煤矿区煤层气开发技术现状及发展

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分析·探讨
( 2011 - 09)
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煤矿区煤层气开发技术现状及发展
王凤林,宋 波,邓钧耀
( 中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司,北京 100095)
摘 要: 在系统研究国内外煤矿区煤层气开发技术现状的基础上,结合我国煤矿煤层气储存及涌
出特征,运用现代油气田开发以及煤矿煤层气开发的最新理论与研究成果,在中石油采气采煤创
新合作模式的基础上,提出在煤矿废弃矿井 / 永久采空区采用丛式井钻井技术进行地面间歇式负
压抽采,在煤矿采动影响区采用定向长水平钻井技术进行负压抽采煤层裂隙带,实现“一井两
用”,提高煤层气开发效果,同时降低开采成本; 在煤矿开采规划区利用远端对接“U”型井,实现
规划阶段抽采煤层、采动阶段二次完井抽采裂隙带、在采空区阶段进行间歇式抽采,实现“一井
三用”,提高煤层气开发效果。
关键词: 煤矿区; 煤层气; 间歇式抽采; 采动区; 裂隙带
中图分类号: TD712
文献标志码: B
文章编号: 1003 - 496X( 2011) 09 - 0133 - 04
我国煤矿区煤层气资源丰富,也是研究治理煤 层气较早的国家,目前除淮南、铁法等矿区采用地面 抽采配合井下抽放的技术外,其它矿区主要采用的 还是井下抽放技术。井下抽放技术存在的主要问题 是: 采用被动式抽放,预抽量和预抽时间受煤炭产量 严格控制; 气体最终采收率低,“边采边抽”模式造 成瓦斯安全事故频发; 气产品质低,一般甲烷浓度在 30% ~ 50% ; 气资源浪费大,每年因采煤释放到大气 甲烷达到 100 亿 m3 ,其中通过抽放能被利用的量极 为有限; 对环境破坏大,是主要的温室气体。
为此,加大煤矿区煤层气开发技术的研究成为 当前科技工作者研究的重要课题,在系统研究国内 外煤矿区煤层气开发技术现状的基础上,提出了针 对煤矿区不同开采阶段的煤层气开发技术,对提高 煤层气开发效果和降低煤矿区的瓦斯突出和爆炸的 危险起到了积极作用。
1 煤矿区煤层气开发技术现状分析
1. 1 澳大利亚煤矿区煤层气开发技术 为了减缓温室气体的排放、增加清洁能源,煤层
气的抽采和利用得到澳大利亚采矿公司和能源生产 商的重视,双方共同制定煤炭和煤层气矿权重叠的 解决方案。该技术方案的要点: ①煤炭和煤层气生 产者之间的沟通与合作; ②引进新的例如地面到煤
基金项目: 国家重大专项( “十二五”计划) 资助项目 ( 2011ZX05038 - 005)
层的水平定向钻井技术,以便瓦斯抽采可以独立运 行于采煤作业之外; ③引进规划系统,优化煤层气排 采以便有利于采煤作业和煤层气利用。针对煤炭企 业的不同开采阶段,提出相适应的煤层气开采技术, 具体的井位部署如下:
( 1) 短期煤层气井部署。煤层内抽排系统连通 地表煤层气抽排管路。
( 2) 中期煤层气井部署。为便于煤炭更好的开 采采用地表水平定向井。
( 3) 长期煤层气井部署。为实现煤层气商业化 生产设计地表水平定向井。 1. 2 淮南煤矿区煤层气开发技术〔1〕
淮南矿区是我国大型煤炭基地之一,也是全国 煤矿瓦斯涌出量和抽放量高、瓦斯抽放利用最好的 矿区之一。目前开采保护层已经成为突出煤层主要 的区域性防突措施,其方法是从地面施工钻孔至保 护层底板以下,在保护层开采过程中,被保护的突出 煤层受采动作用的影响,使得煤层的透气性大幅度 提高,从而使被保护层产生的卸压瓦斯通过钻孔被 地面抽放泵抽出。该技术的钻井设计如图 1 所示。 1. 3 铁法煤矿区煤层气开发技术〔2〕
铁法矿区瓦斯利用从 20 世纪 80 年代初期开 始,从无到有、从小到大,经过几代人的努力,现已初 见规模。其地面垂直采空区钻井开发煤层气技术是 1992 年“中国煤层气资源开发项目”铁法分项目的 主要示范技术之一,该项目为联合国 UNDP 组织援 助开发,为国内最早采用地面垂直采空区钻井开发
