晉煤集團煤礦瓦斯災害地面防治經驗

何慶宏 趙祉友 張 蒙

(1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 048000；2.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 048000；3.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048000)

煤礦瓦斯是井下采掘的三大殺手之一，但瓦斯爆炸是可以預防的，瓦斯突出也是可以預測的，煤礦瓦斯災害防治重要的是應該研究解決煤礦瓦斯的綜合利用問題，變害為利，采煤之前先開采煤層氣能有效地減少煤礦瓦斯。

山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司(以下簡稱“晉煤集團”)是全國最早工業化開采煤層氣的企業，自20世紀90年代初開始煤層氣勘探開發工作，經過多年的探索與實踐，形成了以煤層氣勘探、開發為龍頭，集煤層氣抽采、壓縮、液化、輸送、加注、民用、車用、發電等于一體的上下游完整產業鏈和商業模式，推動晉煤集團建成了地面開發、井下抽采、壓縮、液化、發電等5項全國規模最大的示范基地。主要實施單位山西藍焰煤層氣集團有限責任公司(以下簡稱“藍焰公司”)是晉煤集團下屬專門從事煤礦瓦斯地面治理的企業，成立初衷就是為煤礦服務，通過現場試驗和工程示范，已掌握了煤層氣井設計、鉆井、壓裂、集輸和利用等環節的系列技術。在煤礦瓦斯災害防治和煤層氣地面抽采取得一定成就，為煤礦安全提供保障，提供清潔能源。

為此，文章總結了30年來晉煤集團在煤礦瓦斯災害防治和煤層氣地面抽采方面的先進技術和經驗，以期為國內外其他區塊煤層氣開發提供借鑒與思路。

1 概述

為保障煤礦安全生產，晉煤集團創新的提出了采煤采氣一體化煤與煤層氣共采技術體系，形成了瓦斯抽采“晉城模式”，實現了地面與井下聯合抽采煤層氣。針對煤礦規劃區、準備區、生產區，分別實施采前抽、采中抽、采后抽，煤礦區煤層氣地面抽采，切實降低了煤層瓦斯含量。同時加強煤炭和煤層氣開發的溝通和協調，形成煤與煤層氣共采的良好局面，對于提高煤層氣抽采效率、解決礦井生產銜接緊張、促進煤層氣與煤炭兩種資源健康協調發展，具有十分重要的作用。根據煤礦采掘計劃，按其針對的區域對象，可分為常規防治和重點防治，常規防治為煤礦采前地面預抽井技術和煤礦區采空井技術，重點防治包括煤礦區采動井技術、煤礦重點災害區域防突井技術、煤礦立井快速揭煤中徑向井壓裂增透技術。

2 煤礦采前地面預抽井技術

對于煤礦瓦斯壓力達到0.74MPa以上或瓦斯含量達到8m3/t以上的煤層，至少提前5年以上施工地面煤層氣預抽井進行抽采，能大幅度的降低煤層瓦斯含量，達到地面煤層氣預抽效果。藍焰公司在晉煤集團施工的煤層氣抽采效果測試評價結果可知，寺河煤礦區域抽采8年后，煤層瓦斯含量最高每年降低2m3/t；成莊煤礦區域抽采8年后，煤層瓦斯含量最高每年降低1m3/t。

近年來隨著煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術的發展，針對不同的地質條件，開發出連續油管壓裂L型井抽采技術、煤層氣工廠化L型井平臺抽采模式、松軟低滲煤層頂板鉆井定向射孔分段壓裂技術、過采空區抽采下組煤煤層氣技術等多種地面預抽技術，抽采效果明顯。結合山西省瓦斯抽采全覆蓋工程，煤層氣地面預抽技術已由晉城礦區推廣至陽泉、西山、呂梁等多個地區的煤礦應用。2019年藍焰公司煤層氣抽采量為1.48×109m3。

