废弃矿井瓦斯抽采利用技术初探

于志军，孙 杰，刘天绩，张春林 ，赵 彦

(1.中节能宁夏新能源股份有限公司，银川 750002；2.中国煤炭地质总局勘查研究院总院，北京 100039)

废弃矿井瓦斯抽采利用技术初探

——以呼鲁斯太矿区乌兰特矿为例

于志军1，孙 杰2，刘天绩2，张春林2，赵 彦1

(1.中节能宁夏新能源股份有限公司，银川 750002；2.中国煤炭地质总局勘查研究院总院，北京 100039)

废弃矿井瓦斯资源开发利用在我国尚处于探索阶段。以乌兰煤矿为依托，分析了乌兰煤矿地质特征及目前瓦斯抽采现状，开展了废弃矿井瓦斯地面抽采及资源化利用研究。在充分利用已有钻孔的基础上，制定了“疏通解堵、降低水位、增透增产”三步走的工程方案，并提出了井位选择及具体施工方案，为今后废弃矿井瓦斯抽采利用提供了借鉴。

废弃矿井；瓦斯；抽采

0 前言

随着我国煤炭行业去产能、去库存工作力度逐渐加大，大量煤矿关停并转。我国矿井废弃后,约50%以上的煤炭残留于井下，这些废弃矿井蕴含着巨大的瓦斯资源。目前，我国废弃矿井瓦斯资源开发、利用尚处于探索阶段[1-5]。如何对废弃煤矿瓦斯进行抽采并加以利用，变废为宝，是煤炭行业当前的重要研究方向。

本文以关闭的乌兰煤矿为依托，开展废弃矿井瓦斯抽采利用技术研究，探索建立废弃矿井瓦斯综合治理关键技术及工艺，为今后其它废弃矿井的瓦斯治理提供借鉴意义，具有改善煤矿安全，保护大气环境，增加新的经济增长点，实现节能减排等多重经济和社会效益。

1 煤矿地质特征

乌兰煤矿位于贺兰山北段煤田呼鲁斯太矿区的北端，行政区划属内蒙古自治区阿拉善左旗宗别立镇管辖，面积为11.7km2。区内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。乌兰煤矿构造整体为走向北西、北北西，倾向南西的单斜构造，走向长5km，倾斜宽3km。区内构造以断裂为主，以走向正断层为主，但也发育少数斜交走向的正、逆断层。根据资料分析并经开采实践证明，矿井水文地质条件属简单类型。地下水缺乏补给，矿井排水以静储量为主，静储量流干后相应地段干涸(图1)。

图1 乌兰煤矿交通位置示意图Figure 1 A schematic diagram of Ulan coalmine location

2016年，乌兰煤矿因国家煤炭行业去产能的政策要求停产关闭。乌兰煤矿设计生产能力90万t/a，主采煤层自上而下分别为2#、3#、7#、8#煤层。矿井划分了+1350m、+1150m、+900m三个水平，其中一水平(+1350m)已经开采结束，近年来开采二水平(+1150m)。乌兰煤矿主采煤层均是煤与瓦斯突出煤层， 2014年矿井实施下保护层开采[6]， 即先以7#煤层作为上保护层开采，消除8#煤层突出危险，然后开采8#煤层对上覆的2#、3#煤层进行二次保护，消除2#、3#煤层突出危险[7]。简单说，即先采下区段7#、8#煤层，后采上区段2#、3#煤层。

根据乌兰煤矿地质资料，截止2014年12月底，矿井保有资源储量为1.76亿t，可采储量1.10亿t，预测乌兰煤矿瓦斯资源量约12.04亿m3，如果采收率按照50%考虑，可采瓦斯资源量为6.02亿m3[8]。

2 瓦斯抽排现状

乌兰煤矿建有瓦斯发电厂，在煤矿正常生产期间通过利用回风巷低浓度瓦斯发电。2016年乌兰煤矿关停后，瓦斯电厂失去气源，经多次尝试、攻关，探索出利用地面卸压钻孔瓦斯抽采的新途径。目前采空区井接入负压抽采系统的有效产气井18口，每天产气量4万m3(纯量)。

乌兰煤矿现有地面卸压钻孔106个。地面钻孔分布如下：5757工作面14个，5767工作面32个，5768工作面42个，5778工作面18个。其中采空区共有瓦斯抽排钻孔44个，包括5757工作面14个，5767工作面10个，5768工作面20个(表1)。

表1 乌兰煤矿地面钻孔分布Table 1 Surface boreholes distribution in Ulan coalmine /个

未采动区合计62个钻孔， 5767工作面22个，5768工作面 22个，5778工作面18个钻孔(图2)。

图2 采空区位置图Figure 2 Gob area location

卸压孔布置采用非均匀布井法，对应地面运输顺槽和回风顺槽内侧50m范围布置两排地面钻井，钻井走向间距100m，抽采上部2#、3#煤层卸压瓦斯及采空区瓦斯(图3)。

卸压钻孔均为三开井身结构。在7#煤层顶板以上10m处至2#煤层顶板以上10m处下入筛管，2#煤层顶板以上10m处至井口下入实管。即主要抽放受下部7#、8#煤层采空影响，聚集在2#、3#煤层及顶底板裂隙中聚集的瓦斯(图4、图5)。

