关于对煤层气抽采技术试验的探讨

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摘要:瓦斯是煤矿开采过程中三大灾害之一,结合近年采淮北矿业集团采用定向钻井技术开采煤层气取得良好效果的调研,就安全有效地抽采利用煤层气技术进行了探讨。

关键词:煤层气;开采利用技术;抽采技术试验

中图分类号:C93　文献标志码:A　文章编号:1673-29IX(2010)03-0196-02

一、煤层气开发利用现状

安徽淮北矿区是我国重要的能源生产基地。淮北煤田2000m以浅,保有和预测煤炭资源储量376亿吨,初步估算,埋深在2000米以上煤层气资源量为3159亿m3,其中宿县矿区的宿东、宿南、南坪向斜、濉肖矿区的肖西向斜为煤层气富集区,资源量1641亿m3。其丰富的煤炭和煤层气资源是华东地区重要的能源基地。

从淮北矿区煤田地质结构上来看,淮北矿区主要含煤地层为二叠系石盒子组和山西组。一般有11个含煤组,煤层8～36层,总厚度7m～23m,可采厚度2.95m～20.97m。煤层瓦斯含量达10～25m3,瓦斯压力达3.5～6.0Mpa,主要煤层的含气饱和度达98%～100%。煤层瓦斯成分主要是CH,仅有少量的CO2、N2,CH4占到91%～98%,但渗透率较低。

多年以来,淮北矿业集团公司积极跟踪国内外地面瓦斯开发利用的先进技术,积极探索适合淮北矿区条件的地面瓦斯抽采的关键技术和施工工艺,以及煤气共采的途径,规划瓦斯利用方案。施工的地面压裂瓦斯抽采井、采动区卸压瓦斯抽采井和工作面采空区瓦斯抽采井,井下瓦斯抽采模式探索均取得一定的成效。

1996年3月在芦岭矿1。工作面地面打一口抽取8煤层采空区瓦斯试验井,取得了明显效果,最高日产气高达5728m2/d;2003年芦岭矿建立井下瓦斯抽放系统,实现瓦斯民用;同时,2003年芦岭矿建成4x1.2MW瓦斯发电站。

通过最近几年的煤层气开发实践,淮北矿业集团逐步理顺了地面煤层气开发利用的基本思路:煤矿瓦斯抽采和利用在定位于煤矿瓦斯防治要求的基础上,一是以按井上和井下相结合、抽采和利用相结合的思路,抓住下组煤采动后提高了中煤组瓦斯可抽性的有利时机。布置地面井最大限度地预抽中煤组的瓦斯,解决今后中煤组开采时的瓦斯治理难度;二是采用“一井三用”的思路进行地面瓦斯抽采,解决深部下组煤作为保护层的突出问题;同时,提高其他条件下的井下瓦斯抽采力度。

目前,淮北矿业集团公司已累计施工采动区井11口,采空区试验井3口,煤层气参数测试井2口,施工地面压裂井10口,“十一五”期间将在海孜矿施工21口采动区井网。在芦岭矿三水平施工6口地面压裂井(“一井三用”井)网。在朱仙庄矿施工一定量的地面采动区井和“一井三用”井,在瓦斯利用方面,目前仅芦岭矿装机10×500千瓦和海孜矿装机4×800KW+3×500千瓦瓦斯发电,并于2007年2月18联合国注册成功,成为世界第一个煤层气CDM项目,下一步已规划进行低浓发电和通风瓦斯利用项目。到目前,瓦斯抽排每年达到1.3亿万立方米以上,已建设煤层气发电站2座,装机容量2400万千瓦。

二、煤层气抽采利用探索实践

(一)地面井抽采瓦斯

以淮北芦岭矿为例,根据该矿8、10煤层瓦斯特性,二水平10煤为非突出煤层,2000年开始采取先采下保护层10煤,使8煤卸压的区域性防突措施,先后顺序开采了工作面,并在9煤底板打岩巷及打密集穿层钻孔抽取8、9煤卸压瓦斯。同时也为地面抽采8、9煤卸压瓦斯创造了条件。

