中國煤與煤層氣共采理論技術現狀及發展趨勢

張千貴 李權山 范翔宇 劉 超 葛兆龍 蔣志剛彭小龍 李相臣 朱蘇陽 趙世林 趙鵬斐 陳昱霏

1. 西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.“ 油氣藏地質與開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學3. 西南石油大學地球科學與技術學院 4.“ 深部巖土力學與地下工程”國家重點實驗室·中國礦業大學5.“ 煤礦災害動力學與控制”國家重點實驗室·重慶大學 6. 四川川煤華榮能源有限責任公司技術中心

0 引言

中國是世界上少數以煤炭作為主要能源的國家，并且煤層普遍瓦斯（煤層氣）含量高且滲透率低，導致煤炭開采前煤層氣難以排出，在煤炭開采的數十年中瓦斯安全事故不斷。此外，煤礦生產過程中抽出的絕大部分煤層氣濃度小于30%，明顯低于煤層氣使用的國家標準，當前不少煤礦仍采取直接排空處理，導致每年煤炭開采作業中排放200多億立方米煤層氣到大氣中，對大氣造成的污染是CO2的數十倍之多。目前，在國家大力推進生態文明建設的背景下[1]，快速發展清潔的煤層氣資源來代替對國民生命安全與自然環境影響惡劣的煤炭能源的需求變得越來越迫切。中國煤層氣可采資源居世界第3位，達到10×1012m3左右。煤層氣平均年產量在“十一五”“十二五”和“十三五”期間分別為7×108m3、16×108m3和 48×108m3[2]，初步突顯了中國煤層氣資源開發的潛力。但是煤礦區煤層氣的抽采效率和利用率依舊很低，地層中煤層氣殘余量較大。因此，確保煤礦生產安全以穩定中國經濟快速發展的能源需求，加大煤礦區煤層氣抽采技術開發力度，增加煤層氣產量，對于加快中國生態文明健康發展、促進“碳達峰”和“碳中和”目標實現進程均具有重要意義。

經過十數年在高含氣儲層煤與煤層氣共采理論技術的發展，雖然已初步形成較為全面的技術成果，但中國煤層地質環境條件復雜，現有理論技術仍不能支撐煤與煤層氣安全高效共采。為此，筆者分析了中國煤層氣開發模式與資源產量、煤與煤層氣共采理論與技術現狀，總結了當前煤與煤層氣共采形勢與理論技術發展趨勢，并提出了推進煤與煤層氣共采產業化發展的建議。

1 生態文明建設下中國能源發展形勢

21世紀開始，世界上掀起了對非常規油氣資源的革命，以此來促進各自國家的能源結構轉型[3]。2016年，《巴黎協定》正式生效標志著全球進入綠色、低碳發展的新階段，加快了每個國家的能源結構向清潔型能源轉型的進程?！稗D型加快、增速趨緩、創新活躍”也成為當今世界能源發展的新趨勢[4]。為此，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國力爭在2030年和2060年前分別實現“碳達峰”和“碳中和”目標。但是，中國基于“富煤、貧油、少氣”的能源儲量特點，形成了以煤為主的能源結構，對煤炭的需求比將長期處于能源總消費量的50%以上[5-6]。并且，由于中國正處于高速發展階段，對能源的需求日益加重。如若不加快對清潔能源的大力開發，煤炭的需求量勢必更進一步增大。與此同時，煤炭生產過程中，煤礦安全問題仍未能得到有效遏制。這些問題已成為中國生態文明健康發展的重要阻礙。

雖然，目前光伏、風能、核能等新興能源發展迅速，但是還遠遠不能滿足中國能源需求，化石能源在未來幾十年里依舊占據著不可替代的地位。天然氣作為化石燃料中唯一的清潔能源，且開采潛力和利用前景極大，可以預見天然氣是可以逐步替代煤炭能源在中國能源消費結構中地位的重要資源。然而，相關數據顯示，中國將會在2035年、2050年對天然氣的需求量分別達到 6 000×108m3、6 700×108m3左右，但是與之對應的天然氣產量分別只有大約3 000×108m3和 3 500×108m3，對外依存度將高達 50% ～ 55%。因此，各類天然氣資源的大力開發，尤其是儲量豐富但仍未實現革命性產業開發的煤層氣資源，已然成為中國能源結構轉型戰略發展的重要方向。相應勘探開發技術的革新必然需要走在產業革命的前列，以助推中國能源結構順利轉型。

2 煤層氣開發模式與資源產量

2.1 煤層氣開發模式

從20世紀90年代開始陸續在各地煤田開展煤層氣的勘探開發工作，2005年煤層氣地面井開發量僅為 3.0×107m3，到 2010 年就已經達到 15×108m3。在此之后，煤層氣產量逐年增加，截至2020年底，地面井開發煤層氣產量約為57.57×108m3，并且可實現煤層氣抽采利用率達90%以上。然而，煤炭行業每年排放到大氣中的甲烷大約440×108m3[7]，其中可以利用而沒有利用的大約260×108m3，煤礦井下抽采率僅約40%，大部分煤層氣在煤炭生產過程中直接排空，導致煤層氣整體利用率一直低于50%[8]。房超等[9]將煤層氣開發分為兩種模式：煤礦區井下抽采和非煤礦區煤層氣地面井開發。張遂安等[10-12]結合煤礦區井下與地面井煤層氣開發的優點，先后提出了“三區聯動立體抽采煤層氣”模式來進行煤與煤層氣的協調開發。在高度依賴煤炭能源的中國，采煤采氣協調發展，是確保能源結構平穩轉型及構建和諧生態文明的必然選擇。歷經數十年的技術攻關與生產實踐，煤礦瓦斯災害得到有效緩解，且煤炭消費占比也在平穩降低。根據國家發展和改革委員會統計數據，2005年全國煤礦安全事故死亡5 938人，煤炭消費占比68.9%。與之相比，2020年全國煤礦事故死亡人數下降了98.6%，煤炭消費占比降低了17.56%，煤礦區煤層氣抽采利用量達到136×108m3，是2005年的22倍。這些數據更加證實了煤與煤層氣共采這一理念的正確性。

