采空区瓦斯治理研究论文

王兴 杨文清

（陕西省煤田地质局186队 西安市 710054）

作者简介：王兴，1961年生，男，西安高陵人，1982年毕业于西安矿业学院，高级工程师，陕西省煤田地质局一八六队总工程师，西安能源研究会理事，西安市水资源专家顾问组专家。

摘要 本文试图利用已有的地质成果，对陕西彬长矿区煤层开采中的瓦斯问题进行讨论。就影响矿区建设的煤层瓦斯富集规律进行分析，提出先期抽排的可行性和抽排工艺，为煤炭开发中降低瓦斯含量、减少灾害发生找寻新的途径。

关键词 彬长矿区 瓦斯灾害 对策

Coal Gas Disaster and Ploys in Binchang Coalmine，Shaanxi Province

Wang Xing，Yang Wenqing

（Shanxi Bureau of Coal field Geology，Xi'an City 710054）

Abstact：Based on available geological data，the article discussed that the coal gas problems in coal mining in Binchang coal mine of author analyzed the accumulation laws of coal gas influencing construction of coal mines and pointed out the feasibility and technology of advance exploitation of coal gas，which will develop a new way to reduce gas content of coal and risk of coal gas disaster.

Keywords：Binchang coalmine；gas disaster；ploys

陕西彬长矿区至2005年年底，已有下沟、火石咀、水帘等煤矿生产，另有大佛寺、亭南煤矿在建，现有各生产矿井均属于高沼气矿井，亦曾发生过瓦斯突出。水帘煤矿1980、1985年曾发生过两次瓦斯突出，前次瓦斯突出后，咸阳矿山救护队在掘进煤巷中测定瓦斯相对涌出量达·d（日产原煤200t左右），后一次测定混合气体中瓦斯含量已超过10%。1990年9月矿山救护队测定，瓦斯相对涌出量为·d（日产原煤463 t左右）；火石嘴煤矿1986年4月19日，瓦斯顺采煤工作面煤层裂隙泄出，瓦斯相对涌出量为·d；1987年5月5日，虎伸沟村办小煤矿发生瓦斯突出，矿山救护队测定混合气体中瓦斯含量已超过10%。几个矿井正常生产时，工作面电钻炮眼内偶尔可听见“嘶嘶”的瓦斯喷出声。

1 煤层气富集规律

矿区勘查阶段，钻孔中采样主要采用解吸法及集气式，共采集煤层气样品240个，其中4号煤层瓦斯样170多个，另外还有顶、底板样、4上煤层样以及生产矿井样等。样品有效控制深度（D1孔）～（207孔），甲烷成分～（D33孔），甲烷含量～，daf（D32 孔）。本区煤层气为干气，所有样品测试结果，重烃含量均小于5%。煤层气含量随着埋藏深度加深而增大，其变化梯度为煤层埋深增加含量增加1mL/g，daf。甲烷含量随着甲烷浓度的增高而增加。其赋存规律受诸多地质因素控制，与成煤环境、煤化程度、煤层厚度、沉积构造及围岩性质等关系密切，构成了本区煤层气含量的分布格局。其成分在横向上的分带表现为南北向，即矿区东、西部为氧化（CO2-N2）带，中部为N2-CH4带或甲烷（CH4）带。南北向以路家小灵台背斜鞍部的CO2-N2带将中部地区分为南、北两部分，南部大佛寺向斜区煤层气相对富集，最高可达，daf（D32孔），一般都在3mL/g，daf以上，北部仅在雅店背斜鞍部有甲烷富集带，最高可达，daf（214孔）。值得注意的是，上述数值均为钻孔中采样测试值，由于自煤层原位切割、提钻至井口，打开采煤器后采样、装罐需要几十分钟时间，所测得的数据相对较低，但由于勘查方法所限，目前尚无可靠的换算方法来得到准确的数据。因此，在应用上述数据时，应充分考虑到其误差。

