贵州煤矿瓦斯地面抽采现状及抽采方式分析∗

2016-02-05曙罗勇韩真理龙祖根李晓华

中国煤炭 2016年3期

关键词：煤层气水平井采空区

马曙罗勇韩真理龙祖根李晓华

(1.贵州省矿山安全科学研究院,贵州省贵阳市,550025; 2.贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心,贵州省贵阳市,550025)

贵州煤矿瓦斯地面抽采现状及抽采方式分析∗

马曙1,2罗勇1,2韩真理1,2龙祖根1,2李晓华1,2

(1.贵州省矿山安全科学研究院,贵州省贵阳市,550025; 2.贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心,贵州省贵阳市,550025)

摘要对贵州煤矿瓦斯抽采利用现状和抽采技术现状进行了总结,针对贵州煤层瓦斯赋存地质条件“一弱、两多、三高、四大”的特点,分析了煤矿瓦斯地面抽采技术难点,结合井下和地面瓦斯抽采技术的应用现状,探讨贵州煤矿瓦斯地面合理的抽采方式。

关键词贵州煤矿瓦斯地面抽采技术难点抽采方式

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　贵州煤矿瓦斯资源概况

贵州有极为突出的煤炭和煤层气资源优势,煤炭探明储量居全国第五位,煤层气储量居全国第二位,煤炭和煤层气资源都位列我国南方各省份之首.根据贵州最新一轮的煤层气资源评价,全省上二叠系煤层气推测资源量3.06万亿m3,平均资源丰度1.12亿m3/km2,高于全国煤层气平均资源丰度的0.98亿m3/km2,主要集中在六盘水、织纳、黔北3个煤田,共2.83万亿m3,占全省煤层气地质资源总量的92.57％.其中,以六盘水煤田最高,为1.39万亿m3,占全省地质总资源量的45.42％,平均资源丰度2.26亿m3/km2;织纳煤田次之,地质资源量为0.70万亿m3,占全省地质总资源量的22.88％,平均资源丰度1.41亿m3/ km2.我国目前的两大煤层气产业基地沁水盆地煤层气资源储量6.85万亿m3,平均资源丰度为1.46亿m3/km2,鄂尔多斯盆地煤层气资源总量为10.72万亿m3,平均资源丰度为1.53亿m3/km2.相较而言,虽然六盘水和织纳煤田的煤层气资源储量小于这两个煤田,但六盘水煤田平均资源丰度远高于沁水煤田和鄂尔多斯盆地,织纳煤田与这两个煤田相比也只是略低.因此,贵州煤层气资源具有埋藏深度浅、资源量大、丰度高的优势.

从煤矿瓦斯资源来看,贵州煤矿数量众多,2013年全省保有各类矿井1700对,高瓦斯和突出矿井1209对,占71.12％.核定年生产能力3.3 亿t,实际产量1.8亿t.根据《贵州省煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划》,预计2015年全省30万t/a及以上煤矿共计693对,煤矿瓦斯资源量4406亿m3,可抽量2533亿m3,其中六盘水、毕节、遵义、黔西南州、贵阳和安顺6个市、州、地瓦斯资源量分别为1470亿m3、1992 亿m3、260亿m3、556亿m3、21亿m3、106亿m3;可抽量分别为869亿m3、1189亿m3、162 亿m3、259亿m3、12亿m3和42亿m3.由此可见,贵州煤矿瓦斯资源丰富,可采潜力大.

2　贵州煤层气(煤矿瓦斯)抽采现状

2.1贵州煤矿瓦斯抽采利用现状

贵州煤矿瓦斯抽采起步较晚,原水城矿务局老鹰山矿于1971年建成贵州省第一个地面瓦斯抽放泵站,1972年采用边采边抽的方式进行工作面瓦斯抽放,取得了良好的效果,在20世纪80年代后取得长足发展.2014年,全省煤矿瓦斯抽采总量为21.60亿m3,均为井下瓦斯抽采,全省煤矿瓦斯利用量为5.86亿m3,利用率仅为27.14％.根据《贵州省煤炭产业发展“十二五”规划》,到2020年,贵州省将形成煤层气产业体系,全面实现商业化开发.届时,瓦斯年抽采量达到60亿m3,其中地面抽采20亿m3,井下抽采40 亿m3;利用率达到70％以上.建成瓦斯发电装机容量80.2万k Wh,煤层气居民用户达到72.7万户.

2.2贵州煤矿瓦斯抽采技术现状

2.2.1瓦斯井下抽采技术现状

贵州采用的煤矿井下瓦斯抽采技术及方式有很多,按瓦斯来源主要分为邻近层瓦斯抽采、开采层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采及围岩瓦斯抽采.

