1、专题部分 第26页高瓦斯矿井采前本煤层的抽放摘要：瓦斯是矿井开采中最常见的气体附产物，同时是一种清洁的能源。然而，带来利益的同时，也会带来灾害。在矿井事故中，瓦斯事故占有很大的比例，处理不善，将带来巨大的经济利益损失。近年来，随着煤炭开采的进一步发展，瓦斯事故的发生几率也在不断增大。因此，瓦斯抽采显得尤为重要。本文将就高瓦斯煤矿瓦斯的赋存条件，简单探讨本煤层采前抽放的方法。关键词：高瓦斯；采前；本煤层；抽放；钻1 瓦斯抽采的现状及作用1.1 资源状况我国是世界上煤层瓦斯资源储量巨大的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源评价结果，我国煤层气资源量居世界第三位，与我国陆上天然气
2、资源量相当，资源量36.81万亿m3，可采资源量10.86万亿m3，主要分布在华北和西北地区，我国煤层气资源分布和成藏模式如图1-1所示。其中，华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3、28.1、14.3、1.3。1000m以内、10001500m和15002000m的煤层气地质资源量，分别占全国煤层气资源地质总量的38.8、28.8和32.4。全国大于5000亿m3的含煤层气盆地(群)共有14个，其中含气量在500010000亿m3之间的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地，含气量大于10000亿m3的有鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆
3、地、准噶尔盆地、滇东黔西盆地群、二连盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉尔盆地等共有15个，其中二连盆地煤层气可采资源量最多，约2万亿m3。图1-1 煤层气成藏模式图1.2 资源开发情况1.2.1 地面开发煤层气地面开发始于上个世纪70年代末，原煤炭科学研究院抚顺研究所曾在抚顺、阳泉、焦作、白沙、包头等矿区，以解决煤矿瓦斯突出为主要目的，施工了20余口地面瓦斯抽排试验井。但由于技术、设备等条件限制，试验未达到预期效果。上世纪90年代，煤层气开发出现热潮，在不同地区开展了煤层气开发试验。经过十余年发展，取得了重大突破。“十五”期间，初露煤层气产业化曙光。煤层气勘探登记区块64个，总面积8
4、1810.3 km2，分布在12个省/区。30余个试验开发地区遍布全国：鹤岗、鸡西、依兰、铁法、沈北、阜新、珲春、寿阳、和顺、潞安、晋城、霍东、霍西、宁武、乡宁、大宁吉县、石楼、三交、临兴、保德-神府-准格尔、韩城、黄陵、吐哈、淮南、淮北、丰城、盘江、恩洪、老厂。建立煤层气先导性生产试验井组11个：阜新、大城、淮北、晋城、潘庄、枣园、临兴、碛口、柳林、午城、韩城。19902005年累计钻井数577口，其中20042005年累计329口，占57。主要项目有：山西沁水枣园井组煤层气开发试验项目，生产试验井15口；辽宁阜新刘家井组煤层气开发项目，钻井8口，单井日均产气3000m3以上；山西晋城潘庄煤
5、层气地面开发项目，施工了175口煤层气井，日产气约10万m3；山西沁南潘河先导性试验工程，计划施工900口煤层气井，到2005年底完成钻井100口，日产气约8万m3。1.2.2 井下抽采煤矿井下瓦斯抽采始于上个世纪50年代初。经过几十年的发展，煤矿井下瓦斯抽采，已由最初为保障煤矿安全生产到安全能源环保综合开发型抽采；抽采技术由早期的对高透气性煤层进行本煤层抽采和采空区抽采单一技术，逐渐发展到针对各类条件适合于不同开采方法的瓦斯综合抽采技术。据统计，截止2005年，全国煤矿高瓦斯矿井4462处，煤与瓦斯突出矿井911处。在615对国有重点矿井中，煤与瓦斯突出矿井近200对，高瓦斯矿井152对，装