3 煤礦采空區井技術

寺河煤礦周邊多小煤窯，自從關停之后，存在許多采空區，為避免采空區瓦斯涌入寺河采掘區域，藍焰公司在地面施工了部分采空區井，目前一般采用裸眼完井工藝(目標段無套管或為篩管)，其關鍵是為保障鉆井成功，在直井過采空區時，鉆進至3號煤層頂板以上30m位置將循環介質更換為氮氣，直至二開結束。后利用地面真空抽采設備抽采，此項技術在補充地面煤層氣氣源的同時，降低煤礦瓦斯災害風險。此技術已在晉城礦區岳城、晉圣、侯村等煤礦應用，并推廣至陽泉礦區、西山礦區。

JSCK-02井，日均產氣量3700m3/d，井口壓力-11kPa，甲烷濃度85%，累計利用量超5.5×106m3；YCCK-11井，日均產氣量3500m3/d，井口壓力9kPa，甲烷濃度95%，累計利用量超4.5×106m3。

4 煤礦區采動井技術

利用煤礦開采過程中的擾動對地下滲透性的積極影響，利用前期地面預抽井改造或后期施工采動井(包括垂直井、頂板L型井等)，盡可能多的抽采煤礦工作面采煤過程中釋放的煤礦瓦斯，確保上隅角瓦斯不超限。該技術已在晉城礦區取得良好效果，其技術要點是采動井位布置，通過理論分析及現場實踐，采動井以布置在回風巷側40～80m 為宜。因采煤方式所決定，大采高工作面的采動井特點為短暫而快速，瓦斯抽采量相比預抽井而言，工作面采完則采動井抽完，抽采量相當，但安全效益明顯。此技術已在晉城礦區寺河、成莊、岳城等煤礦應用，并推廣至大同礦區、陽泉礦區、西山礦區。

在寺河煤礦3313工作面頂板裂隙帶施工的一口定向L型井，運行10個月，平均抽采瓦斯純量2.2×104m3/d，總抽采量6.5×106m3，抽采濃度最高達96%，平均80%，抽采純量最高達3.16×104m3/d。

岳城煤礦為分層開采，瓦斯來源充足，在岳城礦1303(下)工作面距切眼700m施工的YCCD-02井，投運后日均抽采瓦斯量1.54×104m3/d，平均抽采濃度達55.3%。工作面推至井位處時，抽采瓦斯最大純量3.79×104m3/d。該井自2013年開始抽采至今，累計抽采瓦斯量3.10×107m3。

5 煤礦重點災害區域防突井技術

針對煤礦準備區，因煤礦采掘所至地面未布置煤層氣井，為盡快降低煤層氣瓦斯含量，防止煤礦瓦斯災害發生，保證煤礦采掘安全，其主要可采取三種方式消突：①可在此先施工煤層氣井，確保井下安全的同時采用大規模體積壓裂技術，再施工井下千米鉆孔進行抽采；②先施工井下千米鉆孔至煤層氣井壓裂影響區域，再進行煤層氣井地面壓裂；③利用地面原有煤層氣井，從井下施工定向千米鉆孔與該井對接，利用地面大規模壓裂井下鉆孔，盡可能擴大裂縫影響范圍，提前釋放煤層瓦斯壓力，提高煤層滲透性，能大幅度提高井下瓦斯抽采量，并縮短抽采時間。此技術已在寺河、成莊、趙莊等煤礦應用。

(1)先施工井下鉆孔后壓裂直井聯合抽采技術

采用“先布孔、后壓裂”的聯合方式，提前向壓裂裂縫帶120～180m區域內施工定向鉆孔，在保證鉆孔不被壓穿的前提下，及時抽采壓裂過程中被驅替出的瓦斯。

2012年，在趙莊礦1308準備工作面進行了“先布孔、后壓裂”聯合抽采示范，抽采效果明顯提高，百米鉆孔流量提高7倍，累計瓦斯抽采量提高8.5倍，抽采達標時間縮短57%，突出危險性大幅減小。

(2)先壓裂直井后施工井下鉆孔聯合抽采技術

采用“先壓裂、后布孔”的聯合方式，在預測裂縫層位的基礎上，通過施工煤層頂(底)板梳狀鉆孔、順煤層分支孔，繞開裂隙破碎區，在裂縫系統重新閉合前及時抽采裂縫中大量瓦斯。