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煤层气技术试验的单位。地面采空区的钻井部署及 设计如图 2 所示。该项技术的要点如下:
图 1 淮南煤层气开发技术
盖煤层,距离开采煤层顶板 5 ~ 8 m 较为理想。 ( 4) 该钻井的抽采难题是地面抽采管路的布置
方式选择,要尽量避开塌陷区的干扰,选择地面布管 线较为理想的地段。
( 5) 地面抽采管路直径尽量与钻井直径、抽采 泵站能力相匹配,保证高浓度、稳流量、高效率地产 气。
( 6) 对于地层含水量较大的区块施工此类钻井 时,要在钻井口设置集水器和放水器,以防止井水进 入主抽采管道,保证抽采效果。
2 煤矿区煤层气开发技术发展
随着开采深度和集约化生产程度的迅速提高, 地质条件越来越复杂,井下抽采难以满足煤炭企业 快速发展的需要,煤矿区煤层气开发已成为制约矿 井安全高效生产的关键因素。从时间上,煤炭企业 的开发分为废弃矿井、永久采空区、采动区、规划区 4 个阶段〔3〕。根据不同阶段煤层气的富集规律,运 用现代油气田开发技术〔4〕,设计了相应的煤矿区煤 层气开发技术。 2. 1 废弃矿井 /永久采空区煤层气开发技术
在废弃矿井和永久采空区内,煤层卸压更为充 分,开采层内剩余煤和邻近煤层解析的煤层气涌入。 该区域内的煤层气主要是游离气和吸附气。游离气 主要分布于采空区范围内,向上向下随着裂缝的减 少,游离气含量减少。根据负压抽放原理,使吸附气 从煤层内解析,成为游离状态,并和原来的游离气一 起沿可能的通道向外扩散运移。
根据该区域煤层气富集特点,部署丛式井组,如 图 3 所示。地面钻井利用水环真空泵进行间歇式负
图 2 铁法采空区抽采技术
( 1) 该钻井是伴随井下采煤工作面的生产进行 产气的,充分利用采动影响的特点和优势进行高效 采气,但此钻井必须在工作面初次来压前施工,以确 保钻井结构稳定。
( 2) 在采煤工作面采用俯斜开采时更适合应用 该技术进行煤层气开发,采气效果更理想。
( 3) 该钻井所下的套管筛管部分要穿透所有覆
图 3 采空区丛式井组
压抽采。钻井采用“三开”( 一开: 钻头 Φ311. 1 mm,
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套管 Φ244. 5 mm; 二 开: 钻 头 Φ215. 9 mm,套 管 Φ139. 7 mm; 三开: 钻头 Φ120. 6 mm,筛管 Φ101. 6 mm) ,完钻层位煤层上 2 ~ 5 m。排采设备采用水环 真空泵。排采中注意: ①控制抽采负压,保证抽采质 量; ②定期检查,采样对气体进行分析测定,防止自 然发火。 2. 2 采动区煤层气开发技术
受煤炭开采活动的影响,从纵向上看,在开采层 的上部依次出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒 落带与采 空 区 漏 风 带 相 连,不 易 进 行 煤 层 气 抽 采。 裂隙带位于冒落带上方,是抽采上邻近层煤层气的 最佳地带。弯曲下沉带位于裂隙带上方,一般可达 地表,由于距开采层较远,仅在靠近裂隙带的弯曲变 形带还能有较好的抽采效果。在平面上考虑通风负
压的作用,采动区的煤层气主要集中在靠回风巷一 侧。
根据采动区煤层气富集规律,在该区域设置单 主支的水平井,平面布置如图 4 所示,在回风巷 1 /3 ~ 1 /2 工作面宽度处。采用“三开”完井( 一开: 钻头 Φ311. 1 mm,套管 Φ244. 5 mm; 二开: 钻头 Φ215. 9 mm,套管 Φ139. 7 mm; 三开: 钻头 Φ120. 6 mm,筛管 Φ101. 6 mm) ,完钻在煤层顶板上的靠近冒落带的 裂隙带内,具体根据矿井实际数据应用“三带”计算 公式确定。该区域钻井注意在工作面初次来压之前 施工,以确保井身结构稳定; 排采注意对通风的影 响,以及顶 板 水 进 入 井 筒 形 成 水 幔 抑 制 抽 采 效 果。 总之,在该区域施工地面钻井要做好风险分析和经 济效益分析。
图 4 采动区水平井
在回采工作面采煤完成后,形成永久采空区,该 井可以继续 对 采 空 区 进 行 间 歇 式 抽 采,实 现“一 井 两用”。 2. 3 规划区煤层气开发技术
根据煤层气水平井的寿命 8 年,在煤矿的 8 年
