煤與瓦斯共采技術(shù)采礦工程論文
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一、我國煤與瓦斯的基本特征
我國的煤炭資源較豐富,目前的保有儲量1100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2000m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(guī)模的商業(yè)化瓦斯開采尚處于起步階段,國家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策出臺較晚,或尚不明朗。這里有認(rèn)識和技術(shù)問題,更有我國煤層的透氣性差,抽放困難等原因。我國70%以上的煤層滲透率小于0.001μm²,屬于低透氣性煤層,其透氣性比美國和澳大利亞低2--3個數(shù)量級,鉆孔有效排放半徑和鉆孔瓦斯流量小,衰減快,透氣性最好的撫順煤層井下水平鉆孔與美國同類條件相比,鉆孔影響范圍僅30--50m,而美國可達到100m以上。煤層氣體壓力也對瓦斯的抽放起著重要作用,有關(guān)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(jīng)歷了成煤后的強烈構(gòu)造運動,煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞,成為低透氣性的高延性結(jié)構(gòu)。目前,我國瓦斯勘探和開發(fā)的主要煤階是中階煤和高階煤,具有很強的非均質(zhì)性,導(dǎo)致井網(wǎng)的井間干擾效應(yīng)降低,相互間不能形成有效的聯(lián)系,水力壓裂增產(chǎn)效果也不明顯。
二、煤與瓦斯共采技術(shù)的理論基礎(chǔ)
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(yù)抽效果較差。由于我國含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強烈構(gòu)造運動,煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)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(jié)構(gòu),這使得地面鉆孔完井后采氣效果差,水力壓裂增產(chǎn)效果不明顯。而且煤層普遍具低滲透率,一般在0.0000001×0.000001μm²范圍內(nèi),水城、豐城、霍崗、開灤、柳林等滲透率較好的礦區(qū)也僅為0.1×10ˉ³--1.8×10ˉ³μm²,這一特點決定了我國地面開發(fā)煤層氣的難度很大。鑒于此,我國煤層氣開發(fā)生產(chǎn)的重點應(yīng)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(shù)強化煤層的瓦斯抽放。同時,應(yīng)進一步研究和不斷完善提高煤層滲透率的技術(shù)和鉆孔技術(shù),研究提高氣體質(zhì)量的技術(shù),研究井下煤炭與瓦斯的協(xié)調(diào)開采配套技術(shù)以及煤礦瓦斯利用技術(shù),使之與井下煤層氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)配套,實現(xiàn)煤與瓦斯的安全共采?，F(xiàn)場測定和實驗研究表明,不論原始滲透系數(shù)怎樣低的煤層,在采動影響煤層卸壓后,其滲透系數(shù)會急劇增加,煤層內(nèi)瓦斯?jié)B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(guān)參數(shù),完全能夠高效地實現(xiàn)瓦斯抽放。
三、煤與瓦斯共采技術(shù)的研究現(xiàn)狀
我國的煤層甲烷研究開始于50年代煤礦井下的瓦斯抽放,其中撫順、陽泉是抽放量最大的礦區(qū)。目前,我國已有123個礦井建立了井下瓦斯抽放系統(tǒng),年抽放量達6億m³,抽放瓦斯利用率達80%,但井下瓦斯的抽放率很低,只有20%左右.60年代到70年代,一些高瓦斯礦區(qū)抽放的瓦斯氣體即可投入民用和小規(guī)模的工業(yè)利用。70年代末期開始了礦井地面瓦斯抽放工作,主要集中于撫順龍鳳礦、陽泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦,并進行了壓裂實驗,但是效果不佳。80年代初期,國內(nèi)開始進行煤層甲烷相關(guān)資源研究。“六五”期間,煤炭、石油以及地質(zhì)等行業(yè)通過國家重點科技攻關(guān)項目對國內(nèi)煤成氣資源進行區(qū)域性評價和基礎(chǔ)理論研究。隨后,國家“七五”科技攻關(guān)項目設(shè)立了“我國煤層甲烷的富集條件及資源評價”專題,取得了對中國煤層氣資源狀況的初步認(rèn)識。華北石油地質(zhì)局1986年在唐山地區(qū)開展了煤層甲烷勘探開發(fā)實驗和工藝技術(shù)研究,并進行了“煤層甲烷評價與開發(fā)利用狀況”調(diào)研。1989年,第一次“開發(fā)煤層氣研討會”在沈陽召開,標(biāo)志著煤層甲烷從“瓦斯災(zāi)害”到“優(yōu)質(zhì)能源”的認(rèn)識轉(zhuǎn)變、從“井下抽放”到“地面開發(fā)”的技術(shù)轉(zhuǎn)移?！鞍宋濉逼陂g,國家科技攻關(guān)項目設(shè)立了“有利區(qū)塊煤層吸附氣開發(fā)研究”專題。此后,煤層甲烷的研究重點轉(zhuǎn)移到了開發(fā)工藝攻關(guān)上。