當(dāng)前煤與煤層氣共采形勢與理論技術(shù)發(fā)展趨勢，并提出了推進(jìn)煤與煤層氣共采產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的建議。

1 生態(tài)文明建設(shè)下中國能源發(fā)展形勢

21世紀(jì)開始，世界上掀起了對非常規(guī)油氣資源的革命，以此來促進(jìn)各自國家的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型[3]。2016年，《巴黎協(xié)定》正式生效標(biāo)志著全球進(jìn)入綠色、低碳發(fā)展的新階段，加快了每個(gè)國家的能源結(jié)構(gòu)向清潔型能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。“轉(zhuǎn)型加快、增速趨緩、創(chuàng)新活躍”也成為當(dāng)今世界能源發(fā)展的新趨勢[4]。為此，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國力爭在2030年和2060年前分別實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)。但是，中國基于“富煤、貧油、少氣”的能源儲量特點(diǎn)，形成了以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，對煤炭的需求比將長期處于能源總消費(fèi)量的50%以上[5-6]。并且，由于中國正處于高速發(fā)展階段，對能源的需求日益加重。如若不加快對清潔能源的大力開發(fā)，煤炭的需求量勢必更進(jìn)一步增大。與此同時(shí)，煤炭生產(chǎn)過程中，煤礦安全問題仍未能得到有效遏制。這些問題已成為中國生態(tài)文明健康發(fā)展的重要阻礙。

雖然，目前光伏、風(fēng)能、核能等新興能源發(fā)展迅速，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中國能源需求，化石能源在未來幾十年里依舊占據(jù)著不可替代的地位。天然氣作為化石燃料中唯一的清潔能源，且開采潛力和利用前景極大，可以預(yù)見天然氣是可以逐步替代煤炭能源在中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中地位的重要資源。然而，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國將會在2035年、2050年對天然氣的需求量分別達(dá)到 6 000×108m3、6 700×108m3左右，但是與之對應(yīng)的天然氣產(chǎn)量分別只有大約3 000×108m3和 3 500×108m3，對外依存度將高達(dá) 50% ～ 55%。因此，各類天然氣資源的大力開發(fā)，尤其是儲量豐富但仍未實(shí)現(xiàn)革命性產(chǎn)業(yè)開發(fā)的煤層氣資源，已然成為中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略發(fā)展的重要方向。相應(yīng)勘探開發(fā)技術(shù)的革新必然需要走在產(chǎn)業(yè)革命的前列，以助推中國能源結(jié)構(gòu)順利轉(zhuǎn)型。

2 煤層氣開發(fā)模式與資源產(chǎn)量

2.1 煤層氣開發(fā)模式

從20世紀(jì)90年代開始陸續(xù)在各地煤田開展煤層氣的勘探開發(fā)工作，2005年煤層氣地面井開發(fā)量僅為 3.0×107m3，到 2010 年就已經(jīng)達(dá)到 15×108m3。在此之后，煤層氣產(chǎn)量逐年增加，截至2020年底，地面井開發(fā)煤層氣產(chǎn)量約為57.57×108m3，并且可實(shí)現(xiàn)煤層氣抽采利用率達(dá)90%以上。然而，煤炭行業(yè)每年排放到大氣中的甲烷大約440×108m3[7]，其中可以利用而沒有利用的大約260×108m3，煤礦井下抽采率僅約40%，大部分煤層氣在煤炭生產(chǎn)過程中直接排空，導(dǎo)致煤層氣整體利用率一直低于50%[8]。房超等[9]將煤層氣開發(fā)分為兩種模式：煤礦區(qū)井下抽采和非煤礦區(qū)煤層氣地面井開發(fā)。張遂安等[10-12]結(jié)合煤礦區(qū)井下與地面井煤層氣開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，先后提出了“三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采煤層氣”模式來進(jìn)行煤與煤層氣的協(xié)調(diào)開發(fā)。在高度依賴煤炭能源的中國，采煤采氣協(xié)調(diào)發(fā)展，是確保能源結(jié)構(gòu)平穩(wěn)轉(zhuǎn)型及構(gòu)建和諧生態(tài)文明的必然選擇。歷經(jīng)數(shù)十年的技術(shù)攻關(guān)與生產(chǎn)實(shí)踐，煤礦瓦斯災(zāi)害得到有效緩解，且煤炭消費(fèi)占比也在平穩(wěn)降低。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2005年全國煤礦安全事故死亡5 938人，煤炭消費(fèi)占比68.9%。與之相比，2020年全國煤礦事故死亡人數(shù)下降了98.6%，煤炭消費(fèi)占比降低了17.56%，煤礦區(qū)煤層氣抽采利用量達(dá)到136×108m3，是2005年的22倍。這些數(shù)據(jù)更加證實(shí)了煤與煤層氣共采這一理念的正確性。

2.2 煤層氣資源產(chǎn)量

中國含煤層氣盆地（群）主要分布在華北地區(qū)、西北地區(qū)、華南地區(qū)和東北地區(qū)。目前，已探明全國共有42個(gè)含煤層氣盆地（群），其中包括9個(gè)大型含煤層氣盆地（群）、16個(gè)中型含煤層氣盆地（群）、6個(gè)中小型含煤層氣盆地（群）、11個(gè)小型含煤層氣盆地（群）。中國煤層氣主要賦存盆地（群）資源量情況如表1所示。

表1 中國煤層氣主要賦存盆地（群）資源量情況表[13]

截至2020年底，中國煤層氣累計(jì)探明地質(zhì)儲量 9 302×108m3，僅占煤層氣總資源量的 2.5%。在2005—2020年期間，雖然煤層氣利用量（2020年達(dá)135×108m3）在穩(wěn)步提升，但是相對于抽采量（2020年達(dá) 213×108m3）來說仍然偏低[14]。此外，根據(jù)“十三五”期間統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，頁巖氣的開發(fā)規(guī)模已遠(yuǎn)超煤層氣的開發(fā)規(guī)模（圖1）。

圖1 2001—2020年中國煤層氣與頁巖氣產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)圖[2]

氣井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)能力差、技術(shù)可復(fù)制性差等一直是煤層氣開發(fā)面臨的常見問題，其核心原因是中國煤層氣儲層具有低含氣飽和度、低滲透率、低儲層壓力以及多構(gòu)造煤的“三低一多”的特性，以及煤層氣的勘探開發(fā)技術(shù)體系還不完善[15]。這也說明目前支撐煤層氣資源開發(fā)的增產(chǎn)理論與技術(shù)仍面臨巨大瓶頸。

