第36卷第2期
2008年
2月
煤炭科学技术
COALSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol136 No12 Feb. 2008
采矿与井巷工程
厚煤层煤与瓦斯共采的关键问题
王家臣,范志忠
(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083)
摘 要:瓦斯是煤炭伴生的清洁能源,同时也是煤矿重大灾害的隐患。于煤炭本身。,隐患。根据我国煤层透气性低、埋深大等特点,我国瓦斯能源开采的正确模式,、瓦斯与裂隙场的耦合作用关系、。关键词:瓦斯;煤层气;;;瓦斯利用中图分类号:T:A 文章编号:0253-2336(2008)02-0001-05
ofcoalandgasco-mininginthickseam
WANGJia2chen,FANZhi2zhong
(SchoolofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing 100083,China)
Abstract:Methaneistheassociatedcleanenergyofthecoalandisapotentialdisasterofthemine.Thevalueofthegasextractionindi2viduallyisfarlowerthanthecoalvalue.Asanassociatedenergy,theextractionofgascouldimprovethemineminingbenefitandcouldeliminatethedisasterinpotentialinmine.Baseonthelowgaspermeability,deepminingdepthandotherfeaturesofthecoalseaminChina,withtheapplicationoftheminingstratapressurereleasingfieldandthestratacrackingfield,theco-miningofcoalandgasisthecorrectmodeforthegasenergymininginChina.Thepaperfurtherresearchedthedesorptionandthepenetrabilityoftheminingcrackingfieldandthecouplingfunctionrelationshipbetweenthegasandthecrackingfield.Toimprovethedensityofthegasdrainageandtoim2provethelowdensitygasutilizationtechnologyarethekeyissuesofgasminingandutilization.Keywords:gas;coalbedmethane;coalandgasco-mining;miningcracking;gasutilization
1 我国煤与瓦斯赋存的基本特征
111 基本特征
我国的煤炭资源较丰富,目前的保有储量1100多亿t,且有48%的煤层属于高瓦斯和突出煤层,因此瓦斯储量丰富。埋深2000m以浅已探明煤层气资源约为31万亿m,位列世界第三。但我国大规模的商业化瓦斯开采尚处于起步阶段,国家的相关产业政策出台较晚,或尚不明朗。这里有认识和技术问题,更有我国煤层的透气性差,抽放困难等原因。我国70%以上的煤层渗透率小于
2
01001μm,属于低透气性煤层,其透气性比美国和澳大利亚低2～3个数量级,钻孔有效排放半径和钻孔瓦斯流量小,衰减快,透气性最好的抚顺煤层井下水平钻孔与美国同类条件相比,钻孔影响范围仅30～50m,而美国可达到100m以上。煤层
3
[1]
气体压力也对瓦斯的抽放起着重要作用,有关资料表明,我国煤层压力普遍偏低,这对抽放瓦斯极为
[2]
不利。中国的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,成为低透气性的高延性结构。目前,我国瓦斯勘探和开发的主要煤阶是中阶煤和高阶煤,具有很强的非均质性,导致井网的井间干扰效应降低,相互间不能形成有效的联系,水力压裂增产效果也不明显。112 我国瓦斯开采面临的主要问题
1)地面开采效率不高。目前地面钻井开采瓦斯最常用的水力压裂法,专用设备复杂、庞大而笨重,成本高,裂缝与支撑剂在煤层内部的控制技术尚有待解决,对低透气性煤层瓦斯抽放效果大多不
[3]
明显。近年来开始引进国外的多分支水平钻井技术,该项技术成本高,效果也没有预期的好。 2)地下开采浪费严重。我国是世界上年开采
2008年第2期
煤炭科学技术
第36卷
煤炭最多的国家,2006年全国煤炭产量2318亿t,
3
国有重点煤矿井下瓦斯抽放量约24亿m。以平均
33
吨煤瓦斯含量8m/t计,则每年排掉188亿m。事实上,我国煤炭采出率平均低于30%,大量破
3
坏煤层,实际排气约440亿m/a,由于开采煤炭
3
而破坏的瓦斯储量在至少1000亿m以上,是2006年中国天然气总产量的2倍,造成了资源的
的瓦斯能够在开采过程中大量转化为游离状态的瓦斯,并增加煤岩的透气性,从而才能进行有效开采。煤炭开采客观上为瓦斯开采创造了有利的卸压条件。
煤炭开采的各种巷道工程等均已到达煤层或者是煤层中,这就为瓦斯开采提供了有利的生产条件,,直接铺设管道输送瓦斯,量。,抽。,对于抽放可、分步骤地进行,只要正确处理好采煤、掘进和瓦斯抽放的关系,促进瓦斯抽放利用的最大化,其经济效益是相当可观的。煤层经过充分抽放后,不仅工作面的瓦斯威胁得到解除,也可以提高生产效率。
在煤炭资源开采过程中,开发利用煤层瓦斯资源是一个变废为宝的过程,在热值上,瓦斯与常规天然气相当,每1000m纯瓦斯相当于1t燃油或1125t标准煤。我国高瓦斯矿井吨煤瓦斯含量平均
3
严重浪费。
