關于對煤層氣抽采技術試驗的探討

摘要:瓦斯是煤礦開采過程中三大災害之一，結合近年采淮北礦業集團采用定向鉆井技術開采煤層氣取得良好效果的調研，就安全有效地抽采利用煤層氣技術進行了探討。

關鍵詞:煤層氣;開采利用技術;抽采技術試驗

中圖分類號:C93 文獻標志碼:A 文章編號:1673-29IX(2010)03-0196-02

一、煤層氣開發利用現狀

安徽淮北礦區是我國重要的能源生產基地。淮北煤田2000m以淺，保有和預測煤炭資源儲量376億噸，初步估算，埋深在2000米以上煤層氣資源量為3159億m³，其中宿縣礦區的宿東、宿南、南坪向斜、濉肖礦區的肖西向斜為煤層氣富集區，資源量1641億m³。其豐富的煤炭和煤層氣資源是華東地區重要的能源基地。

從淮北礦區煤田地質結構上來看，淮北礦區主要含煤地層為二疊系石盒子組和山西組。一般有11個含煤組，煤層8～36層，總厚度7m～23m，可采厚度2.95m～20.97m。煤層瓦斯含量達10～25m³，瓦斯壓力達3.5～6.0Mpa，主要煤層的含氣飽和度達98%～100%。煤層瓦斯成分主要是CH，僅有少量的CO₂、N₂，CH₄占到91%～98%，但滲透率較低。

多年以來，淮北礦業集團公司積極跟蹤國內外地面瓦斯開發利用的先進技術，積極探索適合淮北礦區條件的地面瓦斯抽采的關鍵技術和施工工藝，以及煤氣共采的途徑，規劃瓦斯利用方案。施工的地面壓裂瓦斯抽采井、采動區卸壓瓦斯抽采井和工作面采空區瓦斯抽采井，井下瓦斯抽采模式探索均取得一定的成效。

1996年3月在蘆嶺礦1。工作面地面打一口抽取8煤層采空區瓦斯試驗井，取得了明顯效果，最高日產氣高達5728m₂/d;2003年蘆嶺礦建立井下瓦斯抽放系統，實現瓦斯民用;同時，2003年蘆嶺礦建成4x1.2MW瓦斯發電站。

通過最近幾年的煤層氣開發實踐，淮北礦業集團逐步理順了地面煤層氣開發利用的基本思路:煤礦瓦斯抽采和利用在定位于煤礦瓦斯防治要求的基礎上，一是以按井上和井下相結合、抽采和利用相結合的思路，抓住下組煤采動后提高了中煤組瓦斯可抽性的有利時機。布置地面井最大限度地預抽中煤組的瓦斯，解決今后中煤組開采時的瓦斯治理難度;二是采用“一井三用”的思路進行地面瓦斯抽采，解決深部下組煤作為保護層的突出問題;同時，提高其他條件下的井下瓦斯抽采力度。

目前，淮北礦業集團公司已累計施工采動區井11口，采空區試驗井3口，煤層氣參數測試井2口，施工地面壓裂井10口，“十一五”期間將在海孜礦施工21口采動區井網。在蘆嶺礦三水平施工6口地面壓裂井(“一井三用”井)網。在朱仙莊礦施工一定量的地面采動區井和“一井三用”井，在瓦斯利用方面，目前僅蘆嶺礦裝機10×500千瓦和海孜礦裝機4×800KW+3×500千瓦瓦斯發電，并于2007年2月18聯合國注冊成功，成為世界第一個煤層氣CDM項目，下一步已規劃進行低濃發電和通風瓦斯利用項目。到目前，瓦斯抽排每年達到1.3億萬立方米以上，已建設煤層氣發電站2座，裝機容量2400萬千瓦。

二、煤層氣抽采利用探索實踐

(一)地面井抽采瓦斯

以淮北蘆嶺礦為例，根據該礦8、10煤層瓦斯特性，二水平10煤為非突出煤層，2000年開始采取先采下保護層10煤，使8煤卸壓的區域性防突措施，先后順序開采了工作面，并在9煤底板打巖巷及打密集穿層鉆孔抽取8、9煤卸壓瓦斯。同時也為地面抽采8、9煤卸壓瓦斯創造了條件。

