準東地區煤層氣開采與利用方法研究

王鈺森　初泰青　馮兆興

【摘 要】準東煤田被勘探確認為地下儲藏著約3900億噸煤煤炭資源，準東煤田東西長達220公里，以現有我國煤炭年使用量計算，僅準東煤田就夠全國使用一百年。豐富的煤炭資源里蘊藏著大量的煤層氣資源，怎樣在開采煤炭資源的同時盡可能多的開采煤層氣資源便是我國煤層氣資源的發展新方向。

【關鍵詞】準東煤；煤層氣；開采；吸附解吸；

【Abstract】Xinjiang Zhundong coalfield was identified as the storage of about 390 billion tons coal resources，the 220 kilometers border between East and West for Zhundong coalfield.For existing China's coal consumption， ZhunDong coalfield was used for one hundred.A large amount of coalbed methane resources were stored in the coal seam， clean and effective exploitation of Zhundong coal， meanwhile as much as possible of exploiting coalbed methane resources is the new directions in China.

【Key words】Zhundong coalfoeld；Coal methane；Exploition；Absorption desorption

0 引言

準東煤礦是指準噶爾盆地東部從阜康市到木壘哈薩克自治縣的一條狹長礦區，準東煤田成煤面積1.4萬平方公里，已探明煤炭資源儲量2136億噸[1]。如此巨大的煤田也蘊藏著豐富的煤層氣資源，煤層氣，是指存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層氣水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產資源，屬于非常規天然氣[2]。我國煤層氣的資源儲量是38萬億立方米，然而由于開采技術及對煤層氣資源開采的不重視，每年將近廢棄掉200億方煤層氣資源。因此針對準東煤礦的煤層氣資源的合理開發需要進行全方位的研究，才能得到更加經濟的開采方法。本文從準東煤礦地質特性及煤層氣綜合開采技術現狀，分析哪種開采技術更適用于準東煤礦煤層氣開采。

1 準東煤礦煤層特性

為了更能將高效的煤層氣開采技術準確的應用在準東煤礦，應首先對準東煤礦的煤層特性進行詳細了解，我國學者蘇國慶曾對新疆準東煤礦煤質特性進行了相關的實驗研究，研究得出準東煤種屬于中高水分、低灰分、特低硫分、中高揮發分以及中等熱值的煙煤。根據我國學者鮮學福對不同種類煤種富含煤層氣的含量估算，煙煤的煤層氣含量可高達35～40m3/t，無煙煤的煤層氣含量則可高達40～45m3/t，假設準東煤礦都為煙煤，其噸含煤層氣氣體為35～40m3，總煤層氣儲量預計約為1.36～1.56萬億m3。我國學者對準東煤儲層進行了相關研究，確定煤儲層一般具有孔隙壓力低、滲透性差、裂隙發育等特點，鉆井液侵入易導致煤層污染，影響煤層氣的產量。儲量巨大，開發難度大的準東煤層氣資源需要進行

2 煤層氣開采技術及適用于準東煤礦

2.1 二氧化碳驅氣開采技術

目前最經濟、高效開采煤層氣的方式是利用二氧化碳或煙道氣驅替煤層甲烷氣體技術，這種開采模式不但強化了甲烷氣的回收，同時還將大量二氧化碳封存于地下[3]。

圖1為常規二氧化碳氣體驅替煤層氣示意圖，這種方式的局限是需要將CO2氣源集中收集及儲運較難。準東煤礦狹長，而單純利用二氧化碳氣體驅替很難實現全面開采，需結合相應的氣體排放產業園進行集中收集開采。CO2注氣開采，效果明顯，但氣源和經濟性使其應用范圍十分有限

2.2 水力壓裂開采技術

圖2為水力壓裂技術原理圖，水力壓裂技術利用地面高壓泵，將大量化學物質摻雜水、沙子、石子制成壓裂液，再灌進巖石深處并壓裂巖石，最終將煤儲層壓力得到釋放，煤層氣通過孔隙、裂隙后而被抽取到地面上的儲存罐內。

