貴州煤礦瓦斯地面抽采現狀及抽采方式分析?

馬 曙羅 勇韓真理龍祖根李曉華

(1.貴州省礦山安全科學研究院,貴州省貴陽市,550025; 2.貴州省煤礦瓦斯防治工程技術研究中心,貴州省貴陽市,550025)

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貴州煤礦瓦斯地面抽采現狀及抽采方式分析?

馬 曙1,2羅 勇1,2韓真理1,2龍祖根1,2李曉華1,2

(1.貴州省礦山安全科學研究院,貴州省貴陽市,550025; 2.貴州省煤礦瓦斯防治工程技術研究中心,貴州省貴陽市,550025)

摘 要對貴州煤礦瓦斯抽采利用現狀和抽采技術現狀進行了總結,針對貴州煤層瓦斯賦存地質條件“一弱、兩多、三高、四大”的特點,分析了煤礦瓦斯地面抽采技術難點,結合井下和地面瓦斯抽采技術的應用現狀,探討貴州煤礦瓦斯地面合理的抽采方式。

關鍵詞貴州 煤礦瓦斯 地面抽采 技術難點 抽采方式

The analysis of the situations and patterns of ground gas drainage of coal mine in Guizhou of China

Ma Shu1,2,Luo Yong1,2,Han Zhenli1,2,Long Zugen1,2,Li Xiaohua1,2
(1.Research Institute of Mine Safety Science of Guizhou Province,Guiyang,Guizhou 550025,China; 2.Guizhou Provincial Engineering Research Centre for Coal Gas Control,Guiyang,Guizhou 550025,China;)

Abstract The situations of the technique and utilization of gas drainage of coal mine in Guizhou were summarized,aiming at the chacteristics of geological conditions of coal seam gas,which is＂one weaker,two more,three higher and four greater＂,the technique difficulties of ground gas drainage in coal mine were analyzed,combining with the situations of application of gas drainage technique of ground and underground,the reasonable patterns of ground gas drainage of coal mine in Guzhou were discussed.

Key words Guizhou,coal mine gas,ground gas drainage,technique difficulty,gas drainage pattern

1　貴州煤礦瓦斯資源概況

貴州有極為突出的煤炭和煤層氣資源優勢,煤炭探明儲量居全國第五位,煤層氣儲量居全國第二位,煤炭和煤層氣資源都位列我國南方各省份之首.根據貴州最新一輪的煤層氣資源評價,全省上二疊系煤層氣推測資源量3.06萬億m3,平均資源豐度1.12億m3/km2,高于全國煤層氣平均資源豐度的0.98億m3/km2,主要集中在六盤水、織納、黔北3個煤田,共2.83萬億m3,占全省煤層氣地質資源總量的92.57％.其中,以六盤水煤田最高,為1.39萬億m3,占全省地質總資源量的45.42％,平均資源豐度2.26億m3/km2;織納煤田次之,地質資源量為0.70萬億m3,占全省地質總資源量的22.88％,平均資源豐度1.41億m3/ km2.我國目前的兩大煤層氣產業基地沁水盆地煤層氣資源儲量6.85萬億m3,平均資源豐度為1.46億m3/km2,鄂爾多斯盆地煤層氣資源總量為10.72萬億m3,平均資源豐度為1.53億m3/km2.相較而言,雖然六盤水和織納煤田的煤層氣資源儲量小于這兩個煤田,但六盤水煤田平均資源豐度遠高于沁水煤田和鄂爾多斯盆地,織納煤田與這兩個煤田相比也只是略低.因此,貴州煤層氣資源具有埋藏深度淺、資源量大、豐度高的優勢.