规划区外,双方生产没有交叉,采用常规的煤层气井 钻井、排采技术为配合煤炭企业将高瓦斯矿井降为 低瓦斯矿井,减少瓦斯灾难。在 8 年煤炭开采规划 区内施工 U 型井,采用远程对接,如图 5。“三开”完 井( 一开: 钻头 Φ311. 1 mm,套管 Φ244. 5 mm; 二开:
图 5 规划区煤层气开发技术
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钻头 Φ215. 9 mm,套 管 Φ139. 7 mm; 三 开: 钻 头 Φ120. 6 mm,筛管 Φ101. 6 mm) 。为避免套管对煤
则,就能从根本上杜绝煤矿安全事故,最大限度利用 资源、保护环境,可以收到良好的安全效应、资源效
层开采的影响,直井段煤层段下入玻璃钢管。当回 应、环境效应和社会效应。
采面距生产井 200 m 时,提前在套管内下木塞,木塞 长度为( 冒落带 + 1 /3 裂隙带) ,在木塞之上进行射 孔。当回采面距生产井 200 m 之前,采用排水降压 的方式; 当回采面距生产井 200 m 之前,采用负压排 采的方式; 当回采面变为永久采空区时,采用间歇式 负压排采。
3结语
根据我国煤矿区煤层气开发利用现状、储存及 涌出特征,运用现代油气田开发以及煤矿煤层气开
参考文献:
〔1〕 梁运培. 淮南矿区地面钻井抽采瓦斯技术实际〔J〕. 采 矿与安全工程学报,2007( 24) : 409 - 413.
〔2〕 李 国 君,刘 长 久. 铁 法 矿 区 地 面 垂 直 采 空 区 井 技 术 〔J〕. 中国煤层气,2005( 2) : 7 - 10.
〔3〕 王凤林,徐祖成,胡爱梅. 采气采煤协调发展〔J〕. 煤矿 安全,2010( 10) : 100 - 101.
〔4〕 田文广,李五忠,周远刚,等. 煤矿区煤层气综合开发 利用模式探讨〔J〕. 天然气工业,2008( 28) : 87 - 89.
发的最新理论与研究成果,提出煤矿废弃矿井 / 永久 采空区、采动区和规划区不同阶段的煤层气开发技 术,只要煤炭和煤层气 2 个产业坚持总体规划,先采
作者简介: 王凤林( 1977 - ) ,男,主要研究方向为地球 信息科学和煤层气勘探开发。
气、后采煤,煤层气的开采兼顾后续煤炭的开采的原
( 收稿日期: 2011 - 01 - 28; 责任编辑: 王福厚)
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人为的操作失误和跑车事故,还大大减少了员工的
术,由被动式防护转变为主动防护和科学防护。
劳动强度,提高了煤矿斜井管理技术水平,而且还为
( 3) 系 统 采 用 多 种 传 感 测 速、驱 动、缓 冲 新 技 煤矿安全生产、提高工作效率创造了条件,带动了煤
术,解决了以往跑车防护装置不通用的难题。
矿技术进步与发展。系统联锁、复合的创新模式进
( 4) 系统稳定性强,自动化程度高,解决了以往 一步推动了国内跑车防护系统的新品种的开发和技
跑车防护装置误动作或拒动作的难题。
术内容的创新,进一步提升了我国跑车防护系统的
6 复合式斜井防护系统的应用
2009 年在大同煤矿集团公司四台矿 12#408 第 一暗斜井进行了工业性试验,该斜井全长 180 m,坡 度 15°,安装 ZZC660 型阻车装置、ZDC30 - 1. 2 型跑 车防护装置( 相互联锁) 、ZSJ127 型电视监视装置各
设计与制造水平和开发技术,改变了矿山斜井运输 现有的装备局面,具有极高的推广价值。
参考文献:
〔1〕 周英露. 斜井跑车装置的合理配置和使用〔J〕. 同煤科 技,2002,92( 2) : 19 - 21.
1 套,构成复合式跑车防护系统。系统运行以来,各 项功能均达到或超过设计要求,能够实现车档联锁 控制、手 动 自 动 切 换 操 作、电 视 监 控 等 功 能。2010 年在集团公司进行了推广使用。
作者简介: 刘海平( 1970 - ) ,男,山西繁峙人,工程师, 国家注册安全工程师,2010 年毕业于中北大学,现在大同煤 矿集团公司生产技术部从事矿井运输管理工作,发表论文多 篇。
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