煤礦采掘對煤層氣開發影響模式探討

張光波 祁空軍 于家盛 毛崇昊 張 慶 劉昌平

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

煤層氣與煤炭的伴生成因關系和煤層氣與煤炭的同位同體賦存關系，決定了煤層氣開發與煤炭開采、煤層氣開發與煤礦瓦斯抽采存在密不可分的聯系。煤炭企業開發煤層氣的主要目的是為煤礦生產提供安全的瓦斯環境，煤層氣開發處于從屬地位，而煤層氣企業開發煤層氣的目的則是單純的獲得經濟利益。

為了實現煤與煤層氣協調一體化開發，國家相繼出臺了多項產業政策。《關于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》(國辦發[2006]47號)，明確提出了“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”煤層氣開發原則。同時要求，“必須堅持先抽后采、治理與利用并舉的方針，采取各種鼓勵和扶持措施，防范煤礦瓦斯事故，充分利用能源資源，有效保護生態環境。”國家能源局2016年11月發布的《煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十三五”規劃》提出“推進煤層氣礦業權審批制度改革試點，實現煤層氣與煤炭等資源協調開發。構建煤炭遠景區先采氣后采煤、煤炭生產規劃區先抽后采和采煤采氣一體化格局，促進資源勘察與開發、地面開發與井下抽采協調發展。”煤層氣企業主要在煤礦的遠景規劃區或準備區進行地面抽采(表1)。但是目前協調開發機制并不健全，“先采煤、后采氣”政策缺少剛性約束，礦權重疊區資源開發缺少有效銜接。本文以中石油華北煤層氣公司為例，分析總結了礦權重疊區內煤礦采掘的影響模式，并提出了相應的治理對策，以期為其他煤礦影響區治理提供技術思路。

表1 煤層氣協調開發模式示意圖

1 礦權重疊區地質概況

中石油華北煤層氣公司礦權位于沁水盆地馬蹄形斜坡帶的東南緣，區內地層寬闊平緩，總體向西傾斜，地層傾角一般為2°～7°，以發育小斷距正斷層和低緩平行褶皺為主，褶皺展布方向以北北東向和近南北向為主。主力開發層系為3號煤和15號煤層，煤層保存完整，橫向分布穩定，3號煤厚度為5～8m，煤層埋深300～700m，厚度4.6～7m，含氣量介于16～29m3/t，滲透率0.01～0.91mD，單井平均產氣1200m3；15號煤厚度1～5.5m，煤層埋深400～800m，厚度1.7～4.1m，含氣量15～27 m3/t，滲透率0.02～0.92mD，單井平均產氣1000m3。

2 礦權重疊區采掘影響模式

中石油華北煤層氣公司在晉城礦區與晉煤集團、藍花集團等多個煤礦企業存在礦權重疊，目前已導致50余口生產井產量急劇下降或衰竭無氣，日影響氣量12.3×104m3，部分單井排采時間不足5年，導致了大量投資浪費(圖1)。基于煤礦采掘的生產周期，煤炭采掘對煤層氣地面抽采影響主要分為三種模式：主巷道掘進影響、掘進面影響和回采面影響。

圖1 煤礦采掘對煤層氣開發影響

2.1 主巷道掘進影響

主巷道掘進過程中，利用掘進面底板巖巷布置鉆場，鉆場間距為100m，覆蓋范圍約為60m煤巷掘進范圍，每個鉆場布置鉆孔3～5排，每排布置10個穿層鉆孔，鉆孔直徑為96mm，開孔間距為0.5m，終孔間距為5m，鉆孔施工深度在150m，鉆孔覆蓋范圍在煤層中不得有間隔，鉆孔布置如圖2(a)所示，此階段抽放孔主要作用是降低煤巷中的瓦斯含量。 鉆孔抽放有效范圍為3～10m，煤層氣井單井控制半徑為90～120m，綜合考慮煤層鉆孔的影響半徑約為100～130m。隨著鉆孔的瓦斯抽放，穿層鉆孔覆蓋范圍的煤層氣井會在1～2個月內衰竭無氣，例如CZ411井，生產曲線如圖2(b)，正常氣量約為3000m3/d，由于煤礦進行穿層鉆孔預抽瓦斯，1個月后迅速衰減為無氣。