2.2 煤層氣資源產量

中國含煤層氣盆地（群）主要分布在華北地區、西北地區、華南地區和東北地區。目前，已探明全國共有42個含煤層氣盆地（群），其中包括9個大型含煤層氣盆地（群）、16個中型含煤層氣盆地（群）、6個中小型含煤層氣盆地（群）、11個小型含煤層氣盆地（群）。中國煤層氣主要賦存盆地（群）資源量情況如表1所示。

表1 中國煤層氣主要賦存盆地（群）資源量情況表[13]

截至2020年底，中國煤層氣累計探明地質儲量 9 302×108m3，僅占煤層氣總資源量的 2.5%。在2005—2020年期間，雖然煤層氣利用量（2020年達135×108m3）在穩步提升，但是相對于抽采量（2020年達 213×108m3）來說仍然偏低[14]。此外，根據“十三五”期間統計的數據可知，頁巖氣的開發規模已遠超煤層氣的開發規模（圖1）。

圖1 2001—2020年中國煤層氣與頁巖氣產量統計圖[2]

氣井產量低、穩產能力差、技術可復制性差等一直是煤層氣開發面臨的常見問題，其核心原因是中國煤層氣儲層具有低含氣飽和度、低滲透率、低儲層壓力以及多構造煤的“三低一多”的特性，以及煤層氣的勘探開發技術體系還不完善[15]。這也說明目前支撐煤層氣資源開發的增產理論與技術仍面臨巨大瓶頸。

3 煤與煤層氣共采理論技術現狀

2003年錢鳴高等[16]就提出了煤礦綠色開發技術之一的煤與煤層氣共采技術。在此之后，程遠平等[17-21]針對煤與煤層氣共采理論與技術先后進行了大量的研究，并取得了一系列成果。經過近20年的發展，地面多分支水平井鉆完井技術取得了突破，井下卸壓抽采煤層氣技術、煤與煤層氣共采技術體系被創立，并用于煤礦區煤與煤層氣的開采。目前，中國煤與煤層氣共采研究理論與技術已經處于世界先進水平[22]。

3.1 煤礦區煤層氣抽采技術發展歷史

20世紀50年代起，國內把煤層氣作為煤礦安全事故的重要誘導因素對待，并未將煤層氣作為一種能源加以利用，煤礦瓦斯主要以治理排采為主。在這期間經歷了高透氣性煤層抽放瓦斯、鄰近層抽放瓦斯和低透氣性煤層強化抽放瓦斯等技術發展階段[23]。20世紀90年代，提出了針對含氣量較高煤層實施煤層氣抽放的多種新技術，但是廣泛應用于煤礦的只有網格式密集布孔技術。20世紀80年代開始至21世紀初，綜合抽放瓦斯被提出來用以解決瓦斯涌出問題，煤層氣地面井抽采、煤礦井下抽采和地面—井下綜合抽采3種抽采技術應運而生。

21世紀初，煤層氣資源的巨大開發潛力才得到重視，煤與煤層氣共采理論技術正式得以發展。煤礦井下煤層氣開采方面，根據國內煤層不同地質特征逐漸形成了一系列煤層氣抽采技術，例如高透氣性本煤層瓦斯抽采、井下鉆孔技術、煤層水力壓裂技術、鄰近層穿層鉆孔區域抽采技術、無煤柱煤與煤層氣共采技術等。同時，煤層氣地面井開采中垂直壓裂井技術、分支水平井技術、叢式井技術、U型水平井技術、定向羽狀水平井等一系列技術基本形成[24]。這一時期，國外也針對不同地質特征煤層提出了一些煤層氣抽采技術。例如，加拿大形成了連續油管鉆井技術、高排量氮氣泡沫壓裂技術、羽狀水平井技術等，用以開采具有煤階低、含氣量低等特點儲層的煤層氣；美國提出了適用于圣胡安盆地的鉆井—洞穴完井技術、適用于其他煤層氣盆地的鉆井—套管—完井—壓裂技術等[25]。然而，由于煤炭開采過程中的安全事故與環境污染等問題突出，發達國家在20世紀末已經基本停止煤炭開采，相關技術主要針對煤層氣開發，很少涉及煤與煤層氣共采。國內外煤與煤層氣開采相關技術對比如表2所示。

表2 國內外煤與煤層氣開采相關技術對比表

21世紀初至今，煤層氣巨大開發潛力得到了國家的高度重視，各煤礦區煤層氣綜合開發利用發展迅速。在這時期，通過“外引內研”的技術發展方式，逐步進入煤礦區煤層氣產業化勘探與開發技術快速發展軌道。但是，由于煤層地質條件復雜，煤與煤層氣共采實現困難。因此，加快煤與煤層氣共采相關理論技術突破，已成為中國煤層氣開發領域迫切需求。此外，由于行業差異，石油與煤炭領域相關企業和科研院所合作程度不高，大規模全面實現煤與煤層氣共采理論技術仍處于探索發展階段。

