石磊

摘要： 文章論述了天榮井田內(nèi)的煤層氣賦存條件、賦存特征及我國煤層氣利用現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)煤層氣利用典型企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)，分析了天榮井田煤層氣地面抽采技術(shù)和綜合利用的可行性。

關(guān)鍵詞： 天榮；煤層氣；地面抽采利用；可行性

中圖分類號(hào)：P618.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）09-0120-03

0 引言

二道嶺礦區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善左旗宗別立鎮(zhèn)，以生產(chǎn)馳名中外的“太西無煙煤”而聞名，天榮公司在礦區(qū)內(nèi)擁有井田面積12.3km2，擁有資源儲(chǔ)量39681.39萬噸，但由于井田內(nèi)煤層賦存條件復(fù)雜、瓦斯含量大且煤層具有突出危險(xiǎn)性，使得煤炭開發(fā)較為緩慢。近年來，在地方政府及上級(jí)公司的大力支持下，天榮公司開展了資源整合工作和礦井二次升級(jí)改造的前期手續(xù)辦理，預(yù)計(jì)將于2016年前后開工建設(shè)天榮公司年產(chǎn)120萬礦井技改、配套洗煤廠及瓦斯發(fā)電廠項(xiàng)目，2020年前后投入生產(chǎn)。與此同時(shí)，礦井煤層氣（煤礦瓦斯，下稱：煤層氣）仍是制約企業(yè)發(fā)展的重要課題，本文將圍繞礦井煤層氣地面抽采及利用的可行性進(jìn)行探討。

1 賦存條件

1.1 構(gòu)造條件 二道嶺礦區(qū)天榮井田構(gòu)造形態(tài)總體為一軸向北東-南西、向北東仰起走向的寬緩向斜。向斜北西翼地層走向近東西，傾向南，傾角6～38度，斷層及次級(jí)小褶曲不發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類型；向斜東南翼走向北東，傾向西北，傾角8～58度，斷層稀少，構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單。

由于井田北部有一超過120m的大斷層將井田分為兩部分，已作為天榮井田與鄰礦的邊界，天榮井田的實(shí)際煤層露頭只處在東南上部，因而有利于煤層氣的儲(chǔ)存。

1.2 埋藏條件 礦區(qū)含煤地層為為侏羅系延安組（J1-2y），天榮井田內(nèi)煤層賦存較穩(wěn)定，煤層埋深為300～1200m，煤層傾角6～42度，總體為淺部傾角大、深部傾角小。井田范圍內(nèi)共含可采煤層9層，煤層累計(jì)厚度7.14～20.80m，平均11.44m，可采煤層編號(hào)自上而下編為一、二1-1、二1-2、二1-3、二2、三、四、五、七1煤層。

1.3 煤層氣含量 2009年，天榮公司委托黑龍江二零四地質(zhì)隊(duì)對(duì)井田進(jìn)行了煤層氣勘探，結(jié)果顯示，天榮所屬井田范圍內(nèi)瓦斯資源儲(chǔ)量約71.5億m3以上，預(yù)計(jì)可預(yù)抽40億m3以上，煤層瓦斯含量10m3/t～43.76m3/t，其中二煤層組為主力煤層，含氣飽和度為65%，占全區(qū)儲(chǔ)量的80%以上，是一個(gè)非常理想的地面煤層氣抽采區(qū)。

2 煤層氣儲(chǔ)存特征

2.1 煤巖特征 天榮井田內(nèi)煤各煤層的宏觀煤巖類型總體以光亮—半亮煤為主，約占80%～90%，顯微煤巖組分中，以鏡質(zhì)組為主，占85%～90%。煤層呈現(xiàn)貝殼狀—不規(guī)則狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，煤的內(nèi)生裂隙較發(fā)育。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，煤的鏡質(zhì)組反射率（R°max）在2.667～2.837%之間，其變質(zhì)程度屬無煙煤階段，具有低硫、低灰、高發(fā)熱量、低揮發(fā)份、高化學(xué)活性、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

