山西省廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發關鍵問題與對策

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關鍵問題與對策

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實驗室，山西 晉城 048012；2. 易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 太原 030031；3. 太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；4. 中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；5. 山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204；6. 山西省煤炭地質勘查研究院，山西 太原 030031)

隨著我國煤炭去產能政策的有力實施，一批資源枯竭及產能落后礦井將陸續關停廢棄。廢棄礦井仍賦存著大量的煤層氣資源，其開發利用是實現煤炭產業清潔安全高效低碳發展、促進煤礦安全生產、優化能源結構、實現溫室氣體減排等方面的重要舉措。基于山西省煤基重點科技攻關(煤層氣產業鏈)項目相關研究，系統闡述了廢棄礦井煤層氣開發面臨著資源量評價不準、鉆進體系不健全、井上下聯合缺失等關鍵問題。針對這些問題提出以下幾點對策：廢棄礦井精準地質探測是采空區地面鉆井軌跡設計的重要依據，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達到米級才能有效降低鉆遇煤柱風險；優選廢棄礦井煤層氣地面“L”型鉆井思路，即選采空區周邊一定距離的保安煤柱作為L型井位，并配套特殊鉆進工藝；煤礦企業應將廢棄礦井資源開發利用納入煤礦全生命周期規劃，尤其是礦井廢棄前應確保煤層氣抽采通道暢通，以實現煤層氣井“一井多用”的新型井上下聯合開采模式，提高廢棄礦井煤層氣開發效率；采用防回火、各種傳感器等裝置，并對關鍵參數設置自動報警停機界限值，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，需要采取相應的梯級利用模式，從而提高整體開發利用價值。以山西省廢棄礦井為示范區，研究認識對推動全國煤礦區廢棄礦井煤層氣開發利用具有重要的指導和示范意義。

廢棄礦井；煤層氣；開發利用；關鍵問題；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。我國長期高強度的煤炭開采形成大面積的采空區和數量眾多的廢棄礦井，隨著我國煤炭供給側結構性改革政策的有力實施，促使部分資源枯竭、產能落后的煤礦加快關停廢棄[1]，謝和平等[2](2017)統計得出，自2014年初至2016年底全國已關停煤炭礦井數量達2 858個。中國工程院《我國煤炭資源高效回收及節能戰略研究》重點咨詢項目研究表明，至2020年，我國廢棄礦井的數量將達1.2萬處，到2030年將達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，對其進行開發利用具有十分重要的理論意義和工程應用價值。國家將煤層氣開發工程視為生命工程和資源工程[4-6]，國家能源局關于印發煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十三五”規劃的通知中明確指出：廢棄礦井殘存煤層氣開發利用或將成為煤層氣產業新的增長點，應建設一批示范工程，并研發推廣廢棄礦井殘存煤層氣開發利用技術。

我國廢棄礦井采空區煤層氣資源開發利用率處于極低的水平，不僅造成資源的巨大浪費，還造成廢棄礦井采空區煤層氣逸散到大氣中增加溫室效應，進而誘發后續的環境及社會問題。因此，對廢棄礦井采空區煤層氣進行地面開發，不僅可改變井下傳統的被動式煤層氣開發模式，形成地面主動式煤層氣開發方式，還有助于推動我國煤層氣產業實現“資源–環?！本G色發展。

依托山西省煤基重點科技攻關(煤層氣產業鏈)等科研項目，經過近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利用達到了一定應用規模，實施成效較為顯著。筆者對山西省廢棄礦井煤層氣開發技術進行了初步總結，提出了廢棄礦井煤層氣地面鉆井開發中面臨的關鍵問題和主要對策。

1 廢棄礦井煤層氣資源開發現狀

廢棄礦井煤層氣開發技術是繼井下煤層氣抽采、地面預抽井開采、地面采動井開采等開發技術之后而發展起來的一種新的煤層氣開發技術方式，具體為從廢棄或已停采的煤礦中將聚集在巷道、鄰近巖層和采空區殘煤中的煤層氣開發出來并加以利用。世界各國都很重視廢棄礦井煤層氣資源評價與開發[7-9]，廢棄礦井煤層氣開發工藝技術首先在英國進行了試驗，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利用研究。

