煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题

汪锋 代凯旋 周中文 王兆刚

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏 221008)

煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题

汪锋 代凯旋 周中文 王兆刚

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏 221008)

介绍了世界上当前煤层气的应用现状和研究进展;阐明了我国煤与煤层气共采技术的发展阶段,论述了当前实现煤与煤层气共采技术的理论基础;分析了我国煤与煤层气共采面临的新问题,指出了煤与煤层气共采技术的重点研究方向。

煤与煤层气共采 绿色开采 瓦斯 流变规律 机理

Abstract:This paper introduces the world’s current situation and the application of the coalbed methane.It clarifies the development of the extraction of coal and coalbed methane technology and the theoretical foundation of achieving the extraction of coal and coalbed methane of China.The article analyses the new problems of the extraction of coal and coalbed methane,and pointes out the the key researching direction of the extraction of coal and coalbed methane.

Keywords:Extraction of coal and coalbed methane;green exploitation;gas;mechanism;law of rheology

煤层气不仅是与煤炭同样的资源,而且煤层气是影响环境的重要要素。因此,所谓煤与瓦斯共采就是在开采高瓦斯煤层的同时,利用岩层移动的特点将煤层气开采出来。煤与煤层气共采可以从根本上防止煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全、提高经济效益;优化能源结构、增加清洁能源、减少甲烷的排放、缓解温室效应;保护大气环境,实现两种资源的协调、合理的开发利用与生态环境的有效保护。

1 国外研究现状

目前,美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家的煤层气产业发展比较迅速。由于各国的煤层气资源条件、政策等差别、煤层气发展的状况有所不同。

美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家,也是迄今为止煤层气产量最高的国家。目前,美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位。美国利用地面钻孔水力压裂开采煤层气技术,进行煤层气地面开发有两种情况,一种是以圣胡安盆地为代表,在没有采煤作业的煤田开采煤层气,采用的技术与常规天然气生产技术基本相似,渗透率低的煤层往往需要采取煤层激励增产措施;另一种以黑勇士盆地为代表,在生产矿区内开发煤层气。采气与采煤密切相关,特别是采用地面钻井抽取采空区的煤层气,由于采煤时引起上覆煤层和岩层下沉与煤裂,采空区上方岩石冒落,压力释放,透气性增加,瓦斯大量释放聚集于采空区,抽气容易,不需要进行煤层压裂处理。由于美国极力支持煤层气的开发利用,国内大批科研院所积极投身于煤与煤层气共采的科学研究。美国还十分重视煤层气的勘探技术开发,80年代先后投入60多亿美元,进行了大规模科研试验,取得了总体勘探技术的突破,对世界煤层气产业的发展做出了重要贡献。

加拿大对煤层气的开发利用和对煤与煤层气共采的研究的起步时间基本和我国相当。由于加拿大政府一直支持煤层气的发展,一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点,开展了一系列的技术研究工作,在多分支水平羽状井、连续油管压裂、煤与瓦斯共采等技术方面取得了进展,降低了煤层气的开采成本,给煤层气的发展带来了机遇。

澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气,主要在昆士兰的鲍恩盆地。1987～1988年期间已经用地面钻井方法在煤层中采出了煤层气。昆士兰天然气公司已经在靠近Chinachill的Argyle-1井取得煤层气生产成功,日产气量超过2.832万m3。但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主,生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。

欧洲等国开发利用煤层气资源已有很长的历史,但将煤层气作为单独的资源进行开发是最近的事,对煤与煤层气共采技术的研究也处于初级阶段。欧洲主要的产煤国有三个,即德国、波兰和英国。此外,乌克兰、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法国、比利时及荷兰也拥有大量的煤炭资源,因而也是煤层气开发的有利地区。

2 国内研究现状

2.1 煤与煤层气共采技术的基础研究

煤与煤层气共采是钱鸣高院士和缪协兴教授等提出的绿色开采的有机组成部分,因其要在一定的地质条件下实现煤与煤层气共采,所以其基础包括矿井地质和煤层气防治理论、采动岩体结构运动规律、煤层气运移规律和卸压煤层气富集区理论及创新型技术等。

采动岩体结构理论是采场矿压理论等基础上发展起来的,最重要的核心是由钱鸣高院士、缪协兴教授等将采场矿压砌体梁力学模型发展到岩层控制的结构关键层力学模型。关键层理论提出的目的是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。在“煤与瓦斯共采”技术方面,岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙场分布、离层规律将对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要参考作用。

周世宁院士于1963年在北京矿业学院科学文选中首次完整的发表了“煤层瓦斯流动理论及其应用”。周院士在实验室进行了瓦斯流动的物理模拟试验,并应用相似理论将实验结果以相似准数的形式导出通用的单向、径向和球向不稳定流动瓦斯涌出量计算公式,科学系统的阐明了瓦斯在煤层中的单向、径项和球向流动规律和瓦斯在煤层中的扩散-渗透规律。煤层瓦斯流动理论的提出及发展给煤与煤层气共采的科学研究提供技术和理论基础。

