煤與瓦斯共采技術(shù)采礦工程論文
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一、我國(guó)煤與瓦斯的基本特征
我國(guó)的煤炭資源較豐富,目前的保有儲(chǔ)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(chǔ)量豐富。埋深2000m以淺已探明煤層氣資源約為31萬(wàn)億m³,位列世界第三。但我國(guó)大規(guī)模的商業(yè)化瓦斯開(kāi)采尚處于起步階段,國(guó)家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策出臺(tái)較晚,或尚不明朗。這里有認(rèn)識(shí)和技術(shù)問(wèn)題,更有我國(guó)煤層的透氣性差,抽放困難等原因。我國(guó)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(guó)和澳大利亞低2--3個(gè)數(shù)量級(jí),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(guó)同類條件相比,鉆孔影響范圍僅30--50m,而美國(guó)可達(dá)到100m以上。煤層氣體壓力也對(duì)瓦斯的抽放起著重要作用,有關(guān)資料表明,我國(guó)煤層壓力普遍偏低,這對(duì)抽放瓦斯極為不利。中國(guó)的含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),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(guó)瓦斯勘探和開(kāi)發(fā)的主要煤階是中階煤和高階煤,具有很強(qiáng)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(guó)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(guó)含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞,塑變性大大增強(qiáng),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(kāi)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(diǎn)決定了我國(guó)地面開(kāi)發(fā)煤層氣的難度很大。鑒于此,我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的重點(diǎn)應(yīng)放在井下,利用井下的采掘巷道,并盡量利用煤層采動(dòng)影響,通過(guò)打鉆孔和其它各種有效技術(shù)強(qiáng)化煤層的瓦斯抽放。同時(shí),應(yīng)進(jìn)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(kāi)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(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)配套,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯的安全共采?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)研究表明,不論原始滲透系數(shù)怎樣低的煤層,在采動(dòng)影響煤層卸壓后,其滲透系數(shù)會(huì)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(shí)現(xiàn)瓦斯抽放。
三、煤與瓦斯共采技術(shù)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)的煤層甲烷研究開(kāi)始于50年代煤礦井下的瓦斯抽放,其中撫順、陽(yáng)泉是抽放量最大的礦區(qū)。目前,我國(guó)已有123個(gè)礦井建立了井下瓦斯抽放系統(tǒng),年抽放量達(dá)6億m³,抽放瓦斯利用率達(dá)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(kāi)始了礦井地面瓦斯抽放工作,主要集中于撫順龍鳳礦、陽(yáng)泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦,并進(jìn)行了壓裂實(shí)驗(yàn),但是效果不佳。80年代初期,國(guó)內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行煤層甲烷相關(guān)資源研究?！傲濉逼陂g,煤炭、石油以及地質(zhì)等行業(yè)通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目對(duì)國(guó)內(nèi)煤成氣資源進(jìn)行區(qū)域性評(píng)價(jià)和基礎(chǔ)理論研究。隨后,國(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目設(shè)立了“我國(guó)煤層甲烷的富集條件及資源評(píng)價(jià)”專題,取得了對(duì)中國(guó)煤層氣資源狀況的初步認(rèn)識(shí)。華北石油地質(zhì)局1986年在唐山地區(qū)開(kāi)展了煤層甲烷勘探開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)和工藝技術(shù)研究,并進(jìn)行了“煤層甲烷評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)利用狀況”調(diào)研。1989年,第一次“開(kāi)發(fā)煤層氣研討會(huì)”在沈陽(yáng)召開(kāi),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(shí)轉(zhuǎn)變、從“井下抽放”到“地面開(kāi)發(fā)”的技術(shù)轉(zhuǎn)移。“八五”期間,國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目設(shè)立了“有利區(qū)塊煤層吸附氣開(kāi)發(fā)研究”專題。此后,煤層甲烷的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了開(kāi)發(fā)工藝攻關(guān)上。1992年,聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署通過(guò)全球環(huán)境基金資助我國(guó)開(kāi)展了“中國(guó)煤層氣資源開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目,1993年又資助了“中國(guó)深層煤層氣勘探”項(xiàng)目,對(duì)中國(guó)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)起到了巨大的推動(dòng)作用。1996年,一批有影響的研究項(xiàng)目和規(guī)劃相繼完成,如原煤炭部計(jì)劃項(xiàng)目“全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)”、國(guó)家計(jì)委Ⅰ類資源勘查項(xiàng)目“中國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)”、國(guó)土資源部地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“全國(guó)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(xiàng)目“煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)與配套工藝技術(shù)”、國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“新集淺層煤層氣示范開(kāi)發(fā)成套工藝技術(shù)及專用裝備研究”等。到目前為止,對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的煤層氣資源、分布、儲(chǔ)層特征取得了基礎(chǔ)性認(rèn)識(shí),基本明確了煤層氣開(kāi)發(fā)的有利地區(qū)。但是由于我國(guó)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(kāi)發(fā)并不能很好解決井下瓦斯問(wèn)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(kāi)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(kāi)發(fā)協(xié)調(diào)地結(jié)合起來(lái),更好地實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采,就成為一個(gè)值得深思的問(wèn)題?？傊?我國(guó)煤與瓦斯共采的研究開(kāi)發(fā)取得了很大進(jìn)步,但也存在許多有待于進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題。
四、煤與瓦斯共采需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題
（一）深入的理論研究
利用采動(dòng)卸壓場(chǎng)與裂隙場(chǎng)增加煤層瓦斯的解吸速度與煤巖的透氣性,實(shí)現(xiàn)礦井煤與瓦斯雙能源開(kāi)采的思想提出來(lái)已經(jīng)有幾年了,按照這一技術(shù)思路,我國(guó)相關(guān)大學(xué)和企業(yè)進(jìn)行了必要的研究和工程實(shí)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(shí)踐的趨勢(shì),今后在理論上需要解決的主要理論問(wèn)題有：
