淺析煤與瓦斯共采技術

姜海鵬

(中國礦業大學)

·試驗研究·

淺析煤與瓦斯共采技術

姜海鵬

(中國礦業大學)

近年來,隨著開采深度和集約化生產程度的迅速提高,地質條件越來越復雜,煤層瓦斯已成為制約礦井安全高效生產的關鍵因素。煤層瓦斯是一種具有強烈溫室效應的氣體,其大量直接排放將嚴重污染大氣環境,但是,瓦斯又是經濟的可燃氣體,是一種清潔、方便、高效的能源。我國埋深在2 km以內的煤層瓦斯儲量為32～35×101 2m3,幾乎與常規天然氣資源量相當,大力開發煤層氣,既可以充分利用地下資源,又可以改善礦井安全生產條件和提高經濟效益,并有利于改善地方環境質量和全球大氣環境。因此,如何更有效地開發和利用煤層瓦斯,實現煤與瓦斯兩種資源的安全高效共采,一直以來都是廣大科研工作者努力的方向和目標。論述了我國煤與瓦斯共采現狀、技術理論基礎、原理、需解決的關鍵問題及其研究方向。

煤；瓦斯；共采;問題；原理；研究方向

1 我國煤與瓦斯的現有情況

我國的煤炭資源較豐富,目前的保有儲量1 100多億t，且有48%的煤層屬于高瓦斯和突出煤層,因此，瓦斯儲量豐富。埋深2 000 m以淺已探明煤層氣資源約為31萬億 m3,位列世界第三。但我國大規模的商業化瓦斯開采尚處于起步階段,國家的相關產業政策出臺較晚,或尚不明朗。這里有認識和技術問題,更有我國煤層的透氣性差,抽放困難等原因。煤層氣體壓力也對瓦斯的抽放起著重要作用,有關資料表明,我國煤層壓力普遍偏低,這對抽放瓦斯極為不利。中國的含煤地層一般都經歷了成煤后的強烈構造運動,煤層內生裂隙系統遭到破壞,成為低透氣性的高延性結構。目前,我國瓦斯勘探和開發的主要煤階是中階煤和高階煤,具有很強的非均質性,導致井網的井間干擾效應降低,相互間不能形成有效的聯系,水力壓裂增產效果也不明顯。

2 煤與瓦斯共采技術的理論基礎

限制我國高瓦斯礦井井下瓦斯抽放的原因,主要是煤層的低滲透率和高可塑性,使得沿煤層打鉆孔困難,煤層采前預抽效果較差。由于我國含煤地層一般都經歷了成煤后的強烈構造運動,煤層內生裂隙系統遭到破壞,塑變性大大增強,因而成為低透氣性的高可塑性結構,這使得地面鉆孔完井后采氣效果差,水力壓裂增產效果不明顯。而且煤層普遍具低滲透率,一般在0.000 000 1×0.000 001 μm2范圍內,水城、豐城、霍崗、開灤、柳林等滲透率較好的礦區也僅為0.1×10-3～1.8×10-3μm2,這一特點決定了我國地面開發煤層氣的難度很大。鑒于此,我國煤層氣開發生產的重點應放在井下,利用井下的采掘巷道,并盡量利用煤層采動影響,通過打鉆孔和其它各種有效技術強化煤層的瓦斯抽放。同時,應進一步研究和不斷完善提高煤層滲透率的技術和鉆孔技術,研究提高氣體質量的技術,研究井下煤炭與瓦斯的協調開采配套技術以及煤礦瓦斯利用技術,使之與井下煤層氣開發產業配套,實現煤與瓦斯的安全共采。現場測定和實驗研究表明,不論原始滲透系數怎樣低的煤層,在采動影響煤層卸壓后,其滲透系數會急劇增加,煤層內瓦斯滲流速度大增,瓦斯涌出量也隨之劇增。因此,只要合理布置鉆孔位置和其它相關參數,完全能夠高效地實現瓦斯抽放。