2.2 煤与煤层气共采技术的研究

我国煤层气抽采技术经历从“高透气性煤矿煤层气抽放”、“邻近层卸压煤层气抽放”、“低透气性煤层强化煤层气抽放”和“综合抽放煤层气”四个阶段。

袁亮院士根据淮南矿区煤层煤层气含量高、埋藏深、极松软、透气性低和煤层气压力大等复杂地质条件于2006年提出“复杂地质条件煤与煤层气共采技术体系”。该体系包括采动煤岩移动卸压增透抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯技术、采空区瓦斯抽采技术等。

袁亮院士结合淮南矿区煤层群开采条件分别于2008年和2009年提出低透气性煤层群煤与瓦斯共采技术思路:首采关键卸压层,沿首采面采空区边缘快速机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来,形成无煤柱连续开采;在留巷内布置上下向高低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域,实现连续抽采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步推进,构建以留巷钻孔替代多岩巷的抽采卸压瓦斯的煤气共采技术体系。这一技术思路回避了深井开采面临的很多技术难题,是深部安全高效开采的一个重大技术方向。

实质上,煤与煤层气共采在不同类型矿区有不同的技术内涵,对于高瓦斯矿井不仅要合理开采煤层气做到资源充分利用,实现煤与煤层气共采,而且还要做好防治煤层气灾害工作。

3 煤与煤层气共采研究展望

3.1 中国煤与煤层气共采面临的新问题

3.1.1 煤层气抽采难度大、地质构造复杂

我国高瓦斯矿井多,煤层气含量高,煤田地质构造形态多样,抽采难度大。目前我国重点煤矿矿井平均开采深度约为420m,而开采深度超过1000m的有10余处,随着矿井开采深度的加大,瓦斯压力和地应力增加,瓦斯抽采难度进一步增大。

3.1.2 煤炭开采向大尺寸工作面和全煤厚快速机械化方向发展

现工作面设计多以斜长超过300m,走向长1000～7000m为主,采煤工艺多以一次采全高和综采放顶煤推进为主。其对顶底板岩层的破坏和裂隙演化规律与原有的小规格分层开采等低速、低回采率工作面大不相同。

3.1.3 煤层渗透率低、变质程度高、寒气饱和度低

我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点,70%以上的渗透率小于0.001平方微米,这对我国开展煤层煤层气采前预抽是极为不利的。

3.1.4 煤层气回收成本较高

在采空区采集的煤层气,其中混有空气,空气中氧气是危险的助燃物质,因而成为含氧煤层气,为输送和利用形成阻力。目前在四方面进行研究:变压吸附、膜分离、燃烧脱氧和低温精馏分离。我国采用低温分离将煤层气从含氧煤层气中分离和液化获得成功,问题还在成本。

3.2 煤与煤层气共采重点研究方向

3.2.1 煤与煤层气共采机理研究

煤与煤层气共采作为绿色开采的有机组成部分,要实现这项技术将面临许多的困难,首先必须掌握煤与煤层气共采的机理。但是就目前的渗流理论和多相流体力学理论还没有涉及破裂煤体内煤层气渗流与运移规律的本质。无论对于高地应力还是受采动或其他压力影响的煤层,以及采动岩体,其渗流骨架的固体力学描述还没有完备。虽然采动岩体力学理论已经初步揭示了采动岩体裂隙的分布规律,但是采动岩体裂隙内的多相气体流动理论尚待研究。因此,煤体的采动覆岩体内的多相气体流动规律,既是煤与煤层气共采机理研究的重点,更是力学研究的前沿。

3.2.2 采动裂隙场的透气规律、煤层气浓度分布规律和煤层气抽放时的流动规律研究

利用采动卸压场与裂隙场增加煤层煤层气的解吸速度与煤岩的透气性,实现矿井煤与煤层气共采的思想提出已经有几年,按照这个思路,我国学者进行了大量的研究和实践,取得了一定的成果。但是对于煤层气在裂隙场内的扩散和渗流等规律、不同区段不同浓度煤层气的分布和动态变化规律、在进行煤层气抽放过程中固体煤岩物理力学性质的变化和煤层气抽放时的流变规律还有待进一步研究,这些都需要大量的室内试验和研制专用的实验设备及大量的现场观测与试验研究。

3.2.3 优化煤层气抽放方案、提高煤层气采出率

我国煤矿卸压煤层气抽放工作一直在进行并取得了很大进展,但是我国煤矿抽放煤层气的主要目的还是为了采煤的安全,而不是将煤层气作为一种有用的资源进行开采,大部分矿井抽放煤层气未能利用而直接排放到大气中。目前,我国卸压煤层气抽放总体上仍存在抽出率低及钻孔工程量大的问题,煤层气总体抽出率仅为23%。如何基于岩层移动规律进行卸压煤层气抽放方案的优化、提高煤层气采出率将是我国煤矿煤层气抽放进一步研究的主要方向。

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The Researching Progress and Problems of The Extraction of Coal and Coalbed Methane

Wang Feng,Dai Kaixuan,Zhou Zhongwen,Wang Zhaogang
(China University of Mining and Technology,Jiangsu 221008)

汪锋,男,安徽省安庆市人,就读于中国矿业大学采矿工程专业。

(责任编辑 桑逢云)