從煤礦瓦斯資源來看,貴州煤礦數量眾多,2013年全省保有各類礦井1700對,高瓦斯和突出礦井1209對,占71.12％.核定年生產能力3.3 億t,實際產量1.8億t.根據《貴州省煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十二五”規劃》,預計2015年全省30萬t/a及以上煤礦共計693對,煤礦瓦斯資源量4406億m3,可抽量2533億m3,其中六盤水、畢節、遵義、黔西南州、貴陽和安順6個市、州、地瓦斯資源量分別為1470億m3、1992 億m3、260億m3、556億m3、21億m3、106億m3;可抽量分別為869億m3、1189億m3、162 億m3、259億m3、12億m3和42億m3.由此可見,貴州煤礦瓦斯資源豐富,可采潛力大.

2　貴州煤層氣(煤礦瓦斯)抽采現狀

2.1貴州煤礦瓦斯抽采利用現狀

貴州煤礦瓦斯抽采起步較晚,原水城礦務局老鷹山礦于1971年建成貴州省第一個地面瓦斯抽放泵站,1972年采用邊采邊抽的方式進行工作面瓦斯抽放,取得了良好的效果,在20世紀80年代后取得長足發展.2014年,全省煤礦瓦斯抽采總量為21.60億m3,均為井下瓦斯抽采,全省煤礦瓦斯利用量為5.86億m3,利用率僅為27.14％.根據《貴州省煤炭產業發展“十二五”規劃》,到2020年,貴州省將形成煤層氣產業體系,全面實現商業化開發.屆時,瓦斯年抽采量達到60億m3,其中地面抽采20億m3,井下抽采40 億m3;利用率達到70％以上.建成瓦斯發電裝機容量80.2萬k Wh,煤層氣居民用戶達到72.7萬戶.

2.2貴州煤礦瓦斯抽采技術現狀

2.2.1瓦斯井下抽采技術現狀

貴州采用的煤礦井下瓦斯抽采技術及方式有很多,按瓦斯來源主要分為鄰近層瓦斯抽采、開采層瓦斯抽采、采空區瓦斯抽采及圍巖瓦斯抽采.

(1)鄰近層穿層鉆孔抽采.穿層鉆孔抽采主要是布置專用瓦斯抽采巷,施工頂(底)板穿層鉆孔預抽煤層瓦斯,瓦斯抽采濃度一般在10％～35％.但該方法存在巷道施工所需時間長,鉆孔工程量大;貴州開采煤層多為近距離突出煤層群,專用抽采巷層位選擇難,施工過程中容易誤穿突出煤層;貴州煤層透氣性差,預抽煤層瓦斯效果一般不是很好,同時,施工巖巷和穿層鉆孔成本也較高.另外,也可利用穿層鉆孔抽采鄰近煤層卸壓瓦斯,抽采濃度在30％左右,最高可達60％以上,但該抽采方式對回采工作面的影響較大,且受采動影響,抽采鉆孔易塌孔堵孔或產生裂隙造成鉆孔封孔不嚴,導致抽采效果不好.

(2)本煤層順層鉆孔抽采.煤巷掘進工作面瓦斯抽采主要是利用煤巷掘進工作面向前方實施順層鉆孔抽采煤層瓦斯;采煤工作面瓦斯抽采是在采面回采前,利用已施工的運輸(回風)巷道向回采區域煤層實施順層鉆孔抽采回采區域煤層瓦斯.該方法主要存在的問題是:在煤層透氣性較差的條件下抽采效果差,抽采時間長;前期穿層鉆孔預抽效果不好,局部煤層仍具有突出危險的情況下,實施本煤層鉆孔時容易誘發煤與瓦斯突出.鉆孔瓦斯抽采濃度一般在5％～35％,但大多數鉆孔由于封孔不嚴,瓦斯抽采濃度僅在10％左右.

(3)采空區瓦斯抽采.采空區埋管抽采在貴州應用普遍,分為已采采面采空區埋管抽采和對正在回采的采面尾端采空區埋管抽采.對已采采面采空區埋管抽采采用距離自然通風巷道3 m處施工永久密閉埋管抽采;對正在回采的采面尾端采空區埋管抽采主要用于治理上隅角瓦斯,治理效果明顯.該方法是沿回采工作面回風巷道的上幫敷設一條瓦斯管,利用地面瓦斯泵負壓抽采采空區瓦斯.貴州采空區埋管抽采瓦斯濃度大多在2％～10％,最高可達20％.

