煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展(1)

收稿日期:20031010

作者简介:吴财芳(19762),男,山东省烟台市人,博士研究生,从事瓦斯地质、煤层气地质方面的研究.

第33卷第2期 中国矿业大学学报 V ol .33N o .22004年3月 Journal of Ch ina U niversity of M ining &T echnol ogy M ar .2004

文章编号:100021964(2004)022*******

煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展

吴财芳,曾　勇,秦　勇

(中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州　221008)

摘要:论述了煤与瓦斯共采技术的重要性及其对煤矿绿色开采的意义,介绍了煤与瓦斯共采技术的研究现状及面临的新问题,并阐明了其理论依据.分析了煤与瓦斯共采在煤矿井下的成功经验,并举例说明了井下瓦斯抽放与地面煤层气开发有机结合的重要性.最后指出了煤与瓦斯共采应注意的问题以及今后的研究方向.

关键词:煤与瓦斯共采;煤层气;瓦斯抽放;绿色开采中图分类号:TD 712;TD 82 文献标识码:A

P resent Situati on ,A pp licati on ,and D evel opm ent of

Si m ultaneous Extracti on of Coal and Gas

WU Cai 2fang ,ZEN G Yong ,Q I N Yong

(School of R es ources and Eeath Sciene ,CUM T ,Xuzhou ,J iangsu 221008,Ch ina )

Abstract :T he i m portance of si m ultaneous extracti on of coal and gas and its purpo rt to green

exp l oitati on are discussed .T he p resent situati on and the theo ry of th is technique asw ell a s om e ne w p roble m s are in troduced .Experience of si m ultaneous extracti on of coal and gas in coal m ine is analyzed and an exa mp le is used to exp lain the sign ificance of the organic com binati on of gas

dra w ing underground w ith coalbed m ethan exp l o iting on ground surface

.F inally ,p roble m s w e should pay attenti on to and the devel op ing w ay of si m ultaneous extracti on of coal and gas are pointed out .Key words :si m ultaneous extracti on of coal and gas ;coal bed m ethan ;gas dra w ing ;green exp l oitati on

煤层瓦斯,又称为煤层气,自生自储地赋存于煤层之中.近几年来,随着煤矿井下开采深度的增加和开采强度的增大,地质条件越来越复杂,频发的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全,制约着矿井生产的发展.但是,煤层气又是经济的可燃气体,是一种清洁、方便、高效的能源,其发

热量为33.5～36.8M J m 3

,并且不存在环境污染问题.大力开发煤层气,既可以充分利用地下资源,又可以改善矿井安全条件和提高经济效益,并有利于改善地方环境质量和全球大气环境.因此,如何更有效地开发和利用煤层瓦斯,一直以来都是广大的科研工作者努力的方向和目标.钱鸣高院士首次提出了“煤矿绿色开采”的概念[1],并且阐述了它的内涵和技术体系[1].绿色开采技术的主要内容[1]包括:保水开采、“三下”采煤、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分矸石的井下处理、煤炭地下气化等.由此可见,煤与瓦斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一[223],其研究内容和发展方向具有重要的理论意义和现实意义.我国煤矿在防治瓦斯灾害方面应彻底转变观念,从采掘部署上把瓦斯抽取纳入正规生产的工艺流程,从时间和空间上给予充分保证,促进煤层瓦斯的开发和利用规模化、系统化.只有这样,我国煤矿瓦斯灾害才会得到有效控制,高瓦斯突出矿井才会随着治理瓦

斯灾害费用的减低、生产效率的提高而获得新生,宝贵、清洁的能源才不会被白白地浪费掉.

