【煤与瓦斯协调开采技术研究】开采有瓦斯或二氧化碳

　　摘要我国煤炭储量丰富,在现今开发的大部分煤田当中瓦斯矿井占绝大多数。本文分析了我国煤矿瓦斯的分布特征及其矿井瓦斯利用率情况,提出解决现今煤矿瓦斯开发利用技术。 　　关键词瓦斯矿井 瓦斯利用现状 抽采技术
　　中图分类号:TD82文献标识码:A
　　
　　1 我国煤层气的开发利用现状
　　
　　1.1 我国煤层气资源情况
　　我国是世界上煤层瓦斯资源储量巨大的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源评价结果,我国煤层气资源量居世界第三位,与我国陆上天然气资源量相当,资源量36.81万亿m3,可采资源量10.86万亿m3,主要分布在华北和西北地区。其中,华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以内、1000～1500m和1500～2000m的煤层气地质资源量,分别占全国煤层气资源地质总量的38.8%、28.8%和32.4%。
　　全国大于5000亿m3的含煤层气盆地(群)共有14个,其中含气量在5000～10000亿m3之间的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地,含气量大于10000亿m3的有鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地、准噶尔盆地、滇东黔西盆地群、二连盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉尔盆地等共有15个,其中二连盆地煤层气可采资源量最多,约2万亿m3。
　　1.2 资源开发情况
　　(1)地面开发。煤层气地面开发始于上个世纪70年代末,原煤炭科学研究院抚顺研究所曾在抚顺、阳泉、焦作、白沙、包头等矿区,以解决煤矿瓦斯突出为主要目的,施工了20余口地面瓦斯抽排试验井。但由于技术、设备等条件限制,试验未达到预期效果。
　　上世纪90年代,煤层气开发出现热潮,在不同地区开展了煤层气开发试验。经过十余年发展,取得了重大突破。“十五”期间,初露煤层气产业化曙光。煤层气勘探登记区块64个,总面积81810.3 km2,分布在12个省/区。1990～2005年累计钻井数577口,其中2004～2005年累计329口,占57%。主要项目有:山西沁水枣园井组煤层气开发试验项目,生产试验井15口;辽宁阜新刘家井组煤层气开发项目,钻井8口,单井日均产气3000m3以上;山西晋城潘庄煤层气地面开发项目,施工了175口煤层气井,日产气约10万m3;山西沁南潘河先导性试验工程,计划施工900口煤层气井,到2005年底完成钻井100口,日产气约8万m3。
　　(2)井下抽采。煤矿井下瓦斯抽采始于上个世纪50年代初。经过几十年的发展,煤矿井下瓦斯抽采,已由最初为保障煤矿安全生产到安全能源环保综合开发型抽采;抽采技术由早期的对高透气性煤层进行本煤层抽采和采空区抽采单一技术,逐渐发展到针对各类条件适合于不同开采方法的瓦斯综合抽采技术。
　　据统计,截止2005年,全国煤矿高瓦斯矿井4462处,煤与瓦斯突出矿井911处。在615对国有重点矿井中,煤与瓦斯突出矿井近200对,高瓦斯矿井152对,装备地面固定瓦斯抽采系统308套。2005年,全国井下抽采煤矿瓦斯近23亿m3,阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城、抚顺等7个矿区年抽采量超过1亿m3。
　　1.3 煤层气利用现状
　　我国煤层气(煤矿瓦斯)利用进展缓慢。2005年,全国利用量约10亿m3。煤矿瓦斯利用主要集中在抽采量高的国有重点矿区。地面钻井抽采利用,主要集中在山西沁水枣园井组、辽宁阜新刘家井组、晋城潘庄、山西沁南潘河项目等,采取管汇车运输销售,供周边地区使用。沁南枣园煤层气井组是目前我国最大的煤层气井组(16口井),TL-007井最高单井日产达到16000 m3。
　　煤层气开发利用“十一五”规划提出,到2010年应实现四个目标:全国煤层气产量达100亿m3,其中地面抽采煤层气50亿m3,井下抽采瓦斯50亿m3;利用80亿m3,其中地面抽采煤层气利用50亿m3,井下抽采瓦斯利用30亿m3;新增煤层气探明地质储量3000亿m3;逐步建立煤层气和煤矿瓦斯开发利用产业体系。
　　1.4煤层气产业化发展存在的主要问题
　　(1)缺乏有力的扶持政策。地面开发煤层气初期投入高、产出周期长、投资回收慢。煤层气开发企业在产业发展初期积极性不高;矿井平均瓦斯利用率仅在30%左右。
　　(2)基础理论研究和技术创新不够。瓦斯治理和利用难度大,从理论和技术方面都存在许多关键性难题,特别是社会公益性研究被大大削弱,瓦斯治理和利用等方面的技术研究和创新进展缓慢。