3)煤矿瓦斯抽放设备缺乏,利用率低。在煤层瓦斯的井下抽放利用方面,瓦斯的预抽会影响采掘接替和工作面推进速度,建立瓦斯抽放系统费时费力,抽放的瓦斯浓度较低,纯,经济效益又不明显,安全开采标准的条件下,代替瓦斯抽放,井下移动抽放系统272套,10%;年瓦
3
斯抽放量为18166亿m,利用率不足50%,除部分用于矿区居民用气和自备发电外,绝大部分直接
[4]
排空。不但井下瓦斯的抽放率低,利用率也低。
2 我国瓦斯开采模式探讨
我国地面煤层气抽放,采用钻孔水力压裂等措施后抽放瓦斯,虽然取得了一些经验,但产气效果不理想,抽气成本太高。到目前为止,在全国已施工的十几个矿区数百口井中,最大产气量达10000m/d以上,但超过80%的气井产气量小于1000m/d,据估算,按现有市场价格计,地面钻孔产
33
为6～10m,如果取吨煤瓦斯含量10m,瓦斯抽出率按40%计算,煤与瓦斯共采时,综合利用瓦斯所带来的产值约为煤炭的1/50,产生热值仅为煤炭的1/200。这说明,瓦斯是一种能源,但它仅仅是煤炭的伴生能源,其经济价值与煤炭相比很小,属于附加开发的副产品,而且在瓦斯开采过程中,仍然是以煤矿的安全开采、满足煤矿安全开采标准为前提,因此不能因为瓦斯的能源属性就夸大了其能源的重要性,独立于煤炭开采之上进行先行开采,这样在我国煤层低透气性条件下不但在客观技术上难以取得满意的效果,开采成本高,而且其取得的经济效益与煤炭开采相比很小,更无法弥补其给后续煤炭开采带来的问题。所以,在煤炭与瓦斯共采体系里,煤炭是开采的主体,瓦斯开采要服从于煤炭开采。
综上所述,从我国煤层的客观条件、开采的技术可行性与经济性、瓦斯资源相对煤炭资源的经济价值等方面考虑,在我国进行瓦斯资源开采的技术模式是实现“煤与瓦斯共同开采”,而不是独立于煤炭开采之外的先行瓦斯开采。
33
量小于3000m/d时,抽放10年以上方可收回投
资。因此,从目前试验的情况看,地面钻孔抽放效果较差,商业化大规模开采的前景不明朗。 目前,我国煤炭产量的95%来自于地下开采,厚煤层占相当大的比重,占煤炭可采储量的4418%,且较大比例为瓦斯或高瓦斯煤层,地质构造复杂,开采困难,瓦斯蕴藏量丰富。目前,我国开采厚煤层主要采用比较成熟的放顶煤和大采高开采工艺,由于一次开采厚度大,上覆岩层的破裂场和卸压场范围也大,有利于瓦斯解吸和增加煤岩透气性,这可以解决我国煤层透气性差,原始煤体中直接钻孔抽放效果不佳的特点。因此,煤炭开采客观上形成的煤岩大范围卸压场和裂隙场,有利于瓦斯的解吸,使原始煤岩体中90%以吸附状态存在3
王家臣等:厚煤层煤与瓦斯共采关键问题2008年第2期
3 我国瓦斯开采的技术途径和方法
我国瓦斯地质条件复杂,大多数煤层具有瓦斯压力低、透气性低、低饱和等“三低”现象,低压使气流驱动能力不足,低渗无法形成以抽放钻孔为半径的大范围解吸-扩散-渗流圈,低饱和是温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附性质等综合作用的结果。在目前的技术条件下,“三低”煤层瓦
[6]
斯抽放是很困难的,照搬石油天然气的地面钻孔直采和国外经验很难取得满意效果。天然气一般是与液态的石油共同存在于储油层内,且通常漂浮在液态石油的上方,性,。斯则不然,存在,,～90%,在温度升高或者压力降低时,吸附瓦斯会转变为游离瓦斯,游离瓦斯符合自由气体定律,可以进行抽放。因此,利用采煤形成的卸压场和裂隙场,促使瓦斯从吸附状态向游离状态的转变和增加煤岩透气性,实现煤与瓦斯共采是我国瓦斯开采的正确途径。在矿井下进行瓦斯开采方式有多种,但是目前主要是采前预抽、边采边抽、采空区抽放和高位裂隙带抽放等。煤与瓦斯共采理论体系,除瓦斯开采外,也应包括瓦斯的综合利用等。311 采前预抽放
图1 钻孔瓦斯流量与抽放时间的关系
312 卸压带抽放
,。在,由于受采动的影响,工作面前方应,在工作面前方形成了卸压带和应力集中带,在应力集中带内,最大应力比原始应力高1～3倍,造成煤体发生塑性破坏。由最大应力点到煤壁的距离称为塑性极限应力带,在集中应力的作用下,塑性极限应力带内煤层受采动卸压后出现扩容膨胀现象,大量裂隙形成并相互贯穿,煤体由三向应力状态转为二向应力状态,煤层裂隙与空隙率比原始煤层值增大了10%～20%,煤层透气性显著提高,瓦斯排放能力增强,为瓦斯流动提供了有利通道,如图2所示
。
对于高瓦斯和突出煤层而言,为了消除开采过程中的瓦斯威胁,一般均采取工作面回采前进行预抽放瓦斯。在对未卸压煤层进行瓦斯预抽时,由于抽放负压对瓦斯抽放率的影响极小,所以瓦斯抽放率仅与钻孔间距、直径及抽放时间有关,用“高负压抽放”的方法来提高瓦斯抽放率是极其有限的。我国大多数煤层煤质松软,透气性低,顺层钻孔施工困难,抽放效果极差。工作面回采前,常用网格式穿层钻孔、交叉式布孔、穿层水力扩孔、深孔控制预裂爆破等技术来提高瓦斯抽放效果。预抽所需时间较长,工程量较大,影响采掘接替,并且随着预抽时间增加,抽放流量迅速下降,如图1所示。因此,预抽瓦斯一般以能够满足工作面安全开采的标准为主。但预抽的瓦斯浓度较高,一般可以达到30%以上,这对利用和安全输送瓦斯有利
。
图2 放顶煤开采煤体前方形成卸压带
当工作面推进时,采场前方支承压力峰值降低
且向深部移动,煤壁前方卸压瓦斯涌出活跃区范围亦扩大,实践证明,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。将钻孔位置布置在卸压瓦斯活跃区内,可以高效地抽取瓦斯。对于放顶煤开采,其卸压带范围较分层开采大,且煤层愈松软愈厚,卸压带范围愈大。除煤层卸压带内进行抽放外,在顶板岩石的卸压带内同样可以进行抽放。由于卸压带内煤岩破裂、空气渗入等,一般抽放的瓦斯浓度为10%～15%。
2008年第2期
煤炭科学技术
第36卷
313 采空区及高位裂隙带抽放
随着工作面开采距离不断增大,采空区中部离层裂隙趋于压实,而在采空区四周保持有一个垂直应力降低区,且采空区上下两侧由于煤壁的支撑作用,离层裂隙仍较发育,这样采空区四周形成一个连通的离层裂隙发育区,即环形裂隙圈,如图3所示。该区域的最大特点是存在两种特性相差很大的空隙,即采动空隙和原有空隙。由于采空区内采动空隙和原有空隙并存,瓦斯在采空区内的运动表现为煤块内的解吸、扩散和煤岩采动空隙系统的层流
