煤與煤層氣共采的研究進展與面臨的問題

汪鋒 代凱旋 周中文 王兆剛

(中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇 221008)

煤與煤層氣共采的研究進展與面臨的問題

汪鋒 代凱旋 周中文 王兆剛

(中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇 221008)

介紹了世界上當前煤層氣的應用現(xiàn)狀和研究進展;闡明了我國煤與煤層氣共采技術的發(fā)展階段,論述了當前實現(xiàn)煤與煤層氣共采技術的理論基礎;分析了我國煤與煤層氣共采面臨的新問題,指出了煤與煤層氣共采技術的重點研究方向。

煤與煤層氣共采 綠色開采 瓦斯 流變規(guī)律 機理

Abstract:This paper introduces the world’s current situation and the application of the coalbed methane.It clarifies the development of the extraction of coal and coalbed methane technology and the theoretical foundation of achieving the extraction of coal and coalbed methane of China.The article analyses the new problems of the extraction of coal and coalbed methane,and pointes out the the key researching direction of the extraction of coal and coalbed methane.

Keywords:Extraction of coal and coalbed methane;green exploitation;gas;mechanism;law of rheology

煤層氣不僅是與煤炭同樣的資源,而且煤層氣是影響環(huán)境的重要要素。因此,所謂煤與瓦斯共采就是在開采高瓦斯煤層的同時,利用巖層移動的特點將煤層氣開采出來。煤與煤層氣共采可以從根本上防止煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全、提高經(jīng)濟效益;優(yōu)化能源結構、增加清潔能源、減少甲烷的排放、緩解溫室效應;保護大氣環(huán)境,實現(xiàn)兩種資源的協(xié)調(diào)、合理的開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境的有效保護。

1 國外研究現(xiàn)狀

目前,美國、加拿大、澳大利亞、英國等國家的煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較迅速。由于各國的煤層氣資源條件、政策等差別、煤層氣發(fā)展的狀況有所不同。

美國是世界上煤層氣商業(yè)化開發(fā)最成功的國家,也是迄今為止煤層氣產(chǎn)量最高的國家。目前,美國在研究、勘探、開發(fā)利用方面處于世界領先地位。美國利用地面鉆孔水力壓裂開采煤層氣技術,進行煤層氣地面開發(fā)有兩種情況,一種是以圣胡安盆地為代表,在沒有采煤作業(yè)的煤田開采煤層氣,采用的技術與常規(guī)天然氣生產(chǎn)技術基本相似,滲透率低的煤層往往需要采取煤層激勵增產(chǎn)措施;另一種以黑勇士盆地為代表,在生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)開發(fā)煤層氣。采氣與采煤密切相關,特別是采用地面鉆井抽取采空區(qū)的煤層氣,由于采煤時引起上覆煤層和巖層下沉與煤裂,采空區(qū)上方巖石冒落,壓力釋放,透氣性增加,瓦斯大量釋放聚集于采空區(qū),抽氣容易,不需要進行煤層壓裂處理。由于美國極力支持煤層氣的開發(fā)利用,國內(nèi)大批科研院所積極投身于煤與煤層氣共采的科學研究。美國還十分重視煤層氣的勘探技術開發(fā),80年代先后投入60多億美元,進行了大規(guī)模科研試驗,取得了總體勘探技術的突破,對世界煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。

加拿大對煤層氣的開發(fā)利用和對煤與煤層氣共采的研究的起步時間基本和我國相當。由于加拿大政府一直支持煤層氣的發(fā)展,一些研究機構根據(jù)本國以低變質(zhì)煤為主的特點,開展了一系列的技術研究工作,在多分支水平羽狀井、連續(xù)油管壓裂、煤與瓦斯共采等技術方面取得了進展,降低了煤層氣的開采成本,給煤層氣的發(fā)展帶來了機遇。

澳大利亞早在1976年就開始開采煤層氣,主要在昆士蘭的鮑恩盆地。1987～1988年期間已經(jīng)用地面鉆井方法在煤層中采出了煤層氣。昆士蘭天然氣公司已經(jīng)在靠近Chinachill的Argyle-1井取得煤層氣生產(chǎn)成功,日產(chǎn)氣量超過2.832萬m3。但到目前為止其煤層氣的產(chǎn)量還是以礦井煤層氣抽放為主,生產(chǎn)的煤層氣主要供給建在井口的煤層氣發(fā)電站。