1　煤与瓦斯共采技术的研究现状

我国的煤层甲烷研究开始于50年代煤矿井下的瓦斯抽放,其中抚顺、阳泉是抽放量最大的矿区.目前,我国已有123个矿井建立了井下瓦斯抽放系统,年抽放量达6亿m3,抽放瓦斯利用率达80%,但井下瓦斯的抽放率很低,只有20%左右.60年代到70年代,一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用.70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作,主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿,并进行了压裂实验,但是效果不佳.80年代初期,国内开始进行煤层甲烷相关资源研究.“六五”期间,煤炭、石油以及地质等行业通过国家重点科技攻关项目对国内煤成气资源进行区域性评价和基础理论研究.随后,国家“七五”科技攻关项目设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”专题,取得了对中国煤层气资源状况的初步认识.华北石油地质局1986年在唐山地区开展了煤层甲烷勘探开发实验和工艺技术研究,并进行了“煤层甲烷评价与开发利用状况”调研.1989年,第一次“开发煤层气研讨会”在沈阳召开,标志着煤层甲烷从“瓦斯灾害”到“优质能源”的认识转变、从“井下抽放”到“地面开发”的技术转移.“八五”期间,国家科技攻关项目设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”专题.此后,煤层甲烷的研究重点转移到了开发工艺攻关上. 1992年,联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了“中国煤层气资源开发”项目,1993年又资助了“中国深层煤层气勘探”项目,对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用.1996年,一批有影响的研究项目和规划相继完成,如原煤炭部计划项目“全国煤层气资源评价”、国家计委 类资源勘查项目“中国煤层气资源评价”、国土资源部地质调查项目“全国煤层气综合规划研究”、原石油天然气总公司“九五”科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”、国家“九五”科技攻关项目“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等.到目前为止,对全国范围内的煤层气资源、分布、储层特征取得了基础性认识,基本明确了煤层气开发的有利地区.但是由于我国的煤层地质现状(地质条件复杂,构造煤发育,瓦斯含量高,瓦斯压力低,渗透率低等),煤层气的地面开发并不能很好解决井下瓦斯问题.现阶段,井下瓦斯抽放方法很多,例如,掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等.因此,如何将井下瓦斯抽放与地面煤层气开发协调地结合起来,更好地实现煤与瓦斯共采,就成为一个值得深思的问题.总之,我国煤与瓦斯共采的研究开发取得了很大进步,但也存在许多有待于进一步研究和解决的问题.

2　煤与瓦斯共采技术的理论基础[223]

限制我国高瓦斯矿井井下瓦斯抽放的原因,主要是煤层的低渗透率和高可塑性,使得沿煤层打钻孔困难,煤层采前预抽效果较差[122].由于我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动,煤层内生裂隙系统遭到破坏,塑变性大大增强,因而成为低透气性的高可塑性结构,这使得地面钻孔完井后采气效果差,水力压裂增产效果不明显[223].而且煤层普遍具低渗透率,一般在0.1×10-6～1×10-6Λm2范围内,水城、丰城、霍岗、开滦、柳林等渗透率较好的矿区也仅为0.1×10-3～1.8×10-3Λm2,这一特点决定了我国地面开发煤层气的难度很大[223].鉴于此,我国煤层气开发生产的重点应放在井下,利用井下的采掘巷道,并尽量利用煤层采动影响,通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的瓦斯抽放[3].同时,应进一步研究和不断完善提高煤层渗透率的技术和钻孔技术,研究提高气体质量的技术,研究井下煤炭与瓦斯的协调开采配套技术以及煤矿瓦斯利用技术,使之与井下煤层气开发产业配套,实现煤与瓦斯的安全共采[223].现场测定和实验研究表明,不论原始渗透系数怎样低的煤层,在采动影响煤层卸压后,其渗透系数会急剧增加,煤层内瓦斯渗流速度大增,瓦斯涌出量也随之剧增.因此,只要合理布置钻孔位置和其它相关参数,完全能够高效地实现瓦斯抽放.

3　煤与瓦斯共采技术的应用实例

3.1　松藻矿务局矿井瓦斯抽取现状[4]

松藻矿务局是重庆地区的主要煤炭产地,由于煤炭储量丰富、地质构造简单、煤层赋存稳定以及地理位置优越等有利条件,而成为重点开发的矿区,但是瓦斯灾害在矿井生产建设过程中特别严重,不仅矿井瓦斯涌出量大并且煤与瓦斯突出频繁.矿区现有6对生产矿井,均为高瓦斯和突出矿井,到1990年底,共发生突出358次,突出频率和突出强度逐年增大,最大突出强度为煤1624t,瓦斯15.1万m3.由于所采的8号煤层为严重突出煤层,因此只能选择弱突出煤层(6号、7号、11号)作

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