[6-7]
渗透、紊流。采空区埋管抽放的瓦斯浓度一般为12%～20%,为23%～30%。
火困难而停机。在低浓度瓦斯的利用方面,很多相关单位都在探索,取得了不少有益的成果。
1)低浓度瓦斯(体积分数20%～50%)的提纯。目前,国内外现行的瓦斯提纯技术有2种:其一为变压吸附,其二为深冷。2种途径相比较,变压吸附法成本较低,操作相对简单,设备维护费用较低,但只能除去氮气;而深冷法可以除去所有污染物,产率较高,。
2)(10%)的发,燃气发电机效,其燃烧室9%～10%。因为在,可以产生最大的爆燃强度,提高发电效率。因此,只要根据井下抽放的瓦斯浓度和富氧气体的氧气浓度进行合理配气,即可实现利用低浓度瓦斯(体积分数大于10%)进行发电。
3)低浓度瓦斯用于工业燃煤锅炉助燃。只要把瓦斯浓度稀释或添加体积分数为5%以下的安全气体,就可将其直接鼓入燃煤锅炉中,这样既可起到助燃作用,又可降低燃煤量,还能减少环境污
图3 采空区四周上覆岩卸压形成环形裂隙圈
4 瓦斯的综合利用
目前,我国煤矿区瓦斯抽放大多是以保证煤矿安全生产为目的,抽放技术单一,平均抽放效率仅为23%,而利用率只占抽出量的20%～50%。加之对瓦斯的浓度是否符合利用要求,抽出量是否稳定考虑不多,抽放过程中混入空气较多,抽放量忽高忽低,造成目前矿井瓦斯的利用范围较窄
[8]
染,一举多得。
4)乏风瓦斯(体积分数大于011%小于5%)的利用。无论如何设法提高矿井瓦斯的抽放率,矿井乏风排放的瓦斯还是要占到矿井绝对瓦斯涌出量的40%以上。乏风中的瓦斯如何利用好,则是一新的课题,瑞典某公司,已经开发了逆流反应器(VOCSIDIZER)技术,如果甲烷体积分数低到011%,VOCSIDIZER系统仍可以运转而不需要额外的能量。如果甲烷的体积分数高于011%,植入的管子就可以从系统中回收能量,然后利用蒸气来推动汽轮机发电。 瓦斯综合利用前景非常广阔,但真正形成产业化还需要很长的路要走。目前仅限于民用燃气、工业锅炉燃气、瓦斯发电等方面的利用。井下混合瓦斯的抽放利用,这是最符合我国情的有我国特色的瓦斯开发利用之路。
。
我国《煤矿安全规程》规定利用瓦斯浓度不得低于30%。因此,开发利用低浓度瓦斯就成为煤矿安全技术中的重要课题。 为克服瓦斯抽放量的不均衡,可建立更多更大的瓦斯储气罐。而要对低浓度的抽放瓦斯乃至矿井风排瓦斯进行综合利用,当前最重要的是解决低浓度瓦斯如何安全利用。低浓度瓦斯与天然气不同,它是甲烷与空气的混合物,气体成分复杂,甲烷的体积分数在10%～50%波动,浓度变化范围较大。由于其成分在不断变化,混合气的空燃比也随时发生变化,普通燃气发动机又不能自动调节空燃比,必然导致发动机转速和输出功率变化较大,甚至点5 煤与瓦斯共采需要解决的关键问题
511 深入的理论研究
利用采动卸压场与裂隙场增加煤层瓦斯的解吸速度与煤岩的透气性,实现矿井煤与瓦斯双能源开
采的思想提出来已经有几年了,按照这一技术思路,我国相关大学和企业进行了必要的研究和工程实践,取得了一定的成果,但是总体上,理论研究有落后于工程实践的趋势,今后在理论上需要解决的主要理论问题有:
1)采动裂隙场的透气规律研究。经过多年采矿学者和技术人员的研究,目前对于采动卸压场和裂隙场的范围已经有了相对成熟的成果和研究手段,研究的技术思路上也相对成熟,有经验的学者已经能够估算出采动卸压场和裂隙场的范围以及随采动影响的变化规律,这对于裂隙场卸压抽放瓦斯具有重要的指导作用。,于瓦斯气体在裂隙场内的解吸、。 2)规律,为抽放工程设计提供理论指导。目前需要深入研究的有卸压带、采空区、上覆岩层裂隙场内等不同瓦斯浓度的分布规律,以及它们随着工作面推进以及风量变化等的动态变化规律。
3)瓦斯抽放时的流动规律。主要研究采空区和裂隙场内进行不同压力抽放时瓦斯流动规律、瓦斯气体与裂隙岩体的耦合相互作用规律,研究原始煤体、卸压带与裂隙带内瓦斯抽放过程中固体煤岩物理力学性质的变化,尤其是抽放过程中透气性变化规律等,这些工作需要大量的室内试验和研制专用的试验设备及大量的现场观测与试验研究。512 增加和稳定抽放的瓦斯浓度 如前面所述,在原始煤体中进行预抽放的瓦斯体积分数可以达到30%以上,但是由于原始煤岩的透气性低,抽放难度较大,且一般只能抽出煤层瓦斯的20%～30%,煤体中还残留大量瓦斯。在高位裂隙带内抽放的瓦斯体积分数可以达到20%以上,这两部分抽出的瓦斯浓度相对较高,具有利用的前景和可行性,而且目前大部分也进行了利用。 在煤层卸压带内和采空区抽出的瓦斯体积分数一般均低于20%,大部分为13%～15%,这主要是由于卸压带内煤岩破裂、空气渗入,采空区顶板垮落,大量空气混入等原因,对于这些相对浓度较低的瓦斯输送、利用和安全保障技术等还需要进一
步研究。
513 低浓度瓦斯利用与提纯
除了原始煤层中预抽和高位裂隙带内抽出的瓦斯浓度相对较高外,采空区、卸压带内抽出的瓦斯浓度相对较低,巷道风排的瓦斯浓度更低,但是这些低浓度的瓦斯量很大,一般会占瓦斯总量的50%以上,如何安全利用这些低浓度瓦斯,一直是
。目前,在这,如,依语
瓦斯作为一种可燃气体,既是煤矿重大瓦斯灾害的隐患之一,同时又是煤炭伴生的清洁能源,对其灾害与能源属性的认识必须基于我国煤层特征与开采现状。
1)瓦斯是一种灾害极强的危险气体,煤炭开采中必须加以治理。
2)瓦斯仅是煤炭的伴生能源资源,其单独开采价值远低于煤炭本身。但是作为煤炭伴生能源进行开采,既可提高矿井开采效益,又可一定程度上消除其灾害隐患。
3)由于我国煤层透气性低、埋深大等特点,独立于煤炭开采之外的地面钻孔抽放瓦斯,其效果往往不能达到预期目标,利用采动卸压场与裂隙场实现煤与瓦斯共同开采是我国瓦斯能源开采的正确模式,尤其对于厚煤层一次采全高开采工艺,采动卸压场和裂隙场范围大,客观上为瓦斯解吸等提供了条件。
4)煤与瓦斯共同开采的一些基础理论问题尚需进一步研究,如裂隙场的解吸性、透气性、瓦斯与裂隙场的耦合作用关系等。
5)提高瓦斯抽放的浓度与低浓度瓦斯的利用技术是目前实现瓦斯开采和利用的关键问题,不从核心技术和成本上取得突破,会制约瓦斯能源的大量利用与开采的积极性。
参考文献:
[1] 孙茂远1中国煤层气勘探开发现状、问题及其建议[J].