6、备地面固定瓦斯抽采系统308套。2005年，全国井下抽采煤矿瓦斯近23亿m3，阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城、抚顺等7个矿区年抽采量超过1亿m3。1. 3 煤矿瓦斯赋存条件我国煤层瓦斯的赋存特征是“两高三低”：煤层瓦斯贮存量高、煤层吸附瓦斯能力高、煤层瓦斯压力较低、煤层在水力压裂等强化措施下形成常规破裂裂隙所占比例低、煤层瓦斯储层渗透系数低。另外，地质构造对瓦斯区域分布具有重要影响。1.3.1 煤层瓦斯的渗透率低我国煤层的渗透率通常较小。抚顺煤田的渗透率相对较高，但也只有0.53.8md，水城、丰城、鹤岗、开滦、柳林等矿区高渗透煤层渗透率只有0.11.8md，其它地区绝大多数实测的渗透率值
7、都在0.001md以下，比美国的San Juan盆地和Black Warrior盆地低34个数量级。煤层渗透率的影响因素十分复杂，原岩应力状态、煤层埋深、煤的变质程度、煤岩组分等都将不同程度地影响煤层渗透率。一般情况下，煤层渗透率随压力（或深度）的增加而减小，如图4-6所示。与美国、澳大利亚相比，中国的煤层气储层所承受的地应力大，美国黑勇士盆地地应力值16MPa，澳大利亚东部悉尼盆地鲍恩盆地110MPa，少数达14MPa(Enever，1996)，中国很多地区的地应力相当于或大于这些地区的高限值。煤层渗透率是影响瓦斯抽采难易程度的最主要因素，我国煤层瓦斯抽采难易程度划分为三类，如表1-1所列。
8、当按钻孔瓦斯流量衰减系数和煤层透气性系数指标判别出现结果不一致时，以煤层透气性系数指标为准。图1-2 原地应力与渗透率的关系表1-1 煤层瓦斯抽采的难易程度划分表分 类钻孔流量衰减系数(d-1)煤层透气性系数(m2/MPa2.d)容易抽采10可以抽采0.003-0.050.050.11.3.2 煤层瓦斯压力较低煤层瓦斯压力是指在煤矿开采条件下，在矿井中测得的煤层孔隙中的气体(瓦斯)压力。一般瓦斯压力随煤层埋深增大而增大，可用压力梯度去衡量煤层瓦斯压力的大小。为了在煤层瓦斯压力评价中统一方法和原则，将煤层瓦斯压力划分为三种类型，如表1-2所列。表1-2 煤层瓦斯压力梯度类型划分方案压力梯度/KP
9、am-1）煤层瓦斯压力类型9.5低压9.510.0正常10.0高压我国煤层瓦斯压力梯度大小变化幅度很大，最低值为1.2kPa/m(抚顺)，最大值为13.4kPa/m，但大部分属于低压瓦斯。我国部分矿区瓦斯压力梯度及类型如表1-3所列。煤层瓦斯压力低影响煤层气产率，不利于瓦斯抽采。表1-3 我国部分矿区瓦斯压力梯度及类型矿区瓦斯压力梯度/kPam-1）数据个数瓦斯压力类型最小最大平均值低压南桐6.311.89.49低压松藻4.84.54.82高压天府9.413.411.46低压中梁山7.49.98.95低压芙蓉3.54.74.12低压六枝4.611.66.98低压水城4.57.45.53低压白沙
10、5.911.28.69低压涟邵6.510.58.17低压淮南3.27.75.410低压北票7.511.39.36低压抚顺1.25.62.97低压1.3.3 煤层吸附瓦斯能力高煤层吸附瓦斯能力高直接导致瓦斯的抽采效果差、抽采率低、抽采成本高。煤对瓦斯的吸附能力受多种因素的影响，主要影响因素有压力、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性、气体组分等。1 压力随着压力的增加，吸附气量增加。2 温度温度总是对脱附起活化作用，温度越高，游离气越多，吸附气越少。3 水分含量水为极性分子，吸附于煤中，从而取代甲烷的位置，水分在煤吸附过程中起着极其重要的作用，水的存在，降低了煤中甲烷吸附量。然而从宏观上认识，