在1994年桃園礦1018面采用地面垂直井抽放中組煤卸壓瓦斯試驗的成功經驗基礎上，繼而選擇蘆嶺礦Ⅱ，Ⅲ。工作面進行地面鉆井預抽采動區中組煤卸壓瓦斯的再試驗。取得了較好的效果，共抽采純瓦斯248.0萬m³，并隨后推廣至海孜。等工作面，均取得了好的效果，實踐證明，地面鉆井抽采采動區中組煤瓦斯，是治理煤礦瓦斯的一種有效方法之一。

(二)井下瓦斯抽采技術

1.區域性治理瓦斯技術。采用卸壓瓦斯抽采技術，實踐證明，開采保護層是防治瓦斯突出最有效的區域性技術，開采保護層時采用底板巷穿層鉆孔、地面鉆孔等抽采瓦斯方式。底板巷布置于工作面底板20m～30m、巖性較好的巖層中，在底板巷內每隔20m～30m布置一抽采鉆場，每個鉆場內鉆孔呈扇形布置，鉆孔直徑1000mm，充分卸壓區內鉆孔間距為20m～30m。未充分卸壓區內鉆孔間距5m～10m，鉆孔間距以煤層中厚面為準，鉆孔進入被保護煤層頂板0.5。

根據獨特的地質條件，也可采用從高位鉆場或高位巷施工穿層鉆孔至被保護層頂板抽采卸壓瓦斯，鉆孔保護半徑可達1000m，取得了較好的效果，有效地消除了被保護層煤與瓦斯突出危險和保護層開采過程中瓦斯超限問題。

2.穿層鉆孔預抽技術。采用穿層鉆孔預抽煤層瓦斯需要煤層或煤層群具備底板巷，在底板巷內施工鉆場，在鉆場向煤層或煤層群施工穿層鉆孔，每個鉆孔均穿透整個煤層或煤層群。底板抽放巷一般布置在巖性較好、距煤層底板20m一30m的巖層中，在底板瓦斯抽采巷內每隔20m一30m布置鉆場，抽放鉆孔直徑94mm～1OOmm，鉆孔間距設計為5m，鉆孔間距以煤層中厚面為準，鉆孔終孔進入煤層頂板0.5m。機巷和開切眼處要縮小鉆場距離、加密鉆孔，加大鉆孔控制范圍。較好地解決了機巷和切眼掘進時的防突難題，消除突出危險，提高單進水平。

3.順層鉆孔抽采技術。從風巷和機巷分別向工作面煤層打鉆預抽回采工作面瓦斯，根據《礦井瓦斯抽放管理規范》，低透氣性煤層預抽煤層瓦斯鉆孔量要達到0.1m/t以上來設計鉆孔間距，鉆孔直徑為91mm，鉆孔長度根據工作面傾向長度設計。為了縮短開切眼前方部分煤體的瓦斯抽放時問，可在工作面里段補打一定數量的順層鉆孔，鉆孔與巷道煤壁呈75。夾角，與原順層孔交叉布置，以便提高鉆孔抽放效果，并可在回采過程中實現邊采邊抽、卸壓抽放。該措施對減少采煤工作瓦斯涌出量，消除采面瓦斯突出危險有著積極作用。

4.隨采隨抽瓦斯抽采技術。(1)頂板走向鉆孔抽采技術。頂板走向鉆孔主要抽采高瓦斯工作面采空區瓦斯，解決回采時回風瓦斯超限和上隅角瓦斯集聚問題。在回采工作面風巷施工高位鉆場，每個鉆場布置3～6個孔，終孔位于煤層冒落拱一般為3～8倍采高，絕大部分礦井采用此種抽采方式。它是解決工作面回風流及上隅角瓦斯超限的有效措施。(2)高位專用巷道瓦斯抽采技術。在煤層頂板冒落帶頂部施工瓦斯抽采高位巷，抽采本煤層開采期間采空區的瓦斯及鄰近煤層瓦斯。目前，蘆嶺、朱仙莊、海孜3個礦井采用此種抽采方式，其中海孜礦在高位巷施工一段距離后，采用水平巖層長鉆孔代替，取得了較好的效果。(3)采空區埋管瓦斯抽采技術。主要采用上隅角埋管或采空區尾部埋管抽采技術，用作采空瓦斯治理的輔助辦法。祁南礦采用了采空區長立管瓦斯抽采技術，在工作面風巷每隔300m垂直頂底板安裝高度10mt、直徑108mm的抽放立管，抽放頂板走向鉆孔和采空區埋管控制范圍之間的空白帶瓦斯，并可以有效解決頂板走向鉆孔壓茬處瓦斯治理問題。