本区中侏罗世延安早期基底隆起比较发育，如矿区北部的七里铺-西坡隆起及南部的两亭-太峪隆起等，其间尚有次级隆起发育。矿区南部在近EW及NEE 向基底隆起背景之上迭加有近SN 向构造，使其呈古垄岗与洼地地貌，具有一定的等间距性，也正是由于这些古隆岗的存在，为煤层和煤层气的形成提供了充足的物源区。成煤前期构造，形成了煤系基底，控制了煤系地层及煤层的沉积厚度即气源岩的厚度分布，背斜部位沉积薄或无沉积，向斜部位沉积厚，为生成煤层气提供了物质基础；至延安中晚期地壳大部已被夷平，多数基底隆起消失，煤层亦不甚发育。矿区主体由一系列NEE 向排列的孟村、南玉子、大佛寺及景村等次级坳陷组成，成为煤田中部次级坳陷中规模最大、赋煤最好的地区之一；两亭-太峪隆起以南成煤环境变化大，煤系地层及煤层均不稳定[1]。成煤构造和后期改造作用使隆起与坳陷具有长期的继承性，煤层上部沉积了一定厚度的盖层物质，为煤层气的储积提供了有利条件。

矿区4煤层底板标高在南部的彬县背斜北翼阴山煤矿，最高为，最低点在西北部七里铺背斜南翼倾伏端，为（长4孔）。平均每千米下降，呈东南高、西北低之势。由于煤层气沿煤层的平均渗透性一般高于垂直煤层和岩层的渗透性，特别是在煤层上覆地层比较厚、渗透性比较差的岩层发育的情况下，煤层气向上垂直运移和排放就更为困难。火石咀煤矿4煤层的测试结果，其平均渗透率，而垂直煤层的渗透率仅有。这是促使煤层气沿煤层由低处向高处运移的重要因素，也是造成火石咀、水帘、阴山及虎伸沟等煤矿成为高沼气矿井的原因之一。

2 煤层气开发的工程地质条件

本区4煤层顶、底板均为一厚度较大、透气性较差的泥质岩。其孔隙度低，渗透性差，排驱压力大，表现为隔气层性质。矿区东、西部4 煤层底板泥岩比较薄，最薄在～，一般为左右；北部4煤层底板泥岩最薄，一般厚，中部孟村向斜4煤层底板泥岩比较厚，最大厚度，一般在5m左右，南部的大佛寺向斜区4煤层底板泥岩最厚，一般厚度在左右。4煤层顶板泥岩亦表现为东、西部薄，一般在左右，中部较厚，一般在3～5m之间，最厚为。总体表现规律是顶、底板泥岩厚度与煤层气含量呈正相关关系。另外，在顶、底板泥岩厚度＞4m 时，其甲烷含量＞，daf，当泥岩厚度＜4m 时，其甲烷含量＜，daf。因此，矿区煤层气赋存规律与煤层顶、底板泥岩厚度关系密切。

另外，地下水活动对煤层气含量也有一定影响。主要表现在：地下水可驱动裂隙和孔隙中的煤层气运移；地下水可带动微溶于水的煤层气一起流动；水分子被吸附在孔隙、裂隙表面，减弱了煤层对甲烷的吸附能力；水体占据了煤层孔隙的空间，排挤了煤层中的游离甲烷。因此，地下水活动比较强烈的地区，煤层中的煤层气含量比较小。反之，地下水活动微弱的地区，煤层中的煤层气含量比较大。矿区延安组含煤地层富水性微弱，4煤层含水率～，矿井反映的煤巷几乎无水，因此，矿区地下水活动对煤层气含量无大的影响。

3 资源利用可行性及抽排工艺

从1970年代开始，我国在抚顺和焦作等矿区开展了地面钻井抽煤层气的试验。从1990年代初开始引进国外煤层气技术，但目前仍处在勘探阶段。近几年国内自营勘探和合作开发均取得较大进展。1998年中联公司在山西沁水煤田东南部开展了煤层气勘探，施工煤层气井11口，初步控制含气面积550km2。到1998年，我国已施工地面钻井201口，总进尺10万余米。部分单井产气量达1000～5000m3/d，个别井可达16000m3/d[2]。

随着近年来，油气钻井、开采技术的不断引进，低含量煤层气的开采已成为可能。对本区煤矿建设而言，降低矿井瓦斯含量，减少事故发生的方法，除了加强矿井安全设施建设外，先期抽排也十分必要。针对本区煤层厚度大、结构完整以及煤层气赋存特征，采用不同的钻井结构和布井方案，不但可以降低矿井瓦斯含量，而且，作为一种新能源的开发，还可以创造一定的经济效益。