1.1 國外開發利用現狀

廢棄礦井煤層氣開發技術首先在英國取得了商業性成功，其開發利用技術處于世界領先水平。英國廢棄礦井煤層氣開發方式主要有兩種：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或采掘卸壓地區施工大直徑地面鉆孔抽采煤層氣。從20世紀50年代開始英國在北威爾士郡進行較大規模的廢棄礦井煤層氣抽采與利用工程，60年代很多煤礦已經建立了煤層氣利用系統，主要供煤層氣發電及管網集輸后民用或工業使用。2014年有15個正在運行或在建的廢棄礦井煤層氣發電項目，總裝機容量約52 MW[7]，2016年全國總裝機容量達到60 MW。

德國在魯爾區廢棄礦井進行煤層氣開發，總結了一些寶貴經驗，在廢棄礦井即將關閉前封閉礦井巷道，利用原井筒或地面重新鉆井等方式實現煤層氣資源開發目的。如圖1所示，德國煤礦開采過程中為采空區煤層氣開發預留專門的管道，通過原井筒連通至地面開發利用設施，廢棄礦井采空區煤層氣開發取得了良好的效果。在沒有預埋管道的采空區，采用地面重新鉆井開發采空區煤層氣，也取得了很好的效果。德國在魯爾區和薩爾州等礦區開展了廢棄礦井煤層氣開發[9]，其中規模最大的斯蒂亞格新能源公司年開發利用廢棄礦井煤層氣約3億m3(折純)，年發電量約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容量達到了175 MW[10]。

注：右圖中1—10為預留的管道或閥門。

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利用原采動區煤層氣井及通風井進行煤層氣開發，雖然濃度較低，但通過與常規高濃度煤層氣摻混后可以達到管網安全集輸的要求。RavenRidge能源公司已經開發了可以用來模擬計算廢棄礦井煤層氣資源量的軟件系統，并對外服務。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和利用，總抽采利用量約1.6×108m3[11]。

1.2 國內開發利用現狀

我國煤層氣開發利用技術主要是從生產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技術尚處于探索階段[12–13]。1994年在鐵法礦區首次進行了伴隨采煤影響的采空區地面垂直鉆井開發煤層氣技術試驗。中煤科工集團西安研究院有限公司2000年開始進行廢棄煤礦甲烷資源量評價和開發技術研究工作。

國內在中外聯合的基礎上做了一些理論基礎研究工作，主要開展了廢棄礦井采空區煤層氣來源及賦存規律狀態、資源量評價及地面井位優化模擬與瓦斯滲流模型等方面研究，并形成了一些認識和共識。20世紀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”“豎三帶”的整體認識，即沿工作面推進方向覆巖將分別經歷煤壁支承影響區、離層區、重新壓實區，由下往上巖層移動分為垮落帶、導水裂隙帶和整體彎曲下沉帶。覆巖移動變形破壞機理等理論的重要成果，有助于提高及深化對采空區煤層氣富集運移規律的認識。

山西省煤炭地質勘查研究院實施的“山西省煤炭采空區煤層氣資源調查評價”項目是國內首次在省級范圍內就采空區煤層氣資源情況進行摸底調查，于2018年通過驗收。依據該項目的主要成果，至2017年底，山西省生產及在建礦井數為1 026座，關閉煤礦52座，共化解產能4 590萬t/a。山西省有開發利用價值的煤炭采空區面積約2 052 km2，預測殘余采空區煤層氣資源量約726億m3，其中7個煤層氣含量較高的礦區(西山、陽泉、武夏、潞安、晉城、霍東、離柳)，采空區面積達870.92 km2，預測煤層氣資源量約303.95億m3(表1)，部分地區資源相對富集，值得開發利用。但山西省煤炭采空區(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資料不完整，不少采空區邊界與現有煤炭礦業權范圍交錯，使得集中連片開發、持續穩定利用面臨諸多不確定性，導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《關于開展煤炭采空區(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗有關事項的通知》規定，加快實施如減免費用、試采許可、用林用地支持等鼓勵煤炭采空區(廢棄礦井)煤層氣開采試驗的配套政策，并通過選點試驗、分類施策，進一步深化對煤炭采空區(廢棄礦井)煤層氣資源的規律性認識，提高規?；盟剑M而形成具有山西特色的成套經驗，對于推動全省煤層氣資源綜合利用、消除煤炭采空區(廢棄礦井)瓦斯溢出安全隱患、增加全省清潔能源供應、服務全國能源革命戰略，具有重要意義。