3 煤與煤層氣共采理論技術(shù)現(xiàn)狀

2003年錢鳴高等[16]就提出了煤礦綠色開發(fā)技術(shù)之一的煤與煤層氣共采技術(shù)。在此之后，程遠(yuǎn)平等[17-21]針對煤與煤層氣共采理論與技術(shù)先后進(jìn)行了大量的研究，并取得了一系列成果。經(jīng)過近20年的發(fā)展，地面多分支水平井鉆完井技術(shù)取得了突破，井下卸壓抽采煤層氣技術(shù)、煤與煤層氣共采技術(shù)體系被創(chuàng)立，并用于煤礦區(qū)煤與煤層氣的開采。目前，中國煤與煤層氣共采研究理論與技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平[22]。

3.1 煤礦區(qū)煤層氣抽采技術(shù)發(fā)展歷史

20世紀(jì)50年代起，國內(nèi)把煤層氣作為煤礦安全事故的重要誘導(dǎo)因素對待，并未將煤層氣作為一種能源加以利用，煤礦瓦斯主要以治理排采為主。在這期間經(jīng)歷了高透氣性煤層抽放瓦斯、鄰近層抽放瓦斯和低透氣性煤層強(qiáng)化抽放瓦斯等技術(shù)發(fā)展階段[23]。20世紀(jì)90年代，提出了針對含氣量較高煤層實(shí)施煤層氣抽放的多種新技術(shù)，但是廣泛應(yīng)用于煤礦的只有網(wǎng)格式密集布孔技術(shù)。20世紀(jì)80年代開始至21世紀(jì)初，綜合抽放瓦斯被提出來用以解決瓦斯涌出問題，煤層氣地面井抽采、煤礦井下抽采和地面—井下綜合抽采3種抽采技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

21世紀(jì)初，煤層氣資源的巨大開發(fā)潛力才得到重視，煤與煤層氣共采理論技術(shù)正式得以發(fā)展。煤礦井下煤層氣開采方面，根據(jù)國內(nèi)煤層不同地質(zhì)特征逐漸形成了一系列煤層氣抽采技術(shù)，例如高透氣性本煤層瓦斯抽采、井下鉆孔技術(shù)、煤層水力壓裂技術(shù)、鄰近層穿層鉆孔區(qū)域抽采技術(shù)、無煤柱煤與煤層氣共采技術(shù)等。同時(shí)，煤層氣地面井開采中垂直壓裂井技術(shù)、分支水平井技術(shù)、叢式井技術(shù)、U型水平井技術(shù)、定向羽狀水平井等一系列技術(shù)基本形成[24]。這一時(shí)期，國外也針對不同地質(zhì)特征煤層提出了一些煤層氣抽采技術(shù)。例如，加拿大形成了連續(xù)油管鉆井技術(shù)、高排量氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)、羽狀水平井技術(shù)等，用以開采具有煤階低、含氣量低等特點(diǎn)儲層的煤層氣；美國提出了適用于圣胡安盆地的鉆井—洞穴完井技術(shù)、適用于其他煤層氣盆地的鉆井—套管—完井—壓裂技術(shù)等[25]。然而，由于煤炭開采過程中的安全事故與環(huán)境污染等問題突出，發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)末已經(jīng)基本停止煤炭開采，相關(guān)技術(shù)主要針對煤層氣開發(fā)，很少涉及煤與煤層氣共采。國內(nèi)外煤與煤層氣開采相關(guān)技術(shù)對比如表2所示。

表2 國內(nèi)外煤與煤層氣開采相關(guān)技術(shù)對比表

21世紀(jì)初至今，煤層氣巨大開發(fā)潛力得到了國家的高度重視，各煤礦區(qū)煤層氣綜合開發(fā)利用發(fā)展迅速。在這時(shí)期，通過“外引內(nèi)研”的技術(shù)發(fā)展方式，逐步進(jìn)入煤礦區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)化勘探與開發(fā)技術(shù)快速發(fā)展軌道。但是，由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，煤與煤層氣共采實(shí)現(xiàn)困難。因此，加快煤與煤層氣共采相關(guān)理論技術(shù)突破，已成為中國煤層氣開發(fā)領(lǐng)域迫切需求。此外，由于行業(yè)差異，石油與煤炭領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)和科研院所合作程度不高，大規(guī)模全面實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣共采理論技術(shù)仍處于探索發(fā)展階段。

3.2 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式

3.2.1 煤與煤層氣一體化開采理念

張遂安[26]依據(jù)“采煤采氣一體化”理念，將煤礦區(qū)劃分為規(guī)劃區(qū)、開拓區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、采空區(qū)4個(gè)區(qū)：“規(guī)劃區(qū)”只開展煤層氣地面井開采；“開拓區(qū)”實(shí)施煤層氣地面井與煤礦井下鉆孔共同開采，并且還需為下一區(qū)煤炭回采開拓巷道；“生產(chǎn)區(qū)”為煤炭回采和煤層氣地面與煤礦井下抽采區(qū)；“采空區(qū)”主要抽采井下其他區(qū)域析出匯集到該區(qū)的煤層氣。目前，根據(jù)采空區(qū)的特殊情況，一些學(xué)者將采空區(qū)單獨(dú)考慮，創(chuàng)建了綜合規(guī)劃區(qū)、開拓區(qū)、生產(chǎn)區(qū)的“三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采的煤與煤層氣共采模式”[27-28]。

根據(jù)采煤工程和采氣工程的時(shí)空約束可知：只有在“生產(chǎn)區(qū)”才能夠進(jìn)行煤炭回采，而煤炭開采前期所做的煤層氣抽采工作發(fā)生在“規(guī)劃區(qū)”和“開拓區(qū)”內(nèi)，為確保煤礦安全，“生產(chǎn)區(qū)”和“采空區(qū)”匯集煤層氣也需實(shí)施抽采，因此煤層氣抽采在4個(gè)區(qū)都將進(jìn)行。由此可以看出，采煤工程在4區(qū)中受到的時(shí)空約束極其嚴(yán)重，不僅如此，采煤時(shí)井下煤層氣含量指標(biāo)同樣限制了采煤工程[29]。采氣工程在不考慮采動(dòng)作用的影響時(shí)，基本只受極限抽采率的影響，時(shí)空約束很小[30]。采煤工程與采氣工程具體約束情況如表3所示。

表3 采氣工程和采煤工程時(shí)空約束情況表[31]

煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的根本目的就是提高煤炭回采率和煤層氣抽采率。煤層氣地面井抽采可以有效解決采煤工程所受到的空間約束；采煤工程可以通過采動(dòng)作用協(xié)助采氣工程突破抽采極限。采煤工程與采氣工程的時(shí)空協(xié)調(diào)，優(yōu)勢互補(bǔ)，顯著提高了煤炭回采率和煤層氣抽采率，大幅增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式配套技術(shù)

