晉城礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動立體抽采模式

李國富 李 波 焦海濱 劉 星

(1.山西晉城煤業(yè)集團煤層氣事業(yè)部，山西 048006;2.中國礦業(yè)大學 (北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

晉城礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動立體抽采模式

李國富1，2李 波1焦海濱1劉 星1

(1.山西晉城煤業(yè)集團煤層氣事業(yè)部，山西 048006;2.中國礦業(yè)大學 (北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

經(jīng)過20多年的探索與實踐，晉煤集團與中國礦業(yè)大學、西安煤炭科學研究院等單位合作，根據(jù)煤炭開發(fā)時空接替規(guī)律，將煤礦區(qū)劃分為規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)三個區(qū)間，分區(qū)采用地面鉆井排采、地面與井下聯(lián)合抽采以及本煤層鉆孔抽采等不同的技術措施以保證煤炭安全高效生產(chǎn)，初步實現(xiàn)了煤礦區(qū)煤炭與煤層氣兩種資源安全高效協(xié)調(diào)開發(fā)。三區(qū)聯(lián)動的區(qū)域遞進式立體抽采模式 (晉城模式)，初步解決了煤層氣開發(fā)與煤炭開采的時空矛盾，提高了煤炭資源回收率，實現(xiàn)了煤礦瓦斯井下抽采和地面原位抽采兩個獨立的產(chǎn)業(yè)模式的有效銜接。

煤層氣 煤炭 規(guī)劃區(qū) 準備區(qū) 生產(chǎn)區(qū) 立體抽采

長期以來，我國高瓦斯礦井均是通過煤礦井下抽采瓦斯來保證其安全生產(chǎn)的。自21世紀初開始，利用石油天然氣開發(fā)技術將煤層中吸附的煤層氣提前預抽出來并加以綜合利用的煤層氣地面抽采技術在我國逐步獲得成功，使得煤礦區(qū)煤炭與煤層氣兩種資源安全高效協(xié)調(diào)開發(fā)成為可能。

如何突破煤礦瓦斯井下抽采和煤層氣地面抽采兩個獨立產(chǎn)業(yè)模式的局限性，有機協(xié)調(diào)煤礦安全高效生產(chǎn)與煤層氣資源開發(fā)利用，是實現(xiàn)煤層氣產(chǎn)業(yè)安全、能源、環(huán)保三重效益所必須解決的重大技術瓶頸。

基于煤炭開發(fā)時空接替規(guī)律，將煤礦區(qū)劃分為煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū) (簡稱規(guī)劃區(qū))、煤炭開拓準備區(qū)(簡稱準備區(qū))與煤炭生產(chǎn)區(qū) (簡稱生產(chǎn)區(qū))三個區(qū)間。生產(chǎn)區(qū)即煤炭生產(chǎn)礦井現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域，準備區(qū)是煤炭生產(chǎn)礦井近期 (一般為3～5年內(nèi)即將進行回采的區(qū)域)，而規(guī)劃區(qū)的煤炭資源一般在5～10年甚至更長時間以后方進行采煤作業(yè)，留有充分的煤層氣預抽時間。

晉城煤業(yè)集團自上世紀九十年代開始在潘莊礦區(qū)引進美國先進的煤層氣地面預抽技術，結(jié)合晉城礦區(qū)地質(zhì)情況研發(fā)出了“清水鉆進、活性水壓裂、定壓排采、低壓集輸”系列關鍵技術，使得沁水盆地南部地區(qū)的煤層氣地面開發(fā)在我國煤層氣產(chǎn)業(yè)一直占據(jù)著舉足輕重的地位。沁南地區(qū)煤層氣地面開發(fā)的成功，也為煤礦區(qū)三區(qū)聯(lián)動、分區(qū)采用不同技術措施實施煤炭與煤層氣兩種資源安全高效協(xié)調(diào)開發(fā)奠定了基礎。