表1 山西省7個礦區煤炭采空區煤層氣資源量統計

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

2 廢棄礦井煤層氣開發面臨的主要問題

廢棄礦井煤層氣開發涉及通風、采煤、水文地質、煤層氣地質、構造地質、物探及流體力學等多學科理論與工程研究，尚未建立系統性理論基礎，現有開發技術仍處于經驗性摸索階段，所以必須進行技術理論體系探索研究和開發工藝優化。開發過程中需要解決煤層氣資源量估算、井位層位設計、鉆采施工等諸多技術難題。

2.1 廢棄礦井采空區煤層氣開發存在一定盲目性

1) 煤層氣資源評價指標不準

廢棄礦井煤層氣由采空區內殘煤、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；采空區形成后往往會有大量地層水通過裂隙帶涌入采空區內，這部分積水對采空區殘煤內煤層氣的解吸造成了不利影響，而且減少了采空區內自由空間，導致游離氣和溶解氣的計算變得更為困難，如何科學、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地質資料缺失、井下資源不清等問題。且地質類型及采煤工藝等不同條件下的廢棄礦井采空區，其煤層氣分布特征及富集規律差異性明顯。晉城礦區初期采空區試驗井鉆井過程中經常鉆遇煤柱、積水區、壓實區、煤巖巷甚至原位煤，實際鉆井成功率僅50%左右。由于采空區頂板覆巖“三帶”高度、發育特征和不同采煤方式下采空區內部空間展布不盡相同，頂板覆巖的裂隙網絡連通特性對采空區井層位的確定至關重要。為盡量增大揭露面積，晉城礦區采空區試驗井終孔層位常常選擇為距采空區底板下10 m左右，然而實際鉆井過程中常常因為漏漿/氣嚴重而不得不提前停止鉆進并終孔，影響了單井產能?，F有三維地震勘探等高分辨率物探技術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煤層氣資源開發技術的推廣。

3) 井上下聯系缺失

山西省煤炭行業相關企業技術、管理人員存在思想認識不足等問題，未將廢棄礦井內殘存煤層氣作為資源看待，絕大部分廢棄礦井閉坑時未預留相關管道等設備，導致銜接后續煤層氣開發時手段單一，僅能選擇地面鉆井開發廢棄礦井煤層氣資源。地面煤層氣開發工程往往比井下采煤工程提前進行，二者在時間上與空間上存在一定的相互制約關系，導致煤層氣開發企業布置預抽井時不能考慮有一定滯后性的煤礦生產規劃方案，而且預抽井井身結構設計之初并未考慮轉為后期采空區抽采時要求的大井徑和一定抗擠壓應力強度的套管組合，采煤工作面形成采空區后絕大部分預抽井井身結構受到破壞而報廢，二次鉆井施工提高了采空區煤層氣開發成本。

2.2 廢棄礦井采空區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過程中分別采用泥漿鉆井工藝和氮氣欠平衡鉆井工藝，經常面臨井漏嚴重、掉塊卡鉆、下套管遇阻、固井質量差等一系列問題。泥漿鉆井工藝對設備要求不高，施工成本也低，在鉆進不漏失及漏失不太嚴重地層時，可以作為鉆進的首選工藝。當鉆進至采空區地層時，因采空區裂隙帶和垮落帶地層普遍漏失嚴重，而基于常規堵漏方式的泥漿鉆井工藝將面臨采空區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)鉆井過程中循環介質漏失現象更為明顯，再加上常規堵漏材料容易污染產氣層，所以泥漿鉆井工藝無法滿足采空區裂隙發育地層的鉆井施工技術要求。另外空氣可以通過井筒與采空區內煤層氣混合，導致鉆井過程中存在極大的安全隱患?；谀酀{鉆井工藝無法解決采空區地層漏失、污染儲層及安全鉆進等問題，在施工采空段地層時更換為氮氣欠平衡鉆井工藝，一方面因空氣密度小，循環過程中將大大降低井筒壓力與地層壓力的壓差作用，減少循環介質向裂縫地層的漏失量，對儲層污染的影響極??；另一方面氮氣為惰性氣體可以安全揭露采空區。但是氮氣鉆井工藝在沖擊碎巖時會產生大量的粉狀巖屑，在高壓空氣的作用下積聚于采空區裂隙帶及垮落帶孔隙內，阻礙采空區煤層氣運移通道，降低單井產能。另外氮氣鉆井工藝由于高壓氣體排屑影響，井場附近存在大量揚塵，污染周邊環境。