2.2 煤的裂隙 對(duì)井田內(nèi)煤樣品進(jìn)行顯微裂隙觀測，煤中發(fā)育具有裂口寬度越小，則裂隙越發(fā)育的特點(diǎn)，尤其以寬度0.1～5μm裂隙最發(fā)育，面割理密度為3.88～17.06條/cm；其次是寬度5～10μm，面割理密度為0.14～0.78條/cm，而裂口寬度在50～100μm以及大于100μm的裂隙極不發(fā)育，大部利于煤層氣流動(dòng)。

2.3 煤的滲透性 2009年，天榮公司委托黑龍江二零四地質(zhì)隊(duì)在井田內(nèi)施工了4口煤層氣參數(shù)井，從滲透率測試結(jié)果看，該區(qū)煤層的滲透率在0.001～0.75mD，平均為0.18mD，說明井田內(nèi)煤層的滲透性較低。

2.4 煤層氣組分特征 從煤層氣參數(shù)井的氣成分分析成果可以看出，CO2在12%左右，N2約為5%，井田內(nèi)煤層甲烷含量是較高的，平均80%以上，說明煤層氣質(zhì)量較好。

3 煤層氣開發(fā)的必要性

3.1 符合國內(nèi)國際環(huán)保要求 煤層氣的主要成份是甲烷（CH4），是很好的燃料。目前瓦斯利用方式有作為工業(yè)或民用燃料直接加熱、作為化工原料和燃?xì)獍l(fā)電。但因用作燃料直接加熱的間斷性以及用量的有限性，使許多煤層氣的利用受到影響。二道嶺天榮井田富含瓦斯，瓦斯排空會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)，同時(shí)煤層氣中的甲烷是一種僅次于氟利昂占第二位的重要溫室氣體，能破壞大氣的臭氧層。根據(jù)氣候變遷跨國委員會(huì)研究報(bào)告，其溫室效應(yīng)是CO2的21倍，因此需要嚴(yán)格控制煤層氣的排空。

3.2 國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要 近年來，我國對(duì)天然氣的需求量迅速增加，屢屢遭遇“氣荒”。因此，我國每年都要花費(fèi)大量資金從國外進(jìn)口天然氣，目前對(duì)外依存度已經(jīng)超過30%。據(jù)國家發(fā)改委數(shù)據(jù)顯示，2013年我國煤層氣產(chǎn)量為30億立方米，僅占天然氣表觀消費(fèi)量1692億立方米的1.77%，對(duì)緩解全國“氣荒”貢獻(xiàn)不大。相比之下，盡管美國的煤層氣儲(chǔ)量大大低于我國，但開發(fā)速度卻遠(yuǎn)超我國，美國煤層氣年產(chǎn)量早在2004年就已經(jīng)達(dá)到500億立方米，且已經(jīng)穩(wěn)定了10年，目前約占其天然氣比重達(dá)到10%，已處于供過于求狀態(tài)。

為此，國務(wù)院辦公廳在原《關(guān)于加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的若干意見》（國辦發(fā)[2006]47號(hào)）基礎(chǔ)上，于2013年又下發(fā)了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見》（國辦發(fā)[2013]93號(hào)），以支持鼓勵(lì)各產(chǎn)氣企業(yè)加大煤層氣開發(fā)與利用。同時(shí)，產(chǎn)氣大省如山西在2013年下發(fā)了以“氣化山西”目標(biāo)為導(dǎo)向的“煤層氣二十條”，國家能源局下發(fā)《煤層氣產(chǎn)業(yè)政策》，首次將煤層氣產(chǎn)業(yè)定位為重要的新興能源產(chǎn)業(yè)，并再次對(duì)各方參與煤層氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)行鼓勵(lì)，支持民間資本、境外資金參與煤層氣勘探開發(fā)和管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。因此，天榮公司開發(fā)煤層氣利用符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

3.3 企業(yè)安全發(fā)展的需要 根據(jù)天榮公司近期工作進(jìn)展和發(fā)展規(guī)劃，計(jì)劃于2016年前后開工建設(shè)年產(chǎn)120萬噸整合技改礦井，預(yù)計(jì)2020年前后完成建設(shè)。