(1)邻近层穿层钻孔抽采.穿层钻孔抽采主要是布置专用瓦斯抽采巷,施工顶(底)板穿层钻孔预抽煤层瓦斯,瓦斯抽采浓度一般在10％～35％.但该方法存在巷道施工所需时间长,钻孔工程量大;贵州开采煤层多为近距离突出煤层群,专用抽采巷层位选择难,施工过程中容易误穿突出煤层;贵州煤层透气性差,预抽煤层瓦斯效果一般不是很好,同时,施工岩巷和穿层钻孔成本也较高.另外,也可利用穿层钻孔抽采邻近煤层卸压瓦斯,抽采浓度在30％左右,最高可达60％以上,但该抽采方式对回采工作面的影响较大,且受采动影响,抽采钻孔易塌孔堵孔或产生裂隙造成钻孔封孔不严,导致抽采效果不好.

(2)本煤层顺层钻孔抽采.煤巷掘进工作面瓦斯抽采主要是利用煤巷掘进工作面向前方实施顺层钻孔抽采煤层瓦斯;采煤工作面瓦斯抽采是在采面回采前,利用已施工的运输(回风)巷道向回采区域煤层实施顺层钻孔抽采回采区域煤层瓦斯.该方法主要存在的问题是:在煤层透气性较差的条件下抽采效果差,抽采时间长;前期穿层钻孔预抽效果不好,局部煤层仍具有突出危险的情况下,实施本煤层钻孔时容易诱发煤与瓦斯突出.钻孔瓦斯抽采浓度一般在5％～35％,但大多数钻孔由于封孔不严,瓦斯抽采浓度仅在10％左右.

(3)采空区瓦斯抽采.采空区埋管抽采在贵州应用普遍,分为已采采面采空区埋管抽采和对正在回采的采面尾端采空区埋管抽采.对已采采面采空区埋管抽采采用距离自然通风巷道3 m处施工永久密闭埋管抽采;对正在回采的采面尾端采空区埋管抽采主要用于治理上隅角瓦斯,治理效果明显.该方法是沿回采工作面回风巷道的上帮敷设一条瓦斯管,利用地面瓦斯泵负压抽采采空区瓦斯.贵州采空区埋管抽采瓦斯浓度大多在2％～10％,最高可达20％.

(4)围岩瓦斯抽采.围岩瓦斯抽采主要有高位巷抽采、高位钻孔抽采.高位巷抽采是在回采工作面上方靠回风巷道一定距离沿工作面走向布置巷道,工作面回采时抽采采空区瓦斯及上邻近层卸压瓦斯,该方法存在工程量大,所需时间长等问题,在贵州开采近距离突出煤层群条件下,也存在高位巷层位选择较难,施工过程中容易误穿突出煤层的问题,抽采瓦斯浓度大多在20％左右,最高可达60％.高位钻孔抽采分两种方式,一种是从采面回风巷道布置顶板高位钻场,向采空区裂隙带方向施工钻孔,抽采采空区及上邻近层卸压瓦斯,另一种是在采面回风巷道直接向采空区冒落拱上方施工大直径钻孔抽采采空区及上邻近层卸压瓦斯,瓦斯抽采浓度一般在20％左右,最高可达60％.

贵州煤矿瓦斯井下抽采技术总体上较为成熟,但这类被动式瓦斯抽采本身存在较大安全隐患,不利于煤矿企业发展绿色循环经济.

2.2.2 瓦斯地面抽采现状

近年来,贵州开展了大量的煤矿瓦斯地面抽采技术应用实践,除了省内企业,中石化、中石油、中联煤层气公司乃至美国远东能源公司都试图尝试,也取得了一定成效,但仍处于试验研究阶段.

2003年12月,中联煤层气有限责任公司取得了《贵州六盘水保田青山区块煤层气勘查》探矿权,面积980 km2,于2005年11月开始实施,完成剖面长度65 km的二维地震野外数据采集,施工了9口钻井,其中6口为参数井、1口为参数加生产试验井、2口为生产试验井,钻井长度为6988.2 m.

2005年,中国石油天然气集团新兴公司承担了“六盘水煤层气示范工程”项目,在盘关向斜打了5口浅层煤层气井,由于多方面原因,此项目未能成功.

2008－2011年,由贵州省矿山安全科学研究院设计,贵州省煤田地质局施工,在老屋基矿成功施工了垂直井抽采采空区瓦斯,完井时大量瓦斯涌出,瓦斯浓度达到85％.后因钻井堵塞,未及时抽采,导致抽采气体流量小,瓦斯浓度低.在中岭煤矿采用水平井实施地面打钻、井下抽采瓦斯工程,成功在中岭煤矿厚1.2～1.7 m的3＃煤层中钻进750 m,井眼煤层钻遇率73.67％,并在国内首次成功试验了水平井与井下瓦斯抽采系统的对接技术.