3 煤與瓦斯共采需要解決的關鍵問題

3.1深入的理論研究

利用采動卸壓場與裂隙場增加煤層瓦斯的解吸速度與煤巖的透氣性,實現礦井煤與瓦斯雙能源開采的思想提出來已經有幾年了,按照這一技術思路,我國相關大學和企業進行了必要的研究和工程實踐,取得了一定的成果,但是總體上,理論研究有落后于工程實踐的趨勢,今后在理論上需要解決的主要問題有：

1) 采動裂隙場的透氣規律研究。經過多年采礦學者和技術人員的研究,目前對于采動卸壓場和裂隙場的范圍已經有了相對成熟的成果和研究手段,研究的技術思路上也相對成熟,有經驗的學者已經能夠估算出采動卸壓場和裂隙場的范圍以及隨采動影響的變化規律,這對于裂隙場卸壓抽放瓦斯具有重要的指導作用。但是對于裂隙場內巖體的破裂情況及破裂分布尚沒有相對成熟的研究成果,對于瓦斯氣體在裂隙場內的解吸、擴散、滲流等規律以及裂隙場內的透氣性等還有待進一步研究。

2) 瓦斯濃度分布規律研究。進行煤與瓦斯抽放時的一個重要問題就是要掌握高濃度瓦斯的分布規律,為抽放工程設計提供理論指導。目前需要深入研究的有卸壓帶、采空區、上覆巖層裂隙場內等不同瓦斯濃度的分布規律,以及它們隨著工作面推進風量變化等的動態變化規律。

3) 瓦斯抽放時的流動規律。主要研究采空區和裂隙場內進行不同壓力抽放時瓦斯流動規律、瓦斯氣體與裂隙巖體的耦合相互作用規律,研究原始煤體、卸壓帶與裂隙帶內瓦斯抽放過程中固體煤巖物理力學性質的變化,尤其是抽放過程中透氣性變化規律等,這些工作需要大量的室內試驗和研制專用的試驗設備及大量的現場觀測與試驗研究。

3.2增加和穩定抽放的瓦斯濃度

在原始煤體中進行預抽放的瓦斯體積分數可以達到30%以上,但是由于原始煤巖的透氣性低,抽放難度較大,且一般只能抽出煤層瓦斯的20%～30%,煤體中還殘留大量瓦斯。在高位裂隙帶內抽放的瓦斯體積分數可以達到20%以上,這兩部分抽出的瓦斯濃度相對較高,目前大部分進行了利用,具有利用的前景和可行性。

在煤層卸壓帶內和采空區抽出的瓦斯體積分數一般均低于20%,大部分為13%～15%,這主要是由于卸壓帶內煤巖破裂、空氣滲入,采空區頂板垮落,大量空氣混入等原因,對于這些相對濃度較低的瓦斯輸送、利用和安全保障技術等還需要進一步研究。

3.3低濃度瓦斯利用與提純

除了原始煤層中預抽和高位裂隙帶內抽出的瓦斯濃度相對較高外,采空區、卸壓帶內抽出的瓦斯濃度相對較低,巷道風排的瓦斯濃度更低,但是這些低濃度的瓦斯量很大,一般會占瓦斯總量的50%以上,如何安全利用這些低濃度瓦斯,一直是瓦斯作為能源開采時的最大障礙之一。目前,在這些方面進行了許多探討和研究,但是核心問題,如輸送與使用的安全問題、提純的高成本問題等,依然沒有解決。

4 煤與瓦斯共采技術原理

煤層的采動會引起其周圍巖層產生“卸壓增透”效應,即引起周圍巖層地應力封閉的破壞(地應力降低-卸壓、孔隙與裂縫增生張開)、層間巖層封閉的破壞(上覆煤巖層垮落、破裂、下沉、下位煤巖層破裂、上鼓)以及地質構造封閉的破壞(封閉的地質構造因采動而開放、松弛),三者綜合導致圍巖及其煤層的透氣性系數大幅度增加,為卸壓瓦斯高產高效抽采創造前提條件。煤層卸壓瓦斯的流動是一個連續的兩步過程:

