日前，由晉能控股集團(tuán)煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位聯(lián)合申報(bào)的“廢棄礦井采空區(qū)地面煤層氣抽采技術(shù)研究及示范”項(xiàng)目，獲得2020年度山西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。近日，本報(bào)記者采訪了該項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人，了解該項(xiàng)目研發(fā)及應(yīng)用情況。

建立模型，摸清資源情況

礦關(guān)了，但井下還殘存著煤層氣(瓦斯)，不僅容易引發(fā)次生災(zāi)害，影響周邊生產(chǎn)生活，還會(huì)向地表逸散，增加溫室效應(yīng)。

從“十一五”末開(kāi)始，煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限公司等單位就嘗試著抽采廢棄礦井和采空區(qū)的煤層氣。同時(shí)，他們與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、太原理工大學(xué)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合創(chuàng)新，對(duì)廢棄礦井采空區(qū)煤層氣富集規(guī)律、資源評(píng)價(jià)以及井位優(yōu)化進(jìn)行深入研究，形成了適應(yīng)廢棄礦井采空區(qū)地面鉆井抽采與利用的成套技術(shù)體系。

“與采煤規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)等相比，采空區(qū)的煤層氣賦存情況更加復(fù)雜。采煤工藝、遺煤量等不同，煤層氣的賦存情況就會(huì)不同。”煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行副主任、博士李國(guó)富說(shuō)。

要抽采廢棄礦井采空區(qū)煤層氣，首先要弄清采空區(qū)煤層氣的富集情況。為此，科研人員研發(fā)了廢棄礦井采空區(qū)煤層氣資源評(píng)估模型及方法。具體而言，研究人員在煤體吸附性能研究基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)育不同煤體結(jié)構(gòu)煤礦采空區(qū)的吸附氣資源量進(jìn)行了計(jì)算;在對(duì)煤體開(kāi)采覆巖變形破壞規(guī)律研究基礎(chǔ)上，分別建立了采空區(qū)冒落帶和裂隙帶內(nèi)巖體孔隙體積模型;結(jié)合煤層氣資源分布特征，考慮廢棄礦井采空區(qū)積水情況，建立了采空區(qū)積水量計(jì)算和含水飽和度計(jì)算模型。

基于這些研究，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)沁水盆地南部晉圣永安宏泰、岳城、寺河、成莊等典型煤礦采空區(qū)煤層氣資源量進(jìn)行了測(cè)算。結(jié)果表明，該區(qū)域廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣資源豐富。例如，晉圣永安宏泰礦井田面積為6.5平方千米，二疊系山西組3號(hào)煤層煤層氣總資源量達(dá)到5.87億立方米，具有較好的開(kāi)發(fā)利用潛力。

地面抽采，打破時(shí)空限制

“我們是從地面抽采煤層氣，不受時(shí)間、空間限制，安全更有保障，效果更好。”李國(guó)富表示。

煤層氣主要成分甲烷的密度比空氣低，當(dāng)甲烷從煤層中解析出來(lái)后，會(huì)往高處走，并沿著孔隙聚集到采空區(qū)上方的某個(gè)區(qū)域。

以往，煤礦多是從安全的角度抽采煤層氣(瓦斯)，而且多在井下抽采。但是，井下抽采受到時(shí)間、空間限制。一方面，隨著開(kāi)采推進(jìn)，煤礦不再維護(hù)，一些巷道就會(huì)慢慢垮塌，不能再布置抽采設(shè)備。另一方面，從井下巷道往上打孔，孔的深度和位置都受巷道布置的影響，一般不能打到最優(yōu)的層位。

地面抽采則不受上述限制，可以等煤層氣散逸出來(lái)，富集在一處后再進(jìn)行鉆孔抽采。

科研人員利用自主研制的三維滲流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了采空區(qū)氣流空間分布特征研究，將采空區(qū)氣流空間劃分為富集區(qū)、過(guò)渡區(qū)和無(wú)流區(qū);利用數(shù)值模擬方法，揭示了典型井位負(fù)壓抽采條件下的煤層氣滲流特征和不同井位的氣流場(chǎng)、速度場(chǎng)和高速流動(dòng)區(qū)分布特征，并找到了地面鉆井抽采的最佳井位和層位。

找到了最佳井位與層位，就要往目標(biāo)區(qū)域鉆井。但受采煤影響，采空區(qū)上部的巖體比較松散，反而不利于鉆井。正常情況下，鉆井需要用水基鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)。鉆井液一方面可以給鉆機(jī)降溫，另一方面可以把碎屑帶出來(lái)，讓鉆進(jìn)繼續(xù)。巖體松散的話，鉆井液就會(huì)從孔隙中漏掉，讓鉆進(jìn)無(wú)法繼續(xù)，也更容易發(fā)生掉鉆、埋鉆事故。