廢棄礦井采空區裂隙帶和垮落帶既是產氣層，又是破碎程度嚴重區域，當采用裸眼完井設計可能存在井壁坍塌堵住井眼的問題；采用篩管完井設計，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垮落帶內，使井口與采空區有效溝通，地面使用負壓抽采設備產生壓力降直至采空區內部裂隙空間，達到抽采煤層氣的目的。采空區煤層氣安全抽采必須要避免在煤層自燃發火傾向嚴重或曾經發生過采空區自燃著火的采空區開展。此外，還需要從抽采工藝流程、抽采制度、抽采設備、安全監測監控、安全保障措施、安全操作規程等方面采取完善措施。對采氣管線內涉及防火防爆的指標氣體濃度和主要抽采參數開展實時監測，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主要技術對策

3.1 廢棄礦井采空區精準地質探測

傳統地面煤礦采空區探測技術主要依賴地震類及電磁法類勘探技術[17-19]，探測能力及分辨率較低，只能適用于大面積采空區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，形成的采空區內有大量煤柱，且煤柱間距3～8 m居多，致使真實的采空區位置與范圍、采空區裂隙帶空間分布、采空區及裂隙帶內流體性質(水、氣)等指導井位布置的關鍵地質信息缺失，工程實施中有很大比例的鉆孔鉆遇煤柱及積水區內，造成產氣效果不佳，嚴重制約了廢棄礦井煤層氣的開發效果。

因此，目前傳統的地面采空區探測技術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的集成創新，形成多波場聯合探測技術，研究采空區特別是落后采煤工藝形成的采空區地震響應特征、優化數據處理算法、多場源綜合反演等內容，在降低現有勘探成本基礎上大幅度提高探測技術的分辨尺度與定位精度，由幾十米級提高至米級，用于精準探測廢棄礦井不同煤層采空區的邊界及各類煤柱的具體位置、分布和規模大小，并準確識別煤炭開采后“豎三帶”中裂隙帶和垮落帶的分布范圍和展布規律，進而為地面鉆井軌跡設計提供理論依據，形成廢棄礦井采空區精準定位及所含流體性質判識的技術體系。

3.2 廢棄礦井煤層氣地面“L”型鉆井設計

鉆井施工是廢棄礦井采空區煤層氣開發的關鍵環節之一，不同于常規煤層氣預抽井的鉆井施工，采空區鉆進的地層是受井下煤層開采擾動后形成的一種類似構造地層，其中的裂縫不僅在橫向和垂向十分發育，而且裂縫的賦存形態也多變。針對山西典型煤礦采空區上覆巖層的裂隙特征開展漏失機理分析，并以此為依據開發適用于采空區破碎地層特點的微泡沫鉆井液材料體系，形成適合廢棄礦井采空區煤層氣地面開發的微泡沫欠平衡鉆井工藝：在鉆遇采空區裂隙帶和垮落帶地層時可以顯著降低鉆井液漏失現象，同時具有較強的洗井能力減少了粉狀巖屑對儲層的嚴重污染，隔絕空氣進入采空區內達到安全揭露采空區目的。通過提高完井篩管的抗擠壓強度并對篩眼形狀及大小進行結構性組合優化設計，并結合微泡沫欠平衡鉆井工藝技術特點開展相應完井工藝優化。

