煤矿瓦斯防治技术与开发利用问题.doc

煤矿瓦斯防治技术与开发利用问题 【摘要】在分析目前煤矿瓦斯治理存在问题的基础上，提出了利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的井下瓦斯抽采技术相结合的综合瓦斯治理措施，分别阐述了煤矿井下水力压裂和地面采动井的原理和应用情况，实践表明煤矿井下定向压裂增透消突成套技术可有效提高瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出危险性，改善井下作业环境; 地面采动井可“一井三用”，对抽放采动区域瓦斯效果较好。分析了瓦斯的危害及其利用价值，介绍了我国煤矿瓦斯的赋存情况，对我国瓦斯开发利用现状进行了详细分析，指明其中存在的问题并提出了相应对策，对我国煤矿开发利用瓦斯的市场前景做了展望。 【关键词】煤矿; 瓦斯; 水力压裂; 采动井；开发利用 我国是世界第一大产煤国，煤炭在我国一次能源消费中约占70左右，因而煤炭行业是关系我国国家经济命脉的重要基础产业。然而，煤炭行业又是我国安全生产形势最为严峻的行业之一，预防和控制煤矿重特大事故的发生，促进煤矿安全生产形势的根本好转已成为国家和政府层面上急需解决的重大问题，也是我国安全生产工作的核心任务。在所有煤矿灾害事故中，尤以瓦斯事故为重，其中主要以煤与瓦斯突出以及由瓦斯超限而造成的瓦斯爆炸为最主要的表现形式。近年来，虽然煤矿瓦斯防治工作已取得阶段性成效，但仍没有从根本上遏制重大瓦斯事故的发生，2008年全国共煤矿发生瓦斯事故182起，死亡778人，其中较大瓦斯事故63起，死亡290人; 重特大瓦斯事故18起，死亡352人〔1〕。瓦斯灾害已成为制约高效集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素，常规或单一的瓦斯灾害防治技术已不能满足煤矿高效安全生产的需要，强化瓦斯抽采才是防止瓦斯灾害事故最有效的根本途径。针对我国煤层赋存条件复杂，瓦斯抽采率低的 特点，提出利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的井下瓦斯抽采相结合的综合瓦斯治理新思路，以供商榷。 1瓦斯灾害防治技术评析 1.1瓦斯治理存在的问题及解决思路 我国煤储层构造复杂，且煤层多强烈变形〔2〕，多数煤田煤体构造破碎严重，Ⅲ、Ⅳ类煤所占比例较重，煤质松软、坚固性系数偏小，煤层透气性低，渗透率一般在0．001～0．1 10－3μm 范围内，瓦斯抽采效果不佳，造成瓦斯治理困难。而且随着采掘活动向纵深延伸，煤层瓦斯赋存以“三高一低”高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性 为主要特征，常规的瓦斯抽采技术难以发挥作用，抽采率低下，抽采效果不明显，瓦斯事故仍时有发生，因此，采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施势在必行。新版的防治煤与瓦斯突出规定第6条明确规定“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。突出矿井采掘工作做到不掘突出头，不采突出面。未按要求采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。”目前，煤与瓦斯突出防治主要有开采保护层、水力压裂和钻孔抽采3种技术措施。根据规定，对具有保护层开采条件的煤层应优先开采保护层使煤层整体卸压、消突; 但对于不具备保护层开采条件的、单一、低透气性煤层，在实施防突措施时，水力压裂与井下常规瓦斯抽采技术相结合就显的尤为重要了。 