由于煤層賦存條件復(fù)雜、瓦斯含量高、壓力大、不易抽放，建井施工期間需安排較多時(shí)間進(jìn)行防突措施實(shí)施，會(huì)使掘進(jìn)進(jìn)尺低、建井工期長；建井開拓完成后，還需再施工煤層底板巷利用2～3年的時(shí)間進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理來消突，使礦井投產(chǎn)時(shí)間嚴(yán)重推后；建井及投產(chǎn)后進(jìn)行“短兵相接”式的防突措施實(shí)施，安全隱患也極大。綜合上述因素，如果天榮公司能夠提前或在建井期利用地面抽采井進(jìn)行大面積區(qū)域提前進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，則會(huì)減小建井期間防突措施的工作量，提高單進(jìn)進(jìn)尺，縮短建井工期；同時(shí)可減少或者取消煤層專用瓦斯抽放巷的施工量，可大大降低礦井基建和生產(chǎn)期間瓦斯治理成本和防突工作的安全風(fēng)險(xiǎn)。由此，開發(fā)煤層氣對(duì)天榮公司的安全發(fā)展具有很大的經(jīng)濟(jì)和安全效益。

4 煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)最新一輪資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，我國埋深2000米以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36.81萬億立方米，埋深1500米以淺的煤層氣可采資源量為10.87萬億立方米，居世界第三。2013年，我國煤層氣產(chǎn)量為138.13億方，其中地面抽采29.26億方，井下抽采108.87億方，占到全國天然氣產(chǎn)量約11.4%，已成為我國氣體清潔能源最現(xiàn)實(shí)、最可靠的補(bǔ)充資源。

在這一領(lǐng)域占有資源和技術(shù)優(yōu)勢的有中石油、中石化、中聯(lián)煤、山西、河南等煤層氣開發(fā)企業(yè)，其中，山西晉煤集團(tuán)的煤層氣開發(fā)已成為其除煤炭以外的第二大產(chǎn)業(yè)。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，2009年10月，河南省煤層氣開發(fā)利用公司等單位承擔(dān)的“煤礦井下定向壓裂增透消突成套技術(shù)”獲得鑒定通過，2010年，由晉煤集團(tuán)等三家單位共同完成了“無煙煤煤層氣開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化示范”科研項(xiàng)目，同年中原油田鉆井一公司中奧二隊(duì)在陜西省子長縣完成一口高難度連通分支水平井SX01-1H井，井深1046米，創(chuàng)全國煤層氣水平分支井最深紀(jì)錄。

這些技術(shù)成果和成功經(jīng)驗(yàn)都為二道嶺礦區(qū)天榮井田煤層氣開發(fā)提供了可靠的技術(shù)借鑒，使得天榮井田煤層氣地面開發(fā)成為可能。

5 煤層氣開發(fā)技術(shù)與利用方向

5.1 抽采技術(shù)方向 目前，國內(nèi)煤層氣抽采主要有煤礦井下巷道施工鉆孔、地面抽采井及井下抽采與地面抽采相結(jié)合三種方式。井下煤層氣抽采是我國煤礦企業(yè)運(yùn)用最多的煤層氣抽采方式。但在礦井下施工抽采鉆孔再抽放至地面進(jìn)行利用，存在諸多不安全因素，而地面抽采井抽采在一些埋藏淺、滲透條件好的礦區(qū)運(yùn)用較多，在其它條件下煤層氣抽采技術(shù)仍然有許多技術(shù)瓶頸。據(jù)了解，我國現(xiàn)有技術(shù)在上述煤層氣抽采技術(shù)上比較成熟，尤其在無煙煤上地面抽采技術(shù)上還處在試驗(yàn)和摸索階段，尤其井上下聯(lián)合抽采將是未來煤炭企業(yè)的主要發(fā)展方向。