隨著主巷道掘進，在煤巷后方具備條件時，布置千米鉆機施工鉆場，利用定向長鉆孔對工作面進行超前瓦斯抽放，每隔400m布置一個鉆場，每個鉆場布置15個左右的鉆孔，鉆孔直徑96mm，鉆孔深度300～800m，終孔間距為12～15m，鉆孔布置方式如圖2(c)所示。由于千米鉆孔抽放輻射范圍較大，其外延100～130m范圍內煤層氣井會在2～3個月內衰竭無氣，例如CZ010井，生產曲線如圖2(d)所示，正常氣量約為3500m3/d，受千米鉆井鉆孔抽放影響，2個月內迅速衰減無氣。

圖2 主巷道掘進影響

2.2 掘進面影響

在工作面巷道掘進過程中，需要利用普通順層鉆孔對煤層進行強化抽采，順層鉆孔垂直于工作面兩邊巷道，采用對打鉆孔布置方式，鉆孔長度為150～200m，鉆孔直井94mm，鉆孔間距3～5m，每個鉆孔施工至下一工作面巷道外30m，鉆孔布置方式如圖3(a)所示。由于抽采工作面范圍內煤層氣井在千米鉆孔預抽階段已衰減無氣，因此掘進面影響范圍在抽放孔覆蓋范圍外延100～130m，此影響區域內的煤層氣井會在3～4個月范圍內衰減無氣。例如CZ014井，生產曲線如圖3(b)所示，正常氣量約為1500m3/d，3個月后逐步衰減為0。

圖3 掘進面影響

2.3 回采面影響

經過千米鉆孔采前預抽、順層鉆孔強抽后，煤層中的瓦斯含量基本能夠達到《防治煤與瓦斯突出規定》要求的8m3/t的要求，達到了區域消突的目的。在工作面回采過程中，回采區域的3號煤層氣井均已衰竭無氣，此階段主要影響的是15號煤生產井，煤礦會對15號生產井進行封割套管處理，生產井會迅速衰竭無氣，如圖4(a)。例如CZ418井，生產15號煤，生產曲線如圖4(b)所示，正常氣量約為3000m3/d，由于工作面回采至該井附近，需對3號煤層段進行注灰封堵同時井下進行套管切割，導致該井停產。

3 治理措施

3.1 負壓抽放

煤層氣采用的是低壓集輸工藝模式，單井低壓氣以0.07～0.1MPa的系統壓力經過閥組后匯入集氣站。如果能夠有效的降低系統壓力，增大生產壓差，可以達到增產的目的。對于煤礦影響區的井，通過負壓設備可以有效降低集輸系統壓力，緩解衰減速率。目前對20口井應用負壓抽放設備9臺，系統壓力由實施前的0.09MPa降至目前0.04MPa，產氣量由實施前的3.9×104m3增加至目前的5.8×104m3，產氣量增加了1.9×104m3，一定程度上遏制了煤礦采掘影響。

圖4 回采面影響

3.2 套管封堵

對于采掘面區域外的合采煤層氣井，3號煤層受采掘影響衰竭無氣，但15號煤仍可正常開發利用。為了避免15號煤產氣不被井下負壓抽走，需對3號煤層段進行注灰封堵或者套管補貼，封堵后15號煤層可繼續開發。例如CZ408井，生產3、15號煤，生產曲線如圖5(a)所示，正常氣量約為1800m3/d，受煤礦采掘影響無氣，后對3號煤層段進行套管補貼后繼續生產15號煤，目前產氣量1000m3/d左右。

3.3 采空區鉆井

在采空區內可以利用空氣潛孔錘鉆井技術開發利用15號煤層。正常一開鉆進；二開先采用常規泥漿，鉆至3號煤頂部采空裂隙帶后，使用空氣潛孔錘鉆井技術，鉆至3號煤層下部20～30m處，下入244.5mm套管固井；三開鉆穿15號煤層后，預留50m口袋，下入139.7mm套管固井完井。例如CZ015井，生產曲線如圖5(b)所示，該井位于3號煤采空區內，利用空氣潛孔錘鉆井技術開發利用15號煤，目前產氣量1000m3/d左右。

圖5 煤礦影響區治理井生產曲線

3.4 建立溝通機制

統籌煤層氣、煤炭資源開發布局和時序，合理確定煤層氣勘探開發區塊。建立健全的煤層氣與煤炭資源開發方案互相銜接、項目進展定期通報、資料共享等制度，深化采煤采氣一體化的“晉城模式”和煤炭與煤層氣企業合作共贏的“潞安模式”。通過合作或者調整煤層氣礦業權范圍等方式，妥善解決重疊區內資源協調開發問題。