(4)圍巖瓦斯抽采.圍巖瓦斯抽采主要有高位巷抽采、高位鉆孔抽采.高位巷抽采是在回采工作面上方靠回風巷道一定距離沿工作面走向布置巷道,工作面回采時抽采采空區瓦斯及上鄰近層卸壓瓦斯,該方法存在工程量大,所需時間長等問題,在貴州開采近距離突出煤層群條件下,也存在高位巷層位選擇較難,施工過程中容易誤穿突出煤層的問題,抽采瓦斯濃度大多在20％左右,最高可達60％.高位鉆孔抽采分兩種方式,一種是從采面回風巷道布置頂板高位鉆場,向采空區裂隙帶方向施工鉆孔,抽采采空區及上鄰近層卸壓瓦斯,另一種是在采面回風巷道直接向采空區冒落拱上方施工大直徑鉆孔抽采采空區及上鄰近層卸壓瓦斯,瓦斯抽采濃度一般在20％左右,最高可達60％.

貴州煤礦瓦斯井下抽采技術總體上較為成熟,但這類被動式瓦斯抽采本身存在較大安全隱患,不利于煤礦企業發展綠色循環經濟.

2.2.2 瓦斯地面抽采現狀

近年來,貴州開展了大量的煤礦瓦斯地面抽采技術應用實踐,除了省內企業,中石化、中石油、中聯煤層氣公司乃至美國遠東能源公司都試圖嘗試,也取得了一定成效,但仍處于試驗研究階段.

2003年12月,中聯煤層氣有限責任公司取得了《貴州六盤水保田青山區塊煤層氣勘查》探礦權,面積980 km2,于2005年11月開始實施,完成剖面長度65 km的二維地震野外數據采集,施工了9口鉆井,其中6口為參數井、1口為參數加生產試驗井、2口為生產試驗井,鉆井長度為6988.2 m.

2005年,中國石油天然氣集團新興公司承擔了“六盤水煤層氣示范工程”項目,在盤關向斜打了5口淺層煤層氣井,由于多方面原因,此項目未能成功.

2008－2011年,由貴州省礦山安全科學研究院設計,貴州省煤田地質局施工,在老屋基礦成功施工了垂直井抽采采空區瓦斯,完井時大量瓦斯涌出,瓦斯濃度達到85％.后因鉆井堵塞,未及時抽采,導致抽采氣體流量小,瓦斯濃度低.在中嶺煤礦采用水平井實施地面打鉆、井下抽采瓦斯工程,成功在中嶺煤礦厚1.2～1.7 m的3＃煤層中鉆進750 m,井眼煤層鉆遇率73.67％,并在國內首次成功試驗了水平井與井下瓦斯抽采系統的對接技術.

2008年至今,中石化下屬的中石化華東分公司在貴州省境內共計完成二維地震2810 km,打頁巖氣井5口,煤層氣井24口.2010－2012年,在織金地區實施的織2、織4、織5等多口井,日產氣2000 m3以上.2013年實施的織2U1P水平井,日產氣量5000 m3以上.2014年,該公司又在織金少普鄉實施試驗小井組井10口.

2014年,貴州盤江煤層氣開發利用有限責任公司在松河礦施工煤礦瓦斯地面叢式井,現有9口煤層氣井均完成鉆井、完井和壓裂工作,進入排水產氣階段,整個井組日產氣量約5800 m3.

2015年,西南能礦集團貴州頁巖氣股份有限公司在遵義地區實施第一口參數井“楓1井”,井深748 m,在對5＃、6＃、7＃、8＃煤層進行壓裂后,日產氣量約1000 m3.

2015年,重慶能源貴州公司與中煤科工集團西安研究院合作,在畢節市黔西縣官寨煤礦實施了第一口參數井,后在對4＃煤層、6＃～9＃煤層段、11＃～13＃煤層段進行分段壓裂抽采,日產氣量達到800 m3以上.