煤层气开采过程包括钻井、完井、强化、测试和开采等工艺。钻井工艺包括煤矿采空区钻井、采掘面水平钻井和采前地面垂直钻井。完井方式包括裸眼完井、套管完井和混合完井，这几种钻井工艺均适合于本区，但不同的构造部位、煤层分布特征有不同的工艺。强化是针对大多数煤层渗透率低，仅靠井眼圆柱侧面积作为出气面积难以达到理想效果而采取的入工强化增产措施，包括煤层水力压裂、打水平排泄孔和洞穴应力释放法等工艺。矿区煤层气储层压力较低，需要入工升举，抽出煤层中的水，使产层压力降低后才能产气[3]。同时，应注意到本区煤层气含量的不均一性，即在煤层裂隙发育地带，煤层气相对富集。因此，选择合理的布井方案，也十分重要。

参考文献

[1]王兴.2003.陕西黄陇侏罗纪煤田优质富煤带及其构造因素[A].见煤田地质可持续发展研究.西安：陕西科学技术出版杜

[2]张铁岗.2001.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版杜

[3]乌效鸣.1997.煤层气井水力压裂计算原理及应用[M].武汉：中国地质大学出版杜

[4]李明朝，张伍侪.1990.中国主要煤田的浅层煤成气[M].北京：科学出版杜

[5]钟玲文，张新民.1990（4）.煤的吸附能力与其煤化程度和煤岩组成间的关系[J].煤田地质与勘探

李 伟 陈家祥 吴建国

( 淮北矿业 ( 集团) 有限责任公司，淮北 235006)

摘 要: 本文分析了淮北矿区松软、低渗煤层气抽采技术实践特点，提出了以地面井、底板巷穿层钻孔和高位钻孔的综合煤层气抽采模式，并阐述了其技术特点和在实践中的关键做法和取得的效果，指出综合抽采技术是下保护层开采条件下的最有效的煤 气共采技术之一。

关键词: 煤层气 综合抽采

The Combined CBM Drainage Technologies in Huaibei Mining Area

LI Wei CHEN Jiaxiang WU Jianguo

( HUAIBEI MINING ( GROUP) Co. Ltd. 235006 Huaibei，China)

Abstract: The paper analyzes coal bed methane drainage technology characteristics on the tectonic soft coal，low permeability in the mining area of Huaibei city，to put forward a combined coal bed methane drainage mode with CBM drainage on ground，by means of crossing hole in roadway and highly located hole in Mining face，to describe its technical characteristics，the key technology and the result，and to indicate the combined coal bed methane drainage mode is the one of most efficient CBM development technology for simultaneous extraction of coal and coal bed methane with pressure relief condition.

Keywords: CBM; combined; drainage

基金项目: 国家科技重大专项项目 64 ( 20112 ×05064) 资助。

作者简介: 李伟，男，1956 年6 月出生，2003 年6 月获硕士研究生学位，籍贯: 安徽亳州。淮北矿业 ( 集团)有限责任公司副总经理，正高级工程师，通讯地址: 安徽省淮北市孟山路 1 号，邮编: 235006，电子邮箱: lw@hbcoal. com

注: 大型油气田及煤层气开发专项资助项目 2011ZX05064

1 引言

淮北矿区是我国重要的能源生产基地，2000m 以浅，预测煤炭资源储量 376 亿吨，估算埋深在 2000 米以上煤层气资源量为 3159 亿立方米。但由于经历了复杂的构造演化历程，多期不同方向、不同性质和不同强度构造应力场的转换与叠加，对矿区内煤层气的产生、运移、富集和保存产生了重大影响，形成矿区煤层气赋存多样化得格局。

淮北矿区主要含煤地层为二叠系石盒子组和山西组，以中厚煤层、多煤层群为特征，一般有11个含煤组，煤层8～36层，总厚度7～23m，总可采厚度～，煤层气含量达10～25m3/t，煤层气压力达～，主要煤层的含气饱和度达98%～100%，CH4占到91%～98%，但构造煤普遍发育，渗透率较低，一般为～。

淮北矿区煤层气抽采较早，芦岭煤矿1973年开始瓦斯抽采(习惯上，称井下工程抽采的煤层气为瓦斯)，德士古公司于1996年12月至1998年9月8日，在淮北矿区开展地面井压裂抽采煤层气试验，由于渗透率低，远未达到商业开发价值。

从21世纪开始，由于矿区煤炭采场向深部转移，开采强度的大幅度提高，开采层、邻近层和采空区的瓦斯急剧增加，有的采煤工作面瓦斯涌出量高达40～60m3/min，传统较为单一的抽采方式和抽采方法已不能解决煤炭开采过程中的瓦斯威胁，为了实现安全生产和高产高效，淮北矿业集团公司开展了综合煤层气抽采技术与工艺研究，立足于瓦斯综合治理的基础上，进行煤层气开发和利用。