在充分論證了規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)之間的技術銜接要求基礎上，創(chuàng)建了瓦斯安全閾值測算模型和模擬方法，創(chuàng)立了三區(qū)聯(lián)動的區(qū)域遞進式立體抽采模式，并實現(xiàn)了“三區(qū)”煤層氣抽采關鍵技術及配套工藝的創(chuàng)新。

1 煤礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動立體抽采模型

1.1 煤礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動立體抽采決策模型

以晉城等礦區(qū)為代表的華北中部地區(qū)，石炭二疊系煤層瓦斯含量高，安全生產(chǎn)隱患極其嚴重;煤礦瓦斯井下抽采和地面原位抽采兩個獨立的產(chǎn)業(yè)模式無法從技術上有效銜接，地面抽采與煤礦瓦斯治理嚴重脫節(jié)，煤層氣開發(fā)與煤炭開采的時空矛盾尖銳，難以有效地為煤礦瓦斯安全達標服務;多數(shù)礦井實行單一煤層的煤炭開采，國內(nèi)外傳統(tǒng)的區(qū)域卸壓瓦斯抽采工藝和技術無法實施，抽采效率低，抽采成本高，不能保證在有限時間內(nèi)抽采達標。基于煤炭開采時空接替規(guī)律，創(chuàng)新煤層氣抽采工藝及關鍵技術，是實現(xiàn)這些地區(qū)煤礦安全、能源開發(fā)雙重效益并舉的必由途徑。

三區(qū)聯(lián)動抽采模式主要采用遞進式抽采模式，即根據(jù)煤儲層的瓦斯含量與瓦斯壓力在不同的區(qū)域采用不同的抽采技術。在煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū)，因為留有充足的抽采時間，可以采用地面鉆井、定壓排采的方式進行預抽采。在煤炭開采之前進行充足時間的“先抽后采”，可以徹底改變原始高瓦斯環(huán)境的采煤作業(yè)設計方式，可以將高瓦斯環(huán)境降為低瓦斯作業(yè)，進而實現(xiàn)大幅度降低通風量即減少巷道截面積、改變高瓦斯礦井目前通常采用的兩進一回(即Y型通風)甚至是三進兩回通風方式、降低保留煤柱的數(shù)量、提高煤炭資源回收率的目的。

煤炭開拓準備區(qū)一般在3～5年轉(zhuǎn)化為煤炭生產(chǎn)區(qū)，超過5年以上會增加維護成本，時間太短因瓦斯解吸時間不足會造成瓦斯含量和瓦斯壓力不達標。在煤炭開拓準備區(qū)，采用地面與井下聯(lián)合抽采工藝進行預抽采。為使掘進巷道抽采達標，晉城煤業(yè)集團首創(chuàng)了地面井壓裂、井下長鉆孔抽采以及條帶式井上下聯(lián)合抽采技術，同時在寺河、成莊等礦區(qū)應用井下定向鉆機實現(xiàn)煤礦井下鉆孔與地面鉆井壓裂帶的貫通，真正實現(xiàn)了井上下聯(lián)合抽采。

在煤炭生產(chǎn)區(qū)，雖然已經(jīng)實現(xiàn)了區(qū)域抽采達標，但仍然需要進行本煤層鉆孔抽采降低井下通風量保證煤炭安全高效生產(chǎn)，同時由于瓦斯賦存的非均質(zhì)性也使得煤礦井下局部的瓦斯異常情況時有發(fā)生，井下高效抽采由于其壓降更大，可以大幅度降低局部瓦斯異常情況發(fā)生的頻率。

1.2 煤礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動立體抽采模型理論基礎

1.2.1 煤礦安全生產(chǎn)容許最高瓦斯含量數(shù)學模型

依據(jù)煤層氣地質(zhì)特征、瓦斯地質(zhì)條件、煤炭開采強度和煤礦通風安全措施等四方面主控因素，推導出煤礦安全生產(chǎn)容許最高瓦斯含量預測數(shù)學模型，為“三區(qū)”聯(lián)動時空接替 (煤炭生產(chǎn)何時由上一時空進入下一時空)提供了瓦斯含量閾值方面的決策依據(jù):