對于廢棄礦井單個面積較大采空區或者相鄰采空區群，結合井下高位鉆孔開發技術以及地面直井開發技術優缺點，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”型井身結構(圖2)，能夠最大限度開發區域性密閉采空區煤層氣資源，提高廢棄礦井采空區揭露空間，提高單井產能，相較于井下高位鉆孔開發技術則可以有效降低施工成本，提高單井經濟性。

圖2 “L”型井身結構

廢棄礦井采空區鉆井過程中，定向系統常常選擇電磁波隨鉆測量系統，對深部煤儲層及地層電阻異常區，電磁波隨鉆測量技術不能有效獲取地層參數，穿采空區段無法保證造斜率實現精確定向鉆進，故地面“L”型井井型僅適用于地質構造簡單、埋深400 m以淺及基礎資料準確的廢棄礦井采空區。主要技術思路為首先選擇廢棄礦井采空區周邊一定距離的保安煤柱等實體煤區域作為“L”型井井位，一開段鉆至基巖下一定距離終孔固井，可選擇常規泥漿鉆井工藝；二開段鉆至采空區裂隙帶上方一定區域停鉆作為造斜點，開始更換氮氣等惰性氣體作為循環介質，根據井位與采空區實際相對位置關系設定方位角，設置一定小角度的頂角值可以盡快鉆至裂隙帶區域終孔固井；三開段保持方位角不變，設置一定大角度的頂角值可以較大范圍地揭露采空區空間，至預定區域或嚴重漏風位置處終孔不固井，僅采用割縫篩管護壁。

3.3 廢棄礦井采空區煤層氣井上下聯合開發

我國目前煤礦區煤層氣開發資源量約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鍵因素。煤礦及地面煤層氣開發企業應加強井上下聯系，建立新型井上下聯合開發模式以提高煤層氣開發效率：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；對于正在生產礦井，地面煤層氣開發企業應在符合煤礦規劃基礎上合理布井，實現“一井多用的目的”。

1) 礦井廢棄前保證煤層氣抽采通道暢通

煤礦方應提高高抽巷、底抽巷注漿封孔質量以及采空區密閉墻質量，從而提高井下煤層氣開采系統生命周期。礦井開采過程中，由于通風使巷道內充滿空氣，礦井廢棄后，仍有大量空氣存在巷道中，封孔質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；采空區密閉墻質量同樣對井下煤層氣開采系統的開采量、煤層氣濃度、開采時長有顯著影響。高抽巷、底抽巷注漿封孔質量以及采空區密閉墻質量不好時，極易引發漏風問題，確定漏風點并補充密閉措施將是一項非常困難且成本高昂的技術工作。礦井廢棄前可以將井下不同煤層氣開采系統如本煤層瓦斯抽采系統、鄰近層瓦斯抽采系統、采空區瓦斯抽采系統等，利用鋪設管道等方式盡量延伸至主副井或風井地面井口位置處，礦井廢棄后利用地面水環泵等抽采設備對井下開采系統進行統一負壓開采。對不能延伸或延伸成本較高的井下開采系統，可以考慮提前在地面鉆井至高抽巷道內或者定向施工鉆井至井下瓦斯管道系統，礦方人員使用波紋管等金屬軟管或對地面定向鉆井井底與煤層氣開采系統管道通過法蘭接頭實現有效物理連接，礦井廢棄后可以通過地面水環泵等抽采設備連通井下開采煤層氣。

為降低井下同一開采系統的不同開采區域相互干擾或不同開采系統相互間干擾，礦井廢棄前應將高負壓、低甲烷濃度及低流量的開采子管路或易積水、高應力等風險隱患區域的開采子系統及時關閉，地面井口位置處對不同開采系統管道設置閘閥、電磁閥等切斷裝置，礦井廢棄后可根據各開采系統實際效果進行選擇性開采，進而提高開采效率。

2) 地面煤層氣開發企業合理規劃，實現“一井多用”