2008年至今,中石化下属的中石化华东分公司在贵州省境内共计完成二维地震2810 km,打页岩气井5口,煤层气井24口.2010－2012年,在织金地区实施的织2、织4、织5等多口井,日产气2000 m3以上.2013年实施的织2U1P水平井,日产气量5000 m3以上.2014年,该公司又在织金少普乡实施试验小井组井10口.

2014年,贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司在松河矿施工煤矿瓦斯地面丛式井,现有9口煤层气井均完成钻井、完井和压裂工作,进入排水产气阶段,整个井组日产气量约5800 m3.

2015年,西南能矿集团贵州页岩气股份有限公司在遵义地区实施第一口参数井“枫1井”,井深748 m,在对5＃、6＃、7＃、8＃煤层进行压裂后,日产气量约1000 m3.

2015年,重庆能源贵州公司与中煤科工集团西安研究院合作,在毕节市黔西县官寨煤矿实施了第一口参数井,后在对4＃煤层、6＃～9＃煤层段、11＃～13＃煤层段进行分段压裂抽采,日产气量达到800 m3以上.

由此可见,贵州煤层气(煤矿瓦斯)资源优势为各方所青睐,煤层气(煤矿瓦斯)地面抽采技术应用研究正处于蓬勃发展期,垂直井压裂改造和水平井的应用均取得了一定成效.与此同时,如何结合贵州煤层瓦斯赋存特点和井下开采情况选择合理的抽采方式,充分发挥各类地面钻井技术的功能特点,实现瓦斯地面抽采效益最大化,是实现煤矿瓦斯地面抽采产业化、规模化的重要保障.

3　贵州煤矿瓦斯地面抽采技术难点

贵州煤层瓦斯赋存地质条件具有一弱、两多、三高、四大特点,主要指富水性弱,构造类型与煤层层数多,瓦斯含量、资源丰度、瓦斯压力与地应力高,瓦斯资源量、煤级变化、煤层渗透性变化大及地质条件垂向变化大.对比地面抽采效果较好的沁水盆地、淮南、鄂尔多斯等煤矿区,结合在贵州开展的煤矿瓦斯地面抽采技术实践情况,瓦斯地面抽采具有以下难点.

(1)贵州煤矿区地形相对复杂、起伏变化较大.沁水盆地、淮南、鄂尔多斯等煤矿区所处盆地及平原地带地势平缓,有足够的空间可以施工地面抽采钻孔;而贵州煤矿区处于山地和丘陵地带,其地形复杂、起伏变化大,限制地面抽采钻孔的合理布置和实施,同时也给大型设备的运输、水源供给、电气线路的架设带来一定的困难.

(2)贵州煤矿区地质构造复杂,增大了地面钻井的施工难度.贵州大部分煤矿区褶皱、断层发育,地质构造相对复杂,褶皱造成煤层赋存不稳定,断层造成煤层错位、结构松软,岩层含泥性高易塌孔,增大了地面钻井的施工难度.

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(3)贵州煤矿区多以薄及中厚近距离煤层群赋存为主.煤层层数多、煤层薄,煤层厚度大于2 m层数少,增大了抽采钻孔的定向施工的难度;而在沁水盆地、淮南、鄂尔多斯等煤矿区煤层较厚,如沁水盆地山西组3＃煤层平均厚度为6 m,且分布稳定,有利于钻孔在煤层中的施工.

(4)贵州煤层透气性差,增加了地面抽采的难度.贵州煤层透气性差,大部分煤层渗透性系数小于0.1 m2/MPa2·d,在一定程度上增大了地面预抽煤矿瓦斯的难度;而沁水盆地、鄂尔多斯等煤矿区渗透性较好,如沁水盆地北部太原组煤层渗透率平均值为34.187 m2/MPa2·d,为地面抽采提供了较好的条件.

总体来说贵州煤矿瓦斯地面抽采具有较好的前景,但与地面抽采效果较好的沁水盆地、淮南、鄂尔多斯等矿区地面抽采条件对比,贵州煤矿区地面抽采条件有其自身的特点,简单采用国内常用方法将很难达到预期目标,因此需要结合贵州煤矿区及煤层赋存的特点研究相应的抽采方式.

4　贵州煤矿瓦斯地面抽采方式分析

煤矿瓦斯地面抽采方式主要有地面直井抽采和定向井抽采,其中地面直井分为垂直井和地面采动区井,定向井又可分为水平井、羽状水平井、丛式井、U型井等.各类井型有不同的用途,影响煤矿瓦斯地面抽采方式的因素主要包括地形条件、地质条件及钻井工艺等,其中地质条件是主要影响因素,不同抽采方式需要不同的地质条件与之相适应.因此,贵州煤矿瓦斯地面抽采方式的选择,应充分结合煤矿实际地质地形及煤层赋存等条件,采用合理的地面抽采方式才能达到最佳效果.