11、没有水封堵，也难以形成较大的煤层甲烷吸附气气藏。4 煤阶煤阶是煤层气的生成和煤的吸附能力的重要影响因素之一，对煤层气含量起控制作用。当煤样为干燥煤样时，煤的吸附能力(兰氏体积)随煤阶（镜质体反射率R0，）增高呈U字形变化。当R00.5-1.2时，随煤阶的增高吸附能力降低；当R01.2-4.0时，吸附能力随煤阶增高而增高，当R04.0时，吸附能力急剧下降。5 煤岩的显微组分煤对甲烷的吸附能力除与煤阶有关外，还与煤的组成有关，煤主要由四种有机组分组成：镜质组、壳质组、惰质组和丝质组。惰质组中微孔发育含量越高，吸附量越大；在惰质组含量不高时，吸附量随镜质组的增多而增大。原因是丝质组就没有胞腔或微孔，
12、吸附量最小。煤炭是中国的主要能源， 占一次能源的 70%以上。进入 21 世纪以来， 随着中国经济的快速增长，煤炭需求量也快速增长， 2001 年至 2008 年中国煤炭产量由11. 06 亿t 猛增到27. 2 亿t ，平均每年增长了18. 24%。中国煤炭工业在保障中国经济快速增长的同时， 也使煤炭的开采条件不断恶化，突出表现在开采深度增加、 瓦斯压力和瓦斯含量增大、 地质构造条件复杂， 瓦斯灾害、 特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重。20 世纪80 年代初，南桐矿务局平均开采深度380 m，瓦斯压力1. 5 6. 0 MPa； 淮南矿务局平均开采深度490 m， 瓦斯压力 1. 8 3. 6
13、 MPa。目前，南桐矿务局平均开采深度810 m， 瓦斯压力5. 010. 0 MPa；淮南矿业集团平均开采深度 800 m，瓦斯压力4. 2 5. 6 MPa， 所开采的煤层90%为突出煤层，原来无突出危险的保护层已升级为突出危险煤层。 2004 年， 全国大中型煤矿平均开采深度456 m。 平均采深华东约620 m， 东北约530 m，西南约430 m，中南约 420 m， 华北约360 m， 西北约280 m。采深超过1 000 m 的煤矿有8 处，采深大于600 m 的矿井产量占28. 47% 。全国煤矿开采以每年约10 20 m 的速度向深部延深。中国含煤地层以石炭二叠纪为主， 经历
14、过多次大型构造运动， 许多矿区发生隆起、 坳陷、 褶皱和断裂等活动，在构造挤压和剪切应力的作用下， 煤层结构破坏而形成构造煤发育， 表现为煤质松软(硬度系数f = 0. 1 0. 5) ，煤层渗透性差( 透气性系数多为10- 3 10 m2/ ( MPa2d) ) ，原始煤体瓦斯抽采困难。1.4 瓦斯抽采的作用中国煤矿的瓦斯事故类型分为瓦斯爆炸、 煤与瓦斯突出、 瓦斯燃烧和窒息。瓦斯爆炸、 瓦斯燃烧和窒息事故的原因之一是瓦斯积聚达到一定的体积分数。例如瓦斯体积分数达到 5% 15%时， 有可能引起瓦斯爆炸事故；瓦斯体积分数大于15%时，有可能引起瓦斯燃烧事故；由于瓦斯积聚使空气中氧气体积分数降到12%时， 人感到呼吸非常短促。煤与瓦斯突出是煤体中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放。煤层瓦斯的大量直接排放不仅浪费了能源资源而且严重污染了环境， 以甲烷为主要成分的煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体，甲烷的温室效应比二氧化碳大20 倍以上。因此，煤矿瓦斯抽采的目的为：1）减少瓦斯涌出、 预防瓦斯超限、 降低瓦斯积聚，为矿井通风创造有利的条件；2）降低煤层中存储的瓦斯能量、 提高煤体强度，防治煤与瓦斯突出；3）开发利用高效洁净的能源；4）降低对环境的污染。中国5煤矿安全规程6第 145 条规定了必须建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统的条件。1.5 煤矿瓦斯抽采量中国于2