3.2 煤與煤層氣協調開發模式

3.2.1 煤與煤層氣一體化開采理念

張遂安[26]依據“采煤采氣一體化”理念，將煤礦區劃分為規劃區、開拓區、生產區、采空區4個區：“規劃區”只開展煤層氣地面井開采；“開拓區”實施煤層氣地面井與煤礦井下鉆孔共同開采，并且還需為下一區煤炭回采開拓巷道；“生產區”為煤炭回采和煤層氣地面與煤礦井下抽采區；“采空區”主要抽采井下其他區域析出匯集到該區的煤層氣。目前，根據采空區的特殊情況，一些學者將采空區單獨考慮，創建了綜合規劃區、開拓區、生產區的“三區聯動立體抽采的煤與煤層氣共采模式”[27-28]。

根據采煤工程和采氣工程的時空約束可知：只有在“生產區”才能夠進行煤炭回采，而煤炭開采前期所做的煤層氣抽采工作發生在“規劃區”和“開拓區”內，為確保煤礦安全，“生產區”和“采空區”匯集煤層氣也需實施抽采，因此煤層氣抽采在4個區都將進行。由此可以看出，采煤工程在4區中受到的時空約束極其嚴重，不僅如此，采煤時井下煤層氣含量指標同樣限制了采煤工程[29]。采氣工程在不考慮采動作用的影響時，基本只受極限抽采率的影響，時空約束很小[30]。采煤工程與采氣工程具體約束情況如表3所示。

表3 采氣工程和采煤工程時空約束情況表[31]

煤與煤層氣協調開發的根本目的就是提高煤炭回采率和煤層氣抽采率。煤層氣地面井抽采可以有效解決采煤工程所受到的空間約束；采煤工程可以通過采動作用協助采氣工程突破抽采極限。采煤工程與采氣工程的時空協調，優勢互補，顯著提高了煤炭回采率和煤層氣抽采率，大幅增加了企業經濟效益。

3.2.2 煤與煤層氣協調開發模式配套技術

以地面井和煤層群開發為分類條件，將煤與煤層氣協調開發模式分為以下3種：單一煤層井上下聯合抽采、煤層群井上下聯合抽采和單一煤層/煤層群井下抽采模式[31]。其中，晉城礦區為單一煤層井上下聯合抽采的典型代表，實現了在開發前大規模的煤層氣超前預抽，減小了煤與煤層氣開發的安全隱患，同時研發了地面和井下聯合抽采的關鍵技術。兩淮礦區為煤層群井上下聯合抽采的典型代表，采用井下采動卸壓的技術達到煤層巖體消突的作用，結合地面井煤層氣開采技術，實現了煤層氣地面和煤礦井下協調開發的目的。松藻礦區為單一煤層/煤層群井下抽采的典型代表，不涉及地面井開采技術。在松藻礦區，井下煤層由開拓區、準備區和回采區組成，利用多巖性穿層鉆孔、水力壓裂增透煤層、采空區全密閉抽采等技術實現了對煤層氣的高效抽采。上述礦區煤與煤層氣協調開發模式的配套技術體系如表4所示。

表4 部分礦區煤與煤層氣協調開發模式配套技術體系表[31]

3.2.3 煤與煤層氣協調開發評價體系

煤與煤層氣協調開發評價由開發方案確定和效果評價組成。其中，開發方案確定是針對不同礦區且具有不同地質特征的煤層，選取與之相對應的技術設備，設計出因地制宜的開發方案。開發效果評價主要采用模糊評判模型和協調度函數從安全、經濟、資源回收率3個方面進行綜合評價。中國煤與煤層氣協調開發評價體系較為完善，具有代表性的評價方案包括：侯金玲[32]提出針對煤層氣地面井抽采的評價方法，梁冰等[33]提出采用模糊評價方法對煤與煤層氣共采時經濟、安全、效果的綜合評價方法，劉見中等[31]提出的典型煤礦區域模糊綜合評判模型和指標體系，張學超[34]提出基于適應性、安全、效果評價利用層次分析法和模糊綜合評判法的評價模型。上述評價方法的優缺點如表5所示。

表5 煤與煤層氣協調開發評價方法比較表

3.3 煤層氣運移與煤層增透理論

3.3.1 煤層氣運移理論

3.3.1.1 煤巖體結構與煤層氣賦存狀態

煤層是典型的雙重孔隙結構，主要包括裂隙孔隙和基質孔隙。目前，常見的雙重孔隙度模型有3種：Warren-Root模型[35]、Kazemi模型[36]、De Swann 模型[37]。其中，Warren-Root模型已較為廣泛地用于構建煤層氣藏數學模型和數值模擬，其幾何結構如圖2所示。考慮到固體表面能夠吸附大量氣體[38]，已從理論到實踐證實儲層中煤層氣的賦存形式包括吸附態、游離態和溶解態，并且儲存于煤巖基質中呈吸附態的煤層氣占比達到85%～95%[39]。因此，開采過程中，煤層氣將經歷在煤巖基質微孔中的氣體解吸、從基質向孔裂隙中的擴散、以及通過煤巖孔隙與裂隙滲流到抽采通道3個氣體運移階段[40]。煤層氣成藏過程中會產生大量以束縛水和毛細水形式存在的水，并且若使用水力增透技術開采煤層氣將注入大量水，液體水參與煤層氣解吸與運移過程將使煤層氣的解吸—擴散—滲流機理更為復雜。

圖2 Warren-Root模型簡化結構示意圖[35]