以地面井和煤層群開發(fā)為分類條件，將煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式分為以下3種：單一煤層井上下聯(lián)合抽采、煤層群井上下聯(lián)合抽采和單一煤層/煤層群井下抽采模式[31]。其中，晉城礦區(qū)為單一煤層井上下聯(lián)合抽采的典型代表，實(shí)現(xiàn)了在開發(fā)前大規(guī)模的煤層氣超前預(yù)抽，減小了煤與煤層氣開發(fā)的安全隱患，同時(shí)研發(fā)了地面和井下聯(lián)合抽采的關(guān)鍵技術(shù)。兩淮礦區(qū)為煤層群井上下聯(lián)合抽采的典型代表，采用井下采動(dòng)卸壓的技術(shù)達(dá)到煤層巖體消突的作用，結(jié)合地面井煤層氣開采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤層氣地面和煤礦井下協(xié)調(diào)開發(fā)的目的。松藻礦區(qū)為單一煤層/煤層群井下抽采的典型代表，不涉及地面井開采技術(shù)。在松藻礦區(qū)，井下煤層由開拓區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和回采區(qū)組成，利用多巖性穿層鉆孔、水力壓裂增透煤層、采空區(qū)全密閉抽采等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對煤層氣的高效抽采。上述礦區(qū)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式的配套技術(shù)體系如表4所示。

表4 部分礦區(qū)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式配套技術(shù)體系表[31]

3.2.3 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價(jià)體系

煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價(jià)由開發(fā)方案確定和效果評價(jià)組成。其中，開發(fā)方案確定是針對不同礦區(qū)且具有不同地質(zhì)特征的煤層，選取與之相對應(yīng)的技術(shù)設(shè)備，設(shè)計(jì)出因地制宜的開發(fā)方案。開發(fā)效果評價(jià)主要采用模糊評判模型和協(xié)調(diào)度函數(shù)從安全、經(jīng)濟(jì)、資源回收率3個(gè)方面進(jìn)行綜合評價(jià)。中國煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價(jià)體系較為完善，具有代表性的評價(jià)方案包括：侯金玲[32]提出針對煤層氣地面井抽采的評價(jià)方法，梁冰等[33]提出采用模糊評價(jià)方法對煤與煤層氣共采時(shí)經(jīng)濟(jì)、安全、效果的綜合評價(jià)方法，劉見中等[31]提出的典型煤礦區(qū)域模糊綜合評判模型和指標(biāo)體系，張學(xué)超[34]提出基于適應(yīng)性、安全、效果評價(jià)利用層次分析法和模糊綜合評判法的評價(jià)模型。上述評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表5所示。

表5 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價(jià)方法比較表

3.3 煤層氣運(yùn)移與煤層增透理論

3.3.1 煤層氣運(yùn)移理論

3.3.1.1 煤巖體結(jié)構(gòu)與煤層氣賦存狀態(tài)

煤層是典型的雙重孔隙結(jié)構(gòu)，主要包括裂隙孔隙和基質(zhì)孔隙。目前，常見的雙重孔隙度模型有3種：Warren-Root模型[35]、Kazemi模型[36]、De Swann 模型[37]。其中，Warren-Root模型已較為廣泛地用于構(gòu)建煤層氣藏?cái)?shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬，其幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示?？紤]到固體表面能夠吸附大量氣體[38]，已從理論到實(shí)踐證實(shí)儲層中煤層氣的賦存形式包括吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)，并且儲存于煤巖基質(zhì)中呈吸附態(tài)的煤層氣占比達(dá)到85%～95%[39]。因此，開采過程中，煤層氣將經(jīng)歷在煤巖基質(zhì)微孔中的氣體解吸、從基質(zhì)向孔裂隙中的擴(kuò)散、以及通過煤巖孔隙與裂隙滲流到抽采通道3個(gè)氣體運(yùn)移階段[40]。煤層氣成藏過程中會產(chǎn)生大量以束縛水和毛細(xì)水形式存在的水，并且若使用水力增透技術(shù)開采煤層氣將注入大量水，液體水參與煤層氣解吸與運(yùn)移過程將使煤層氣的解吸—擴(kuò)散—滲流機(jī)理更為復(fù)雜。

圖2 Warren-Root模型簡化結(jié)構(gòu)示意圖[35]

3.3.1.2 煤層氣吸附解吸機(jī)理

大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，初始狀態(tài)下煤層的裂縫—割理系統(tǒng)中一般不存在游離氣，煤層產(chǎn)出的煤層氣大多是煤巖體孔隙吸附的氣體[41]，因此認(rèn)識煤層氣吸附解吸機(jī)理是煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)與前提。實(shí)驗(yàn)研究方面，唐巨鵬等[42]通過煤巖在應(yīng)力下的吸附解吸實(shí)驗(yàn)，得出煤巖的解吸量呈現(xiàn)加載時(shí)的值大于卸載時(shí)的值，并且孔隙壓力的大小也會影響解吸速率；張慧杰等[43]得出煤層氣吸附主要受煤的孔隙發(fā)育特征影響。理論研究方面，主要是在Langmuir吸附模型基礎(chǔ)上取得了一些進(jìn)展：馬東民等[44]建立了煤層氣降壓解吸模型；李相方等[45]基于煤層的液體運(yùn)移規(guī)律、儲層特征等，建立了不同區(qū)域煤層氣解吸模型（圖3）。雖然歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，在煤層氣吸附解吸方面已經(jīng)取得一些認(rèn)識，但這些研究成果考慮因素還不夠全面，煤層氣吸附解吸受到地層壓力、溫度、水分等眾多因素的影響，為理論支撐煤與煤層氣安全高效共采，煤層氣抽采過程中受多因素影響的氣體吸附解吸機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。

圖3 未飽和氣藏儲集層降壓解吸機(jī)理示意圖[45]