1992年,聯(lián)合國開發(fā)計劃署通過全球環(huán)境基金資助我國開展了“中國煤層氣資源開發(fā)”項目,1993年又資助了“中國深層煤層氣勘探”項目,對中國煤層氣的勘探開發(fā)起到了巨大的推動作用。1996年,一批有影響的研究項目和規(guī)劃相繼完成,如原煤炭部計劃項目“全國煤層氣資源評價”、國家計委Ⅰ類資源勘查項目“中國煤層氣資源評價”、國土資源部地質(zhì)調(diào)查項目“全國煤層氣綜合規(guī)劃研究”、原石油天然氣總公司“九五”科技攻關(guān)項目“煤層氣選區(qū)評價與配套工藝技術(shù)”、國家“九五”科技攻關(guān)項目“新集淺層煤層氣示范開發(fā)成套工藝技術(shù)及專用裝備研究”等。到目前為止,對全國范圍內(nèi)的煤層氣資源、分布、儲層特征取得了基礎(chǔ)性認(rèn)識,基本明確了煤層氣開發(fā)的有利地區(qū)。但是由于我國的煤層地質(zhì)現(xiàn)狀(地質(zhì)條件復(fù)雜,構(gòu)造煤發(fā)育,瓦斯含量高,瓦斯壓力低,滲透率低等),煤層氣的地面開發(fā)并不能很好解決井下瓦斯問題?，F(xiàn)階段,井下瓦斯抽放方法很多,例如,掘前預(yù)抽、邊掘邊抽、采后抽取、卸壓瓦斯鉆孔抽取、以及開采層、鄰近層、采空區(qū)瓦斯抽取等等。因此,如何將井下瓦斯抽放與地面煤層氣開發(fā)協(xié)調(diào)地結(jié)合起來,更好地實現(xiàn)煤與瓦斯共采,就成為一個值得深思的問題?？傊?我國煤與瓦斯共采的研究開發(fā)取得了很大進步,但也存在許多有待于進一步研究和解決的問題。
四、煤與瓦斯共采需要解決的關(guān)鍵問題
（一）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(xiàn)礦井煤與瓦斯雙能源開采的思想提出來已經(jīng)有幾年了,按照這一技術(shù)思路,我國相關(guān)大學(xué)和企業(yè)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理論問題有：
1、采動裂隙場的透氣規(guī)律研究
經(jīng)過多年采礦學(xué)者和技術(shù)人員的研究,目前對于采動卸壓場和裂隙場的范圍已經(jīng)有了相對成熟的成果和研究手段,研究的技術(shù)思路上也相對成熟,有經(jīng)驗的學(xué)者已經(jīng)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(guī)律,這對于裂隙場卸壓抽放瓦斯具有重要的指導(dǎo)作用。但是對于裂隙場內(nèi)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(nèi)的解吸、擴散、滲流等規(guī)律以及裂隙場內(nèi)的透氣性等還有待進一步研究。
2、瓦斯?jié)舛确植家?guī)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(guī)律,為抽放工程設(shè)計提供理論指導(dǎo)。目前需要深入研究的有卸壓帶、采空區(qū)、上覆巖層裂隙場內(nèi)等不同瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律,以及它們隨著工作面推進以及風(fēng)量變化等的動態(tài)變化規(guī)律。
3、瓦斯抽放時的流動規(guī)律
主要研究采空區(qū)和裂隙場內(nèi)進行不同壓力抽放時瓦斯流動規(guī)律、瓦斯氣體與裂隙巖體的耦合相互作用規(guī)律,研究原始煤體、卸壓帶與裂隙帶內(nèi)瓦斯抽放過程中固體煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化,尤其是抽放過程中透氣性變化規(guī)律等,這些工作需要大量的室內(nèi)試驗和研制專用的試驗設(shè)備及大量的現(xiàn)場觀測與試驗研究。
（二）增加和穩(wěn)定抽放的瓦斯?jié)舛?/p>
在原始煤體中進行預(yù)抽放的瓦斯體積分?jǐn)?shù)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(nèi)抽放的瓦斯體積分?jǐn)?shù)可以達到20%以上,這兩部分抽出的瓦斯?jié)舛认鄬^高,具有利用的前景和可行性,而且目前大部分也進行了利用。在煤層卸壓帶內(nèi)和采空區(qū)抽出的瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般均低于20%,大部分為13%--15%,這主要是由于卸壓帶內(nèi)煤巖破裂、空氣滲入,采空區(qū)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(shù)等還需要進一步研究。
（三）低濃度瓦斯利用與提純
除了原始煤層中預(yù)抽和高位裂隙帶內(nèi)抽出的瓦斯?jié)舛认鄬^高外,采空區(qū)、卸壓帶內(nèi)抽出的瓦斯?jié)舛认鄬^低,巷道風(fēng)排的瓦斯?jié)舛雀?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。
五、煤與瓦斯共采技術(shù)原理