3.3.1.2 煤層氣吸附解吸機理

大量生產實踐表明，初始狀態下煤層的裂縫—割理系統中一般不存在游離氣，煤層產出的煤層氣大多是煤巖體孔隙吸附的氣體[41]，因此認識煤層氣吸附解吸機理是煤層氣開發的基礎與前提。實驗研究方面，唐巨鵬等[42]通過煤巖在應力下的吸附解吸實驗，得出煤巖的解吸量呈現加載時的值大于卸載時的值，并且孔隙壓力的大小也會影響解吸速率；張慧杰等[43]得出煤層氣吸附主要受煤的孔隙發育特征影響。理論研究方面，主要是在Langmuir吸附模型基礎上取得了一些進展：馬東民等[44]建立了煤層氣降壓解吸模型；李相方等[45]基于煤層的液體運移規律、儲層特征等，建立了不同區域煤層氣解吸模型（圖3）。雖然歷經數十年的發展，在煤層氣吸附解吸方面已經取得一些認識，但這些研究成果考慮因素還不夠全面，煤層氣吸附解吸受到地層壓力、溫度、水分等眾多因素的影響，為理論支撐煤與煤層氣安全高效共采，煤層氣抽采過程中受多因素影響的氣體吸附解吸機理還需進一步深入研究。

圖3 未飽和氣藏儲集層降壓解吸機理示意圖[45]

3.3.1.3 多場耦合作用下煤層氣運移理論

煤巖基質中的煤層氣解吸后成為游離氣體，受抽采壓力驅動游離的煤層氣將進入運移過程。該過程包括從基質中擴散至煤巖孔隙和在煤巖孔隙中滲流兩個階段（圖4）[46]。煤層氣抽采過程中，受氣體解吸、氣體擴散與滲流運移引起孔隙壓力變化，導致煤巖體有效應力增大而改變氣體運移通道，形成多場耦合作用，造成氣體在煤巖中的運移機理變得異常復雜。在擴散階段，當煤層排水降壓時，若壓力低于CH4氣體的解吸壓力，吸附態的CH4氣體會轉變為游離態，沿著壓力或濃度較小的方向擴散。秦躍平等[47]得到煤層中氣體擴散基本符合達西定律，并且認為菲克擴散模型適用于CH4氣體擴散初期。李志強等[48]認為煤層氣在不同孔隙中的擴散系數隨著時間的增加呈指數式衰減。Zhao等[49]建立了一種描述煤層氣解吸過程中隨時間變化的擴散模型。在煤層氣滲流階段研究方面，周世寧等[50]提出利用達西定律來描述煤層氣的流動情況，開創了中國煤層氣流動理論的先河。但是，隨著研究工作的深入，人們發現煤層中氣體存在流量過大、分子效應、離子效應和非牛頓態勢等情況[51]，煤層氣流動狀態不完全服從達西定律。之后，Sun等[52-54]先后提出了基于冪定律、啟動壓力梯度、氣體滑脫效應的非線性流動理論。張志剛等[55]在考慮吸附作用和煤層中煤與煤層氣的氣固反應，建立了非線性滲流模型，進一步完善了煤層中氣體非線性流動理論。并且，為描述煤層中多場耦合作用下的氣體滲流過程，國內外學者也相繼提出了ARI，Gray，Palmer和Shi等模型[56]。由此可見，學者對于氣體在煤層中的運移進行了大量探索研究，煤層氣流動理論逐漸完善，使得煤層氣在煤層基質中的擴散和孔隙裂縫中的滲流狀態更為清晰的呈現，為煤與煤層氣安全高效共采奠定了一定的理論基礎。

圖4 煤層氣擴散和滲流機理示意圖

3.3.2 煤層增透理論

3.3.2.1 “O”形圈理論

煤礦區煤層增透抽采煤層氣的理論中具有代表性的是錢鳴高等提出的“O”形圈理論[57]。該理論認為：在煤炭開采期間，由于煤層應力釋放，煤層開采后上覆巖層中形成離層裂隙和豎向破斷裂隙，而在采空區四周存在連通的采動裂隙發育區形成采動裂隙“O”形圈（圖5）[58]。進而由于采動裂隙“O”形圈孔隙壓力降低，煤巖基質中的煤層氣解吸后會往采動裂隙“O”形圈里滲流匯聚。

圖5 煤炭開采形成裂隙“O”形圈示意圖[58]

由此，人們對煤炭開采引起煤巖中裂隙的產生有了基礎的認識，“煤礦綠色開采”概念逐漸形成[59]。煤與煤層氣共采技術是煤礦綠色開發的重要技術之一[60]，在煤炭開采的同時，煤巖受采動作用的影響會產生裂隙，煤巖體中氣體儲容空間的增加會促進煤層氣解吸、擴散與滲流，大幅提升煤層氣抽采效率，煤層瓦斯含量的降低也將大幅提高煤炭開采效率，并增加煤炭回采率，最終達到煤與煤層氣高效共采的目的。