因井下瓦斯抽采须与煤炭开采工序相协调，很难保证在抽采瓦斯、降低工作面瓦斯超限压力的同时还达到煤炭高效开采的要求，常造成抽、掘、采接替紧张，而且各种井下抽采方法或多或少均存在一定的局限性，如煤矿井下顺煤层长钻孔抽采效率高、成本较低，但顺层钻孔施工经常遇到卡钻、喷孔等工程技术难题，尤其是在突出松软 煤层，钻孔成孔率很低; 穿层钻孔抽采方法抽采效率高，但必须辅助开挖顶板或底板岩巷进行抽采设备布置和钻孔施工，工期长、工程成本高; 保护层卸压抽采面临着卸压效果和工程施工风险的难题等〔3〕。若仅通过增强井下瓦斯抽采技术和规模来解决突出和瓦斯超限的问题，不仅影响企业煤炭产量，瓦斯治理成本也将大大增加，抽采效果也受到限制。而地面采动井抽采则是一种抽采瓦斯、解决煤矿井下瓦斯超限难题的新方法，其施工在地面进行，不影响煤炭回采，在采区回采前便可以完成，同时可以连续进行采前预抽、采动抽采和采空区抽采，从而可实现对煤层瓦斯的全过程抽采和控制。 1.2井下水力压裂技术 分析认为水力致裂的机理主要为通过高压驱动水流压入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内，扩宽并伸展这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂缝与裂隙，以便更好地沟通天然裂隙，增加煤层的透气性。煤矿水力压裂技术分地面和井下2种，因地面水力压裂因不够灵活方便、成本高、压裂效果不明显而没有推广开来。目前井下水力压裂应用效果较好，主要以河南省煤层气开发利用有限公司自主研发的“煤矿井下定向压裂增透消突成套技术”为主流，该技术可在井下充分利用现有的开拓工程，针对不同煤层瓦斯地质条件编制不同的压裂方案，实施不同的压裂工艺，真正做到“一面一策”、“一孔一策”。该技术不同于煤层注水，在压裂液中添加有一定浓度的表面活性剂，不仅可更好地湿润煤体，而且可改变煤体的力学特性，更多地采排瓦斯; 现场工业试验表明该技术的实施起到了区域瓦斯治理的目的，可明显降低煤与瓦斯突出、煤尘爆炸和煤层自燃的危险性，提高瓦斯抽采效果; 为低透气性、无保护层开采的煤层区域瓦斯治理和利用开创了一条新途径。 对于条件好的矿井，在实施水力压裂技术时，为更多地抽采煤层瓦斯，达到煤层气开采利用的目的，可利用泡沫压裂液实施压裂技术。泡沫压裂液具有静液柱压力低、滤失量小、携砂性能好、助排能力强、对地层伤害小等优点〔4〕，在相同条件下，可更好地提升压裂效果，但其成本较高。对于煤层压裂而言，一般选择CO2泡沫压裂液为主，这是因为CO2对煤的吸附能力比CH4强，在实施压裂时可更多地置换出吸附态的煤层瓦斯。 1.3地面采动井 地面钻井抽采采动煤层和采空区瓦斯是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术，是一种通过在采场地表施工垂直钻井到煤层采动可能形成的覆岩裂隙带或煤层内，通过预裂或者采动影响增强煤层的透气性，从而使得瓦斯能够尽可能多的经由煤岩体的裂隙网络通道和钻井直接抽采到地表，以达到降低回采工作面瓦斯涌出量，缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。地面采动井一般均可做到采前预抽、采动抽采和采空区抽采，“一井三用”; 采前预抽主要用于采区回采前进行煤层气开发; 采动抽采主要是利用回采工作面对煤岩体扰动提高其透气性的特点增强瓦斯抽采率、缓解通风压力; 采空区抽采主要是解决回采工作面推过后采空区瓦斯，以降低采空区瓦斯向回采工作面涌出的量，解决回采工作面瓦斯超限的难题。该方法是提前将预采高瓦斯煤层中的瓦斯进行释放并加以利用，降低煤层中的瓦斯含量，从根本上解决煤矿瓦斯事故。 地面采动井的布孔位置直接关系到后期抽采效果的好坏，在满足总体抽采效能的同时，其布孔位置宜选取采场中间位置，以尽可能增加使用寿命; 在倾斜煤层情况下，考虑到重力方向的影响，宜将地面钻井布井位置由采场中部向回风巷方向有所偏移，一般与回风巷的 距离约为工作面斜长的1/3;再钻孔垂向上，一般要求钻孔终孔位置在冒落带上方的裂隙带内，距开采层距离为30～40 m时最为合适。 