图4 卸压孔井身结构图Figure 4 Pressure relief borehole configuration

图5 瓦斯抽采运移方向Figure 5 Gas drainage migratory directions

3 总体工程方案

根据乌兰煤矿关停后，瓦斯电厂气源供应逐渐衰减的现状，制定了 “疏通解堵、降低水位、增透增产”三步走的工程方案。首先，采用井下电视对已有的卸压孔进行检查，观察井内套管是否存在错断、变形，井内筛管是否有堵塞现象。对于套管完整的，可以进行疏通、清洗。对于套管已经损坏的，可选择在原孔附近重新施工补井，以快速增加抽采瓦斯量。第二步，降低地下水水位。乌兰煤矿关停后，井下排水系统停止工作，地下水水位随时间推移逐渐上升，水位上升至2#、3#煤层以上后，必将影响钻孔的产气效果。因此，必须采取有效措施，降低地下水水位，保障现有钻孔的产气量。第三步，未采动区钻井由于煤层处于原始状态，裂隙不发育，可实施增透增产作业。选择距离巷道适宜的井位，进行压裂改造，提高单井瓦斯产量。

由于废弃矿井瓦斯治理没有成熟的经验可以借鉴，一定要按照先行先试的思路进行试验，待验证可行后再进行大面积推广。

3.1 采动区排采井疏通解堵

由于煤岩具有低弹性模量、高泊松比的特点，长期负压抽采过程中，因不断卸压对煤体结构产生影响，会直接影响渗流裂缝的导流能力，并且会使煤层中的煤粉和近井筒地带的颗粒物发生运移，造成近井筒带渗流通道堵塞，致使产气量急剧下降，如果长期无法解决会对负压抽采井造成永久伤害。捞砂和空气振荡洗井解堵是一种非常有效的解堵方式，它安全可靠，作业周期短，疏通渗流通道，加快煤粉的返排，疏通由于煤粉堵塞造成的储层伤害，据此而达到恢复产能甚至增产的目的。

采动区排采井疏通解堵所选井满足以下条件：①井身质量没有遭到破坏，煤层含气量高、储层压力高、裂隙发育；②前期气产量高，由于煤粉堵塞产量大幅度下降，预计解堵后气产量可以大幅度提高；③剩余可采储量大，解堵后具有较大生产潜力。

捞砂作业将捞砂泵缓慢下到井内沉砂(煤粉)部位，操作卷扬机上下往复运动油管，使井内煤粉和泥砂等沉淀物不断抽出井筒外，直至捞取到井底，做到水清砂净。

空气振荡洗井下入Φ73mm油管至筛管部位，开动空压机进行间歇式给气，使井内液体产生激烈振荡，以彻底清除筛管外壁的附着物，最后用清水将井筒冲洗干净。

3.2 降低水位

乌兰煤矿关闭后，矿井排水随即停止。地下水位随着时间的推移，不断上升，影响瓦斯解吸。如果维持现有钻井瓦斯正常产量必须对地下水进行排水。目前考虑有两种处理方案：

第一种是用成熟的煤层气排采设备和工艺，在产气的每口井中安装抽油机或螺杆泵，通过排水降压来维持煤层瓦斯的生产。第二种是在矿井+1150m水仓位置和采空区位置施工大口径排水井。

两种方案对比：第一种方式优点是只需要购置设备安装后就可立即投入使用，不需要投入新的钻探工程量，水处理费用较低；缺点是钻井比较分散，每口井的范围小，形成压降漏斗小，铺设电缆较多，设备购置费用高，且需要铺设较长的排水管线。第二种方案优点是只需要施工一到两口排水井，降水范围较大，易实现区域整体排水降压，不需要铺设较长的排水管线，缺点是抽水量较大，耗电量也较大，水处理费用较高。从效果和成本上比较分析，第二种方案比较合理，便于实施。

降水井井位、井型、泵型选择主要从以下几个方面考虑：①估算矿井采空区积水水量，作为选择泵型的依据；②选择采空区范围内施工降水井有利区，以便于瓦斯抽采孔能够快速降低水位；③在地面选择条件理想的井场位置，有利于钻探施工；④按照经济效益最佳的原则，综合确定钻井位置和数量。

由于目前产气量较大的瓦斯抽采孔在5767和5768工作面的采动区，选择在这两个工作面的采空区内施工排水井是效果最好的，排水井离抽采孔较近，有利于快速形成降压漏斗，降低水位。

因+1150m水仓位置距离5768工作面的采空区较近，而且场地条件和钻井地质条件都非常好，可以作为首选井位。其次在5767工作面采空区内布置一口排水井(图6)。

图6 降水井位置图Figure 6 Dewatering well locations

根据地层情况和技术要求，水井1号降水井采用先钻导向孔然后扩孔成井的工艺方法。即先用小径Ф190.5mm钻头钻进导向孔，使用无线随钻测斜仪(EMWD)监测孔斜情况，控制井身质量并保证井底位移不超过3m，打到水仓顶部10m位置结束，然后用带导向的Ф444.5mm钻头进行扩孔，下入Ф339.7mm石油套管后进行固井，固井72h后用Ф311mm钻头将水仓打穿(图7)。