3.3.2.2 卸壓法煤層增透理論

對于低透氣性煤層，大量室內試驗結果表明有效改善煤層透氣性的方法是卸壓法（圖6）[18,61]。

圖6 卸壓法增透抽采煤層氣原理圖

為實現該方法在煤層氣抽采實際工程中的應用，袁亮等[62-63]提出了“高位環形體”理論：在開采一個地區的煤層時，首先選取穩定可靠的煤層最先開采，在采動作用影響下使開采煤層上下巖體的地應力重新分布，誘導煤層產生變形甚至破裂，最終達到增透的目的。而后，程遠平等[64-66]基于卸壓法增透煤層的原理又提出了煤與煤層氣共采的理念，顯著提高了煤與煤層氣協同開發效率。采用卸壓法增透煤層時，將井下煤層劃分為兩個區域：上部卸壓區和下部卸壓區。上部卸壓區主要采用近、中、遠程3種抽采方法，而下部卸壓區一般采用底板巷道網格式下向穿層鉆孔進行煤層氣抽采[18]。理清采動作用引起煤層破裂變形的機理對煤和煤層氣共采至關重要[67]。在煤炭開采時，受采動卸壓作用影響其上部煤層會出現應力重分布，導致煤層發生破裂、變形甚至大范圍移動?；诜中螏缀卫碚?，學者們得到了采動作用下煤巖裂隙分布和演化分形特征，以此量化表征卸壓法增透煤層對煤巖多尺度裂隙結構的影響[68-70]。為明確由采動作用產生裂隙的逾滲特性以及相變臨界性，Zhou等[71]基于逾滲理論建立了采動裂隙演化的重正化群格子模型。為量化卸壓法改善煤層滲透性，謝和平等[72]提出增透率概念形象地描述了采動作用對煤層滲透率的影響。卸壓法增透煤層時，能夠使頂板煤層中斷裂帶和彎曲帶內的突出煤巖體獲得良好的增透效果，但是也會在頂板煤層中形成破壞垮落帶而無法實施煤層氣抽采，導致頂板煤層中煤層氣抽采率降低。

3.3.2.3 水力增透理論

水力壓裂、水力割縫和水力沖孔等水力增透理論在中國應用較為廣泛。水力壓裂是往煤層中注入高壓水，使得煤巖逐漸產生裂隙并沿著煤巖層理和垂直于最小主應力方向延伸[73]。水力壓裂又分為地面井和煤礦井下鉆孔壓裂，煤礦井下鉆孔壓裂由于空間狹小，其壓裂規模比地面井要小很多。煤層脈動水力壓裂的提出降低了水力壓裂所需的壓力值和縮減了壓裂裝備的尺寸，讓水力壓裂在煤礦井下的實用性得到提高[74]。水力割縫是采用高壓水射流對鉆孔周圍的煤巖進行切割，形成一系列縫槽，以改善煤巖中氣體流動效率（圖7）[75-76]。

圖7 水力割縫工藝示意圖

該技術割縫方式可以分為兩種：“鉆—割”分開作業和“鉆—割”同時作業。近幾年，由于多種提高切割能力射流方式的相繼提出，如自激振蕩、脈動、磨料等，使得鉆孔周圍產生更多更深縫槽的高壓水射流工藝日趨成熟，從而有效促進煤層氣解吸[77-78]，大幅提升了難解吸煤層氣抽采效率。水力沖孔是對突出煤層進行鉆孔，并用高壓水在孔內沖擊，破壞鉆孔周圍的煤巖，使煤巖所受地應力重新分布，致使裂隙產生，達到卸壓增透的目的。由于水力沖孔涉及多場耦合作用，而且國內針對固液氣耦合沖孔的研究還處于起步階段，該技術使用范圍還相對較小[79]。

3.4 煤與煤層氣共采中煤層氣抽采技術

3.4.1 煤礦井下抽采煤層氣技術體系

為緩解煤炭生產過程中嚴峻的瓦斯災害問題、提高煤層氣資源利用率以及減少煤礦碳排放，經過數十年的科研攻關與生產實踐，煤礦井下煤層氣抽采技術得到顯著提升，形成了較為完善的技術體系，如圖8所示[20]。

圖8 煤礦井下煤層氣抽采技術體系圖

該技術體系將煤礦井下煤層分為單一煤層、遠距離煤層群和近距離煤層群3種，并且形成了不同的煤層氣抽采方案：對于單一煤層和遠距離煤層群，采用在煤層卸壓區域頂/底板開拓的抽采巷道布設臨近穿層鉆孔實施抽采。針對近距離煤層群主要采用無煤柱煤與煤層氣共采技術實施煤層氣抽采，形成了沿空留巷墻體構筑技術、無煤柱充填材料制備和泵送工藝、沿空留巷圍巖穩定性控制技術、留巷瓦斯綜合治理技術4項關鍵技術。其中，無煤柱沿空留巷墻體構筑技術主要有人工模板、吊袋柔模、機械模板和機械框架模板以及適用于多數薄煤層的煤袋墻人工堆砌；無煤柱留巷充填材料制備和泵送工藝分為高水充填材料制備和泵送工藝、膏體混凝土充填材料制備和泵送工藝；沿空留巷圍巖穩定性控制技術實現了頂板覆巖中大結構和小結構的穩定控制；留巷瓦斯綜合治理技術提出對煤層中各區域煤層氣應實施綜合抽采。上述較為完善的煤礦井下抽采煤層氣技術體系顯著促進了煤礦井下煤層氣高效抽采及煤礦區煤層氣利用的發展。

3.4.2 煤礦采空區煤層氣抽采技術

對于煤礦井采空區的煤層氣抽采，中國形成了以巷道抽采法、鉆孔抽采法、導入法、埋管抽采法為主的抽采技術方法。其中，高位巷煤層氣抽采技術、高位鉆孔煤層氣抽采技術[80]和埋管煤層氣抽采技術[81]應用較為廣泛。高位巷煤層氣抽采技術是通過破壞頂板形成高位巷，使得鄰近層的煤層氣由于頂板的破壞解吸從高位巷中流出最終匯集到采空區，從而被抽采出來。此技術可有效治理采空區瓦斯涌出問題，并且擁有較長的抽采周期，但是開挖一條巷道的工作量較大且花費較高。高位鉆孔煤層氣抽采技術是通過采動壓力形成的裂隙帶以及鉆孔產生的負壓，對采空區中的煤層氣進行抽采，適用于有較大地質構造且煤層氣濃度較高的煤礦井。在上覆巖層的作用下，采動作用形成的“O”形圈中部被壓實，煤層氣集中于“O”形圈裂隙較為發育的四周，由此提出埋管煤層氣抽采技術即在回風側埋管用機械負壓進行開采。此外，中國廢棄煤礦井眾多，煤礦關井后形成具有巨大儲容體積的密閉空間，煤層氣將大量在此空間匯集。對于此類廢棄采空區煤層氣抽采，一般采用鉆井液鉆井工藝和氮氣欠平衡鉆井工藝[82]重新鉆開該密閉空間，然后在利用地面負壓抽采設備實現對該類采空區煤層氣的抽采。采空區煤層氣抽采技術的飛速發展，極大提高了煤與煤層氣共采效率，減少了煤礦井下的安全隱患，提高了煤礦煤層氣的資源利用率。