式中:Cp，煤礦安全生產(chǎn)容許最高瓦斯含量，m3/t;Cic，噸煤原始瓦斯含量，m3/t;R，煤層氣解吸率，%;β，煤炭資源回采率，%;ε，綜合影響因子;Mc，回風流中甲烷最高允許濃度，%;Sh，回風巷斷面積，m2;Vh，回風巷最高允許風速，m/s;n，工作面迎頭前方影響距離與工作面推進速度的比值;P，單位時間煤炭產(chǎn)量，t/s。

1.2.2 基于二級滲流數(shù)學模型的煤層瓦斯壓力數(shù)值模擬模型

通過晉煤集團煤層氣產(chǎn)學研合作單位中國石油大學 (北京)進行大量的滲流機理實驗 (圖1)，建立了考慮煤層瓦斯?jié)B流啟動壓力的基質(zhì)孔隙內(nèi)非達西滲流 (公式2)和裂隙內(nèi)達西滲流 (公式3)，進而建立了基于二級滲流模型的煤層瓦斯壓力數(shù)值模擬模型，為“三區(qū)”聯(lián)動時間接替提供了瓦斯壓力限值方面的決策依據(jù)。

圖1 煤樣滲流機理實驗成果

一級滲流模型 (基質(zhì)孔隙非達西滲流):

式中:v—在壓差△p下流體通過樣柱的流速，cm3/s;k—樣柱的絕對滲透率，D;A—樣柱截面

二級滲流模型 (裂隙內(nèi)達西滲流):積，cm2;△p—流體通過樣柱前后的壓力差，10-1MPa;μ—通過樣柱的流體粘度，mPa·s;L—樣柱長度，cm。

2 煤礦規(guī)劃區(qū)煤層氣地面高效低成本抽采關鍵技術

現(xiàn)有技術條件下，地面井的煤層氣預抽采周期和預抽效率難以滿足規(guī)劃區(qū)與準備區(qū)接替的時間要求，煤層強化改造效果不佳、鉆井/排采過程中煤儲層傷害嚴重、單井施工和排采與集輸成本高等。為此，研發(fā)和突破了煤層高效改造增產(chǎn)、煤層氣井控壓控粉排采、叢式井鉆采、低壓自然能集輸節(jié)能降耗等技術難題，提高了煤層氣抽采效率，有效降低了成本，優(yōu)化相關技術和工藝，是提高煤層氣地面預抽效率、降低生產(chǎn)成本進而保證煤炭開拓準備區(qū)瓦斯含量和壓力達標的關鍵。

2.1 大砂量中砂比煤層高效改造增產(chǎn)技術

通過不同排量、不同前置液量、不同攜砂液量、不同平均砂比的示范工程試驗 (表1)，針對晉城礦區(qū)煤層天然裂隙較為發(fā)育導致壓裂液濾失嚴重、煤層低模量、低強度 (脆、軟，易破碎)、非彈性體力學性質(zhì)致使壓裂難度大、煤吸附能力極強而使壓裂液不能含有機添加劑等特點，研制成功大排量 (＞8m3/min)、中砂比 (12% ～16%)、大規(guī)模活性水壓裂工藝技術，顯著提高了煤層改造效果和煤層氣井產(chǎn)量，降低了單位產(chǎn)量的作業(yè)成本。

表1 煤層改造施工參數(shù)匹配試驗方案

2.2 智能控壓控粉排采工藝技術

研究發(fā)現(xiàn)，晉城無煙煤層滲透率的應力敏感性很強，壓差過大或煤粉堵塞導致近井筒煤層受到嚴重傷害。為此，通過大量實踐探索，形成了針對不同地質(zhì)條件的排采強度 (控制產(chǎn)水量)、液面和套壓智能優(yōu)化控制技術，實現(xiàn)了最佳壓差控制和最佳煤粉產(chǎn)出速度、產(chǎn)出時段控制，保證煤層氣井長期穩(wěn)定高產(chǎn)，同時也有效降低了修井和排采作業(yè)成本。