1、采動(dòng)裂隙場(chǎng)的透氣規(guī)律研究
經(jīng)過(guò)多年采礦學(xué)者和技術(shù)人員的研究,目前對(duì)于采動(dòng)卸壓場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的范圍已經(jīng)有了相對(duì)成熟的成果和研究手段,研究的技術(shù)思路上也相對(duì)成熟,有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者已經(jīng)能夠估算出采動(dòng)卸壓場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的范圍以及隨采動(dòng)影響的變化規(guī)律,這對(duì)于裂隙場(chǎng)卸壓抽放瓦斯具有重要的指導(dǎo)作用。但是對(duì)于裂隙場(chǎng)內(nèi)巖體的破裂情況及破裂分布尚沒(méi)有相對(duì)成熟的研究成果,對(duì)于瓦斯氣體在裂隙場(chǎng)內(nèi)的解吸、擴(kuò)散、滲流等規(guī)律以及裂隙場(chǎng)內(nèi)的透氣性等還有待進(jìn)一步研究。
2、瓦斯?jié)舛确植家?guī)律研究
進(jìn)行煤與瓦斯抽放時(shí)的一個(gè)重要問(wèn)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(jì)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(chǎng)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(jìn)以及風(fēng)量變化等的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。
3、瓦斯抽放時(shí)的流動(dòng)規(guī)律
主要研究采空區(qū)和裂隙場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行不同壓力抽放時(shí)瓦斯流動(dòng)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(guò)程中固體煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化,尤其是抽放過(guò)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(yàn)和研制專用的試驗(yàn)設(shè)備及大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與試驗(yàn)研究。
（二）增加和穩(wěn)定抽放的瓦斯?jié)舛?/p>
在原始煤體中進(jìn)行預(yù)抽放的瓦斯體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)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(dá)到20%以上,這兩部分抽出的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高,具有利用的前景和可行性,而且目前大部分也進(jìn)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(duì)于這些相對(duì)濃度較低的瓦斯輸送、利用和安全保障技術(shù)等還需要進(jìn)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?duì)較高外,采空區(qū)、卸壓帶內(nèi)抽出的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低,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(huì)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(kāi)采時(shí)的最大障礙之一。目前,在這些方面進(jìn)行了許多探討和研究,但是核心問(wèn)題,如輸送與使用的安全問(wèn)題、提純的高成本問(wèn)題等,依然沒(méi)有解決。
五、煤與瓦斯共采技術(shù)原理
煤層的采動(dòng)會(huì)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(kāi))、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(dòng)而開(kāi)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(dòng)是一個(gè)連續(xù)的兩步過(guò)程:第1步,以擴(kuò)散的形式,瓦斯從沒(méi)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(yùn)移與巖層移動(dòng)及采動(dòng)裂隙的動(dòng)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(kāi)采將引起巖層移動(dòng)與破斷,并在巖層中形成采動(dòng)裂隙。按采動(dòng)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(dòng);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(shí),結(jié)合采場(chǎng)空間特點(diǎn),采空區(qū)四周形成了一個(gè)環(huán)形的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū),文獻(xiàn)稱之為“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采動(dòng)影響的煤層瓦斯在含量梯度和壓力梯度作用下以擴(kuò)散和滲流的形式向“O”形圈內(nèi)運(yùn)移,使得“O”形圈成為卸壓煤層瓦斯聚集和運(yùn)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(dòng)裂隙“O”形圈作為運(yùn)移通道來(lái)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(chǎng),有效解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題,且“O”形圈長(zhǎng)期存在,抽采鉆孔能夠長(zhǎng)時(shí)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(shí),上覆巖層下沉穩(wěn)定后,在采動(dòng)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(guò)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(dòng)裂隙“O”形圈,在采空區(qū)豎直方向上,形成了一個(gè)“∩”形拱采動(dòng)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(dòng)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(huì)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(kuò)散,由于空氣的重力產(chǎn)生方向向下的壓強(qiáng)梯度,則其產(chǎn)生的擴(kuò)散流方向,與壓強(qiáng)梯度反向,即瓦斯氣體具有向上擴(kuò)散的趨勢(shì)。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(dòng)裂隙區(qū)成為瓦斯聚集區(qū),為采動(dòng)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(qiáng)了采空區(qū)瓦斯抽采,直接對(duì)上鄰近層卸壓瓦斯進(jìn)行抽采,減弱了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)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(kāi)采的重要分點(diǎn)將煤層氣開(kāi)采出來(lái)將是煤與瓦斯共采的一條重要途徑。在井下因采動(dòng)影響地層壓力發(fā)生變化,由于開(kāi)采卸壓,煤層中的瓦斯壓力升高,煤中原來(lái)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(yùn)移過(guò)程加劇。因此,合理利用采動(dòng)礦山壓力引起的巖層活動(dòng)規(guī)律,有效地進(jìn)行井下瓦斯抽放和地面煤層氣開(kāi)發(fā),是煤與瓦斯共采的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。巖層運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵層理論、煤與瓦斯突出的流變機(jī)理和球殼失穩(wěn)理論等對(duì)煤與瓦斯共采技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展有著重要參考價(jià)值。
（二）在進(jìn)行煤與瓦斯共采技術(shù)的研究過(guò)程中,應(yīng)該具體情況具體對(duì)待,多提出一些有針對(duì)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(shí)應(yīng)該注重將井下瓦斯抽取與地面煤層氣開(kāi)采有機(jī)地結(jié)合起來(lái),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(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采,更好地為煤礦綠色開(kāi)采服務(wù)。