3.4.3 全方位立體式煤與煤層氣共采技術

隨著石油領域與煤炭領域技術交叉與融合發展，地面井與煤礦井下鉆孔抽采煤層氣得到長足進步。石油領域的叢式井、U型水平井、多分支水平井等鉆井技術，以及垂直井壓裂、水平壓裂、超長水平井分段壓裂等壓裂技術，與煤炭領域煤礦井下順層鉆孔抽采、鉆孔裂隙帶抽采、高位抽采巷鉆孔抽采、回采工作面下隅角綜合抽采等關鍵技術相協同，形成了煤與煤層氣全方位立體式協同開發技術（圖9）。

圖9 煤與煤層氣全方位立體式協同開發模式圖

時間上，先行利用地面井進行煤層區域性抽采，而后對抽采效果不佳或地面井無法涵蓋的局部區域，再運用合理布設的煤礦井下鉆孔進行補強抽采。空間上，充分配合實施地面井與煤礦井下鉆孔水力壓裂，并通過合理協調將地面井和煤礦井下鉆孔納入抽采實施單元，并利用輪替抽采技術實施煤層氣的高效抽采[83]。待完成煤層中煤層氣的抽采后，煤層氣含量將大幅降低，而后再進行煤炭開采。采用地面井和煤礦井下鉆孔聯合協同開采煤層氣的效果遠大于單純地面井或煤礦井下抽采效果。例如，位于淮南礦區的潘一礦抽采卸壓區煤層氣時采用地面井與煤礦井下鉆孔協同抽采的方法，取得了地面井單孔10 000 m3/d以上的突出效果。

4 煤與煤層氣共采形勢與理論技術發展趨勢

4.1 煤與煤層氣共采形勢

4.1.1 國外煤與煤層氣共采形勢

由于不同國家煤層氣儲層地質特征差異顯著，相關開發技術不具備普適性，雖然世界上多國探明儲量巨大的煤層氣資源，但是大多數國家至今也只是停留在煤層氣小規模開發程度上。目前，達到煤層氣商業化開采的國家主要有美國、澳大利亞和加拿大。2018年，國外煤層氣產量達到785×108m3左右[84]。美國是煤層氣成功開發的典范，根據煤層氣的6個主要生產盆地資料顯示，美國煤層氣采收率為50%～80%。澳大利亞在煤層氣開發方面也取得了顯著成效。2018年末，澳大利亞煤層氣的對外出口量就達到了全國總液化天然氣（LNG）的29%。不過，考慮到煤炭開采帶來巨大環境問題，美國、澳大利亞等發達國家幾乎已經停止煤炭開采?？梢?，國外當前相關領域的理論與技術主要針對地面井煤層氣開發，極少涉及煤與煤層氣共采方面。

4.1.2 中國煤與煤層氣共采形勢

提高煤層氣開發和利用效率能有效緩解高碳能源尤其是煤炭的依賴，促進“雙碳”目標的實現。當前，在國家政策扶持與科研工作者的不懈努力下，煤層氣開發利用技術及裝備得到了飛速發展，已形成初具工業化規模的煤層氣開發格局。

“十三五”煤炭產能過剩問題突出，煤炭產能削減提上日程，煤炭產能的縮減將是中國能源結構轉型推進的必然趨勢。相關數據顯示，中國煤炭消費量在2025年后將明顯下降，到2030年煤炭占總能源消費量將降至50%以下[5]。受煤炭產能縮減大趨勢制約，在一定程度上影響煤與煤層氣共采理論技術的發展。然而，當前煤炭仍然是支撐中國經濟飛速發展的主要資源，為確保能源結構轉型平穩過渡，煤炭縮減速度需要合理控制，并加大替代性清潔能源開發。故而，煤與煤層氣共采仍將在未來持續很長一段時間，給能源行業領域科技工作者推進煤與煤層氣共采理論與技術原始創新并實現產業化應用提供了試驗基地。

4.2 煤與煤層氣共采理論與技術發展趨勢

4.2.1 支撐煤與煤層氣高效共采基礎理論

由于對煤層中煤層氣解吸—擴散—滲流機理至今未能完全明確，無論是地面井還是煤礦井下抽采煤層氣效率仍不盡人意。①煤層氣解吸需要降低儲層壓力以獲得更多游離氣體，確保賦存量大的吸附氣體得到有效采出，而降低儲層壓力卻不能保障游離氣體擴散和滲流動力，此矛盾能不能從理論上得到回答，將制約煤層氣高效抽采技術的革命；②分布廣泛且具有松軟、低孔、低滲特征的高含氣煤層，在實施水力增透時導致煤巖中黏性物質遇水膨脹，并且產生裂隙尖端水鎖現象，同時游離氣和吸附氣可以被水動力學圈閉在煤層的基質中[41]，從而造成煤層增透效果不佳；③煤層氣解吸、擴散和滲流在不同特征煤層的機理明顯不同，構建一系列針對不同特征煤層的煤層氣解吸運移理論仍將需要相關科研工作者的努力攻關；④各地煤層氣煤巖儲層普遍松軟且地應力高，導致難以維持煤層氣抽采井/孔穩定，考慮鉆孔與抽采作用影響并耦合儲層氣體流動與溫度變化的煤巖基礎力學理論還需進一步深入研究，進而提出可適用于松軟煤層的井/孔維護技術。由此可見，中國煤與煤層氣共采理論仍然面臨諸多難題，深入開展相關基礎理論研究方能支撐煤與煤層氣高效共采技術的發展。