3.3.1.3 多場耦合作用下煤層氣運(yùn)移理論

煤巖基質(zhì)中的煤層氣解吸后成為游離氣體，受抽采壓力驅(qū)動(dòng)游離的煤層氣將進(jìn)入運(yùn)移過程。該過程包括從基質(zhì)中擴(kuò)散至煤巖孔隙和在煤巖孔隙中滲流兩個(gè)階段（圖4）[46]。煤層氣抽采過程中，受氣體解吸、氣體擴(kuò)散與滲流運(yùn)移引起孔隙壓力變化，導(dǎo)致煤巖體有效應(yīng)力增大而改變氣體運(yùn)移通道，形成多場耦合作用，造成氣體在煤巖中的運(yùn)移機(jī)理變得異常復(fù)雜。在擴(kuò)散階段，當(dāng)煤層排水降壓時(shí)，若壓力低于CH4氣體的解吸壓力，吸附態(tài)的CH4氣體會轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，沿著壓力或濃度較小的方向擴(kuò)散。秦躍平等[47]得到煤層中氣體擴(kuò)散基本符合達(dá)西定律，并且認(rèn)為菲克擴(kuò)散模型適用于CH4氣體擴(kuò)散初期。李志強(qiáng)等[48]認(rèn)為煤層氣在不同孔隙中的擴(kuò)散系數(shù)隨著時(shí)間的增加呈指數(shù)式衰減。Zhao等[49]建立了一種描述煤層氣解吸過程中隨時(shí)間變化的擴(kuò)散模型。在煤層氣滲流階段研究方面，周世寧等[50]提出利用達(dá)西定律來描述煤層氣的流動(dòng)情況，開創(chuàng)了中國煤層氣流動(dòng)理論的先河。但是，隨著研究工作的深入，人們發(fā)現(xiàn)煤層中氣體存在流量過大、分子效應(yīng)、離子效應(yīng)和非牛頓態(tài)勢等情況[51]，煤層氣流動(dòng)狀態(tài)不完全服從達(dá)西定律。之后，Sun等[52-54]先后提出了基于冪定律、啟動(dòng)壓力梯度、氣體滑脫效應(yīng)的非線性流動(dòng)理論。張志剛等[55]在考慮吸附作用和煤層中煤與煤層氣的氣固反應(yīng)，建立了非線性滲流模型，進(jìn)一步完善了煤層中氣體非線性流動(dòng)理論。并且，為描述煤層中多場耦合作用下的氣體滲流過程，國內(nèi)外學(xué)者也相繼提出了ARI，Gray，Palmer和Shi等模型[56]。由此可見，學(xué)者對于氣體在煤層中的運(yùn)移進(jìn)行了大量探索研究，煤層氣流動(dòng)理論逐漸完善，使得煤層氣在煤層基質(zhì)中的擴(kuò)散和孔隙裂縫中的滲流狀態(tài)更為清晰的呈現(xiàn)，為煤與煤層氣安全高效共采奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

圖4 煤層氣擴(kuò)散和滲流機(jī)理示意圖

3.3.2 煤層增透理論

3.3.2.1 “O”形圈理論

煤礦區(qū)煤層增透抽采煤層氣的理論中具有代表性的是錢鳴高等提出的“O”形圈理論[57]。該理論認(rèn)為：在煤炭開采期間，由于煤層應(yīng)力釋放，煤層開采后上覆巖層中形成離層裂隙和豎向破斷裂隙，而在采空區(qū)四周存在連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)形成采動(dòng)裂隙“O”形圈（圖5）[58]。進(jìn)而由于采動(dòng)裂隙“O”形圈孔隙壓力降低，煤巖基質(zhì)中的煤層氣解吸后會往采動(dòng)裂隙“O”形圈里滲流匯聚。

圖5 煤炭開采形成裂隙“O”形圈示意圖[58]

由此，人們對煤炭開采引起煤巖中裂隙的產(chǎn)生有了基礎(chǔ)的認(rèn)識，“煤礦綠色開采”概念逐漸形成[59]。煤與煤層氣共采技術(shù)是煤礦綠色開發(fā)的重要技術(shù)之一[60]，在煤炭開采的同時(shí)，煤巖受采動(dòng)作用的影響會產(chǎn)生裂隙，煤巖體中氣體儲容空間的增加會促進(jìn)煤層氣解吸、擴(kuò)散與滲流，大幅提升煤層氣抽采效率，煤層瓦斯含量的降低也將大幅提高煤炭開采效率，并增加煤炭回采率，最終達(dá)到煤與煤層氣高效共采的目的。

3.3.2.2 卸壓法煤層增透理論

對于低透氣性煤層，大量室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明有效改善煤層透氣性的方法是卸壓法（圖6）[18,61]。

圖6 卸壓法增透抽采煤層氣原理圖

為實(shí)現(xiàn)該方法在煤層氣抽采實(shí)際工程中的應(yīng)用，袁亮等[62-63]提出了“高位環(huán)形體”理論：在開采一個(gè)地區(qū)的煤層時(shí)，首先選取穩(wěn)定可靠的煤層最先開采，在采動(dòng)作用影響下使開采煤層上下巖體的地應(yīng)力重新分布，誘導(dǎo)煤層產(chǎn)生變形甚至破裂，最終達(dá)到增透的目的。而后，程遠(yuǎn)平等[64-66]基于卸壓法增透煤層的原理又提出了煤與煤層氣共采的理念，顯著提高了煤與煤層氣協(xié)同開發(fā)效率。采用卸壓法增透煤層時(shí)，將井下煤層劃分為兩個(gè)區(qū)域：上部卸壓區(qū)和下部卸壓區(qū)。上部卸壓區(qū)主要采用近、中、遠(yuǎn)程3種抽采方法，而下部卸壓區(qū)一般采用底板巷道網(wǎng)格式下向穿層鉆孔進(jìn)行煤層氣抽采[18]。理清采動(dòng)作用引起煤層破裂變形的機(jī)理對煤和煤層氣共采至關(guān)重要[67]。在煤炭開采時(shí)，受采動(dòng)卸壓作用影響其上部煤層會出現(xiàn)應(yīng)力重分布，導(dǎo)致煤層發(fā)生破裂、變形甚至大范圍移動(dòng)?；诜中螏缀卫碚?，學(xué)者們得到了采動(dòng)作用下煤巖裂隙分布和演化分形特征，以此量化表征卸壓法增透煤層對煤巖多尺度裂隙結(jié)構(gòu)的影響[68-70]。為明確由采動(dòng)作用產(chǎn)生裂隙的逾滲特性以及相變臨界性，Zhou等[71]基于逾滲理論建立了采動(dòng)裂隙演化的重正化群格子模型。為量化卸壓法改善煤層滲透性，謝和平等[72]提出增透率概念形象地描述了采動(dòng)作用對煤層滲透率的影響。卸壓法增透煤層時(shí)，能夠使頂板煤層中斷裂帶和彎曲帶內(nèi)的突出煤巖體獲得良好的增透效果，但是也會在頂板煤層中形成破壞垮落帶而無法實(shí)施煤層氣抽采，導(dǎo)致頂板煤層中煤層氣抽采率降低。