2.3 叢式井鉆采技術及其大規(guī)模推廣應用

叢式井是在同一井場應用定向鉆進技術向不同方向鉆出2個以上井眼的“樹叢狀”井組，具有節(jié)約土地資源、便于集中控制、降低排采集輸成本等優(yōu)勢。為此，晉煤集團在潘莊煤礦規(guī)劃區(qū)施工成功國內(nèi)第一組煤層氣叢式井抽采井組，并在其他規(guī)劃區(qū)廣泛推廣應用。同時，針對煤層氣叢式井排采生產(chǎn)期長、煤層區(qū)域變化不大等特點，研發(fā)了井眼軌跡 (井身平滑度)和中靶位移控制技術，攻克了特定曲率井眼的排采技術難關，保證了叢式井的順利施工和大規(guī)模推廣應用，大幅度降低了預抽采成本。

2.4 低壓自然能煤層氣集輸技術

煤層氣的井口壓力低、壓力差異大，常規(guī)集輸工藝需要增壓設備，造成能耗增大。為解決集輸驅(qū)動力不足和增壓設備能耗大的問題，本著下游適應上游的設計思想，改進了下游壓縮機，降低了其入口壓力，省去了各個集氣站的增壓設備，率先形成低壓集輸技術，實現(xiàn)了井口壓力不足0.25MPa的正常集輸，大大降低了集輸成本 (圖2)。

圖2 低壓自然能煤層氣集輸技術流程圖

與國內(nèi)外同類技術對比，鉆井技術由清水鉆進發(fā)展成低傷害高效率空氣鉆進，壓裂工藝由活性水大砂比壓裂技術發(fā)展成多前置液中砂比水力壓裂，煤層氣井排采由人工控制發(fā)展成數(shù)字智能化控壓控粉，煤層氣集輸技術由人工增壓集輸發(fā)展為低壓自然能集輸，形成了一整套煤層氣地面高效低成本抽采關鍵技術。

3 準備區(qū)煤層氣地面與井下聯(lián)合抽采技術體系

傳統(tǒng)的地面直井或水平井只能實現(xiàn)“點”上的卸壓，經(jīng)前期預抽后煤層中殘留瓦斯的吸附性更強，需要區(qū)域卸壓才能被有效解吸和抽采;晉城、陽泉等礦區(qū)受地質(zhì)條件限制，目前國內(nèi)外采用的區(qū)域卸壓方式難以實施。然而，適合這種地質(zhì)條件的煤層氣地面工程、煤炭開采井下工程、煤層區(qū)域卸壓開采組合技術國內(nèi)外均未實現(xiàn)，難以降低巷道快速掘進過程中瓦斯動力和濃度超限的危險。

針對上述情況，成功研發(fā)了地面與井下聯(lián)合抽采工藝、條帶式井上下聯(lián)合抽采、井下本煤層長鉆孔貫通地面井水力壓裂影響區(qū)等關鍵技術，創(chuàng)立了獨具特色的開拓準備區(qū)的煤層氣地面與井下聯(lián)合抽采技術體系。

3.1 地面與井下聯(lián)合抽采工藝

如圖3所示，根據(jù)煤炭開拓與開采計劃，分兩個基本工藝實施聯(lián)合抽采。第一步，在采煤準備工程未施工之前，在大巷和條帶式采煤工作面巷道預留位置布置地面井網(wǎng)，實施壓裂抽采。第二步，在巷道掘進過程沿巷道方向中施工井下順層水平長鉆孔，貫通數(shù)口地面井壓裂影響區(qū)，形成條帶狀區(qū)域卸壓抽采。