4.2.2 煤與煤層氣高效共采技術

中國煤與煤層氣共采模式和協調開發評價體系已相對完善，但是煤與煤層氣共采技術體系還有待提高。①水力增透煤層技術已較為廣泛地應用于煤礦井煤層氣抽采，但由于煤層地質條件復雜，綜合考慮煤層地質特征制定因地制宜的水力增透技術仍需進一步提升，尚需完善的相關技術包括順層鉆孔分段水力壓裂技術、穿層鉆孔定向控制壓裂技術、高壓水射流鉆分支孔技術等；②受到煤層滲透率低、地應力高、煤層巖體松軟等影響，造成鉆孔坍塌、堵塞、漏氣等現象，以致煤層氣抽采效果不理想，煤層氣抽采孔穩定性預測與控制技術、漏氣失效鉆孔修復技術、二次封孔技術等還有待進一步完善；③基于煤礦綠色開發理念提出的煤與煤層氣全方位立體式協同開發技術體系還不夠完備，分區聯動地面井連續抽采技術、極薄保護層高效開采技術、無煤柱煤與煤層氣安全高效共采技術等方面還需進一步提高。該技術目前僅在少數煤礦區應用，實際推廣應用中還需對其進一步豐富和發展，以形成完善的技術體系才能實現煤與煤層氣共采技術的革新。

4.2.3 煤礦區煤層氣集輸技術

美國煤層氣開發主要采用地面井抽采，對于地面采出的煤層氣一般匯集入天然氣管道或加工成液化天然氣運輸給消費者。早期煤炭開采過程中井下產出的煤層氣一般利用管道集輸至礦區鍋爐房和臨近發電廠，以提供燃料氣源[85]。相應地，形成了一系列煤層氣存儲與輸送技術。中國對于高含氣煤儲層普遍采用超前鉆孔預抽采或地面鉆孔預抽，以降低煤層氣含量達到煤炭安全作業要求[86]，抽采的煤層氣通過抽放管道進入地面泵站。由于大部分礦區普遍較小，使得煤層氣儲集量有限。偏遠礦區將地面泵站儲集的煤層氣主要用于鍋爐房燃料或供給周圍村民使用。即使是臨近城市的礦區，由于收集的煤層氣濃度一般低于30%，不能匯集入天然氣管道，除礦區與當地居民使用外，大量煤層氣仍通過燃燒口燃燒，甚至直接排放，不僅造成了資源浪費，也加重了碳排放。因此，煤礦區煤層氣集輸技術仍將是當前亟需解決的關鍵技術問題。

4.2.4 煤礦區煤層氣綜合利用技術

煤礦區抽采的煤層氣一般濃度不高，為使資源價值最大化，避免浪費，需大力發展不同濃度段煤層氣綜合利用技術。國外已經實現了煤層氣液化的工業應用，尤其是澳大利亞規劃了太平洋項目（APLNG）、漁夫項目、格拉德斯通項目（GLNG）、昆士蘭柯蒂斯項目（QCLNG）等8個煤層氣深冷液化制取LNG項目以實現資源出口[87]。目前，中國初步形成內燃機發電、煤層氣提純、蓄熱氧化等涵蓋不同濃度煤層氣的利用技術與裝備體系[88]。但是，針對于煤礦區低濃度煤層氣的利用技術還較為匱乏，導致煤礦井下采出煤層氣利用率更是低于40%[86]。造成煤層氣利用率較低的原因主要是：①當前中國多數煤礦煤層氣抽采配套設備與設施未能配置完備，導致煤層氣總體利用率低下；②煤層氣階梯式利用目前仍缺乏相對成熟的技術支持；③每個礦區對于煤層氣的利用是依據自身條件制定，實現利用的煤層氣資源還僅是容易采集的氣體資源，對于投資產出比小的煤層氣資源不做收集利用，甚至直接井下排放或者通過通風口排入地面大氣。因此，大力發展不同濃度段煤層氣綜合利用技術顯得尤為重要。當前，尚需發展的煤層氣綜合利用技術主要包括煤礦井下煤層氣提純技術、低濃度煤層氣本地民用利用技術、煤礦井下低濃度煤層氣發電技術、煤層氣液化技術等。

4.2.5 煤炭地下氣化—煤層氣聯采技術

煤炭地下氣化是將地層中的煤炭采用工業技術手段進行區域可控制燃燒，并在化學和熱作用下產生可燃氣體的過程，進而對產出的可燃體進行集輸用作優質的燃氣能源。同時，利用地下爐腔釋放余熱聯合開采爐腔上覆煤層氣（熱采），可能有效開發極低滲儲層煤層氣資源。目前，加拿大、印度、南非等國家陸續地開展了煤炭地下氣化項目。加拿大在阿爾伯塔省開展了至今最深煤層（1 400 m）的煤炭地下氣化現場試驗[89]，取得了較好的效果。中國1 000 m以下的深部煤炭資源豐富，但是由于開采這些煤炭資源需要應對高地應力、高溫度、涌水量大等突出問題，導致煤炭地下開采十分困難。煤炭地下氣化技術使得中國儲量巨大的深部煤炭資源的安全清潔開發利用成為可能。同時，煤炭地下氣化可有效提高低滲透煤層中煤層氣資源的抽采效率。并且，該技術還能將高污染的煤炭資源通過地下氣化轉為清潔的燃氣資源，對于實現“雙碳”目標意義重大。然而，煤炭地下氣化集建井、采礦、轉化“三位”為一體，從選址到生產運行涉及到地質、采煤、工程熱物理、能源化工、環境保護以及探測監控等諸多學科，遠比傳統油氣工程更為復雜。同時，地下水環境保護、氣化爐穩定性、深部地下氣化運行控制是煤炭地下氣化技術產業化面臨的三個技術瓶頸。