天榮井田除原天榮煤礦有部分采動(dòng)外，大部井田都尚未開發(fā)，可以說是整裝煤田。按照國家能源局 “要采煤，先采氣”的倡議，煤層氣地面抽采先行綜合利用，待礦井基建和生產(chǎn)時(shí)再進(jìn)行井上下聯(lián)合抽采，解決礦井瓦斯問題并增加采氣量應(yīng)為天榮公司整合礦井改造抽采煤層氣的首選方案。

目前，地面煤層氣抽采主要兩種形式：

①L型井 垂直井—煤層羽狀孔。

②U型井 垂直井—煤層孔—垂直井。

由于U型井是沿煤層傾向從高向低鉆進(jìn)，兩井聯(lián)通后鉆孔涌水可以很容易依靠重力作用排到井底，再經(jīng)過排采設(shè)備排至地面，而煤層氣可以從淺井排出。這種U型井結(jié)構(gòu)，充分利用了傾斜煤層水的重力優(yōu)勢和煤層氣上浮的優(yōu)勢，有利于排水和煤層氣排出，可以更大效率的產(chǎn)出煤層氣。

5.2 天榮井田應(yīng)選擇的抽采技術(shù) 天榮公司井田煤層大部埋深在300～1200m之間，而且透氣性較差，而U型井有利于煤層排水和排氣，并可更大效率的產(chǎn)出煤層氣，因此，在煤層埋深300～1000m之間可以考慮采用U型井在淺部先施工抽采實(shí)驗(yàn)井，如果成功，則可以擴(kuò)大抽采井的施工范圍，在礦井建設(shè)和投產(chǎn)后，結(jié)合井下以鉆孔施工加大煤層氣抽采量和降低礦井瓦斯威脅。

天榮井田抽采實(shí)驗(yàn)井方案設(shè)想如圖3圖4所示。

5.3 利用方向 由于天榮井田位于阿拉善左旗宗別立鎮(zhèn)二道嶺礦區(qū)，離最近的阿拉善盟政府所在地巴彥浩特鎮(zhèn)約45公里，離烏海市約有130公里，距阿拉善經(jīng)濟(jì)工業(yè)區(qū)和烏達(dá)工業(yè)園區(qū)約有100公里，礦區(qū)常住人員也不多，民用意義不大，作為工業(yè)用品運(yùn)輸距離又較遠(yuǎn)，因此，最有效的開發(fā)利用方向就是進(jìn)行煤層氣發(fā)電。在天榮公司整合技改項(xiàng)目的可行性研究報(bào)告當(dāng)中，已經(jīng)確立了用瓦斯發(fā)電作為天榮煤層氣綜合利用的方向，但該方案是考慮在礦井建成后再進(jìn)行瓦斯發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，如果能夠在礦井建設(shè)前或建井期間對(duì)煤層氣進(jìn)行地面抽采并進(jìn)行發(fā)電，則可為礦井建設(shè)和后期生產(chǎn)打下良好的安全基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

天榮井田煤層氣儲(chǔ)量大、質(zhì)量優(yōu)良，但透氣性差，且煤層埋藏較深，如果能夠先期采用U型井進(jìn)行地面抽采實(shí)驗(yàn)，或與其它國內(nèi)已經(jīng)從事煤層氣開發(fā)利用技術(shù)成熟的企業(yè)進(jìn)行合作，最終將天榮井田內(nèi)的煤層氣進(jìn)行綜合開發(fā)利用從理論上講是可行的，在獲得經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)也可以為天榮公司今后安全生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)，值得企業(yè)在煤層氣地面抽采利用方面再進(jìn)行論證和試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀天才，李海貴，張海軍.晉城礦區(qū)厚煤層瓦斯抽采技術(shù)與實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（03）.

[2]杜春志，茅獻(xiàn)彪，王美芬.我國煤層氣抽采方法及在晉城礦區(qū)的應(yīng)用[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（03）.

[3]付建周，孔祥翔.加強(qiáng)井下煤層氣抽采系統(tǒng)的管理[J].中國煤層氣，2005（04）.