中国能源,2002(11).
(下转第49页)
为7167%,这同样验证了双尾巷能够明显地降低回风巷风排瓦斯量,从而达到了降低回风巷瓦斯浓度的目的。
2)从两条尾巷排放的瓦斯占瓦斯排放总量的比例来看,除方案1中尾巷排放比例达到14%外,其余各方案均为7%～9%,尾巷排放比例相差不大。需要注意的是,2条尾巷的排放比例仍然相差较大,靠近回风侧的尾巷要比远离回风侧的排放比例大2～3倍。
3)从高抽巷的抽放瓦斯占瓦斯排放总量的比例来看,方案3高抽巷抽放比例最大,方案6次之,方案1最低。主要原因是方案1[9]
均布置在O型圈内,较发育,下,,的瓦斯浓度最低,与现场相比,瓦斯的体积分数降低了2917%。
4)由相似模拟试验结果分析可以得出,综放工作面K8206双尾巷的合理位置为:与工作面回风巷的水平距离分别为65m和130m,双尾巷距工作面回风巷的距离与工作面长度之比分别为1∶4与1∶2。
参考文献:
[1许家林J].,2000(1).
],.岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用
J,2004(2).
[ 钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研
究[J].煤炭学报,1998(5).
[4] 丁广骧,杨胜强,张吉禄.采场复杂流场的流体动力相似
与模化问题[J].中国矿业大学学报,1995(1).
[5] 蒋曙光.综放采场瓦斯运移规律三维模型试验及数值模拟
4 结 论
1)通过模型试验,利用双尾巷治理回风巷瓦
的研究[D].徐州:中国矿业大学,1994.
[6] 陈永权.综放开采采空区瓦斯运移规律研究[D].北京:
中国矿业大学(北京),2001.
[7] 吴中立.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版
斯超限问题在国内尚属首例,通过多次试验,模型
的设计和加工是符合要求的,试验是成功的,可靠的。
2)试验模型中,双尾巷位置在Ⅰ、Ⅱ,Ⅰ、
社,1989.
[8] 张广洋,谭学术,鲜学福,等.煤层瓦斯运移的数学模型
[J].重庆大学学报,1994(4).
[9] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论
[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.
Ⅲ,Ⅱ、Ⅲ时,从双尾巷本身的瓦斯浓度来看,容
易造成靠近回风巷的那条尾巷瓦斯超限;双尾巷位置在Ⅰ、Ⅳ,Ⅱ、Ⅳ,Ⅲ、Ⅳ时,其瓦斯无超限现象,但其中一条尾巷的瓦斯浓度低于回风巷的瓦斯浓度,说明其利用率比较低。
3)双尾巷能够有效地降低回风巷瓦斯浓度,保证其不再超限;双尾巷分别在Ⅲ和Ⅳ处,回风巷(上接第5页)
[2] 张 群,冯三利,杨锡禄1试论我国煤层气的基本储层特
作者简介:凌志迁(1983-),男,江苏连云港人,中国矿业大学硕士研究生,从事矿井瓦斯防治方面的研究。Tel:
[1**********],E-mail:cumt-lzq@sohu1com
收稿日期:2007-10-26;责任编辑:王晓珍
[7] 许家林,钱鸣高,金宏伟1基于岩层移动的“煤与煤层气
点及开发策略[J].煤炭学报,2001(3).
[3] 俞启香1我国煤矿瓦斯抽采的发展及其展望[A].煤矿重
共采”技术研究[J].煤炭学报,2004(2).
[8] 金学玉1淮南矿区煤层气综合利用及展望[J].中国煤层
大灾害防治战略研究与进展[C].徐州:中国矿业大学出版社,2003.
[4] 冯三利1我国煤层气开发利用现状、产业发展机遇与前景
[A].2006年煤层气学术研讨会论文集[C].北京:地质
气,2004(2).
作者简介:王家臣(1963-),男,黑龙江方正人,教授,博士生导师,长期从事厚煤层开采、岩石力学与矿山压力等教学与研究工作,现任中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院院长。
E-mail:wangjiachen@vip1sina1com
出版社,2006.
[5] 饶孟余1中国煤矿区井下煤层气抽放及利用[J].煤炭科
学技术,2002(1).
[6] 李树刚,钱鸣高,石平五1综放开采覆岩离层裂隙变化及
空隙渗流特性研究[J].岩石力学与工程学报,2000(5).