1) 以擴散的形式,瓦斯從沒有裂隙的煤體流到周圍的裂隙中去。

2) 以滲流的形式,瓦斯沿裂隙流到抽采鉆孔處。卸壓瓦斯的運移與巖層移動及采動裂隙的動態分布特征有著緊密的關系。

4.1低濃度瓦斯利用與提純

高抽鉆孔組抽采技術原理。煤層開采將引起巖層移動與破斷,并在巖層中形成采動裂隙。按采動裂隙性質可分為兩類:一類為離層裂隙,是隨巖層下沉在不同巖性地層之間出現的沿層裂隙,它可使煤層產生膨脹變形而使瓦斯卸壓,并使卸壓瓦斯沿離層裂隙流動;另一類為豎向破斷裂隙,是隨巖層下沉破斷形成的穿層裂隙,它構成上下層間的瓦斯通道。當采空區頂板充分垮落后,采空區中部巖層和下方的矸石緊密接觸,從而使得采空區中部頂板巖層裂隙基本被壓實,結合采場空間特點,采空區四周形成了一個環形的采動裂隙發育區,文獻稱之為“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采動影響的煤層瓦斯在含量梯度和壓力梯度作用下以擴散和滲流的形式向“O”形圈內運移,使得“O”形圈成為卸壓煤層瓦斯聚集和運移的主要通道。

卸壓瓦斯“O”形圈抽采理論表明,卸壓瓦斯抽采鉆孔的合理位置應打到離層裂隙的“O”形圈內。高抽鉆孔組就是在沿工作面傾斜方向靠近回風巷側布置一組千米大直徑抽采鉆孔,利用采動裂隙“O”形圈作為運移通道來抽采采空區瓦斯。高抽鉆孔組布置靠近在“O”形圈的回風側,改變了采空區瓦斯流場,有效解決上隅角瓦斯超限問題,且“O”形圈長期存在,抽采鉆孔能夠長時間、穩定的抽采出高含量瓦斯。

4.2頂板裂隙鉆孔組抽采技術原理

采用全部垮落法管理頂板時,上覆巖層下沉穩定后,在采動區沿垂直方向由上至下形成了冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。研究表明,在回采過程中,靠近工作面一定范圍內的采空區中部上覆巖層離層裂隙發育,結合采動裂隙“O”形圈,在采空區豎直方向上,形成了一個“∩”形拱，采動裂隙區，采空區不同瓦斯涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采動裂隙帶裂隙通道上升,上升中不斷摻入周圍氣體,使涌出源瓦斯與環境氣體的密度差逐漸減小直到密度差為零,混合氣體則會聚集在裂隙帶上部的離層裂隙內。涌入采空區的瓦斯,在其含量梯度作用下引起普通擴散,由于空氣的重力產生方向向下的壓強梯度,則其產生的擴散流方向,與壓強梯度反向,即瓦斯氣體具有向上擴散的趨勢。因此,在瓦斯浮力、含量梯度及通風負壓的作用下“∩”形拱采動裂隙區成為瓦斯聚集區,為采動裂隙帶內鉆孔抽采、巷道排放等治理瓦斯技術提供依據。

如,華晉焦煤集團公司沙曲礦近距離高瓦斯煤層群的賦存特性瓦斯涌出量大,僅靠高抽鉆孔組不能完全解決沙曲礦的瓦斯治理難題,因此,基于上述理論分析,在采空區頂板裂隙區布置頂板裂隙抽采鉆孔組。頂板裂隙鉆孔組加強了采空區瓦斯抽采,直接對上鄰近層卸壓瓦斯進行抽采,減弱了采空區瓦斯涌出強度,從根本上解決瓦斯超限難題。

4.3構建煤與瓦斯共采技術體系

依據以上分析研究,結合本煤層預抽法,構建沙曲礦近距離高瓦斯煤層群“煤與瓦斯共采”技術體系,見圖1。

圖1 沙曲礦煤與瓦斯共采技術構成框圖

5 煤與瓦斯共采的研究方向

1) 煤與瓦斯共采是煤礦綠色開采的重要分點，將煤層氣開采出來將是煤與瓦斯共采的一條重要途徑。在井下因采動影響地層壓力發生變化,由于開采卸壓,煤層中的瓦斯壓力升高,煤中原來的孔裂隙系統的毛細管力反而降低,極易被瓦斯突破形成更大的孔裂隙系統,結果瓦斯解吸運移過程加劇。因此,合理利用采動礦山壓力引起的巖層活動規律,有效地進行井下瓦斯抽放和地面煤層氣開發,是煤與瓦斯共采的關鍵技術問題。巖層運動中的關鍵層理論、煤與瓦斯突出的流變機理和球殼失穩理論等對煤與瓦斯共采技術的應用發展有著重要參考價值。