由此可見,貴州煤層氣(煤礦瓦斯)資源優勢為各方所青睞,煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采技術應用研究正處于蓬勃發展期,垂直井壓裂改造和水平井的應用均取得了一定成效.與此同時,如何結合貴州煤層瓦斯賦存特點和井下開采情況選擇合理的抽采方式,充分發揮各類地面鉆井技術的功能特點,實現瓦斯地面抽采效益最大化,是實現煤礦瓦斯地面抽采產業化、規模化的重要保障.

3　貴州煤礦瓦斯地面抽采技術難點

貴州煤層瓦斯賦存地質條件具有一弱、兩多、三高、四大特點,主要指富水性弱,構造類型與煤層層數多,瓦斯含量、資源豐度、瓦斯壓力與地應力高,瓦斯資源量、煤級變化、煤層滲透性變化大及地質條件垂向變化大.對比地面抽采效果較好的沁水盆地、淮南、鄂爾多斯等煤礦區,結合在貴州開展的煤礦瓦斯地面抽采技術實踐情況,瓦斯地面抽采具有以下難點.

(1)貴州煤礦區地形相對復雜、起伏變化較大.沁水盆地、淮南、鄂爾多斯等煤礦區所處盆地及平原地帶地勢平緩,有足夠的空間可以施工地面抽采鉆孔;而貴州煤礦區處于山地和丘陵地帶,其地形復雜、起伏變化大,限制地面抽采鉆孔的合理布置和實施,同時也給大型設備的運輸、水源供給、電氣線路的架設帶來一定的困難.

(2)貴州煤礦區地質構造復雜,增大了地面鉆井的施工難度.貴州大部分煤礦區褶皺、斷層發育,地質構造相對復雜,褶皺造成煤層賦存不穩定,斷層造成煤層錯位、結構松軟,巖層含泥性高易塌孔,增大了地面鉆井的施工難度.

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(3)貴州煤礦區多以薄及中厚近距離煤層群賦存為主.煤層層數多、煤層薄,煤層厚度大于2 m層數少,增大了抽采鉆孔的定向施工的難度;而在沁水盆地、淮南、鄂爾多斯等煤礦區煤層較厚,如沁水盆地山西組3＃煤層平均厚度為6 m,且分布穩定,有利于鉆孔在煤層中的施工.

(4)貴州煤層透氣性差,增加了地面抽采的難度.貴州煤層透氣性差,大部分煤層滲透性系數小于0.1 m2/MPa2·d,在一定程度上增大了地面預抽煤礦瓦斯的難度;而沁水盆地、鄂爾多斯等煤礦區滲透性較好,如沁水盆地北部太原組煤層滲透率平均值為34.187 m2/MPa2·d,為地面抽采提供了較好的條件.

總體來說貴州煤礦瓦斯地面抽采具有較好的前景,但與地面抽采效果較好的沁水盆地、淮南、鄂爾多斯等礦區地面抽采條件對比,貴州煤礦區地面抽采條件有其自身的特點,簡單采用國內常用方法將很難達到預期目標,因此需要結合貴州煤礦區及煤層賦存的特點研究相應的抽采方式.

4　貴州煤礦瓦斯地面抽采方式分析

煤礦瓦斯地面抽采方式主要有地面直井抽采和定向井抽采,其中地面直井分為垂直井和地面采動區井,定向井又可分為水平井、羽狀水平井、叢式井、U型井等.各類井型有不同的用途,影響煤礦瓦斯地面抽采方式的因素主要包括地形條件、地質條件及鉆井工藝等,其中地質條件是主要影響因素,不同抽采方式需要不同的地質條件與之相適應.因此,貴州煤礦瓦斯地面抽采方式的選擇,應充分結合煤礦實際地質地形及煤層賦存等條件,采用合理的地面抽采方式才能達到最佳效果.

