王宏宇，魏軍才，趙建光，傅群和，趙伏軍

（1.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院，湖南長(zhǎng)沙410007；3.湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201）

湖南省煤炭和頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采研究

王宏宇1，2，魏軍才1，2，趙建光1，2，傅群和1，2，趙伏軍3

（1.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院，湖南長(zhǎng)沙410007；3.湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201）

湖南各煤田煤系地層厚大且含頁(yè)巖類巖層，頁(yè)巖氣資源潛力巨大。煤層開(kāi)采在其上覆巖層中會(huì)形成“上三帶”，通過(guò)數(shù)值分析對(duì)煤層開(kāi)采對(duì)上覆含氣頁(yè)巖層影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明煤層開(kāi)采導(dǎo)致上覆頁(yè)巖層形成導(dǎo)氣裂隙，對(duì)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)采有積極作用。因此，可在條件允許地區(qū)積極進(jìn)行煤炭與頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采。

煤炭；裂隙帶；頁(yè)巖氣；協(xié)同開(kāi)采

湖南省為一個(gè)常規(guī)能源礦產(chǎn)較為貧乏（無(wú)油、貧煤、少氣）的省份，也是我國(guó)中部主要產(chǎn)煤省份之一［1］，但非常規(guī)能源頁(yè)巖氣潛在資源儲(chǔ)量豐富［2-4］。目前桑石、黔溆、漣邵等6大煤田均已不同程度進(jìn)行開(kāi)發(fā)，上述幾大煤田主要屬海相沉積地層，煤系地層厚大且含頁(yè)巖類巖層［5，6］，而頁(yè)巖氣即是一種賦存于頁(yè)巖中的清潔、高效的非常規(guī)天然氣。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層一般表現(xiàn)為低孔隙、低透氣性特征，對(duì)其開(kāi)采主要方法為水平井（直井）+水力（凝膠）壓裂［7］，關(guān)鍵在于將含氣巖層壓裂形成導(dǎo)氣裂縫，因此裂縫的發(fā)育程度為影響頁(yè)巖氣開(kāi)采效率和產(chǎn)量的重要因素。而現(xiàn)行的壓裂技術(shù)主要為通過(guò)給水、氮?dú)?、凝膠等介質(zhì)施加壓力使儲(chǔ)氣巖層產(chǎn)生裂縫，采用介質(zhì)壓裂不可避免對(duì)地下水等環(huán)境造成一定影響，但煤礦開(kāi)采則是由于物理力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致上覆巖層產(chǎn)生裂隙帶也有利于頁(yè)巖氣的開(kāi)采且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成附加影響。

1　煤層開(kāi)采上三帶

煤礦開(kāi)采由于原巖應(yīng)力重新分布，形成采空區(qū)后在重復(fù)應(yīng)力的作用下在采空區(qū)上覆巖層由下往上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶［8-11］，即“三帶”（見(jiàn)圖1）。煤層上方頁(yè)巖氣含氣層若處于裂隙帶或冒落帶則可直接在地面打井至裂隙帶中進(jìn)行頁(yè)巖氣的高效開(kāi)采。而上覆巖層的巖性（如抗壓強(qiáng)度等）、層理、節(jié)理等對(duì)冒落帶和裂隙帶高度有直接影響。上覆巖層為砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖等中等硬度巖層時(shí)冒落帶高度和裂隙帶高度可由公式1、2計(jì)算。在查明含氣頁(yè)巖層與煤炭層位關(guān)系后即可初步根據(jù)公式計(jì)算出煤炭開(kāi)采形成的冒落帶和裂隙帶高度。

圖1　煤層開(kāi)采上三帶示意圖

式中：Hm－冒落帶高度；Hl－裂隙帶高度；∑M－采高。

2　煤層開(kāi)采上三帶數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模擬模型

假設(shè)某地煤層厚2 m，其上有一層厚27 m的含氣頁(yè)巖層，為研究煤層開(kāi)采對(duì)上覆頁(yè)巖層的影響，采用數(shù)值分析軟件建立相關(guān)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模型水平方向取250 m，垂直方向取130 m，單元尺寸1 m×1 m，總單元數(shù)37 500個(gè)（見(jiàn)圖2）。煤層厚度2 m、傾角10°，沿煤層走向每步開(kāi)挖10 m，共開(kāi)挖25步。