(1)在地形平缓、地质构造相对简单、透气性较好的矿区,宜采用地面垂直井、地面采动区井、水平井、羽状水平井、U型井等地面抽采方式,针对贵州近距离煤层群开采的卸压瓦斯抽采,布置地面采动区井及水平井抽采卸压瓦斯尤为合适.

(2)在地形起伏较大的矿区,考虑到地面抽采设施的运输及抽采所需水电等原因,可采用地面井和井下抽采系统对接的技术,利用井下抽采系统,实施地面打钻、井下抽采的新模式.

(3)在地质构造复杂、煤层稳定性差的矿区,由于不利于定向井轨迹的精确定位,因此该部分矿区不宜采用U型井、水平井及羽状水平井等抽采方式,应以地面垂直井、地面采动区井为主.

(5)贵州煤矿多属高瓦斯近距离煤层群开采,煤层间距小、煤层薄,对于主要抽采煤层位于开采层上部的,可布置水平井或地面采动区井,用于抽采开采层上部煤层的卸压瓦斯;对于主要抽采煤层位于开采层下部的可布置水平井或水平羽状井抽采开采层下部煤层卸压瓦斯,但水平井的垂直段应布置在回采区域外;对于主采煤层需要预抽的矿区,应充分考虑煤层产状及地质地形情况布置水平井或水平羽状井,并合理布置排水井,同时也可考虑地面打钻、井下抽采的新模式对开采层瓦斯进行预抽.

(6)对于可以在地面施工数量较少或数量有限的抽采钻井的矿区,在地质条件满足的条件下,可以向不同煤层布置多分支水平井,即利用同一垂直井向不同煤层施工多分支水平井,增加地面垂直井的利用率;同时也可考虑采用丛式井在有限空间内向多煤层、多区域施工地面抽采钻孔,最大限度地抽采煤层瓦斯.

(7)对于地面可以施工钻井、却不是较理想地点的矿区,在地质条件满足的条件下,可以向目标煤层布置水平井或水平羽状井,抽采目标煤层原始煤体瓦斯或卸压瓦斯.

(8)从钻井费用的角度考虑,U型井、水平井和羽状水平井等抽采方式的施工费用高于地面垂直井和地面采动区井,因此可以采用地面垂直井和地面采动区井替代其他抽采方式的应尽量采用地面垂直井和地面采动区井,以节省施工费用.

5　结论与建议

通过对贵州煤矿瓦斯资源特点及地面瓦斯抽采方式的分析,贵州煤矿瓦斯地面抽采方式应结合复杂的地质地形等条件进行综合选择,在地质地形及煤层赋存等条件较好的矿区可考虑布置定向井和垂直井;但在地质地形复杂的矿区,应结合煤矿瓦斯抽采的需要和矿区地质地形特点,合理选择垂直井、定向井及地面打钻、井下抽采等抽采方式.此外,考虑到贵州高瓦斯近距离煤层群赋存及煤层透气性的特点,贵州煤矿区瓦斯地面抽采应结合上述抽采方式对采空区和采动区卸压瓦斯抽采为主,如采用地面打钻抽采煤矿瓦斯时,随着后期采煤工作面向前推进,可以实现预抽井转化为采动区井,再转化为采空区井,达到“一井多用”的效果,以提高地面抽采钻井的利用效率.总之,在贵州开展煤矿瓦斯地面抽采一定要充分结合地形、地质、赋存条件以及井下开采情况,合理选择抽采方式,以实现最佳的抽采效果.

参考文献:

[1]秦勇,高弟.贵州省煤层气资源潜力预测与评价[M].徐州:中国矿业大学出版社,2012

[2]贵州省发展和改革委员会.贵州省煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划[Z].贵州,2010

[3]贵州省发展和改革委员会.贵州省煤炭产业发展“十二五”规划[Z].贵州,2010

[4]高弟,秦勇,易同生.论贵州煤层气地质特点与勘探开发战略[J].中国煤炭地质,2009(3)

[5]仇模伟,李希建等.贵州发耳煤矿穿层钻孔抽采效果影响因素分析[J].中国煤炭,2014(1)

[6]罗勇,韩真理,赵训.贵州煤矿地面抽采瓦斯方案分析[J].煤炭技术,2010(7)

[7]徐宏杰.贵州省薄－中厚煤层群煤层气开发地质理论与技术[D].徐州:中国矿业大学,2012

[8]张培河,张明山.煤层气不同开发方式的应用现状及适应条件分析[J].煤田地质与勘探,2010(2)

[9]刘钰辉,李建武,张培河等.芦岭井田煤层气开发地质条件及开发方式选择[J].煤田地质与勘探,2013(2)

[10]秦勇,袁亮,胡千庭等.我国煤层气勘探与开发技术现状及发展方向[J].煤炭科学技术,2012 (10)

(责任编辑张艳华)