2应用效果考察 2.1水力压裂效果 2008年10月，在中平能化集团十矿24110工作面机巷、风巷、对应的底抽巷实施了井下定向压裂增透消突技术。压裂后考察发现 1煤层渗透率由原来的0．06 m2/MPa2d 升至48 m2/MPa2d ，提高了800多倍，钻孔平均瓦斯抽采浓度超过45，单孔纯瓦斯流量平均0．1～0．37 m3/min，最大单孔瓦斯浓度90，流量0．8m3/min，部分单孔瓦斯抽采总量到2．5万m3以上，截至2008年12月，24110工作面剩余难采区段共抽采瓦斯254．06104m3，整个工作面剩余瓦斯储量559．3104m3，约占45．42。 2在难抽采的230 m范围内测定的全部煤层残存瓦斯含量降到了8 m3/t以下，瓦斯压力都降到了0．74 MPa以下，消除了工作面前方煤体突出危险性。 32009年1月，对24110工作面实施压裂的区段回采时发现，最高日产量达3 000 t ，最大月产量6．5万t ，比压裂前提高了50。回采中统计90次校检指标，共有4个指标超标，超标率为4．4，远小于压裂前13．4～16的校检超标率，效检超标幅度显著降低，大幅度降低了防突措施工程量，有效提高了回采生产效率。 4在压裂影响范围内对各工序粉尘含量监测发现，压裂后割煤、钻孔施工工序粉尘含量均有大幅度降低，最大降幅达58．18，有效改善了工作面作业环境，降低了职业病害发生率。 5与开采保护层措施相比，进行煤与瓦斯突出防治，在同样条件下，井下水力压裂技术每吨煤约10元左右，而开采保护层每吨煤 需 120 元左右，约为开采保护层防突措施成本的 1/10。 2.2 地面采动井效果 2005 年 12 月， 在淮南矿业集团张集煤矿北区 11418W首采工作 面，采用了以地面钻井为主，高抽巷、顶板抽放钻孔为辅的工作面瓦 斯治理措施。考察发现〔5〕张集煤矿的此次地面采动井主要抽采本 煤层开采超前卸压瓦斯和上邻近层开采卸压瓦斯，抽出的瓦斯浓度 高、 纯量大， 抽采最高浓度高达 96。 瓦斯抽放量最大达 32． m3/min， 9 抽放浓度达 50～96，瓦斯抽放纯量为 10～32．9 m3/min，8 d 的 考察期内共抽出瓦斯 176 366 m3，抽采效果显著。 工作面在回采过程中应用地面钻孔抽放措施后， 回采工作面瓦斯抽放 率达到 75，瓦斯浓度由 0．5降至 0．2～0．3，效果明显，有效 解决了工作面的瓦斯超限问题和安全回采， 大大提高了工作面回采效 率。 3 煤矿瓦斯开发利用的意义 3.1 瓦斯的危害 煤矿瓦斯又称煤层气是煤层的一种伴生气体。 在煤矿开采过程 中以不同形式从煤层中涌出，是矿井中一种最常见的有害气体。具体 体现在两个方面①瓦斯具有燃烧爆炸的危险，②煤与瓦斯突出的危 险。而且他们具有难预测的特点。一旦发生，不仅造成大量的人员伤 亡而且造成巨大的经济损失，严重地威胁着煤矿的安全生产。因此， 对煤矿瓦斯的治理和利用迫在眉睫。 3.2 煤矿瓦斯的利用价值 瓦斯虽然对人类产生危害及灾难， 但同时又是一种已生的优质能 源，它具有很高的利用价值。主要体现在以下几方面 1 煤矿抽放的高浓度30瓦斯是一种清洁能源。①瓦斯可以 做民用燃料;②瓦斯在工业中可用作燃料烧锅炉，可供建筑物取暖洗 浴蒸汽驱动设备等。 2 瓦斯发电。技术成熟的工艺有燃气轮机发电、气轮机发电、 燃气发电机发电、联合循环系统发电和热电冷联供瓦斯发电。 3 瓦斯还可以用来生产碳黑，生产甲醛，用作汽车燃料等。 4 瓦斯分布及储量 我国瓦斯资源丰富。据瓦斯资源评价结果，我国埋深 2000m 以浅 瓦斯地质资源量约 36 万亿，主要分布在华北和西北地区。 