圖2　數(shù)值模型

2.2數(shù)值模擬結(jié)果

上覆巖層隨煤層開(kāi)挖的巖層變化情況，其中黑色部分代表破碎單元（見(jiàn)圖3）。由圖3可以直觀地看出，隨著煤層的不斷開(kāi)挖，采空區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，上覆巖層受到采動(dòng)影響越來(lái)越大。巖層中的力學(xué)性質(zhì)較弱單元首先發(fā)生破壞，這些破壞單元在自重的作用下從母巖中分離出來(lái)并垮落，形成冒落帶。而上方巖層較厚、力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較強(qiáng)的巖層則失去原有支撐形成裂隙，這些裂隙會(huì)隨著開(kāi)挖程度擴(kuò)大不斷擴(kuò)展形成裂隙帶。而上覆巖層中厚度大且力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)的單元?jiǎng)t雖然受采動(dòng)影響，緩慢下沉，但其仍有一定支撐力，形成彎曲下沉帶。待開(kāi)挖完成后上覆巖層自下而上形成冒落帶，裂隙帶和彎曲帶。由第25步開(kāi)挖結(jié)束后圖可以看出，在原頁(yè)巖層中形成大量裂隙，這對(duì)于賦存在其內(nèi)部的頁(yè)巖氣的流動(dòng)創(chuàng)造了良好條件。因此只需從地面施工抽氣井至該層裂隙帶即可進(jìn)行頁(yè)巖氣的開(kāi)采。

圖3　模擬結(jié)果

3　煤與頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采

由以上分析，若煤炭開(kāi)采后上覆巖層冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到含氣頁(yè)巖層，即可不必實(shí)施壓裂，從地面打抽氣井至裂隙帶，安設(shè)抽采管道進(jìn)行煤炭和頁(yè)巖氣的協(xié)同高效開(kāi)采（見(jiàn)圖4）。

圖4　煤與頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采示意圖

煤炭和頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）裂隙帶發(fā)育，導(dǎo)氣通道好，頁(yè)巖氣資源回采率高；（2）抽采井打直井即可，不需打施工難度大的水平井；（3）抽采管路安裝容易，管理和維護(hù)較方便；（4）免除壓裂程序，頁(yè)巖氣開(kāi)采工程量小，開(kāi)采成本低；（5）無(wú)需注水和其他物質(zhì)進(jìn)行壓裂，對(duì)環(huán)境影響小。

4　結(jié)論及建議

（1）湖南省各煤田煤系地層主要屬海相沉積，是我國(guó)南方頁(yè)巖氣富區(qū)，頁(yè)巖氣資源潛力巨大。

（2）煤礦開(kāi)采活動(dòng)引起上覆巖層形成的冒落帶和裂隙帶對(duì)提高巖層內(nèi)導(dǎo)氣通道十分有利。

（3）煤炭和頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采對(duì)提高資源開(kāi)發(fā)效率，減少資源浪費(fèi)，節(jié)約開(kāi)采成本且對(duì)環(huán)境影響較小。

（4）積極開(kāi)展頁(yè)巖氣勘查研究，在充分認(rèn)識(shí)含氣巖層和煤層層位關(guān)系的基礎(chǔ)上逐步開(kāi)展煤炭與頁(yè)巖氣協(xié)同開(kāi)采。

［1］何紅生，何大芳，李志能.湖南頁(yè)巖氣資源研究進(jìn)展于問(wèn)題［J］.中國(guó)礦業(yè)，2013，22（3）：8-11.

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Research of Hunan coal and shale gas collaborative mining

WANG Hongyu1，2，WEI Juncai1，2，ZHAO Jianguang1，2，F(xiàn)U Qunhe1，2，ZHAO Fujun3
（1.Hunan Institute of Geological Sciences，Changsha Hunan 410007，China；2.Hunan Land and Resources Planning Institute，Changsha Hunan 410007，China；3.Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

The coal measure strata of each coalfields in Hunan is large and thick and there are shale strata in these coal measure strata.The shale strata has gas great resources potentialities of shale gas.The coal mining can form"three zone"in the overlying strata.Numerical simulation was used to analysis the effect of shale strata from coal mining.The result show that the coal mining can cause the formation of mediated gas fissures in the shale strata because of coal mining.These fissures has a positive effect of the shale mining.So the coal and shale gas collaborative mining should be actively developed at the conditions allowed region.

coal；fissure zone；shale gas；collaborative mining

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.006

TE132.2

A

1673-5285（2015）06-0019-03

2015－04-22

湖南省國(guó)土資源廳2014-09號(hào)科技項(xiàng)目資助。

王宏宇，男（1986-），工程師，碩士，從事地質(zhì)與采礦方面的研究工作，郵箱：why949@126.com。