歐洲等國開發(fā)利用煤層氣資源已有很長的歷史,但將煤層氣作為單獨的資源進行開發(fā)是最近的事,對煤與煤層氣共采技術的研究也處于初級階段。歐洲主要的產(chǎn)煤國有三個,即德國、波蘭和英國。此外,烏克蘭、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法國、比利時及荷蘭也擁有大量的煤炭資源,因而也是煤層氣開發(fā)的有利地區(qū)。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 煤與煤層氣共采技術的基礎研究

煤與煤層氣共采是錢鳴高院士和繆協(xié)興教授等提出的綠色開采的有機組成部分,因其要在一定的地質(zhì)條件下實現(xiàn)煤與煤層氣共采,所以其基礎包括礦井地質(zhì)和煤層氣防治理論、采動巖體結構運動規(guī)律、煤層氣運移規(guī)律和卸壓煤層氣富集區(qū)理論及創(chuàng)新型技術等。

采動巖體結構理論是采場礦壓理論等基礎上發(fā)展起來的,最重要的核心是由錢鳴高院士、繆協(xié)興教授等將采場礦壓砌體梁力學模型發(fā)展到巖層控制的結構關鍵層力學模型。關鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對開采沉陷控制等的影響。在“煤與瓦斯共采”技術方面,巖層運動中的關鍵層理論所得出的節(jié)理裂隙場分布、離層規(guī)律將對上鄰近層瓦斯動態(tài)涌出與下解放層開采最大卸壓高度的影響等瓦斯抽出技術有重要參考作用。

周世寧院士于1963年在北京礦業(yè)學院科學文選中首次完整的發(fā)表了“煤層瓦斯流動理論及其應用”。周院士在實驗室進行了瓦斯流動的物理模擬試驗,并應用相似理論將實驗結果以相似準數(shù)的形式導出通用的單向、徑向和球向不穩(wěn)定流動瓦斯涌出量計算公式,科學系統(tǒng)的闡明了瓦斯在煤層中的單向、徑項和球向流動規(guī)律和瓦斯在煤層中的擴散-滲透規(guī)律。煤層瓦斯流動理論的提出及發(fā)展給煤與煤層氣共采的科學研究提供技術和理論基礎。

2.2 煤與煤層氣共采技術的研究

我國煤層氣抽采技術經(jīng)歷從“高透氣性煤礦煤層氣抽放”、“鄰近層卸壓煤層氣抽放”、“低透氣性煤層強化煤層氣抽放”和“綜合抽放煤層氣”四個階段。

袁亮院士根據(jù)淮南礦區(qū)煤層煤層氣含量高、埋藏深、極松軟、透氣性低和煤層氣壓力大等復雜地質(zhì)條件于2006年提出“復雜地質(zhì)條件煤與煤層氣共采技術體系”。該體系包括采動煤巖移動卸壓增透抽采瓦斯技術、原始煤層強化抽采瓦斯技術、采空區(qū)瓦斯抽采技術等。

袁亮院士結合淮南礦區(qū)煤層群開采條件分別于2008年和2009年提出低透氣性煤層群煤與瓦斯共采技術思路:首采關鍵卸壓層,沿首采面采空區(qū)邊緣快速機械化構筑高強支撐體將回采巷道保留下來,形成無煤柱連續(xù)開采;在留巷內(nèi)布置上下向高低位抽采鉆孔直達卸壓瓦斯富集區(qū)域,實現(xiàn)連續(xù)抽采卸壓瓦斯與綜采工作面采煤同步推進,構建以留巷鉆孔替代多巖巷的抽采卸壓瓦斯的煤氣共采技術體系。這一技術思路回避了深井開采面臨的很多技術難題,是深部安全高效開采的一個重大技術方向。

實質(zhì)上,煤與煤層氣共采在不同類型礦區(qū)有不同的技術內(nèi)涵,對于高瓦斯礦井不僅要合理開采煤層氣做到資源充分利用,實現(xiàn)煤與煤層氣共采,而且還要做好防治煤層氣災害工作。