煤礦方應與地面煤層氣開發企業建立可靠聯系[20]，在符合煤礦規劃基礎上實現共贏。規劃區預抽井鉆井階段先進行水文地質調查及取心測井，為煤礦方提供基礎地質資料，并進行先期開采；在前期布置地面預抽井時，就需要結合井下已規劃準備回采工作面巷道的空間位置，合理設置井位，以便于在后期將其改造為采動井。只有在地面預抽井井筒較完整、穩定性較好且溝通采動裂隙帶時，才可能轉為開發效果較好的采動井。理論上，在采煤過程中頂板覆巖沉降較小區域與覆巖裂隙場瓦斯富集區域的交集處為優先布置井位，即優選靠近回風巷側且地表沉降拐點連線至采場中線(0.2～0.4)(為采煤工作面傾向長度)區域范圍內。煤礦方對規劃區進行回采時對上述區域預抽井采取保護措施，將預抽井位區域設為煤柱保護區及局部頂板加強支護等，使預抽井井身結構不受破壞，經過射孔壓裂作業后轉為采動井卸壓開發煤層氣及后續采空區開發，從而實現“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

廢棄礦井采空區地面井不同于常規預抽井“排水降壓”的產氣機理，使用抽油機等常規預抽井開采設備產氣效果不佳。采空區地面井可使用具有變頻功能和PLC控制系統的增壓機組等設備進行負壓開采，不僅可以有效降低電能損耗，而且實現了“定負壓、變流量”或者“定流量、變負壓”開采模式的應用。地面開采工藝系統設置干式防回火裝置、單向閥、水封阻火泄爆器等裝置，有效實現燃燒的物理隔離。廢棄礦井采空區地面井甲烷、氧氣濃度波動較大，增壓機組進行開采時存在燃燒、爆炸風險以及管道集輸風險，加裝甲烷、氧氣、溫度、壓力、一氧化碳等多種傳感器[21]，對關鍵運行參數設置自動報警與停機界限值，通過全方位、多角度的監測監控，可以保障設備安全穩定運行，并對廢棄礦井采空區自燃風險進行科學監測。

4 廢棄礦井煤層氣梯級利用模式

針對廢棄礦井采空區煤層氣開采濃度差異較大特點，同時考慮到煤層氣開采的安全性與高效性，如圖3所示，將廢棄礦井采空區煤層氣地面開采利用分為高體積分數(30%以上)、中低體積分數(20%～30%)、低體積分數(5%～20%)及極低體積分數(5%以下)煤層氣梯級利用技術體系，根據煤層氣濃度差異，采用不同開采設備，并匹配對應開采工藝進行開發與利用。廢棄礦井煤層氣地面井布井區域通常位置偏遠，配套工程投資較高，利用雙燃料發電機組可以為開采設備持續提供電能，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具有重大現實意義[22]。

1) 高濃度煤層氣開采利用技術

高濃度煤層氣可直接通過增壓機組進行開采，經過初步脫水和增壓后并入集輸管網，根據終端需求用于民用、化工、燃料等行業。

圖3 山西省部分礦區煤層氣梯級利用

2) 中低濃度煤層氣開采利用技術

中低體積分數煤層氣(20%～30%)不能直接通過增壓機集輸利用，如圖4所示，為充分利用低體積分數煤層氣資源，針對野外地面開采條件開展集成創新，研究具有安全開采、甲烷提純以及增壓集輸等功能的分布式提純系統[23]，提純后變為高濃度煤層氣可直接進入集輸管網，根據終端需求用于民用、化工、燃料等行業。

圖4 晉城礦區某采空區井提純系統

3) 低濃度煤層氣開采利用技術

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

圖5 晉城礦區某泵站直燃系統

4) 極低濃度煤層氣開采利用技術

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

圖6 山西省某礦區蓄熱氧化系統

5 結論

a. 山西省廢棄礦井煤層氣資源量豐富，但煤層氣開發面臨的關鍵技術問題有：地質條件復雜、資源量預測不準、鉆井體系不健全及抽采工藝不配套等。

b. 針對研究區生產實際指出：廢棄礦井精準地質探測是采空區地面鉆井軌跡設計的重要依據，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達到米級才能有效降低鉆遇煤柱風險；提出了廢棄礦井煤層氣地面“L”型鉆井設計思路及新型井上下聯合開采模式，選取采空區周邊一定距離的保安煤柱作為L型井位，并配套特殊鉆進工藝，同時在煤礦全生命周期的合理規劃，尤其是礦井廢棄前即確保煤層氣抽采通道暢通，實現一井多用，以提高廢棄礦井煤層氣開發效率；采用防回火、各種傳感器等裝置，并對關鍵參數設置自動報警停機界限值，從而使廢棄礦井煤層氣地面開采工藝安全、高效。