2 淮北矿区煤层气综合抽采技术特点

煤层气综合抽采是指利用地面井、井下煤层气抽采工程共同进行煤层气抽采，可以理解为同一煤层气储层对象，采用了不同技术与工艺进行煤层气抽采。如图1所示，是淮北矿区煤层气综合抽采的一种模式。

图1 煤层气综合抽采模式示意图

从采用的抽采方式来看，有地面井、底板巷穿层钻孔和高位钻孔等;从时间跨度来看，地面井可以在未采区提前7～10年压裂预抽，底板巷穿层钻孔一般提前2～3年预抽，两者也可以当下组煤回采时，抽采上组煤层的泄压煤层瓦斯，高位钻孔一般抽采本煤层回采工作面回采冒落裂隙带中的瓦斯;从采用的技术与工艺来看，有地面井在未采区的压裂煤层气抽采，底板巷穿层钻孔采用松动爆破、水力冲孔、水力扩孔和水力割缝等煤层增透工艺的瓦斯抽采，下组煤开采时，地面井和底板巷穿层钻孔对上组煤的卸压瓦斯抽采，高位钻孔的顶板跨落冒落裂隙带的瓦斯抽采等技术与工艺等。

3 井上、下煤层气综合抽采技术与工艺分析

地面井煤层气抽采

针对淮北矿区构造煤发育，渗透率低的特点，淮北矿业集团公司开展了“一井三用”煤层气抽采技术，即利用同一口井实现煤层开采前的压裂瓦斯抽采，采动区瓦斯抽采(下煤组煤层开采时对抽采上煤组的卸压瓦斯)和煤层开采后的采空区瓦斯抽采，这样，既考虑了煤层气的商业开发利用，也解决了煤矿开采时的瓦斯治理问题。

“一井三用”煤层气抽采各阶段中，采动区瓦斯抽采效果最好，因此，对没有施工压裂井，并且具备上行保护层开采的区域，可单独施工采动区井进行煤层气抽采。

根据淮北矿区的实践，对技术与工艺总结如下。

压裂阶段瓦斯抽采

地面井压裂排采后，将形成压力降低漏斗，其产量有:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:Q为瓦斯产量;f函数映射关系与渗透率、储层厚度等赋存条件相关;ΔP为原始瓦斯压力与井底压力差。

采取的主要技术措施:

一是压裂时伴注液态N2，CO2，提高地层瓦斯压力，间接提高ΔP值;二是排采时，注意保持低压差(ΔP)梯度，防止煤粒移动而堵塞瓦斯运移通道。通过上述技术措施，在低渗透率、软煤条件下，取得了较好的效果(图2)。

淮北矿业集团2008年以来，在芦岭Ⅲ1、Ⅲ2采区共施工12口“一井三用”井的压裂阶段试验，各井大部达到800m3左右，也有个别高产井，如LG6井为最高日产量曾到3000m3以上，稳产1200m3左右。

图2 WLG1井底压力与产量示意图

采动区卸压瓦斯抽采

一是在地面钻孔布孔上，需要考虑工作面开采顶板岩移的O形圈效应，以提高卸压抽采的效率，二是钻井井筒结构上，要改善以抵抗岩移出现的破坏，防止井筒断裂出现漏水，一旦井筒内充水，地面井将不能抽采瓦斯。针对淮北矿区不同的地质开采条件，淮北矿业集团公司设计了多种井筒结构，达到了良好的效果。

如芦岭煤矿Ⅱ1048工作面采动区井，从10煤层工作面开始回采到工作面回采结束共抽采10个月，累计抽采中煤组8，9煤层卸压瓦斯万m3，其中通过井下底板巷道穿层钻孔抽采万m3，从图3及图4可以看出，抽采浓度比较高，最大日抽采量达到4万m3，取得了很好的效果。

图3 地面钻井日抽采量曲线

图4 地面钻井日抽采瓦斯浓度曲线

采空区阶段瓦斯抽采

在芦岭Ⅱ825工作面进行了试验，试验了地面井采空区瓦斯抽采的工艺流程，但由于工作面井下钻孔预抽后煤层残余瓦斯量很小，工作面风排的瓦斯浓度小于，尽管试验钻井抽采瓦斯比较小，累计为18万m3，但是从原理验证上取得了成功。