3 煤與煤層氣共采研究展望

3.1 中國煤與煤層氣共采面臨的新問題

3.1.1 煤層氣抽采難度大、地質(zhì)構造復雜

我國高瓦斯礦井多,煤層氣含量高,煤田地質(zhì)構造形態(tài)多樣,抽采難度大。目前我國重點煤礦礦井平均開采深度約為420m,而開采深度超過1000m的有10余處,隨著礦井開采深度的加大,瓦斯壓力和地應力增加,瓦斯抽采難度進一步增大。

3.1.2 煤炭開采向大尺寸工作面和全煤厚快速機械化方向發(fā)展

現(xiàn)工作面設計多以斜長超過300m,走向長1000～7000m為主,采煤工藝多以一次采全高和綜采放頂煤推進為主。其對頂?shù)装鍘r層的破壞和裂隙演化規(guī)律與原有的小規(guī)格分層開采等低速、低回采率工作面大不相同。

3.1.3 煤層滲透率低、變質(zhì)程度高、寒氣飽和度低

我國煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點,70%以上的滲透率小于0.001平方微米,這對我國開展煤層煤層氣采前預抽是極為不利的。

3.1.4 煤層氣回收成本較高

在采空區(qū)采集的煤層氣,其中混有空氣,空氣中氧氣是危險的助燃物質(zhì),因而成為含氧煤層氣,為輸送和利用形成阻力。目前在四方面進行研究:變壓吸附、膜分離、燃燒脫氧和低溫精餾分離。我國采用低溫分離將煤層氣從含氧煤層氣中分離和液化獲得成功,問題還在成本。

3.2 煤與煤層氣共采重點研究方向

3.2.1 煤與煤層氣共采機理研究

煤與煤層氣共采作為綠色開采的有機組成部分,要實現(xiàn)這項技術將面臨許多的困難,首先必須掌握煤與煤層氣共采的機理。但是就目前的滲流理論和多相流體力學理論還沒有涉及破裂煤體內(nèi)煤層氣滲流與運移規(guī)律的本質(zhì)。無論對于高地應力還是受采動或其他壓力影響的煤層,以及采動巖體,其滲流骨架的固體力學描述還沒有完備。雖然采動巖體力學理論已經(jīng)初步揭示了采動巖體裂隙的分布規(guī)律,但是采動巖體裂隙內(nèi)的多相氣體流動理論尚待研究。因此,煤體的采動覆巖體內(nèi)的多相氣體流動規(guī)律,既是煤與煤層氣共采機理研究的重點,更是力學研究的前沿。

3.2.2 采動裂隙場的透氣規(guī)律、煤層氣濃度分布規(guī)律和煤層氣抽放時的流動規(guī)律研究

利用采動卸壓場與裂隙場增加煤層煤層氣的解吸速度與煤巖的透氣性,實現(xiàn)礦井煤與煤層氣共采的思想提出已經(jīng)有幾年,按照這個思路,我國學者進行了大量的研究和實踐,取得了一定的成果。但是對于煤層氣在裂隙場內(nèi)的擴散和滲流等規(guī)律、不同區(qū)段不同濃度煤層氣的分布和動態(tài)變化規(guī)律、在進行煤層氣抽放過程中固體煤巖物理力學性質(zhì)的變化和煤層氣抽放時的流變規(guī)律還有待進一步研究,這些都需要大量的室內(nèi)試驗和研制專用的實驗設備及大量的現(xiàn)場觀測與試驗研究。

3.2.3 優(yōu)化煤層氣抽放方案、提高煤層氣采出率

我國煤礦卸壓煤層氣抽放工作一直在進行并取得了很大進展,但是我國煤礦抽放煤層氣的主要目的還是為了采煤的安全,而不是將煤層氣作為一種有用的資源進行開采,大部分礦井抽放煤層氣未能利用而直接排放到大氣中。目前,我國卸壓煤層氣抽放總體上仍存在抽出率低及鉆孔工程量大的問題,煤層氣總體抽出率僅為23%。如何基于巖層移動規(guī)律進行卸壓煤層氣抽放方案的優(yōu)化、提高煤層氣采出率將是我國煤礦煤層氣抽放進一步研究的主要方向。

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The Researching Progress and Problems of The Extraction of Coal and Coalbed Methane

Wang Feng,Dai Kaixuan,Zhou Zhongwen,Wang Zhaogang
(China University of Mining and Technology,Jiangsu 221008)

汪鋒,男,安徽省安慶市人,就讀于中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)。

(責任編輯 桑逢云)