圖3 煤礦開拓準備區(qū)煤層氣地面與井下聯(lián)合抽采工藝示意圖

3.2 條帶式井上下聯(lián)合抽采技術

在煤礦待掘進巷道區(qū)域，在地面沿巷道條帶狀布置煤層氣井組，經(jīng)壓裂改造后進行地面煤層氣抽采，提前抽采瓦斯;在巷道掘進過程中，施工井下瓦斯抽采鉆孔，待井下鉆孔連通煤層氣井壓裂影響區(qū)后，地面煤層氣井停抽，僅由井下鉆孔利用煤層地面壓裂增滲區(qū)繼續(xù)抽采瓦斯。

3.3 井下本煤層長鉆孔貫通地面井壓裂影響區(qū)抽采技術

利用千米鉆機定向施工本煤層長鉆孔與地面直井壓裂影響區(qū)溝通，形成人工裂縫與長鉆孔構成的立體抽采網(wǎng)絡，實現(xiàn)煤層的大面積改造卸壓和瓦斯抽采。技術實施的效果，取決于采煤工程布置與煤層氣地面工程布置之間的有機銜接。其中，地應力場特征是兩類工程布置所要考慮的共性地質(zhì)條件。即:壓裂裂縫優(yōu)先沿最大擠壓應力方向發(fā)育，條帶狀采煤工程和地面井組垂直于最大擠壓應力方向布置，以最大限度地擴展條帶狀抽采區(qū)的寬度，提高抽采效率，縮短抽采時間。

該套技術首次將采煤卸壓區(qū)與地面壓裂改造技術有效耦合起來，實現(xiàn)了煤層透氣性的全覆蓋式提高及采動區(qū)煤層瓦斯高效抽采，解決了單一煤層煤炭開采區(qū)難以區(qū)域卸壓、瓦斯抽采效率低下、抽采達標時間較長等技術難題。

4 煤礦生產(chǎn)區(qū)煤層氣井下高效抽采關鍵技術

原有井下煤層瓦斯抽采鉆孔不能確定鉆進軌跡(定向定位)問題，瓦斯抽采出現(xiàn)死角和盲區(qū)，存在安全隱患;礦井松軟煤層鉆進易塌孔、壓鉆，鉆孔成孔率低，抽采效果差。2007年以來，晉煤集團在中硬煤層中瓦斯抽采鉆孔定向控制施工，實現(xiàn)了井下煤層大面積精確抽采，消除抽采空白帶，建立了區(qū)域抽采達標評價模型，合理布置區(qū)域鉆孔工程和抽采時間;同時在松軟煤層使用暫堵護壁液和水平填砂技術，提高松軟煤層成孔率，提高瓦斯抽采效果。

4.1 建立了區(qū)域抽采達標評價模型

區(qū)域抽采達標是煤層經(jīng)抽采后，區(qū)域內(nèi)煤層各點瓦斯含量與瓦斯壓力均降到抽采指標要求以下。根據(jù)煤層瓦斯分布規(guī)律，測定區(qū)域內(nèi)經(jīng)地面預抽后煤層的瓦斯含量 (Xy)、計算區(qū)域瓦斯總量(Q總)、抽采達標量 (Q標)及井下區(qū)域本煤層需抽采量 (Q抽)，區(qū)域內(nèi)抽采瓦斯量應滿足Q總-Q抽≤Q標。根據(jù)Q抽可以確定區(qū)域鉆孔工程量 (l)及合理抽采時間 (t)如公式4。區(qū)域抽采鉆孔使用定向鉆機施工，根據(jù)瓦斯地質(zhì)規(guī)律調(diào)整鉆孔密度，消除煤層瓦斯抽采盲區(qū)，真正實現(xiàn)區(qū)域煤層瓦斯抽采達標。

公式 (4)中l(wèi)為煤層抽采鉆孔量 (m)、q0為百米鉆孔初始流量 (m3/min)、a為煤層瓦斯衰減系數(shù)，t為抽采時間。區(qū)域鉆孔使用定向鉆機施工，鉆孔密度根據(jù)瓦斯地質(zhì)規(guī)律進行調(diào)整，根據(jù)煤層變化情況盡可能均勻布置，消除煤層抽采鉆孔布置盲區(qū)，真正實現(xiàn)區(qū)域煤層瓦斯抽采達標。