我国瓦斯可采资源总量约 10 万亿， 其中大于 1000 亿的盆地群 有 15 个二连、鄂尔多斯盆地东缘、滇东黔西、沁水、准噶尔、塔里 木、天山、海拉尔、吐哈、川南黔北、四川、三塘湖、豫西、宁武等。 二连盆地瓦斯可采资源量最多，约 2 万亿;鄂尔多斯盆地东缘、沁水 盆地的可采资源量在 1 万亿以上，准噶尔盆地可采资源量约为 8000 亿。 含气性。 我国煤层大多含气量较高。 据对全国 105 个煤矿区调查， 平均含气量 10/t 以上的矿区 43 个，占 41;平均含气量 8～10/t 的 矿区 29 个，占 28;平均含气量 6～8/t 的矿区 19 个，占 18;平均含 气量 4～6/t 的矿区 14 个，占 13。 5 对策与建议 针对我国煤矿瓦斯开发与利用中存在的以上问题， 为加快我国煤 矿瓦斯开发和利用得到加强，提出以下意见和建议 1 加快我国在煤矿瓦斯开发利用， 切实增强瓦斯可防可控可治 可用的信心和决心，加强宣传和正确引导。牢固树立瓦斯资源开发利 用产业化发展的观念，消除认识上的误区，以科学发展观指导中国瓦 斯的发展与建设。 2 大力推进瓦斯治理和利用的科技创新， 国家在制定科技攻关 等重大科研计划时充分考虑瓦斯产业的科技攻关项目的立项研究。 3 积极研究制度促进瓦斯产业发展的政策措施， 认真贯彻落实 国务院办公厅关于加快煤矿瓦斯抽采利用的若干意见 ，积极研究 制定配套政策， 以确定高瓦斯矿井及突出矿井企业必须做到煤炭和瓦 斯共同开发合理确定瓦斯生产销售价格， 对利用瓦斯发电在电网接入 和上网电价方面研究制定优惠政策， 切实解决一些地区瓦斯开采权和 煤炭开采权重叠设置的问题。 4 鼓励瓦斯对外合作，由于瓦斯产业的投资大、风险大，应强 化瓦斯对外合作经营权的管理、简化项目审批程序、改善投资环境， 保持政策连续性，通过完善合同条款和退出机制，解决目前对外合作 中存在的问题。 5 结语 根据“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原 则” ，明确提出利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的治 理井下瓦斯抽采相结合的综合瓦斯治理新思路，得出如下结论 1条件允许的情况下，应优先采用强制增透的瓦斯治理和井上 下联合抽采的综合治理措施。 2不具备保护层开采的单一、低透气性煤层进行区域瓦斯治理 时，应优先选择煤矿井下水力压裂措施。 3煤矿井下定向压裂增透消突成套技术不仅成本低廉，而且可 有效提高瓦斯抽采率， 降低煤与瓦斯突出和煤尘爆炸危险性以及降低 防突措施工程量，改善井下作业环境。 4地面采动井瓦斯抽采技术可做到“一井三用” ，可从根本上达 到降低回采工作面瓦斯涌出量， 缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目 的。 参考文献 〔1〕 国家煤矿安全监察局． 防治煤与瓦斯突出规定 〔M〕 北 读本 ． 京煤炭工业出版社，2009． 〔2〕 蔚远江， 杨起． 我国煤层气储层研究现状及发展趋势 〔J〕 地 ． 质科技情报，2001，20156－60． 〔3〕 孙海涛． 采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究 〔D〕 重 ． 庆重庆大学，2008． 〔4〕熊湘华．低压低渗透油气田的低伤害压裂液研究〔D〕 ．南 充西南石油学院，2003． 〔5〕张军，孙东玲，黄旭超，等．地面钻井抽放采动区域瓦斯 技术的试验研究〔J〕 ．矿业安全与环保，2007，341 〔6〕 薛成． 煤炭瓦斯抽采与利用的现状及问题． 中国煤炭， 2009 〔7〕程建军．煤矿瓦斯排放现状及利用．煤矿开采，2008 〔8〕 刘志强． 中国煤层气开发利用现状及产业化战略选择， 2009