　　(3)煤矿瓦斯抽采难度增大。我国高瓦斯矿井多,煤层瓦斯含量高、压力大、透气性差、抽采难度大。
　　(4)煤层气和煤炭矿业权重叠。煤层气和煤炭是同一储层的共生矿产资源。目前,由于部门之间、企业之间不协调,造成煤层气开采权和煤炭开采权设置重叠,影响了煤炭产业的发展。
　　(5)煤层气利用受限制。开发与市场脱节,缺乏低浓度瓦斯的安全输送和利用技术;瓦斯发电上网难、入网价格低,发电企业无利可图,限制了矿井瓦斯抽采利用。
　　(6)煤矿瓦斯直接排空对环境影响较大。煤层气的温室效应约为二氧化碳的21倍。据测算,我国煤炭开采、加工、运输过程中每年释放瓦斯约150亿m3,对环境影响较大。
　　
　　2 我国煤层气赋存的特征
　　
　　我国煤层瓦斯的赋存特征是“两高三低”:煤层瓦斯贮存量高、煤层吸附瓦斯能力高、煤层瓦斯压力较低、煤层在水力压裂等强化措施下形成常规破裂裂隙所占比例低、煤层瓦斯储层渗透系数低。另外,地质构造对瓦斯区域分布具有重要影响。
　　(1)煤层瓦斯的渗透率低。我国煤层的渗透率通常较小。抚顺煤田的渗透率相对较高,但也只有0.5～3.8md,水城、丰城、鹤岗、开滦、柳林等矿区高渗透煤层渗透率只有0.1～1.8md,其它地区绝大多数实测的渗透率值都在0.001md以下,比美国的San Juan盆地和Black Warrior盆地低3～4个数量级。
　　煤层渗透率的影响因素十分复杂,原岩应力状态、煤层埋深、煤的变质程度、煤岩组分等都将不同程度地影响煤层渗透率。一般情况下,煤层渗透率随压力(或深度)的增加而减小,与美国、澳大利亚相比,中国的煤层气储层所承受的地应力大,美国黑勇士盆地地应力值1～6MPa,澳大利亚东部悉尼盆地鲍恩盆地1～10MPa,少数达14MPa(Enever,1996),中国很多地区的地应力相当于或大于这些地区的高限值。
　　(2)煤层瓦斯压力较低。煤层瓦斯压力是指在煤矿开采条件下,在矿井中测得的煤层孔隙中的气体(瓦斯)压力。一般瓦斯压力随煤层埋深增大而增大,可用压力梯度去衡量煤层瓦斯压力的大小。为了在煤层瓦斯压力评价中统一方法和原则,将煤层瓦斯压力划分为三种类型,如表1所列。
　　我国煤层瓦斯压力梯度大小变化幅度很大,最低值为1.2kPa/m(抚顺),最大值为13.4kPa/m(天府),但大部分属于低压瓦斯。煤层瓦斯压力低影响煤层气产率,不利于瓦斯抽采。
　　(3)煤层吸附瓦斯能力高。煤层吸附瓦斯能力高直接导致瓦斯的抽采效果差、抽采率低、抽采成本高。煤对瓦斯的吸附能力受多种因素的影响,主要影响因素有压力、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性、气体组分等。
　　(4)区域地质构造对瓦斯分布区域的控制。在这样的区域地质构造下,煤层处于封闭型地质构造的控制,透气性较差,不利于瓦斯排放,容易造成瓦斯积聚,形成高压瓦斯集中区。
　　
　　3 煤与瓦斯协调开采技术
　　
　　3.1 煤层气开发的技术途径
　　瓦斯抽采分为地面钻井抽采和井下抽采两大类,如图1和图2所示。按煤层气开采方法、卸压瓦斯的来源及卸压瓦斯抽采方法的不同,构建了“煤与煤层气共采”技术体系图,如图3所示。
　　3.2井下瓦斯抽采技术
　　根据我国煤层气低渗透率的特点,利用煤层开采引起岩层的移动破坏,增大煤层渗透性,在采煤的同时高效抽采卸压瓦斯,是我国煤层气开采的主要途径。选择矿井瓦斯抽采方法应依据矿井煤层赋存条件、瓦斯基本参数、瓦斯来源、开采顺序、巷道布置、瓦斯抽采的目的及利用要求等因素确定,并遵循以下原则:(1)尽可能利用开采巷道抽采瓦斯,尽量采用综合瓦斯抽采方法;必要时可设专用瓦斯抽采巷道;(2)若围岩瓦斯涌出量大,以及溶洞、裂隙带储存有高压瓦斯时,应采取围岩瓦斯抽采措施;(3)煤层埋藏较浅(一般600m以内)、瓦斯含量较高、地面施工钻孔条件较好的厚煤层或煤层群,应采用地面钻孔抽采瓦斯的方法。
　　
　　4 结束语
　　
　　煤层气过去是煤矿的“第一杀手”,现在是一种优质、洁净的能源和化工原料。煤层气排空不仅是资源的浪费,而且对大气的污染是十分严重的,煤层气引起的温室效应是CO2的21倍。近年来从煤矿散发的大量煤层气造成的大气污染,在世界范围内已日渐引起重视。
　　由于我国煤层气储存条件的特殊性,建议成立国家煤层气工程技术研究中心,集中人力物力,优先安排煤层气基础研究、重点攻关、国家自然科学基金等科技项目,集中加大煤层气的科技投入,以煤层气科技的突破带动煤层气生产上的突破,应把煤层气作为一个系统工程来建设,作为一个产业来发展。
　　我国拥有丰富的煤层气资源,可以作为天然气的重要补充,缓解我国燃气供应不足的局面。民用和发电为煤层气的优先利用方案,不仅有广阔的市场前景,而且具有较强市场竞争力,还能获得较好的经济效益。