3.3.2.3 水力增透理論

水力壓裂、水力割縫和水力沖孔等水力增透理論在中國應(yīng)用較為廣泛。水力壓裂是往煤層中注入高壓水，使得煤巖逐漸產(chǎn)生裂隙并沿著煤巖層理和垂直于最小主應(yīng)力方向延伸[73]。水力壓裂又分為地面井和煤礦井下鉆孔壓裂，煤礦井下鉆孔壓裂由于空間狹小，其壓裂規(guī)模比地面井要小很多。煤層脈動(dòng)水力壓裂的提出降低了水力壓裂所需的壓力值和縮減了壓裂裝備的尺寸，讓水力壓裂在煤礦井下的實(shí)用性得到提高[74]。水力割縫是采用高壓水射流對鉆孔周圍的煤巖進(jìn)行切割，形成一系列縫槽，以改善煤巖中氣體流動(dòng)效率（圖7）[75-76]。

圖7 水力割縫工藝示意圖

該技術(shù)割縫方式可以分為兩種：“鉆—割”分開作業(yè)和“鉆—割”同時(shí)作業(yè)。近幾年，由于多種提高切割能力射流方式的相繼提出，如自激振蕩、脈動(dòng)、磨料等，使得鉆孔周圍產(chǎn)生更多更深縫槽的高壓水射流工藝日趨成熟，從而有效促進(jìn)煤層氣解吸[77-78]，大幅提升了難解吸煤層氣抽采效率。水力沖孔是對突出煤層進(jìn)行鉆孔，并用高壓水在孔內(nèi)沖擊，破壞鉆孔周圍的煤巖，使煤巖所受地應(yīng)力重新分布，致使裂隙產(chǎn)生，達(dá)到卸壓增透的目的。由于水力沖孔涉及多場耦合作用，而且國內(nèi)針對固液氣耦合沖孔的研究還處于起步階段，該技術(shù)使用范圍還相對較小[79]。

3.4 煤與煤層氣共采中煤層氣抽采技術(shù)

3.4.1 煤礦井下抽采煤層氣技術(shù)體系

為緩解煤炭生產(chǎn)過程中嚴(yán)峻的瓦斯災(zāi)害問題、提高煤層氣資源利用率以及減少煤礦碳排放，經(jīng)過數(shù)十年的科研攻關(guān)與生產(chǎn)實(shí)踐，煤礦井下煤層氣抽采技術(shù)得到顯著提升，形成了較為完善的技術(shù)體系，如圖8所示[20]。

圖8 煤礦井下煤層氣抽采技術(shù)體系圖

該技術(shù)體系將煤礦井下煤層分為單一煤層、遠(yuǎn)距離煤層群和近距離煤層群3種，并且形成了不同的煤層氣抽采方案：對于單一煤層和遠(yuǎn)距離煤層群，采用在煤層卸壓區(qū)域頂/底板開拓的抽采巷道布設(shè)臨近穿層鉆孔實(shí)施抽采。針對近距離煤層群主要采用無煤柱煤與煤層氣共采技術(shù)實(shí)施煤層氣抽采，形成了沿空留巷墻體構(gòu)筑技術(shù)、無煤柱充填材料制備和泵送工藝、沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)、留巷瓦斯綜合治理技術(shù)4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中，無煤柱沿空留巷墻體構(gòu)筑技術(shù)主要有人工模板、吊袋柔模、機(jī)械模板和機(jī)械框架模板以及適用于多數(shù)薄煤層的煤袋墻人工堆砌；無煤柱留巷充填材料制備和泵送工藝分為高水充填材料制備和泵送工藝、膏體混凝土充填材料制備和泵送工藝；沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頂板覆巖中大結(jié)構(gòu)和小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定控制；留巷瓦斯綜合治理技術(shù)提出對煤層中各區(qū)域煤層氣應(yīng)實(shí)施綜合抽采。上述較為完善的煤礦井下抽采煤層氣技術(shù)體系顯著促進(jìn)了煤礦井下煤層氣高效抽采及煤礦區(qū)煤層氣利用的發(fā)展。

3.4.2 煤礦采空區(qū)煤層氣抽采技術(shù)

對于煤礦井采空區(qū)的煤層氣抽采，中國形成了以巷道抽采法、鉆孔抽采法、導(dǎo)入法、埋管抽采法為主的抽采技術(shù)方法。其中，高位巷煤層氣抽采技術(shù)、高位鉆孔煤層氣抽采技術(shù)[80]和埋管煤層氣抽采技術(shù)[81]應(yīng)用較為廣泛。高位巷煤層氣抽采技術(shù)是通過破壞頂板形成高位巷，使得鄰近層的煤層氣由于頂板的破壞解吸從高位巷中流出最終匯集到采空區(qū)，從而被抽采出來。此技術(shù)可有效治理采空區(qū)瓦斯涌出問題，并且擁有較長的抽采周期，但是開挖一條巷道的工作量較大且花費(fèi)較高。高位鉆孔煤層氣抽采技術(shù)是通過采動(dòng)壓力形成的裂隙帶以及鉆孔產(chǎn)生的負(fù)壓，對采空區(qū)中的煤層氣進(jìn)行抽采，適用于有較大地質(zhì)構(gòu)造且煤層氣濃度較高的煤礦井。在上覆巖層的作用下，采動(dòng)作用形成的“O”形圈中部被壓實(shí)，煤層氣集中于“O”形圈裂隙較為發(fā)育的四周，由此提出埋管煤層氣抽采技術(shù)即在回風(fēng)側(cè)埋管用機(jī)械負(fù)壓進(jìn)行開采。此外，中國廢棄煤礦井眾多，煤礦關(guān)井后形成具有巨大儲容體積的密閉空間，煤層氣將大量在此空間匯集。對于此類廢棄采空區(qū)煤層氣抽采，一般采用鉆井液鉆井工藝和氮?dú)馇菲胶忏@井工藝[82]重新鉆開該密閉空間，然后在利用地面負(fù)壓抽采設(shè)備實(shí)現(xiàn)對該類采空區(qū)煤層氣的抽采。采空區(qū)煤層氣抽采技術(shù)的飛速發(fā)展，極大提高了煤與煤層氣共采效率，減少了煤礦井下的安全隱患，提高了煤礦煤層氣的資源利用率。

3.4.3 全方位立體式煤與煤層氣共采技術(shù)

隨著石油領(lǐng)域與煤炭領(lǐng)域技術(shù)交叉與融合發(fā)展，地面井與煤礦井下鉆孔抽采煤層氣得到長足進(jìn)步。石油領(lǐng)域的叢式井、U型水平井、多分支水平井等鉆井技術(shù)，以及垂直井壓裂、水平壓裂、超長水平井分段壓裂等壓裂技術(shù)，與煤炭領(lǐng)域煤礦井下順層鉆孔抽采、鉆孔裂隙帶抽采、高位抽采巷鉆孔抽采、回采工作面下隅角綜合抽采等關(guān)鍵技術(shù)相協(xié)同，形成了煤與煤層氣全方位立體式協(xié)同開發(fā)技術(shù)（圖9）。