5.邊掘邊抽瓦斯抽采技術。煤巷掘進采用巷幫邊掘邊抽和迎頭鉆孔卸壓排放相結合的抽排方案，通過向前方煤體打密集排放短鉆孔，能夠在較短的時間內大幅度地降低鉆孔控制范圍的瓦斯含量，降低煤層的彈性潛能和地應力，消除掘進前方煤體的突出危險性。

(三)地面采動區井抽采瓦斯試驗

早在1994年，首先在桃園礦1018工作面開采lO煤時，由地面鉆井抽采中組煤卸壓瓦斯18萬m³(瓦斯含量低)試驗成功，取得一系列抽采參數，并獲得煤炭部科技進步三等獎。

2004年又在蘆嶺礦Ⅱ試驗了一口地面采動區井，獲得成功，抽采291天，單井總產氣量248.5萬m³，最高日產46656m³。而后推廣至海孜礦，先后在三個工作面又打了6口采動井都取得了成功。

海孜礦采動井不僅抽采了中組煤瓦斯，而且抽采了10煤采空區瓦斯，使工作面風排瓦斯量大大減少，實現了工作面安全生產。同時抽出的瓦斯發電每年獲得經濟效益836萬元。采動區井共投產7口，累計產氣量至2007年底1413.46萬m³，平均單井201.9萬m³，效果很好。

(四)定向鉆井一煤層氣高效開采試驗

定向鉆井，簡單說就是讓向地下豎著打的井拐個彎，再順著煤層的方向橫著打井。定向鉆井采集煤層氣的原理同傳統方法一樣，即通過抽水減壓，逼出煤層氣，再進行采集。但兩者的區別在于，傳統方法只用豎井穿到煤層采集，而橫向井順著煤層的走勢大大增加了采氣的面積，因而提高了效率。

三、地面鉆井“一井三用”先抽后采治理瓦斯新思路

從礦區先后試驗三種地面垂直井抽采瓦斯實踐證明:壓裂井在淮北礦區地質條件下要實現商業開發難度大，但作為治理瓦斯的安全措施大面積超前預抽，降低開采煤層瓦斯含量，達到消突的目標，還是有效的。

例如蘆嶺礦，可以先開采10煤層下保護層，解放突出嚴重的8、9煤層是根治瓦斯的最佳選擇，但礦井延深到三水平后，開采10煤就有突出危險，如何解決保護層開采時的消突問題，是目前國內、外最棘手的難題。為此，我們設想在蘆嶺礦三水平，按照采區設計，布置一批壓裂井，提前八至十年，對10煤及8、9煤層進行壓裂預抽，即使單井產氣量達不到商業開發目標，但可達到800～1000m³/日，這就可以預抽10煤層瓦斯30%以上，首先，實現保護層開采的消突問題;其次，當10煤層開采時，二次利用壓裂井(稍加技術改造)改作采動區井，抽采8、9煤層的卸壓瓦斯;再后，開采8煤時，三次利用該井，作為采空區井，抽采8煤工作面采空瓦斯。這樣，就可以實現壓裂井→采動井→采空區井，→井三用最大限度的抽采煤層的瓦斯，達到根治瓦斯的戰略目標。

根據國內外煤礦瓦斯開采利用的經驗，結合我們淮北礦區及蘆嶺煤礦開采做法，蘆嶺礦地面“一井三用”是防治瓦斯，實現安全、高產、高效礦井最根本途徑，本項目受到國家發改委重視，經七個月試驗排采，產氣量已達到預想目標，實踐證明，本項目技術工藝成熟，可以在同類型礦井推廣因而起到示范作用。同時，抽出的煤層氣綜合利用，一舉三得，經濟、社會效益可佳，對試驗中的關鍵問題，如區塊優選，針對不同結構煤層采用不同壓裂方案，加大壓裂注砂規模，采取增注C02等措施，試驗證明，對提高地面壓裂井產氣是有效的。淮北礦業瓦斯利用技術研發，技術成果通過了專家鑒定，達到了國際先進水平，為大規模利用煤礦瓦斯積累了經驗。