c. 依據廢棄礦井煤層氣濃度特征，需要采取相應的梯級利用模式，即低、中、高濃度煤層氣需采取不同的開采、集輸、提純技術，并應用于不同領域，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煤層氣開采技術，充分利用煤層氣資源，是實現煤炭產業清潔安全高效低碳發展、促進煤礦安全生產、優化能源結構、實現溫室氣體減排、減少大氣污染的重要舉措。山西省作為煤炭與煤層氣開發的典型示范區，其廢棄礦井煤層氣開發有望成為山西省資源轉型發展的新亮點，同時也為全國廢棄礦井資源開發利用提供借鑒和指導。

[1] 袁亮. 煤炭精準開采科學構想[J]. 煤炭學報，2017，42(1)：1–7.

YUAN Liang. Scientific conception of precision coal mining[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(1)：1–7.

[2] 謝和平，高明忠，高峰，等. 關停礦井轉型升級戰略構想與關鍵技術[J]. 煤炭學報，2017，42(6)：1355–1365.

XIE Heping，GAO Mingzhong，GAO Feng，et al. Strategic conceptualization and key technology for the transformation and upgrading of shut-down coal mines[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(6)：1355–1365.

[3] 袁亮. 我國煤炭資源高效回收及節能戰略研究[M]. 北京：科學出版社，2017.

YUAN Liang. Strategic studies of high-efficient and energy-effective coal extraction in China[M]. Beijing：Science Press，2017.

[4] 袁亮. 我國深部煤與瓦斯共采戰略思考[J]. 煤炭學報，2016，41(1)：1–6.

YUAN Liang. Strategic thinking of simultaneous exploitation of coal and gas in deep mining[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(1)：1–6.

[5] 賈建稱，鞏澤文，靳德武，等. 煤炭地質學“十三五”主要進展及展望[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(1)：32–44.

JIA Jiancheng，GONG Zewen，JIN Dewu，et al. The main progress in the 13th five-year plan and the prospect of coal geology[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：32–44.

[6] 吳建光，張延慶，張遂安，等. “西氣東輸”工程沿線煤層氣資源開發潛力評價[J]. 煤田地質與勘探，2000，28(6)：27–28.

WU Jianguang，ZHANG Yanqing，ZHANG Sui’an，et al. Assessment on coal methane potential resource along “Gas Tranfer From Western To Eastern” project[J]. Coal Geology & Exploration，2000，28(6)：27–28.

[7] 劉文革. 廢棄煤礦煤層氣再利用前景廣闊[DB/OL]. 2017-10-16. http://news.bjx.com.cn/html/20171016/855450.shtml

LIU Wenge. 廢棄煤礦煤層氣再利用前景廣闊[DB/OL]. 2017-10-16. http://news.bjx.com.cn/html/20171016/855450.shtml

[8] 韓保山. 廢棄礦井煤層氣儲層描述[J]. 煤田地質與勘探，2005，33(2)：32–34.

HAN Baoshan. Reservoir characterization of abandoned mine methane(AMM)[J]. Coal Geology & Exploration，2005，33(2)：32–34.

[9] Lothar Hesidenz. 德國薩爾礦區特定條件下煤開采中瓦斯抽采及利用現狀[C]//中國國際煤礦瓦斯防治與利用大會. 北京：國家安全生產監督管理總局，2005：154–162.

Lothar Hesidenz. Status of gas extraction and utilization in coal mining under specific conditions in German Sal mining area[C]//China International Conference on Gas Prevention and Utilization in Coal Mines. Beijing：State Administration of Work Safety，2005：154–162.

[10] 韓甲業. 我國報廢煤礦瓦斯抽采利用現狀及潛力[J]. 中國煤層氣，2013，10(4)：23–25.

HAN Jiaye. Status quo and potential of drainage and utilization of abandoned mine[J]. China Coalbed Methane，2013，10(4)：23–25.