收稿日期:2007-11-18;责任编辑:许升阳
第36卷第2期
2008年
2月
煤炭科学技术
COALSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol136 No12 Feb. 2008
采矿与井巷工程
厚煤层煤与瓦斯共采的关键问题
王家臣,范志忠
(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083)
摘 要:瓦斯是煤炭伴生的清洁能源,同时也是煤矿重大灾害的隐患。于煤炭本身。,隐患。根据我国煤层透气性低、埋深大等特点,我国瓦斯能源开采的正确模式,、瓦斯与裂隙场的耦合作用关系、。关键词:瓦斯;煤层气;;;瓦斯利用中图分类号:T:A 文章编号:0253-2336(2008)02-0001-05
ofcoalandgasco-mininginthickseam
WANGJia2chen,FANZhi2zhong
(SchoolofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing 100083,China)
Abstract:Methaneistheassociatedcleanenergyofthecoalandisapotentialdisasterofthemine.Thevalueofthegasextractionindi2viduallyisfarlowerthanthecoalvalue.Asanassociatedenergy,theextractionofgascouldimprovethemineminingbenefitandcouldeliminatethedisasterinpotentialinmine.Baseonthelowgaspermeability,deepminingdepthandotherfeaturesofthecoalseaminChina,withtheapplicationoftheminingstratapressurereleasingfieldandthestratacrackingfield,theco-miningofcoalandgasisthecorrectmodeforthegasenergymininginChina.Thepaperfurtherresearchedthedesorptionandthepenetrabilityoftheminingcrackingfieldandthecouplingfunctionrelationshipbetweenthegasandthecrackingfield.Toimprovethedensityofthegasdrainageandtoim2provethelowdensitygasutilizationtechnologyarethekeyissuesofgasminingandutilization.Keywords:gas;coalbedmethane;coalandgasco-mining;miningcracking;gasutilization
1 我国煤与瓦斯赋存的基本特征
111 基本特征
我国的煤炭资源较丰富,目前的保有储量1100多亿t,且有48%的煤层属于高瓦斯和突出煤层,因此瓦斯储量丰富。埋深2000m以浅已探明煤层气资源约为31万亿m,位列世界第三。但我国大规模的商业化瓦斯开采尚处于起步阶段,国家的相关产业政策出台较晚,或尚不明朗。这里有认识和技术问题,更有我国煤层的透气性差,抽放困难等原因。我国70%以上的煤层渗透率小于
2
01001μm,属于低透气性煤层,其透气性比美国和澳大利亚低2～3个数量级,钻孔有效排放半径和钻孔瓦斯流量小,衰减快,透气性最好的抚顺煤层井下水平钻孔与美国同类条件相比,钻孔影响范围仅30～50m,而美国可达到100m以上。煤层
3
[1]
气体压力也对瓦斯的抽放起着重要作用,有关资料表明,我国煤层压力普遍偏低,这对抽放瓦斯极为
[2]
不利。中国的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,成为低透气性的高延性结构。目前,我国瓦斯勘探和开发的主要煤阶是中阶煤和高阶煤,具有很强的非均质性,导致井网的井间干扰效应降低,相互间不能形成有效的联系,水力压裂增产效果也不明显。112 我国瓦斯开采面临的主要问题
1)地面开采效率不高。目前地面钻井开采瓦斯最常用的水力压裂法,专用设备复杂、庞大而笨重,成本高,裂缝与支撑剂在煤层内部的控制技术尚有待解决,对低透气性煤层瓦斯抽放效果大多不
[3]
明显。近年来开始引进国外的多分支水平钻井技术,该项技术成本高,效果也没有预期的好。 2)地下开采浪费严重。我国是世界上年开采
2008年第2期
煤炭科学技术
第36卷
煤炭最多的国家,2006年全国煤炭产量2318亿t,
3
国有重点煤矿井下瓦斯抽放量约24亿m。以平均
33
吨煤瓦斯含量8m/t计,则每年排掉188亿m。事实上,我国煤炭采出率平均低于30%,大量破
3
坏煤层,实际排气约440亿m/a,由于开采煤炭
3
而破坏的瓦斯储量在至少1000亿m以上,是2006年中国天然气总产量的2倍,造成了资源的
的瓦斯能够在开采过程中大量转化为游离状态的瓦斯,并增加煤岩的透气性,从而才能进行有效开采。煤炭开采客观上为瓦斯开采创造了有利的卸压条件。
煤炭开采的各种巷道工程等均已到达煤层或者是煤层中,这就为瓦斯开采提供了有利的生产条件,,直接铺设管道输送瓦斯,量。,抽。,对于抽放可、分步骤地进行,只要正确处理好采煤、掘进和瓦斯抽放的关系,促进瓦斯抽放利用的最大化,其经济效益是相当可观的。煤层经过充分抽放后,不仅工作面的瓦斯威胁得到解除,也可以提高生产效率。
在煤炭资源开采过程中,开发利用煤层瓦斯资源是一个变废为宝的过程,在热值上,瓦斯与常规天然气相当,每1000m纯瓦斯相当于1t燃油或1125t标准煤。我国高瓦斯矿井吨煤瓦斯含量平均
3
严重浪费。