圖9 煤與煤層氣全方位立體式協(xié)同開發(fā)模式圖

時(shí)間上，先行利用地面井進(jìn)行煤層區(qū)域性抽采，而后對抽采效果不佳或地面井無法涵蓋的局部區(qū)域，再運(yùn)用合理布設(shè)的煤礦井下鉆孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)抽采?？臻g上，充分配合實(shí)施地面井與煤礦井下鉆孔水力壓裂，并通過合理協(xié)調(diào)將地面井和煤礦井下鉆孔納入抽采實(shí)施單元，并利用輪替抽采技術(shù)實(shí)施煤層氣的高效抽采[83]。待完成煤層中煤層氣的抽采后，煤層氣含量將大幅降低，而后再進(jìn)行煤炭開采。采用地面井和煤礦井下鉆孔聯(lián)合協(xié)同開采煤層氣的效果遠(yuǎn)大于單純地面井或煤礦井下抽采效果。例如，位于淮南礦區(qū)的潘一礦抽采卸壓區(qū)煤層氣時(shí)采用地面井與煤礦井下鉆孔協(xié)同抽采的方法，取得了地面井單孔10 000 m3/d以上的突出效果。

4 煤與煤層氣共采形勢與理論技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 煤與煤層氣共采形勢

4.1.1 國外煤與煤層氣共采形勢

由于不同國家煤層氣儲層地質(zhì)特征差異顯著，相關(guān)開發(fā)技術(shù)不具備普適性，雖然世界上多國探明儲量巨大的煤層氣資源，但是大多數(shù)國家至今也只是停留在煤層氣小規(guī)模開發(fā)程度上。目前，達(dá)到煤層氣商業(yè)化開采的國家主要有美國、澳大利亞和加拿大。2018年，國外煤層氣產(chǎn)量達(dá)到785×108m3左右[84]。美國是煤層氣成功開發(fā)的典范，根據(jù)煤層氣的6個(gè)主要生產(chǎn)盆地資料顯示，美國煤層氣采收率為50%～80%。澳大利亞在煤層氣開發(fā)方面也取得了顯著成效。2018年末，澳大利亞煤層氣的對外出口量就達(dá)到了全國總液化天然氣（LNG）的29%。不過，考慮到煤炭開采帶來巨大環(huán)境問題，美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家?guī)缀跻呀?jīng)停止煤炭開采?？梢?，國外當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的理論與技術(shù)主要針對地面井煤層氣開發(fā)，極少涉及煤與煤層氣共采方面。

4.1.2 中國煤與煤層氣共采形勢

提高煤層氣開發(fā)和利用效率能有效緩解高碳能源尤其是煤炭的依賴，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，在國家政策扶持與科研工作者的不懈努力下，煤層氣開發(fā)利用技術(shù)及裝備得到了飛速發(fā)展，已形成初具工業(yè)化規(guī)模的煤層氣開發(fā)格局。

“十三五”煤炭產(chǎn)能過剩問題突出，煤炭產(chǎn)能削減提上日程，煤炭產(chǎn)能的縮減將是中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型推進(jìn)的必然趨勢。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國煤炭消費(fèi)量在2025年后將明顯下降，到2030年煤炭占總能源消費(fèi)量將降至50%以下[5]。受煤炭產(chǎn)能縮減大趨勢制約，在一定程度上影響煤與煤層氣共采理論技術(shù)的發(fā)展。然而，當(dāng)前煤炭仍然是支撐中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的主要資源，為確保能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型平穩(wěn)過渡，煤炭縮減速度需要合理控制，并加大替代性清潔能源開發(fā)。故而，煤與煤層氣共采仍將在未來持續(xù)很長一段時(shí)間，給能源行業(yè)領(lǐng)域科技工作者推進(jìn)煤與煤層氣共采理論與技術(shù)原始創(chuàng)新并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了試驗(yàn)基地。

4.2 煤與煤層氣共采理論與技術(shù)發(fā)展趨勢

4.2.1 支撐煤與煤層氣高效共采基礎(chǔ)理論

由于對煤層中煤層氣解吸—擴(kuò)散—滲流機(jī)理至今未能完全明確，無論是地面井還是煤礦井下抽采煤層氣效率仍不盡人意。①煤層氣解吸需要降低儲層壓力以獲得更多游離氣體，確保賦存量大的吸附氣體得到有效采出，而降低儲層壓力卻不能保障游離氣體擴(kuò)散和滲流動(dòng)力，此矛盾能不能從理論上得到回答，將制約煤層氣高效抽采技術(shù)的革命；②分布廣泛且具有松軟、低孔、低滲特征的高含氣煤層，在實(shí)施水力增透時(shí)導(dǎo)致煤巖中黏性物質(zhì)遇水膨脹，并且產(chǎn)生裂隙尖端水鎖現(xiàn)象，同時(shí)游離氣和吸附氣可以被水動(dòng)力學(xué)圈閉在煤層的基質(zhì)中[41]，從而造成煤層增透效果不佳；③煤層氣解吸、擴(kuò)散和滲流在不同特征煤層的機(jī)理明顯不同，構(gòu)建一系列針對不同特征煤層的煤層氣解吸運(yùn)移理論仍將需要相關(guān)科研工作者的努力攻關(guān)；④各地煤層氣煤巖儲層普遍松軟且地應(yīng)力高，導(dǎo)致難以維持煤層氣抽采井/孔穩(wěn)定，考慮鉆孔與抽采作用影響并耦合儲層氣體流動(dòng)與溫度變化的煤巖基礎(chǔ)力學(xué)理論還需進(jìn)一步深入研究，進(jìn)而提出可適用于松軟煤層的井/孔維護(hù)技術(shù)。由此可見，中國煤與煤層氣共采理論仍然面臨諸多難題，深入開展相關(guān)基礎(chǔ)理論研究方能支撐煤與煤層氣高效共采技術(shù)的發(fā)展。

4.2.2 煤與煤層氣高效共采技術(shù)