[11] KARACAN C ?，RUIZ F A，COTè M，et al. Coal mine methane：A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction[J]. International Journal of Coal Geology，2011，86(2)：121–156.

[12] 孟召平，師修昌，劉珊珊，等. 廢棄煤礦采空區煤層氣資源評價模型及應用[J]. 煤炭學報，2016，41(3)：537–544.

MENG Zhaoping，SHI Xiuchang，LIU Shanshan，et al. Evaluation model of CBM resources in abandoned coal mine and its application[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(3)：537–544.

[13] 周效志，桑樹勛，金軍，等. 煤炭資源枯竭礦井煤層氣資源量估算方法研究[J]. 中國煤層氣，2015，12(1)：3–6.

ZHOU Xiaozhi，SANG Shuxun，JIN Jun，et al. Study on estimation methods of abandoned mine methane resources in coal resources-exhausted mines[J]. China Coalbed Methane，2015，12(1)：3–6.

[14] 劉天泉. 礦山巖體采動影響與控制工程學及其應用[J]. 煤炭學報，1995(1)：1–5.

LIU Tianquan. Influence of mining activities on mine rockmass and control engineering[J]. Journal of China Coal Society，1995(1)：1–5.

[15] 仲惟林，許延春. 采動覆巖分類[J]. 煤炭科學技術，1988(8)：8–10.

ZHONG Weilin，XU Yanchun. Classification of mining overburden[J]. Coal Science and Technology，1988(8)：8–10.

[16] 錢鳴高，許家林. 覆巖采動裂隙分布的“O”形圈特征研究[J]. 煤炭學報，1998，23(5)：20–23.

QIAN Minggao，XU Jialin. Study on “O-shape” circle distribution characteristics of mining-induced fracture in the overlaying strata[J]. Journal of China Coal Society，1998，23(5)：20–23.

[17] 方榮耀. 煤礦采空區的地震響應特征分析[D]. 太原：太原理工大學，2018.

FANG Rongyao. Analysis of seismic response characteristics of coal mine area[D]. Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2018.

[18] 薛國強，潘冬明，于景邨. 煤礦采空區地球物理探測應用綜述[J]. 地球物理學進展，2018．33(5)：2187–2192.

XUE Guoqiang，PAN Dongming，YU Jingcun. Review the applications of geophysical methods for mapping coal-mine voids[J]. Progress in Geophysics(in Chinese)，2018，33(5)：2187–2192.

[19] 徐慧，牟義，楊思通，等. 榆林地區淺埋煤層采空區電法綜合勘探技術[J]. 地質與勘探，2020，56(4)：792–801.

XU Hui，MOU Yi，YANG Sitong，et al. Comprehensive exploration technology based on the electric methods for the goaf of shallow coal seams in the Yulin area[J]. Geology and Exploration，2020，56(4)：792–801.

[20] 李國富，何輝，劉剛，等. 煤礦區煤層氣三區聯動立體抽采理論與模式[J]. 煤炭科學技術，2012，40(10)：7–11.

LI Guofu，HE Hui，LIU Gang，et al. Three region linkage three-dimensional gas drainage theory and mode of coal bed methane in coal mining area[J]. Coal Science and Technology，2012，40(10)：7–11.

[21] 王爭. 潘莊井田試驗區采空區地面井抽采制度及配套工藝研究[J]. 中國煤層氣，2018，15(1)：3–6.

WANG Zheng. Study on drainage system and matching technology of surface well in goaf of test area in Panzhuang mine field[J]. China Coalbed Methane，2018，15(1)：3–6.

[22] 王爭，李超，李陽，等. 雙燃料發電機組在采空區地面井上的應用[J]. 煤炭工程，2020，52(1)：85–88.

WANG Zheng，LI Chao，LI Yang，et al. Application of dual fuel generator unit in goaf coalbed methane wells[J]. Coal Engineering，2020，52(1)：85–88.

[23] 李超，郭向前，胡勝勇，等. 低濃度煤層氣分布式提純系統的研制與應用[J]. 煤礦安全，2018，49(4)：85–88.

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關鍵問題與對策[J]. 煤田地質與勘探，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

(責任編輯 范章群)