3)煤矿瓦斯抽放设备缺乏,利用率低。在煤层瓦斯的井下抽放利用方面,瓦斯的预抽会影响采掘接替和工作面推进速度,建立瓦斯抽放系统费时费力,抽放的瓦斯浓度较低,纯,经济效益又不明显,安全开采标准的条件下,代替瓦斯抽放,井下移动抽放系统272套,10%;年瓦
3
斯抽放量为18166亿m,利用率不足50%,除部分用于矿区居民用气和自备发电外,绝大部分直接
[4]
排空。不但井下瓦斯的抽放率低,利用率也低。
2 我国瓦斯开采模式探讨
我国地面煤层气抽放,采用钻孔水力压裂等措施后抽放瓦斯,虽然取得了一些经验,但产气效果不理想,抽气成本太高。到目前为止,在全国已施工的十几个矿区数百口井中,最大产气量达10000m/d以上,但超过80%的气井产气量小于1000m/d,据估算,按现有市场价格计,地面钻孔产
33
为6～10m,如果取吨煤瓦斯含量10m,瓦斯抽出率按40%计算,煤与瓦斯共采时,综合利用瓦斯所带来的产值约为煤炭的1/50,产生热值仅为煤炭的1/200。这说明,瓦斯是一种能源,但它仅仅是煤炭的伴生能源,其经济价值与煤炭相比很小,属于附加开发的副产品,而且在瓦斯开采过程中,仍然是以煤矿的安全开采、满足煤矿安全开采标准为前提,因此不能因为瓦斯的能源属性就夸大了其能源的重要性,独立于煤炭开采之上进行先行开采,这样在我国煤层低透气性条件下不但在客观技术上难以取得满意的效果,开采成本高,而且其取得的经济效益与煤炭开采相比很小,更无法弥补其给后续煤炭开采带来的问题。所以,在煤炭与瓦斯共采体系里,煤炭是开采的主体,瓦斯开采要服从于煤炭开采。
综上所述,从我国煤层的客观条件、开采的技术可行性与经济性、瓦斯资源相对煤炭资源的经济价值等方面考虑,在我国进行瓦斯资源开采的技术模式是实现“煤与瓦斯共同开采”,而不是独立于煤炭开采之外的先行瓦斯开采。
33
量小于3000m/d时,抽放10年以上方可收回投
资。因此,从目前试验的情况看,地面钻孔抽放效果较差,商业化大规模开采的前景不明朗。 目前,我国煤炭产量的95%来自于地下开采,厚煤层占相当大的比重,占煤炭可采储量的4418%,且较大比例为瓦斯或高瓦斯煤层,地质构造复杂,开采困难,瓦斯蕴藏量丰富。目前,我国开采厚煤层主要采用比较成熟的放顶煤和大采高开采工艺,由于一次开采厚度大,上覆岩层的破裂场和卸压场范围也大,有利于瓦斯解吸和增加煤岩透气性,这可以解决我国煤层透气性差,原始煤体中直接钻孔抽放效果不佳的特点。因此,煤炭开采客观上形成的煤岩大范围卸压场和裂隙场,有利于瓦斯的解吸,使原始煤岩体中90%以吸附状态存在3
王家臣等:厚煤层煤与瓦斯共采关键问题2008年第2期
3 我国瓦斯开采的技术途径和方法
我国瓦斯地质条件复杂,大多数煤层具有瓦斯压力低、透气性低、低饱和等“三低”现象,低压使气流驱动能力不足,低渗无法形成以抽放钻孔为半径的大范围解吸-扩散-渗流圈,低饱和是温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附性质等综合作用的结果。在目前的技术条件下,“三低”煤层瓦
[6]
斯抽放是很困难的,照搬石油天然气的地面钻孔直采和国外经验很难取得满意效果。天然气一般是与液态的石油共同存在于储油层内,且通常漂浮在液态石油的上方,性,。斯则不然,存在,,～90%,在温度升高或者压力降低时,吸附瓦斯会转变为游离瓦斯,游离瓦斯符合自由气体定律,可以进行抽放。因此,利用采煤形成的卸压场和裂隙场,促使瓦斯从吸附状态向游离状态的转变和增加煤岩透气性,实现煤与瓦斯共采是我国瓦斯开采的正确途径。在矿井下进行瓦斯开采方式有多种,但是目前主要是采前预抽、边采边抽、采空区抽放和高位裂隙带抽放等。煤与瓦斯共采理论体系,除瓦斯开采外,也应包括瓦斯的综合利用等。311 采前预抽放
图1 钻孔瓦斯流量与抽放时间的关系
312 卸压带抽放
,。在,由于受采动的影响,工作面前方应,在工作面前方形成了卸压带和应力集中带,在应力集中带内,最大应力比原始应力高1～3倍,造成煤体发生塑性破坏。由最大应力点到煤壁的距离称为塑性极限应力带,在集中应力的作用下,塑性极限应力带内煤层受采动卸压后出现扩容膨胀现象,大量裂隙形成并相互贯穿,煤体由三向应力状态转为二向应力状态,煤层裂隙与空隙率比原始煤层值增大了10%～20%,煤层透气性显著提高,瓦斯排放能力增强,为瓦斯流动提供了有利通道,如图2所示
。
对于高瓦斯和突出煤层而言,为了消除开采过程中的瓦斯威胁,一般均采取工作面回采前进行预抽放瓦斯。在对未卸压煤层进行瓦斯预抽时,由于抽放负压对瓦斯抽放率的影响极小,所以瓦斯抽放率仅与钻孔间距、直径及抽放时间有关,用“高负压抽放”的方法来提高瓦斯抽放率是极其有限的。我国大多数煤层煤质松软,透气性低,顺层钻孔施工困难,抽放效果极差。工作面回采前,常用网格式穿层钻孔、交叉式布孔、穿层水力扩孔、深孔控制预裂爆破等技术来提高瓦斯抽放效果。预抽所需时间较长,工程量较大,影响采掘接替,并且随着预抽时间增加,抽放流量迅速下降,如图1所示。因此,预抽瓦斯一般以能够满足工作面安全开采的标准为主。但预抽的瓦斯浓度较高,一般可以达到30%以上,这对利用和安全输送瓦斯有利
。
图2 放顶煤开采煤体前方形成卸压带
当工作面推进时,采场前方支承压力峰值降低
且向深部移动,煤壁前方卸压瓦斯涌出活跃区范围亦扩大,实践证明,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。将钻孔位置布置在卸压瓦斯活跃区内,可以高效地抽取瓦斯。对于放顶煤开采,其卸压带范围较分层开采大,且煤层愈松软愈厚,卸压带范围愈大。除煤层卸压带内进行抽放外,在顶板岩石的卸压带内同样可以进行抽放。由于卸压带内煤岩破裂、空气渗入等,一般抽放的瓦斯浓度为10%～15%。
2008年第2期
煤炭科学技术
第36卷
313 采空区及高位裂隙带抽放
随着工作面开采距离不断增大,采空区中部离层裂隙趋于压实,而在采空区四周保持有一个垂直应力降低区,且采空区上下两侧由于煤壁的支撑作用,离层裂隙仍较发育,这样采空区四周形成一个连通的离层裂隙发育区,即环形裂隙圈,如图3所示。该区域的最大特点是存在两种特性相差很大的空隙,即采动空隙和原有空隙。由于采空区内采动空隙和原有空隙并存,瓦斯在采空区内的运动表现为煤块内的解吸、扩散和煤岩采动空隙系统的层流