在1994年桃园矿1018面采用地面垂直井抽放中组煤卸压瓦斯试验的成功经验基础上,继而选择芦岭矿Ⅱ,Ⅲ。工作面进行地面钻井预抽采动区中组煤卸压瓦斯的再试验。取得了较好的效果,共抽采纯瓦斯248.0万m3,并随后推广至海孜。等工作面,均取得了好的效果,实践证明,地面钻井抽采采动区中组煤瓦斯,是治理煤矿瓦斯的一种有效方法之一。

(二)井下瓦斯抽采技术

1.区域性治理瓦斯技术。采用卸压瓦斯抽采技术,实践证明,开采保护层是防治瓦斯突出最有效的区域性技术,开采保护层时采用底板巷穿层钻孔、地面钻孔等抽采瓦斯方式。底板巷布置于工作面底板20m～30m、岩性较好的岩层中,在底板巷内每隔20m～30m布置一抽采钻场,每个钻场内钻孔呈扇形布置,钻孔直径1000mm,充分卸压区内钻孔间距为20m～30m。未充分卸压区内钻孔间距5m～10m,钻孔间距以煤层中厚面为准,钻孔进入被保护煤层顶板0.5。

根据独特的地质条件,也可采用从高位钻场或高位巷施工穿层钻孔至被保护层顶板抽采卸压瓦斯,钻孔保护半径可达1000m,取得了较好的效果,有效地消除了被保护层煤与瓦斯突出危险和保护层开采过程中瓦斯超限问题。

2.穿层钻孔预抽技术。采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯需要煤层或煤层群具备底板巷,在底板巷内施工钻场,在钻场向煤层或煤层群施工穿层钻孔,每个钻孔均穿透整个煤层或煤层群。底板抽放巷一般布置在岩性较好、距煤层底板20m一30m的岩层中,在底板瓦斯抽采巷内每隔20m一30m布置钻场,抽放钻孔直径94mm～1OOmm,钻孔间距设计为5m,钻孔间距以煤层中厚面为准,钻孔终孔进入煤层顶板0.5m。机巷和开切眼处要缩小钻场距离、加密钻孔,加大钻孔控制范围。较好地解决了机巷和切眼掘进时的防突难题,消除突出危险,提高单进水平。

3.顺层钻孔抽采技术。从风巷和机巷分别向工作面煤层打钻预抽回采工作面瓦斯,根据《矿井瓦斯抽放管理规范》,低透气性煤层预抽煤层瓦斯钻孔量要达到0.1m/t以上来设计钻孔间距,钻孔直径为91mm,钻孔长度根据工作面倾向长度设计。为了缩短开切眼前方部分煤体的瓦斯抽放时问,可在工作面里段补打一定数量的顺层钻孔,钻孔与巷道煤壁呈75。夹角,与原顺层孔交叉布置,以便提高钻孔抽放效果,并可在回采过程中实现边采边抽、卸压抽放。该措施对减少采煤工作瓦斯涌出量,消除采面瓦斯突出危险有着积极作用。

4.随采随抽瓦斯抽采技术。(1)顶板走向钻孔抽采技术。顶板走向钻孔主要抽采高瓦斯工作面采空区瓦斯,解决回采时回风瓦斯超限和上隅角瓦斯集聚问题。在回采工作面风巷施工高位钻场,每个钻场布置3～6个孔,终孔位于煤层冒落拱一般为3～8倍采高,绝大部分矿井采用此种抽采方式。它是解决工作面回风流及上隅角瓦斯超限的有效措施。(2)高位专用巷道瓦斯抽采技术。在煤层顶板冒落带顶部施工瓦斯抽采高位巷,抽采本煤层开采期间采空区的瓦斯及邻近煤层瓦斯。目前,芦岭、朱仙庄、海孜3个矿井采用此种抽采方式,其中海孜矿在高位巷施工一段距离后,采用水平岩层长钻孔代替,取得了较好的效果。(3)采空区埋管瓦斯抽采技术。主