4.2 中～硬煤層瓦斯抽采鉆孔定向控制施工技術

煤礦原先施工的煤層氣井下抽采鉆孔無隨鉆測量儀器，無法控制井眼軌跡。中～硬煤層瓦斯抽采鉆孔定向控制施工技術集成國產(chǎn)鉆進裝備和隨鉆測量儀器，優(yōu)化鉆壓與鉆井液控制參數(shù)，創(chuàng)新煤礦井下順煤層千米鉆孔定向鉆進施工工藝，使得鉆孔直徑達到了96mm，隨鉆測量精度達到0.5%，單孔主孔最大鉆進長度達1046m，單孔 (包括主孔與分支孔)有效抽采長度達到2000～5000m，鉆孔成孔率80%以上，截至2010年底累計施工定向鉆孔長度280萬m，實現(xiàn)了大區(qū)域長時間精準抽采。

4.3 松軟煤層鉆孔護孔鉆進技術

針對松軟煤層抽采鉆孔施工過程中孔壁失穩(wěn)和護壁堵塞瓦斯?jié)B流通道的難題，研發(fā)出暫堵護壁鉆井液體系。暫堵護壁液為化學漿液，護壁液暫堵率54.82%，護壁液降解后煤層透氣能力恢復至暫堵前的75%，并可保持鉆孔孔壁穩(wěn)定3個月左右。針對瓦斯抽采鉆孔垮塌導致鉆孔失效問題，研發(fā)成功小井眼水平孔高效填砂技術，填砂飽和度達90%。

［1］武華太.煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)聯(lián)動立體抽采技術的研究和實踐 ［J］.煤炭學報，2011，36(8):1312-1316.

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［3］張新民，張遂安，鐘玲文等.中國的煤層甲烷 ［M］.西安:陜西科學技術出版社，1991.

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［5］秦勇，吳財芳，胡愛梅等.煤炭安全開采最高允許含氣量求算模型 ［J］.煤炭學報，2007，32(10):1009-1013.

［6］焦思紅，秦勇，屈永華.一種新的煤層氣產(chǎn)出動態(tài)預測模型［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(2):28-30.

［7］傅雪海，秦勇.多相介質(zhì)煤層氣儲層滲透率預測理論與方法［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003.

［8］李國富，田永東.煤層氣井排水采氣機理淺探 ［J］.中國煤炭，2002，28(7):33-35.

Three-region Integrated CBM Stereo-extraction in Jincheng Mining Area

LI Guofu1，2，LI Bo1，JIAO Haibin1，LIU Xing1
(1.CBM Department of Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group，Shanxi 048006;2.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083)

Based on more than 20 years’exploration and practice，Jincheng Anthracite Mining Group had worked with China University of Mining and Technology，Xi’an Research Institute of CCTEG，etc.，and divides the mining area into three regions，including the planning area，the preparation are and the production area，in accordance with time-space replacement regularities of coal.Different technical measures，including drainage by surface drilling，combination of surface drilling and underground drainage，borehole drilling in the coal seams，etc.are applied in different regions，to guarantees the effective and safety coal production，and preliminarily realize the coordinate development CBM and CMM.Regional and progressive CBM/CMM stereo-extraction by integrating three regions(Jincheng Mode)resolves the contradiction between space and time of CBM development and coal mining，improve the recovery rate of coal resources，and realize the coordination of the two independent industry modes of underground CMM drainage and CBM surface development.

CBM;coal;planning area;preparation area;production area;stereo-extraction

“十二五”國家科技重大專項項目“山西晉城礦區(qū)采氣采煤一體化煤層氣開發(fā)示范工程”(2011ZX05063)和“十二五”山西省科技重大專項“煤層氣抽采關鍵技術及示范”專項

李國富，男，博士 (后)，教授級高工，多年致力于煤層氣開發(fā)利用研究。

(責任編輯 劉 馨)