(1)在地形平緩、地質構造相對簡單、透氣性較好的礦區,宜采用地面垂直井、地面采動區井、水平井、羽狀水平井、U型井等地面抽采方式,針對貴州近距離煤層群開采的卸壓瓦斯抽采,布置地面采動區井及水平井抽采卸壓瓦斯尤為合適.

(2)在地形起伏較大的礦區,考慮到地面抽采設施的運輸及抽采所需水電等原因,可采用地面井和井下抽采系統對接的技術,利用井下抽采系統,實施地面打鉆、井下抽采的新模式.

(3)在地質構造復雜、煤層穩定性差的礦區,由于不利于定向井軌跡的精確定位,因此該部分礦區不宜采用U型井、水平井及羽狀水平井等抽采方式,應以地面垂直井、地面采動區井為主.

(5)貴州煤礦多屬高瓦斯近距離煤層群開采,煤層間距小、煤層薄,對于主要抽采煤層位于開采層上部的,可布置水平井或地面采動區井,用于抽采開采層上部煤層的卸壓瓦斯;對于主要抽采煤層位于開采層下部的可布置水平井或水平羽狀井抽采開采層下部煤層卸壓瓦斯,但水平井的垂直段應布置在回采區域外;對于主采煤層需要預抽的礦區,應充分考慮煤層產狀及地質地形情況布置水平井或水平羽狀井,并合理布置排水井,同時也可考慮地面打鉆、井下抽采的新模式對開采層瓦斯進行預抽.

(6)對于可以在地面施工數量較少或數量有限的抽采鉆井的礦區,在地質條件滿足的條件下,可以向不同煤層布置多分支水平井,即利用同一垂直井向不同煤層施工多分支水平井,增加地面垂直井的利用率;同時也可考慮采用叢式井在有限空間內向多煤層、多區域施工地面抽采鉆孔,最大限度地抽采煤層瓦斯.

(7)對于地面可以施工鉆井、卻不是較理想地點的礦區,在地質條件滿足的條件下,可以向目標煤層布置水平井或水平羽狀井,抽采目標煤層原始煤體瓦斯或卸壓瓦斯.

(8)從鉆井費用的角度考慮,U型井、水平井和羽狀水平井等抽采方式的施工費用高于地面垂直井和地面采動區井,因此可以采用地面垂直井和地面采動區井替代其他抽采方式的應盡量采用地面垂直井和地面采動區井,以節省施工費用.

5　結論與建議

通過對貴州煤礦瓦斯資源特點及地面瓦斯抽采方式的分析,貴州煤礦瓦斯地面抽采方式應結合復雜的地質地形等條件進行綜合選擇,在地質地形及煤層賦存等條件較好的礦區可考慮布置定向井和垂直井;但在地質地形復雜的礦區,應結合煤礦瓦斯抽采的需要和礦區地質地形特點,合理選擇垂直井、定向井及地面打鉆、井下抽采等抽采方式.此外,考慮到貴州高瓦斯近距離煤層群賦存及煤層透氣性的特點,貴州煤礦區瓦斯地面抽采應結合上述抽采方式對采空區和采動區卸壓瓦斯抽采為主,如采用地面打鉆抽采煤礦瓦斯時,隨著后期采煤工作面向前推進,可以實現預抽井轉化為采動區井,再轉化為采空區井,達到“一井多用”的效果,以提高地面抽采鉆井的利用效率.總之,在貴州開展煤礦瓦斯地面抽采一定要充分結合地形、地質、賦存條件以及井下開采情況,合理選擇抽采方式,以實現最佳的抽采效果.

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(責任編輯 張艷華)

作者簡介:馬曙(1982－),男,湖南湘陰人,碩士,2009年畢業于貴州大學采礦工程專業,高級工程師,主要從事煤礦瓦斯地質及瓦斯災害防治技術研究工作。

基金項目:?國家科技支撐計劃課題——西南(貴州)地區中小煤礦防突技術體系及示范(2012BAK04B07)

中圖分類號TD712.6

文獻標識碼A