中國煤與煤層氣共采模式和協(xié)調(diào)開發(fā)評價(jià)體系已相對完善，但是煤與煤層氣共采技術(shù)體系還有待提高。①水力增透煤層技術(shù)已較為廣泛地應(yīng)用于煤礦井煤層氣抽采，但由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，綜合考慮煤層地質(zhì)特征制定因地制宜的水力增透技術(shù)仍需進(jìn)一步提升，尚需完善的相關(guān)技術(shù)包括順層鉆孔分段水力壓裂技術(shù)、穿層鉆孔定向控制壓裂技術(shù)、高壓水射流鉆分支孔技術(shù)等；②受到煤層滲透率低、地應(yīng)力高、煤層巖體松軟等影響，造成鉆孔坍塌、堵塞、漏氣等現(xiàn)象，以致煤層氣抽采效果不理想，煤層氣抽采孔穩(wěn)定性預(yù)測與控制技術(shù)、漏氣失效鉆孔修復(fù)技術(shù)、二次封孔技術(shù)等還有待進(jìn)一步完善；③基于煤礦綠色開發(fā)理念提出的煤與煤層氣全方位立體式協(xié)同開發(fā)技術(shù)體系還不夠完備，分區(qū)聯(lián)動(dòng)地面井連續(xù)抽采技術(shù)、極薄保護(hù)層高效開采技術(shù)、無煤柱煤與煤層氣安全高效共采技術(shù)等方面還需進(jìn)一步提高。該技術(shù)目前僅在少數(shù)煤礦區(qū)應(yīng)用，實(shí)際推廣應(yīng)用中還需對其進(jìn)一步豐富和發(fā)展，以形成完善的技術(shù)體系才能實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣共采技術(shù)的革新。

4.2.3 煤礦區(qū)煤層氣集輸技術(shù)

美國煤層氣開發(fā)主要采用地面井抽采，對于地面采出的煤層氣一般匯集入天然氣管道或加工成液化天然氣運(yùn)輸給消費(fèi)者。早期煤炭開采過程中井下產(chǎn)出的煤層氣一般利用管道集輸至礦區(qū)鍋爐房和臨近發(fā)電廠，以提供燃料氣源[85]。相應(yīng)地，形成了一系列煤層氣存儲與輸送技術(shù)。中國對于高含氣煤儲層普遍采用超前鉆孔預(yù)抽采或地面鉆孔預(yù)抽，以降低煤層氣含量達(dá)到煤炭安全作業(yè)要求[86]，抽采的煤層氣通過抽放管道進(jìn)入地面泵站。由于大部分礦區(qū)普遍較小，使得煤層氣儲集量有限。偏遠(yuǎn)礦區(qū)將地面泵站儲集的煤層氣主要用于鍋爐房燃料或供給周圍村民使用。即使是臨近城市的礦區(qū)，由于收集的煤層氣濃度一般低于30%，不能匯集入天然氣管道，除礦區(qū)與當(dāng)?shù)鼐用袷褂猛猓罅棵簩託馊酝ㄟ^燃燒口燃燒，甚至直接排放，不僅造成了資源浪費(fèi)，也加重了碳排放。因此，煤礦區(qū)煤層氣集輸技術(shù)仍將是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

4.2.4 煤礦區(qū)煤層氣綜合利用技術(shù)

煤礦區(qū)抽采的煤層氣一般濃度不高，為使資源價(jià)值最大化，避免浪費(fèi)，需大力發(fā)展不同濃度段煤層氣綜合利用技術(shù)。國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了煤層氣液化的工業(yè)應(yīng)用，尤其是澳大利亞規(guī)劃了太平洋項(xiàng)目（APLNG）、漁夫項(xiàng)目、格拉德斯通項(xiàng)目（GLNG）、昆士蘭柯蒂斯項(xiàng)目（QCLNG）等8個(gè)煤層氣深冷液化制取LNG項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)資源出口[87]。目前，中國初步形成內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、煤層氣提純、蓄熱氧化等涵蓋不同濃度煤層氣的利用技術(shù)與裝備體系[88]。但是，針對于煤礦區(qū)低濃度煤層氣的利用技術(shù)還較為匱乏，導(dǎo)致煤礦井下采出煤層氣利用率更是低于40%[86]。造成煤層氣利用率較低的原因主要是：①當(dāng)前中國多數(shù)煤礦煤層氣抽采配套設(shè)備與設(shè)施未能配置完備，導(dǎo)致煤層氣總體利用率低下；②煤層氣階梯式利用目前仍缺乏相對成熟的技術(shù)支持；③每個(gè)礦區(qū)對于煤層氣的利用是依據(jù)自身?xiàng)l件制定，實(shí)現(xiàn)利用的煤層氣資源還僅是容易采集的氣體資源，對于投資產(chǎn)出比小的煤層氣資源不做收集利用，甚至直接井下排放或者通過通風(fēng)口排入地面大氣。因此，大力發(fā)展不同濃度段煤層氣綜合利用技術(shù)顯得尤為重要。當(dāng)前，尚需發(fā)展的煤層氣綜合利用技術(shù)主要包括煤礦井下煤層氣提純技術(shù)、低濃度煤層氣本地民用利用技術(shù)、煤礦井下低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)、煤層氣液化技術(shù)等。

4.2.5 煤炭地下氣化—煤層氣聯(lián)采技術(shù)

煤炭地下氣化是將地層中的煤炭采用工業(yè)技術(shù)手段進(jìn)行區(qū)域可控制燃燒，并在化學(xué)和熱作用下產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程，進(jìn)而對產(chǎn)出的可燃體進(jìn)行集輸用作優(yōu)質(zhì)的燃?xì)饽茉?。同時(shí)，利用地下爐腔釋放余熱聯(lián)合開采爐腔上覆煤層氣（熱采），可能有效開發(fā)極低滲儲層煤層氣資源。目前，加拿大、印度、南非等國家陸續(xù)地開展了煤炭地下氣化項(xiàng)目。加拿大在阿爾伯塔省開展了至今最深煤層（1 400 m）的煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗(yàn)[89]，取得了較好的效果。中國1 000 m以下的深部煤炭資源豐富，但是由于開采這些煤炭資源需要應(yīng)對高地應(yīng)力、高溫度、涌水量大等突出問題，導(dǎo)致煤炭地下開采十分困難。煤炭地下氣化技術(shù)使得中國儲量巨大的深部煤炭資源的安全清潔開發(fā)利用成為可能。同時(shí)，煤炭地下氣化可有效提高低滲透煤層中煤層氣資源的抽采效率。并且，該技術(shù)還能將高污染的煤炭資源通過地下氣化轉(zhuǎn)為清潔的燃?xì)赓Y源，對于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大。然而，煤炭地下氣化集建井、采礦、轉(zhuǎn)化“三位”為一體，從選址到生產(chǎn)運(yùn)行涉及到地質(zhì)、采煤、工程熱物理、能源化工、環(huán)境保護(hù)以及探測監(jiān)控等諸多學(xué)科，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)油氣工程更為復(fù)雜。同時(shí)，地下水環(huán)境保護(hù)、氣化爐穩(wěn)定性、深部地下氣化運(yùn)行控制是煤炭地下氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化面臨的三個(gè)技術(shù)瓶頸。