當前，水力壓裂技術對煤層氣增產效果更為明顯。但針對于新疆準東煤礦來說，水資源短缺，應用水力壓裂技術進行開采不但大幅度提高生產成本同時對地層傷害比較嚴重。

2.3 爆破致裂開采技術

采用爆破致裂開采煤層氣[4]，主要是使用炸藥在爆炸瞬間，產生的爆轟氣體引起的膨脹壓力造成巖體質點形成極大的應力場，巖體在應力場的作用下產生較大的徑向位移，破壞原有的煤巖層結構，致使煤巖體產生大量的孔隙、裂隙。利用爆炸產生的應力波和爆生氣體，在煤巖中產生大量裂隙，可有效提高煤礦煤層氣抽采率以及消除煤層氣突出的危險。

由于準東煤礦的多數煤種屬于褐煤，煤質硬度介于2～2.5，松軟煤巖在爆裂過程中雖然能形成大量的孔隙、裂隙，但是正由于過度松軟，爆破過程產生的微小顆粒易造成煤層氣運輸通道阻塞，降低開采效率。

2.4 注熱開采技術

煤層氣在煤層孔隙中主要以吸附狀態存在，通過向煤層注入高溫水蒸汽體[5]，煤層溫度隨之增加，注熱開采過程中，煤層氣分子吸收熱量，分子內能增加，熱運動活性增強，促使煤層氣分子從煤基質表面脫附解吸出來，隨著注熱溫度的增加，煤巖體在集中熱應力及已解吸的煤層氣分子膨脹應力作用下產生更大的孔隙、裂隙，提高煤巖體的滲透率。

針對于新疆準東煤礦，在利用注熱開采煤層氣不僅需要較多熱量的投入，同時還需要大量的水資源，同時在注入汽體后容易形成汽封現象，影響生產效率。

2.5 聲震法開采煤層氣技術

聲震法是通過向煤儲層內施加超聲波[6]，超聲波的機械振動作用使煤層氣分子在擺脫煤巖體對其的束縛，同時超聲波使煤體吸收的聲能轉化為熱能，煤體質點溫度升高，使甲烷氣與煤表面分子間的吸附作用減弱，從而促進煤體中甲烷氣的解吸并擴散。

在超聲波的作用下，煤巖體質點發生位移，促使煤巖體產生新的孔隙-裂隙網，增大煤層氣傳輸通道，煤巖骨架和其中的流體也產生振動，使流體-固體界面產生相對運動，減弱氣體和煤巖的附著力，增加煤層氣產量。

單純的一種開采技術并不能完全適用于準東煤礦煤層氣的開采，可通過開采技術的組合，將適用準東煤礦不同煤層的煤層氣的抽采。

3 結束語

通過對準東煤層物理特性的分析并對不同煤層氣開發方式的介紹，可綜合選用不同開采技術進行配合使用來高效開采準東煤層的煤層氣資源。準東煤層氣的高效開發，對于緩解我國西部清潔能源的緊張局勢、減輕大氣污染，實現我國經濟可持續發展具有重大意義。

【參考文獻】

[1]蘇國慶，姚偉，何紅光.新疆準東煤礦煤質特性試驗研究[J].煤質技術，2015，7：3，9-44.

[2]白向飛，王越，丁華.準東煤種鈉的賦存狀態[J].煤炭學報，2015，40（12）：2909-2915.

[3]王毅剛，岳宗洪.貴州煤層氣開采技術和綜合利用的研究[J].中國礦業，2010，19（7）：114-116.

[4]張金波，吳財芳.煤層氣開采技術應用現狀及其改進[J].煤炭科學技術.2012，40（8）：88-96.

[5]張鳳婕，吳宇，茅獻彪，張麗萍，姚邦華.煤層氣注熱開采的熱-流-固耦合作用分析[J].采礦與安全工程學報，2012，29（4）：505-510.

[6]姜永東，鮮學福，易俊，劉占芳.聲震法促進煤中甲烷氣解吸規律的實驗及機理[J].煤炭學報，2008，33（6）：675-680.endprint