[6-7]
渗透、紊流。采空区埋管抽放的瓦斯浓度一般为12%～20%,为23%～30%。
火困难而停机。在低浓度瓦斯的利用方面,很多相关单位都在探索,取得了不少有益的成果。
1)低浓度瓦斯(体积分数20%～50%)的提纯。目前,国内外现行的瓦斯提纯技术有2种:其一为变压吸附,其二为深冷。2种途径相比较,变压吸附法成本较低,操作相对简单,设备维护费用较低,但只能除去氮气;而深冷法可以除去所有污染物,产率较高,。
2)(10%)的发,燃气发电机效,其燃烧室9%～10%。因为在,可以产生最大的爆燃强度,提高发电效率。因此,只要根据井下抽放的瓦斯浓度和富氧气体的氧气浓度进行合理配气,即可实现利用低浓度瓦斯(体积分数大于10%)进行发电。
3)低浓度瓦斯用于工业燃煤锅炉助燃。只要把瓦斯浓度稀释或添加体积分数为5%以下的安全气体,就可将其直接鼓入燃煤锅炉中,这样既可起到助燃作用,又可降低燃煤量,还能减少环境污
图3 采空区四周上覆岩卸压形成环形裂隙圈
4 瓦斯的综合利用
目前,我国煤矿区瓦斯抽放大多是以保证煤矿安全生产为目的,抽放技术单一,平均抽放效率仅为23%,而利用率只占抽出量的20%～50%。加之对瓦斯的浓度是否符合利用要求,抽出量是否稳定考虑不多,抽放过程中混入空气较多,抽放量忽高忽低,造成目前矿井瓦斯的利用范围较窄
[8]
染,一举多得。
4)乏风瓦斯(体积分数大于011%小于5%)的利用。无论如何设法提高矿井瓦斯的抽放率,矿井乏风排放的瓦斯还是要占到矿井绝对瓦斯涌出量的40%以上。乏风中的瓦斯如何利用好,则是一新的课题,瑞典某公司,已经开发了逆流反应器(VOCSIDIZER)技术,如果甲烷体积分数低到011%,VOCSIDIZER系统仍可以运转而不需要额外的能量。如果甲烷的体积分数高于011%,植入的管子就可以从系统中回收能量,然后利用蒸气来推动汽轮机发电。 瓦斯综合利用前景非常广阔,但真正形成产业化还需要很长的路要走。目前仅限于民用燃气、工业锅炉燃气、瓦斯发电等方面的利用。井下混合瓦斯的抽放利用,这是最符合我国情的有我国特色的瓦斯开发利用之路。
。
我国《煤矿安全规程》规定利用瓦斯浓度不得低于30%。因此,开发利用低浓度瓦斯就成为煤矿安全技术中的重要课题。 为克服瓦斯抽放量的不均衡,可建立更多更大的瓦斯储气罐。而要对低浓度的抽放瓦斯乃至矿井风排瓦斯进行综合利用,当前最重要的是解决低浓度瓦斯如何安全利用。低浓度瓦斯与天然气不同,它是甲烷与空气的混合物,气体成分复杂,甲烷的体积分数在10%～50%波动,浓度变化范围较大。由于其成分在不断变化,混合气的空燃比也随时发生变化,普通燃气发动机又不能自动调节空燃比,必然导致发动机转速和输出功率变化较大,甚至点5 煤与瓦斯共采需要解决的关键问题
511 深入的理论研究
利用采动卸压场与裂隙场增加煤层瓦斯的解吸速度与煤岩的透气性,实现矿井煤与瓦斯双能源开
采的思想提出来已经有几年了,按照这一技术思路,我国相关大学和企业进行了必要的研究和工程实践,取得了一定的成果,但是总体上,理论研究有落后于工程实践的趋势,今后在理论上需要解决的主要理论问题有:
1)采动裂隙场的透气规律研究。经过多年采矿学者和技术人员的研究,目前对于采动卸压场和裂隙场的范围已经有了相对成熟的成果和研究手段,研究的技术思路上也相对成熟,有经验的学者已经能够估算出采动卸压场和裂隙场的范围以及随采动影响的变化规律,这对于裂隙场卸压抽放瓦斯具有重要的指导作用。,于瓦斯气体在裂隙场内的解吸、。 2)规律,为抽放工程设计提供理论指导。目前需要深入研究的有卸压带、采空区、上覆岩层裂隙场内等不同瓦斯浓度的分布规律,以及它们随着工作面推进以及风量变化等的动态变化规律。
3)瓦斯抽放时的流动规律。主要研究采空区和裂隙场内进行不同压力抽放时瓦斯流动规律、瓦斯气体与裂隙岩体的耦合相互作用规律,研究原始煤体、卸压带与裂隙带内瓦斯抽放过程中固体煤岩物理力学性质的变化,尤其是抽放过程中透气性变化规律等,这些工作需要大量的室内试验和研制专用的试验设备及大量的现场观测与试验研究。512 增加和稳定抽放的瓦斯浓度 如前面所述,在原始煤体中进行预抽放的瓦斯体积分数可以达到30%以上,但是由于原始煤岩的透气性低,抽放难度较大,且一般只能抽出煤层瓦斯的20%～30%,煤体中还残留大量瓦斯。在高位裂隙带内抽放的瓦斯体积分数可以达到20%以上,这两部分抽出的瓦斯浓度相对较高,具有利用的前景和可行性,而且目前大部分也进行了利用。 在煤层卸压带内和采空区抽出的瓦斯体积分数一般均低于20%,大部分为13%～15%,这主要是由于卸压带内煤岩破裂、空气渗入,采空区顶板垮落,大量空气混入等原因,对于这些相对浓度较低的瓦斯输送、利用和安全保障技术等还需要进一
步研究。
513 低浓度瓦斯利用与提纯
除了原始煤层中预抽和高位裂隙带内抽出的瓦斯浓度相对较高外,采空区、卸压带内抽出的瓦斯浓度相对较低,巷道风排的瓦斯浓度更低,但是这些低浓度的瓦斯量很大,一般会占瓦斯总量的50%以上,如何安全利用这些低浓度瓦斯,一直是
。目前,在这,如,依语
瓦斯作为一种可燃气体,既是煤矿重大瓦斯灾害的隐患之一,同时又是煤炭伴生的清洁能源,对其灾害与能源属性的认识必须基于我国煤层特征与开采现状。
1)瓦斯是一种灾害极强的危险气体,煤炭开采中必须加以治理。
2)瓦斯仅是煤炭的伴生能源资源,其单独开采价值远低于煤炭本身。但是作为煤炭伴生能源进行开采,既可提高矿井开采效益,又可一定程度上消除其灾害隐患。
3)由于我国煤层透气性低、埋深大等特点,独立于煤炭开采之外的地面钻孔抽放瓦斯,其效果往往不能达到预期目标,利用采动卸压场与裂隙场实现煤与瓦斯共同开采是我国瓦斯能源开采的正确模式,尤其对于厚煤层一次采全高开采工艺,采动卸压场和裂隙场范围大,客观上为瓦斯解吸等提供了条件。
4)煤与瓦斯共同开采的一些基础理论问题尚需进一步研究,如裂隙场的解吸性、透气性、瓦斯与裂隙场的耦合作用关系等。
5)提高瓦斯抽放的浓度与低浓度瓦斯的利用技术是目前实现瓦斯开采和利用的关键问题,不从核心技术和成本上取得突破,会制约瓦斯能源的大量利用与开采的积极性。
参考文献:
[1] 孙茂远1中国煤层气勘探开发现状、问题及其建议[J].