5 推進(jìn)煤與煤層氣共采產(chǎn)業(yè)化的建議

根據(jù)上述中國當(dāng)前煤與煤層氣共采形勢，為保障能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型平穩(wěn)過渡，煤與煤層氣共采在將來相當(dāng)長的一段時(shí)期會是中國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要組成部分。而且在煤與煤層氣共采領(lǐng)域，國外沒有能夠?yàn)槲覀兘梃b的發(fā)展模式與理論技術(shù)，必須走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路。為此，筆者結(jié)合中國相關(guān)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況和上述理論與技術(shù)的發(fā)展趨勢分析，提出一些推進(jìn)煤與煤層氣共采發(fā)展的建議。

1）加大煤與煤層氣共采理論與技術(shù)攻關(guān)，形成適宜于各地不同地質(zhì)特征煤層的煤炭開采與煤層氣抽采創(chuàng)新理論和技術(shù)體系，并建立健全的煤與煤層氣共采技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為支撐煤與煤層氣共采健康發(fā)展奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

2）不斷完善低濃度煤層氣集輸與綜合利用技術(shù)，形成煤礦區(qū)煤層氣階梯式綜合利用機(jī)制，并健全政策保障與技術(shù)創(chuàng)新體制，從本質(zhì)上提高煤礦區(qū)煤層氣資源利用率。

3）創(chuàng)新煤與煤層氣開發(fā)理念，推行煤炭地下氣化—煤層氣聯(lián)采的新型共采模式，攻克理論與技術(shù)瓶頸，建立相應(yīng)創(chuàng)新理論技術(shù)體系，構(gòu)建支撐配套保障機(jī)制，形成一條創(chuàng)新的煤與煤層氣協(xié)同開發(fā)途徑。

4）系統(tǒng)梳理大型煤礦區(qū)煤層氣在規(guī)劃區(qū)、開拓區(qū)、生產(chǎn)區(qū)及采空區(qū)的資源狀況，進(jìn)行煤礦區(qū)煤層氣資源量估算和開發(fā)潛力評價(jià)，并制定政策統(tǒng)籌煤炭與煤層氣開發(fā)，構(gòu)建煤與煤層氣一體化開采機(jī)制，協(xié)調(diào)煤炭開采和煤層氣開發(fā)綜合效益。

5）加強(qiáng)煤炭領(lǐng)域與石油領(lǐng)域科研院所及相關(guān)企業(yè)交流合作，共同開展煤與煤層氣共采理論和技術(shù)攻關(guān)，合作推進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并建立交叉合作機(jī)制，形成一條多領(lǐng)域?qū)W科的交叉融合能源發(fā)展道路。

6）持續(xù)實(shí)施國家科技攻關(guān)與產(chǎn)業(yè)示范基地建設(shè)，支持煤與煤層氣共采基礎(chǔ)理論和技術(shù)原始創(chuàng)新，形成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的“基地建設(shè)+關(guān)鍵技術(shù)”組織思路，以“示范工程+先導(dǎo)試驗(yàn)”方式在國內(nèi)具有代表性的煤與煤層氣共采礦區(qū)實(shí)現(xiàn)示范，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。

7）全面落實(shí)煤與煤層氣共采政策保障體制，打破礦產(chǎn)資源行業(yè)壁壘，允許石油領(lǐng)域煤層氣開發(fā)企業(yè)獲取煤炭企業(yè)礦區(qū)的煤層氣開發(fā)權(quán)利，同時(shí)鼓勵(lì)大型煤炭企業(yè)發(fā)展煤層氣規(guī)?；_采，試行煤系多氣礦業(yè)權(quán)合一管理制度，形成多領(lǐng)域行業(yè)合作促進(jìn)煤與煤層氣共采規(guī)?；l(fā)展模式。從國家與地方政策體制方面保障煤與煤層氣甚至是煤層伴生煤系氣資源的共采與綜合利用穩(wěn)步發(fā)展。

6 結(jié)論

1）世界發(fā)達(dá)國家能源結(jié)構(gòu)的成功轉(zhuǎn)型和非常規(guī)油氣資源革命性突破，以及中國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的確立，為中國能源生態(tài)文明發(fā)展指明了方向。從高碳排放煤炭資源向清潔能源發(fā)展已然成為中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主要趨勢。但是煤炭資源平穩(wěn)縮減是中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的重要能源保障策略，由此推行煤與煤層氣共采對于確保煤礦生產(chǎn)安全、緩解清潔能源短缺和降低碳排放等均具有重要的意義。

2）中國煤層氣地面井開采單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)能力差且技術(shù)可復(fù)制性差，而煤礦井下抽采煤層氣濃度低、抽采效率低、資源利用率低，雖歷經(jīng)數(shù)十年煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但仍然還未形成革命性突破，開發(fā)規(guī)模已顯著落后于頁巖氣資源開發(fā)。

3）煤礦區(qū)煤層氣抽采已從早期煤礦瓦斯治理抽放向煤與煤層氣共采轉(zhuǎn)變，形成了如晉城、兩淮和松藻礦區(qū)較為成熟的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式與配套技術(shù)及開發(fā)評價(jià)體系，顯著緩解了煤礦生產(chǎn)安全問題，并提升了煤礦區(qū)煤層氣資源開發(fā)利用效率。

4）煤與煤層氣開發(fā)領(lǐng)域?qū)W者在煤層氣運(yùn)移理論與煤層增透理論技術(shù)方面已取得了一定的成果，形成了多場耦合作用下煤層氣運(yùn)移理論、煤礦生產(chǎn)區(qū)“O”形圈理論、卸壓法和水力法煤層增透理論等，為煤與煤層氣共采技術(shù)開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

5）煤礦井下煤層氣抽采技術(shù)體系相對較為完善，形成了系列施工頂/底板巷道煤層氣抽采技術(shù)和無煤柱煤層氣抽采技術(shù)、高位巷與高位鉆孔煤層氣抽采技術(shù)、導(dǎo)入法與埋管抽采法等技術(shù)方法，并提出了地面井與煤礦井下鉆孔全方位立體式煤與煤層氣共采技術(shù)理念，大幅提升了煤礦區(qū)煤與煤層氣協(xié)同開發(fā)效率。

6）當(dāng)前煤與煤層氣共采領(lǐng)域仍然面臨諸多理論與技術(shù)瓶頸，并且沒有國外相關(guān)理論與技術(shù)借鑒，唯有走理論與技術(shù)原始創(chuàng)新的發(fā)展道路，方能支撐煤與煤層氣協(xié)同安全高效開發(fā)。為此，國家和地方需進(jìn)一步完善煤與煤層氣共采的保障體制，加強(qiáng)煤炭領(lǐng)域和石油領(lǐng)域交流與技術(shù)合作攻關(guān)，并實(shí)施煤與煤層氣共采理論技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。