图7 降水井井身结构示意图Figure 7 A schematic diagram of dewatering well configuration

3.3 增产增透

对于未采动区的煤层由于煤层处于原始状态，尚未受采动影响变形、破裂和裂隙伸张，且没有产生“卸压增透增流”效应，因此其渗透率非常低，必须进行压裂增透改造措施。

由于乌兰煤矿现有瓦斯抽采孔钻井下入的是筛管，地层间是串通的，无法实施常规压裂，必须对现有钻井进行技术改造，封固套管与地层间隙，保障井筒密闭性及套管材质、耐压满足压裂要求。

在保证储层压裂改造成功的前提下，尽量利用现有钻孔、降低施工成本的原则，经多方研讨确定改造措施如下：①使用Φ219mm套铣筒扫开Φ177.8mm环空间隙水泥(深度18m)。②下入打捞工具将Φ177.8mm生产套管提出井外，如果打捞不动的话，使用Φ219mm套铣筒每次套铣30m，然后在管内下入水力割刀将套管割断后提出井内，直至把所有Φ177.8mm生产套管打捞完毕。③用Φ215.9mm钻头钻至8#煤底板60m。④下入N80, Φ139.7mm×7.72mm生产套管，固井。

对未采动区满足压裂要求的钻井，采用水力加砂压裂改造煤储层，增强煤储层近井地带的渗透能力，有效地将煤储层天然裂隙系统与井筒连通起来，以提高单井产气能力。同时，解除井眼附近因钻井、固井可能造成的储层污染。

4 结论

(1)废弃矿井瓦斯地面抽采利用目前在国内属于起步阶段。通过分析乌兰煤矿地质特征及卸压孔分布特征，在充分利用现有卸压孔的基础上提出了“疏通解堵、降低水位、增透增产”三步走的工程方案，为今后废弃矿井瓦斯抽采利用提供了借鉴。

(2)受乌兰煤矿采空区塌陷及瓦斯负压抽采影响，卸压孔出现套管错断、井底沉沙堵塞等情况，提出了捞砂泵捞砂洗井和空气振荡洗井的解堵方式。

(3)乌兰煤矿关闭后，地下水位不断上升，影响瓦斯解吸。选择了施工降水井排水的措施，明确了降水井布置原则。

[1]韩保山，张新民，张群.废弃矿井煤层气资源量计算范围研究[J] .煤田地质与勘探，2004，32(1)：29-31.

[2] 孟召平,师修昌,刘珊珊,等.废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用 [J].煤炭学报, 2016, 41(3): 537-544.

[3] 周效志,桑树勋，金军，等.煤炭资源枯竭矿井煤层气资源量估算方法研究 [J].中国煤层气, 2015, 12(1): 3-6.

[4]黄华州，桑树勋，李国君，等.采动区远程卸压煤层气地面直井抽采机理分析 [J].煤炭科学技术,2010, 38(3): 62-66.

[5]宁夏矿业开发公司.乌兰煤矿生产矿井地质报告[R].银川：宁夏矿业开发公司，2012.

[6]石必明.保护层开采覆岩移动变形特性及防突工程应用实践 [M].北京:煤炭工业出版社， 2008.

[7]中国矿业大学.西部高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术技术研究报告[R].江苏徐州：中国矿业大学，2009.

[8]煤炭科学研究总院重庆研究院.神华宁煤集团乌兰矿瓦斯赋存规律及突出综合防治技术研究(之二)瓦斯地质图说明书[R]，重庆：煤炭科学研究总院重庆研究院，2009.

Preliminary Study on Abandoned Coalmine Gas Drainage and Utilization—A Case Study of Ulan Coalmine

Yu Zhijun1, Sun Jie2, Liu Tianji2, Zhang Chunlin2and Zhao Yan1

(1.Ningxia New Energy Resources Joint Stock Co. Ltd., China Energy Conservation and Environmental Protection Group, Yinchuan, Ningxia 750002; 2. Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

The exploitation and utilization of gas resource in abandoned coalmines are still in an exploratory stage in China. Rely on the Ulan coalmine, analyzed its geological features and current situation of gas drainage, and carried out abandoned coalmine surface gas drainage and reclamation studies. Based on full use of available boreholes, drawn up “dredging blockage removal, ground-water level lowering, transmissibility and production increasing” three-step project scheme, put forward well site selection and concrete construction scheme; thus provided reference for abandoned coalmine gas drainage and utilization henceforth.

abandoned coalmine; gas; drainage

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.06

1674-1803(2017)07-0024-04

于志军(1973—)，男，高级工程师，硕士学位，从事研究方向：废弃矿井瓦斯综合治理和资源化利用技术，碳捕集及回注技术，矿山生态修复技术及燃煤锅炉污染物一体化控制技术研究。

2017-04-13

责任编辑：宋博辇

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