中国能源,2002(11).
(下转第49页)
为7167%,这同样验证了双尾巷能够明显地降低回风巷风排瓦斯量,从而达到了降低回风巷瓦斯浓度的目的。
2)从两条尾巷排放的瓦斯占瓦斯排放总量的比例来看,除方案1中尾巷排放比例达到14%外,其余各方案均为7%～9%,尾巷排放比例相差不大。需要注意的是,2条尾巷的排放比例仍然相差较大,靠近回风侧的尾巷要比远离回风侧的排放比例大2～3倍。
3)从高抽巷的抽放瓦斯占瓦斯排放总量的比例来看,方案3高抽巷抽放比例最大,方案6次之,方案1最低。主要原因是方案1[9]
均布置在O型圈内,较发育,下,,的瓦斯浓度最低,与现场相比,瓦斯的体积分数降低了2917%。
4)由相似模拟试验结果分析可以得出,综放工作面K8206双尾巷的合理位置为:与工作面回风巷的水平距离分别为65m和130m,双尾巷距工作面回风巷的距离与工作面长度之比分别为1∶4与1∶2。
参考文献:
[1许家林J].,2000(1).
],.岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用
J,2004(2).
[ 钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研
究[J].煤炭学报,1998(5).
[4] 丁广骧,杨胜强,张吉禄.采场复杂流场的流体动力相似
与模化问题[J].中国矿业大学学报,1995(1).
[5] 蒋曙光.综放采场瓦斯运移规律三维模型试验及数值模拟
4 结 论
1)通过模型试验,利用双尾巷治理回风巷瓦
的研究[D].徐州:中国矿业大学,1994.
[6] 陈永权.综放开采采空区瓦斯运移规律研究[D].北京:
中国矿业大学(北京),2001.
[7] 吴中立.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版
斯超限问题在国内尚属首例,通过多次试验,模型
的设计和加工是符合要求的,试验是成功的,可靠的。
2)试验模型中,双尾巷位置在Ⅰ、Ⅱ,Ⅰ、
社,1989.
[8] 张广洋,谭学术,鲜学福,等.煤层瓦斯运移的数学模型
[J].重庆大学学报,1994(4).
[9] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论
[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.
Ⅲ,Ⅱ、Ⅲ时,从双尾巷本身的瓦斯浓度来看,容
易造成靠近回风巷的那条尾巷瓦斯超限;双尾巷位置在Ⅰ、Ⅳ,Ⅱ、Ⅳ,Ⅲ、Ⅳ时,其瓦斯无超限现象,但其中一条尾巷的瓦斯浓度低于回风巷的瓦斯浓度,说明其利用率比较低。
3)双尾巷能够有效地降低回风巷瓦斯浓度,保证其不再超限;双尾巷分别在Ⅲ和Ⅳ处,回风巷(上接第5页)
[2] 张 群,冯三利,杨锡禄1试论我国煤层气的基本储层特
作者简介:凌志迁(1983-),男,江苏连云港人,中国矿业大学硕士研究生,从事矿井瓦斯防治方面的研究。Tel:
[1**********],E-mail:cumt-lzq@sohu1com
收稿日期:2007-10-26;责任编辑:王晓珍
[7] 许家林,钱鸣高,金宏伟1基于岩层移动的“煤与煤层气
点及开发策略[J].煤炭学报,2001(3).
[3] 俞启香1我国煤矿瓦斯抽采的发展及其展望[A].煤矿重
共采”技术研究[J].煤炭学报,2004(2).
[8] 金学玉1淮南矿区煤层气综合利用及展望[J].中国煤层
大灾害防治战略研究与进展[C].徐州:中国矿业大学出版社,2003.
[4] 冯三利1我国煤层气开发利用现状、产业发展机遇与前景
[A].2006年煤层气学术研讨会论文集[C].北京:地质
气,2004(2).
作者简介:王家臣(1963-),男,黑龙江方正人,教授,博士生导师,长期从事厚煤层开采、岩石力学与矿山压力等教学与研究工作,现任中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院院长。
E-mail:wangjiachen@vip1sina1com
出版社,2006.
[5] 饶孟余1中国煤矿区井下煤层气抽放及利用[J].煤炭科
学技术,2002(1).
[6] 李树刚,钱鸣高,石平五1综放开采覆岩离层裂隙变化及
空隙渗流特性研究[J].岩石力学与工程学报,2000(5).
收稿日期:2007-11-18;责任编辑:许升阳