煤層的采動會引起其周圍巖層產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng),即引起周圍巖層地應(yīng)力封閉的破壞(地應(yīng)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(zhì)構(gòu)造封閉的破壞(封閉的地質(zhì)構(gòu)造因采動而開放、松弛),3者綜合導(dǎo)致圍巖及其煤層的透氣性系數(shù)大幅度增加,為卸壓瓦斯高產(chǎn)高效抽采創(chuàng)造前提條件。煤層卸壓瓦斯的流動是一個連續(xù)的兩步過程:第1步,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;第2步,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(tài)分布特征有著緊密的關(guān)系。
（一）高抽鉆孔組抽采技術(shù)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(zhì)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(xiàn)的沿層裂隙,它可使煤層產(chǎn)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(gòu)成上下層間的瓦斯通道。當(dāng)采空區(qū)頂板充分垮落后,采空區(qū)中部巖層和下方的矸石緊密接觸,從而使得采空區(qū)中部頂板巖層裂隙基本被壓實,結(jié)合采場空間特點,采空區(qū)四周形成了一個環(huán)形的采動裂隙發(fā)育區(qū),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(nèi)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(yīng)打到離層裂隙的“O”形圈內(nèi)。高抽鉆孔組就是在沿工作面傾斜方向靠近回風(fēng)巷側(cè)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(qū)瓦斯。高抽鉆孔組布置靠近在“O”形圈的回風(fēng)側(cè),改變了采空區(qū)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(wěn)定的抽采出高含量瓦斯。
（二）頂板裂隙鉆孔組抽采技術(shù)原理
采用全部垮落法管理頂板時,上覆巖層下沉穩(wěn)定后,在采動區(qū)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(nèi)的采空區(qū)中部上覆巖層離層裂隙發(fā)育,結(jié)合采動裂隙“O”形圈,在采空區(qū)豎直方向上,形成了一個“∩”形拱采動裂隙區(qū)采空區(qū)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(huán)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(nèi)。涌入采空區(qū)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(chǎn)生方向向下的壓強梯度,則其產(chǎn)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(fēng)負(fù)壓的作用下“∩”形拱采動裂隙區(qū)成為瓦斯聚集區(qū),為采動裂隙帶內(nèi)鉆孔抽采、巷道排放等治理瓦斯技術(shù)提供依據(jù)。由于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(qū)頂板裂隙區(qū)布置頂板裂隙抽采鉆孔組,。頂板裂隙鉆孔組加強了采空區(qū)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(qū)瓦斯涌出強度,從根本上解決瓦斯超限難題。
（三）構(gòu)建煤與瓦斯共采技術(shù)體系
依據(jù)以上分析研究,結(jié)合本煤層預(yù)抽法,構(gòu)建沙曲礦近距離高瓦斯煤層群“煤與瓦斯共采”技術(shù)體系。
六、煤與瓦斯共采的研究方向
（一）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(fā)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(tǒng)的毛細(xì)管力反而降低,極易被瓦斯突破形成更大的孔裂隙系統(tǒng),結(jié)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(guī)律,有效地進行井下瓦斯抽放和地面煤層氣開發(fā),是煤與瓦斯共采的關(guān)鍵技術(shù)問題。巖層運動中的關(guān)鍵層理論、煤與瓦斯突出的流變機理和球殼失穩(wěn)理論等對煤與瓦斯共采技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展有著重要參考價值。
（二）在進行煤與瓦斯共采技術(shù)的研究過程中,應(yīng)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(shù),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(shù)提高工作面瓦斯抽放率研究等。同時應(yīng)該注重將井下瓦斯抽取與地面煤層氣開采有機地結(jié)合起來,形成一整套屬于煤與瓦斯共采的基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系,從而在煤礦區(qū)真正實現(xiàn)煤與瓦斯共采,更好地為煤礦綠色開采服務(wù)。