2) 在進行煤與瓦斯共采技術的研究過程中,應該具體情況具體對待,多提出一些有針對性的瓦斯抽取新技術,如松藻打通一礦的采煤工作面特異型瓦斯涌出及抽放研究,打通二礦的綜合瓦斯抽放技術提高工作面瓦斯抽放率研究等。同時應該注重將井下瓦斯抽取與地面煤層氣開采有機地結合起來,形成一整套屬于煤與瓦斯共采的基礎理論和技術體系,從而在煤礦區真正實現煤與瓦斯共采,更好地為煤礦綠色開采服務。

[1] 吳佩芳.中國煤層氣產業發展面臨的機遇和挑戰[C].2002年第三屆國際煤層氣論壇論文集.徐州:中國礦業大學出版社,2002:20-21.

[2] 許家林,錢鳴高.巖層采動裂隙分布在綠色開采中的應用[J].中國礦業大學學報, 2004,33(2):141-149.

[3] 袁亮.高瓦斯礦區復雜地質條件安全高效開采關鍵技術[J].煤炭學報,2006,31(2):174-178.

[4] 秦躍平,姚有利,劉長久.鐵法礦區地面鉆孔抽放采空區瓦斯技術及應用[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2008,27(1):5-8.

[5] 孫榮軍,魏剛,吳璋,等.頂板近水平鉆孔替代閉式高抽巷進行瓦斯抽放的試驗研究[J].煤田地質與勘探,2005,33(5):19-22.

[6] 錢鳴高,許家林,繆協興.煤礦綠色開采技術[J].中國礦業大學學報,2003,32(4):343-347.

[7] 馮三利.我國煤層氣開發利用現狀、產業發展機遇與前景[C].2006年煤層氣學術研討會論文集.北京:地質出版社, 2006.

[8] 金學玉.淮南礦區煤層氣綜合利用及展望[J].中國煤層氣, 2004 (2):31-32.

[9] 孫榮軍,魏 剛,吳 璋.頂板近水平鉆孔替代閉式高抽巷進行瓦斯抽放的試驗研究[J].煤田地質與勘探,2005,33(5):19-22.

[10] 夏紅春,程遠平,柳繼平.利用覆巖移動特性實現煤與瓦斯安全高效共采[J].遼寧工程技術大學學報.2006,25(2):168-171.

AnalysisonCommonExtractionTechnologyofCoalandGas

JiangHai-peng，WangShu-rui,GaoYa-bin

In recent years, with mining depth and intensive production levels rapidly increased, more and more complex geological conditions, coal mine gas has restricted the key to safe and efficient production. Coal-bed methane is a powerful greenhouse gas, the large number of direct emissions will pollute atmosphere, but the gas is flammable gas economy, is a clean, convenient, efficient energy. 2 km depth in China's coal seam gas reserves within 32～35×1012m3, almost the very high volume of conventional gas resources, vigorously develop coal-bed methane, can make full use of underground resources, but also to improve mine safety production conditions and enhance economic efficiency, and help to improve local environmental quality and global atmosphere. Therefore, how to more effectively develop and utilize coal gas, coal and gas resources to achieve safe and efficient extraction, it has been the efforts of scientific researchers and the general direction and goals.Discusses the current situation of exploitation of coal and gas in our country,technical theoretical basis,principle,the key problem to resolve and the research direction.

Coal; Gas; Co-mining;Problem;Principle;Research direction

姜海鵬 男 1990年出生 2007年中國礦業大學在讀本科生 徐州 221116，王術睿, 高亞斌

TD823.82

A

1672-0652(2010)07-0047-04

2010-05-13