底板巷道穿层钻孔

底板巷一般布置在岩性较好、距煤层间距20～30m的底板中，巷道的平面投影距上覆煤层工作面机巷内侧距离20～30m，在底板巷中每隔25m施工一个钻场，在钻场内向上覆煤层施工网格式穿层钻孔，钻孔在见煤点的间距5m左右。

底板穿层钻孔抽采技术参数分析:

一是合理的预抽时间和抽采半径。合理的预抽时间是设计预抽瓦斯工程的一个重要参数，它主要是根据预抽流量的变化规律和对抽放钻场、与有关巷道进行维护的经济合理性，以及生产接替时间的可行性等因素综合分析而确定。

二是合理的抽放负压。抽放负压大小对预抽钻孔流量有一定影响，因为考虑到底板巷穿层抽采孔的封孔工艺，目前大量使用的是黄泥水泥砂浆人工封孔，不利于使用过高的抽放负压。并且考虑到负压高时管道积水排放也比较困难，根据经验，预抽期间的孔口抽放负压以3～6kPa较好，采动卸压抽采期间的抽放负压可以适当地提高一些。

三是可以通过增大钻孔直径，或采用增透措施以提高钻孔的抽放影响范围，进而提高瓦斯抽采效果。如芦岭煤矿采用磨料水射流割缝增能，大幅度提高了煤层瓦斯抽采速度，单孔纯瓦斯抽放量最高达到60L/min，比相邻的非割缝钻孔瓦斯抽放速度提高了4～6倍，随着时间的推移，割缝钻孔与非割缝钻孔瓦斯抽放流量均在衰减，但钻孔割缝后瓦斯抽放流量仍是非割缝的倍左右。

回采工作面高位钻孔

高位钻孔瓦斯抽采实际是通过高位钻孔抽采采空区冒落带和裂隙带积聚的大量高浓度的瓦斯。利用高位钻孔抽采裂隙带内的高浓度瓦斯，即可可控制采煤工作面的采空区高浓度瓦斯向工作面上隅角流动，又能对邻近层瓦斯向采空区移动时进行拦截。

高位钻孔的关键技术，一是合理设计高位钻孔的终孔层位距开采煤层的间距;二是高位钻孔距上风巷的内错平距。两者都与煤层厚度、倾角、顶板岩层岩性组合结构等有关。

煤层气综合抽采技术效果

如图5所示为朱仙庄煤矿Ⅱ10341#综合抽采示意图。当下组煤开采时，利用地面井、底板穿层钻孔抽采上组煤的卸压瓦斯，利用高位钻孔抽采下组煤开采工作面冒落裂隙带的高浓瓦斯。

图5 综合抽采效果示意图

从抽采量来看，三种抽采技术方法均达到较好的效果，地面井日抽采量5000～30000m3之间，底板穿层钻孔日抽采量5000～15000m3之间，高位钻孔日抽采量5000左右;从抽采量趋势来看，单口地面井随着工作面的推进，抽采量由高逐渐降低。底板穿层钻孔抽采量与地面孔有互补性，当地面孔抽采量降低，底板穿层钻孔抽采量则增高，而高位钻孔抽采量比较平稳。

4 结论

煤层气综合抽采技术是伴随着煤矿瓦斯需求而逐渐发展和完善，特别对软煤、低渗透率储层的煤层气抽采有较好的效果，成为采煤采气一体化最有效的技术手段之一，具有借鉴和推广作用和意义。

但也看到，比如采动区抽采地面井的井壁结构，穿层钻孔的封孔还需要从技术与工艺上进一步改进，以及降低工程成本，以利于大范围应用。

参考文献

程远半，俞启备.2007.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展［J］.采矿与安全工程学报.24(4):383～390

姜波，秦勇，范柄恒等.2001.淮北地区煤储层物性及煤层气勘探前景［J］.中国矿业大学学报.30(5):433～437

瓦斯治理技术和瓦斯抽放研究的意义？这个你可以先简要概括一下选择瓦斯抽放的必要性：在瓦斯涌出量、煤层瓦斯含量较大的工作面，使用通风排放瓦斯无法满足正常的生产需要，容易造成瓦斯超限事故，给引发瓦斯爆炸等恶性爆炸事故的发生埋下隐患。因此，需要采取瓦斯抽放的方法，通过对本煤层预抽、上隅角埋管抽放、高位钻场抽放、挂耳抽放等抽放方法来降低煤层瓦斯含量及煤层残存瓦斯含量，从而降低瓦斯涌出量，在通风情况不变的情况下，有效降低工作面的瓦斯浓度，保证矿井安全生产工作的正常进行。