2014年，在成莊礦四盤區采用“先壓裂、后布孔”的方式進行聯合抽采示范，分別滯后不同時間對壓裂區域施工鉆孔。綜合比較得出，壓裂后2～4個月內施工井下抽采鉆孔，成孔率達81%，抽采流量平均提高2倍，最高增加近20倍，效果最佳。

(3)通過地面井實施井下長鉆孔壓裂抽采技術

采用“地面直接壓裂井下鉆孔”的聯合方式，利用地面壓裂裝備優勢和井下定向布孔優勢，通過優化高壓油管連接和井下封孔技術，實現對井下定向鉆孔的大規模壓裂和高效抽采。

2014年，在寺河礦三盤區進行“地面直接壓裂井下鉆孔”聯合抽采示范，壓裂孔最高抽采量8.8 m3/min，平均5.2m3/min，提高了5倍，最高抽采濃度92%，平均抽采濃度為72.5%，累計抽采時間9個月，抽采瓦斯純量達到2.05×106m3。

6 煤礦立井快速揭煤中徑向井壓裂增透技術

采用徑向井引導壓裂技術，針對地層裂縫的分布，應力走向，進行方向可控、可選擇性的多層位、多方位、多分支的水力噴射鉆孔，然后實施壓裂作業，對壓裂作業起到一個引導作用，極大程度的提高了壓裂的效果，通過壓裂將儲層中大面積的裂縫溝通，生成多條大裂縫通道，形成大面積相聯通的裂縫網絡，可大幅度提高獨立徑向鉆井和壓裂作業的效果。

2014年，趙莊煤礦南蘇進風立井揭煤時受瓦斯壓力和瓦斯含量影響，煤層氣透氣性較低，傳統的揭煤工藝中瓦斯治理環節抽采鉆孔施工數量多、時間長，瓦斯抽采達標時間長，立井揭煤速度較慢，此時利用附近的煤層氣井，采用徑向鉆井導向壓裂技術，對立井區域煤層進行增透，通過現場試驗發現，徑向鉆井導向壓裂能增加裂縫延伸范圍，大幅提高煤層透氣性，縮短揭煤周期，保證安全、高效的揭開煤層。整個揭煤過程由原定的約7個月時間縮短至40天，加快了揭煤進度，既安全又高效，對于簡化工序、減少隱患、提高效率具有積極的作用。

7 存在問題和未來工作重點

煤礦瓦斯治理與煤層氣開發是從安全與資源角度出發的兩個不同說法，從安全角度出發是煤礦瓦斯治理，煤礦采掘速度倒逼瓦斯抽采技術發展；從資源角度出發是煤層氣開發，能源急需補充推動煤層氣抽采技術發展。

(1)相對煤礦采掘速度而言，煤層氣(煤礦瓦斯)抽采是一個緩慢的過程，往往需要提前數年進行，地面瓦斯治理投入成本較高，煤礦區煤層氣地面抽采安全效益大于經濟效益，如何尋求安全與資源的平衡點，是目前面臨的問題。

(2)另外部分煤礦的滲透性不佳，不論是地面還是井下的瓦斯抽采效果均不好，無法滿足煤礦采掘速度，煤礦瓦斯治理技術亟待突破。

根據國家煤礦安全監察局發布的《煤礦安全生產“十三五”規劃》，“深化瓦斯災害治理”，推進煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井先抽后建、先抽后掘、先抽后采，預抽達標。“災害治理工程”，實施煤層氣(煤礦瓦斯)抽采工程，大力推進煤與瓦斯突出礦井先抽后建、先抽后掘、先抽后采。實施致災因素普查及治理工程，建設一批瓦斯綜合治理示范工程。

煤層氣抽采利用，降低煤礦瓦斯災害，提高煤礦采掘安全，補充我國能源缺口，雙重效果突出明顯。

(1)調動煤層氣開發企業、煤礦生產單位的行業聯動積極性；

(2)發揮科研平臺作用，研究、示范、推廣一體化產業實施；

(3)設立重點研究方向、重點攻關課題，鼓勵并推廣成熟技術。