要采用上隅角埋管或采空区尾部埋管抽采技术,用作采空瓦斯治理的辅助办法。祁南矿采用了采空区长立管瓦斯抽采技术,在工作面风巷每隔300m垂直顶底板安装高度10mt、直径108mm的抽放立管,抽放顶板走向钻孔和采空区埋管控制范围之间的空白带瓦斯,并可以有效解决顶板走向钻孔压茬处瓦斯治理问题。

5.边掘边抽瓦斯抽采技术。煤巷掘进采用巷帮边掘边抽和迎头钻孔卸压排放相结合的抽排方案,通过向前方煤体打密集排放短钻孔,能够在较短的时间内大幅度地降低钻孔控制范围的瓦斯含量,降低煤层的弹性潜能和地应力,消除掘进前方煤体的突出危险性。

(三)地面采动区井抽采瓦斯试验

早在1994年,首先在桃园矿1018工作面开采lO煤时,由地面钻井抽采中组煤卸压瓦斯18万m3(瓦斯含量低)试验成功,取得一系列抽采参数,并获得煤炭部科技进步三等奖。

2004年又在芦岭矿Ⅱ试验了一口地面采动区井,获得成功,抽采291天,单井总产气量248.5万m3,最高日产46656m3。而后推广至海孜矿,先后在三个工作面又打了6口采动井都取得了成功。

海孜矿采动井不仅抽采了中组煤瓦斯,而且抽采了10煤采空区瓦斯,使工作面风排瓦斯量大大减少,实现了工作面安全生产。同时抽出的瓦斯发电每年获得经济效益836万元。采动区井共投产7口,累计产气量至2007年底1413.46万m3,平均单井201.9万m3,效果很好。

(四)定向钻井一煤层气高效开采试验

定向钻井,简单说就是让向地下竖着打的井拐个弯,再顺着煤层的方向横着打井。定向钻井采集煤层气的原理同传统方法一样,即通过抽水减压,逼出煤层气,再进行采集。但两者的区别在于,传统方法只用竖井穿到煤层采集,而横向井顺着煤层的走势大大增加了采气的面积,因而提高了效率。

三、地面钻井“一井三用”先抽后采治理瓦斯新思路

从矿区先后试验三种地面垂直井抽采瓦斯实践证明:压裂井在淮北矿区地质条件下要实现商业开发难度大,但作为治理瓦斯的安全措施大面积超前预抽,降低开采煤层瓦斯含量,达到消突的目标,还是有效的。

例如芦岭矿,可以先开采10煤层下保护层,解放突出严重的8、9煤层是根治瓦斯的最佳选择,但矿井延深到三水平后,开采10煤就有突出危险,如何解决保护层开采时的消突问题,是目前国内、外最棘手的难题。为此,我们设想在芦岭矿三水平,按照采区设计,布置一批压裂井,提前八至十年,对10煤及8、9煤层进行压裂预抽,即使单井产气量达不到商业开发目标,但可达到800～1000m3/日,这就可以预抽10煤层瓦斯30%以上,首先,实现保护层开采的消突问题;其次,当10煤层开采时,二次利用压裂井(稍加技术改造)改作采动区井,抽采8、9煤层的卸压瓦斯;再后,开采8煤时,三次利用该井,作为采空区井,抽采8煤工作面采空瓦斯。这样,就可以实现压裂井采动井采空区井,井三用最大限度的抽采煤层的瓦斯,达到根治瓦斯的战略目标。

根据国内外煤矿瓦斯开采利用的经验,结合我们淮北矿区及芦岭煤矿开采做法,芦岭矿地面“一井三用”是防治瓦斯,实现安全、高产、高效矿井最根本途径,本项目受到国家发改委重视,经七个月试验排采,产气量已达到预想目标,实践证明,本项目技术工艺成熟,可以在同类型矿井推广因而起到示范作用。同时,抽出的煤层气综合利用,一举三得,经济、社会效益可佳,对试验中的关键问题,如区块优选,针对不同结构煤层采用不同压裂方案,加大压裂注砂规模,采取增注C02等措施,试验证明,对提高地面压裂井产气是有效的。淮北矿业瓦斯利用技术研发,技术成果通过了专家鉴定,达到了国际先进水平,为大规模利用煤矿瓦斯积累了经验。