5 推進煤與煤層氣共采產業化的建議

根據上述中國當前煤與煤層氣共采形勢，為保障能源結構轉型平穩過渡，煤與煤層氣共采在將來相當長的一段時期會是中國能源產業發展的重要組成部分。而且在煤與煤層氣共采領域，國外沒有能夠為我們借鑒的發展模式與理論技術，必須走自主創新的發展道路。為此，筆者結合中國相關能源產業發展的實際情況和上述理論與技術的發展趨勢分析，提出一些推進煤與煤層氣共采發展的建議。

1）加大煤與煤層氣共采理論與技術攻關，形成適宜于各地不同地質特征煤層的煤炭開采與煤層氣抽采創新理論和技術體系，并建立健全的煤與煤層氣共采技術行業標準，為支撐煤與煤層氣共采健康發展奠定理論與技術基礎。

2）不斷完善低濃度煤層氣集輸與綜合利用技術，形成煤礦區煤層氣階梯式綜合利用機制，并健全政策保障與技術創新體制，從本質上提高煤礦區煤層氣資源利用率。

3）創新煤與煤層氣開發理念，推行煤炭地下氣化—煤層氣聯采的新型共采模式，攻克理論與技術瓶頸，建立相應創新理論技術體系，構建支撐配套保障機制，形成一條創新的煤與煤層氣協同開發途徑。

4）系統梳理大型煤礦區煤層氣在規劃區、開拓區、生產區及采空區的資源狀況，進行煤礦區煤層氣資源量估算和開發潛力評價，并制定政策統籌煤炭與煤層氣開發，構建煤與煤層氣一體化開采機制，協調煤炭開采和煤層氣開發綜合效益。

5）加強煤炭領域與石油領域科研院所及相關企業交流合作，共同開展煤與煤層氣共采理論和技術攻關，合作推進創新技術的產業化應用，并建立交叉合作機制，形成一條多領域學科的交叉融合能源發展道路。

6）持續實施國家科技攻關與產業示范基地建設，支持煤與煤層氣共采基礎理論和技術原始創新，形成產學研聯合的“基地建設+關鍵技術”組織思路，以“示范工程+先導試驗”方式在國內具有代表性的煤與煤層氣共采礦區實現示范，推進產業化發展進程。

7）全面落實煤與煤層氣共采政策保障體制，打破礦產資源行業壁壘，允許石油領域煤層氣開發企業獲取煤炭企業礦區的煤層氣開發權利，同時鼓勵大型煤炭企業發展煤層氣規?；_采，試行煤系多氣礦業權合一管理制度，形成多領域行業合作促進煤與煤層氣共采規模化發展模式。從國家與地方政策體制方面保障煤與煤層氣甚至是煤層伴生煤系氣資源的共采與綜合利用穩步發展。

6 結論

1）世界發達國家能源結構的成功轉型和非常規油氣資源革命性突破，以及中國“雙碳”戰略目標的確立，為中國能源生態文明發展指明了方向。從高碳排放煤炭資源向清潔能源發展已然成為中國能源結構轉型的主要趨勢。但是煤炭資源平穩縮減是中國經濟飛速發展的重要能源保障策略，由此推行煤與煤層氣共采對于確保煤礦生產安全、緩解清潔能源短缺和降低碳排放等均具有重要的意義。

2）中國煤層氣地面井開采單井產量低、穩產能力差且技術可復制性差，而煤礦井下抽采煤層氣濃度低、抽采效率低、資源利用率低，雖歷經數十年煤層氣產業發展，但仍然還未形成革命性突破，開發規模已顯著落后于頁巖氣資源開發。

3）煤礦區煤層氣抽采已從早期煤礦瓦斯治理抽放向煤與煤層氣共采轉變，形成了如晉城、兩淮和松藻礦區較為成熟的煤與煤層氣協調開發模式與配套技術及開發評價體系，顯著緩解了煤礦生產安全問題，并提升了煤礦區煤層氣資源開發利用效率。

4）煤與煤層氣開發領域學者在煤層氣運移理論與煤層增透理論技術方面已取得了一定的成果，形成了多場耦合作用下煤層氣運移理論、煤礦生產區“O”形圈理論、卸壓法和水力法煤層增透理論等，為煤與煤層氣共采技術開發奠定了理論基礎。

5）煤礦井下煤層氣抽采技術體系相對較為完善，形成了系列施工頂/底板巷道煤層氣抽采技術和無煤柱煤層氣抽采技術、高位巷與高位鉆孔煤層氣抽采技術、導入法與埋管抽采法等技術方法，并提出了地面井與煤礦井下鉆孔全方位立體式煤與煤層氣共采技術理念，大幅提升了煤礦區煤與煤層氣協同開發效率。

6）當前煤與煤層氣共采領域仍然面臨諸多理論與技術瓶頸，并且沒有國外相關理論與技術借鑒，唯有走理論與技術原始創新的發展道路，方能支撐煤與煤層氣協同安全高效開發。為此，國家和地方需進一步完善煤與煤層氣共采的保障體制，加強煤炭領域和石油領域交流與技術合作攻關，并實施煤與煤層氣共采理論技術的產業化應用。