針對(duì)這些情況，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了包括多結(jié)點(diǎn)集約化注漿加固、孔底復(fù)合封堵破碎巖體、小導(dǎo)孔注漿加固、煤層底板隔水層薄弱區(qū)帶修補(bǔ)等在內(nèi)的成套鉆井技術(shù)。

“當(dāng)鉆進(jìn)到有裂隙的巖層時(shí)，我們先打個(gè)小孔，注入水泥漿，加固破碎巖體，然后就可以正常鉆進(jìn)了。”李國(guó)富說(shuō)。

同時(shí)，在破碎巖體處，團(tuán)隊(duì)則嘗試著使用壓縮氣體鉆井。煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師李超介紹，壓縮氣體配合少量的水和發(fā)泡液，形成泡沫狀的循環(huán)介質(zhì)，利用泡沫表面張力將攜帶的鉆屑返排至地表，避免卡鉆、埋鉆。

當(dāng)鉆進(jìn)到煤層附近區(qū)域時(shí)，使用空氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)有導(dǎo)致煤炭自燃的風(fēng)險(xiǎn)。為了消除鉆井揭露采空區(qū)裂隙帶后的爆炸隱患，在鉆井過(guò)程中，工作人員采用惰性氣體氮?dú)庾鳛殂@井循環(huán)介質(zhì)，形成壓縮氮?dú)獍踩@井工藝。

分級(jí)利用，綜合效益明顯

鉆進(jìn)到目標(biāo)區(qū)域后，就要對(duì)采空區(qū)的煤層氣進(jìn)行抽采利用。

煤與煤層氣一般是共生的。煤炭中含有5%到8%的孔隙，這些孔隙吸附了大量的煤層氣。采前抽采需要提前很長(zhǎng)時(shí)間打孔，讓煤層氣從煤炭中解析出來(lái)。

與開(kāi)采前的賦存方式不同，受開(kāi)采活動(dòng)影響，采空區(qū)的煤層氣多以游離態(tài)存在。煤采完后，煤層氣會(huì)自動(dòng)從殘存煤炭、周?chē)簩又型饷埃⒕奂饋?lái)。如果還有一些煤層氣沒(méi)有從煤炭中解析出來(lái)，工作人員就利用負(fù)壓抽采工藝，讓煤層氣盡快解析出來(lái)。

“十一五”末，團(tuán)隊(duì)在原晉煤集團(tuán)岳城礦施工了一口抽采井。由于資料精準(zhǔn)全面、井下采用分層開(kāi)采法等原因，該井抽采效果較好，合計(jì)產(chǎn)氣約3000萬(wàn)立方米。目前，該井每天的產(chǎn)氣折純量在2萬(wàn)立方米左右，已穩(wěn)定產(chǎn)氣10多年。該井投資100多萬(wàn)元，到現(xiàn)在抽采的煤層氣價(jià)值數(shù)千萬(wàn)元，煤礦安全效益和生態(tài)效益明顯。

當(dāng)煤層氣的甲烷濃度在5%到16%時(shí)，具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。為了保證煤層氣安全抽采，項(xiàng)目組制定并發(fā)布了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域首部安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣地面抽采安全規(guī)范DB14/T 2049-2020》。

針對(duì)不同甲烷濃度的煤層氣，項(xiàng)目組研發(fā)了相匹配的抽采設(shè)備和工藝，對(duì)關(guān)鍵抽采參數(shù)設(shè)置了自動(dòng)報(bào)警與停機(jī)界限值，建立了采空區(qū)煤層氣地面分級(jí)利用技術(shù)體系。

李國(guó)富介紹，當(dāng)甲烷濃度大于30%時(shí)，可以通過(guò)管道就近并入主管網(wǎng)，然后通過(guò)壓縮、液化等途徑，直接供工業(yè)或居民使用。當(dāng)甲烷濃度小于30%時(shí)，低濃度煤層氣安全管道輸送則是需要解決的技術(shù)難題。

對(duì)此，團(tuán)隊(duì)提出了三種處理利用方式。一是摻混高濃度的煤層氣，使其達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)管道輸送。二是通過(guò)自主研發(fā)的野外分布式撬裝抽采提純系統(tǒng)，提純煤層氣，然后再利用。三是利用研發(fā)的雙燃料分布式發(fā)電技術(shù)，通過(guò)瓦斯發(fā)電，將煤層氣轉(zhuǎn)化為電，直接供現(xiàn)場(chǎng)使用。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前，項(xiàng)目組已在山西省內(nèi)晉城、西山、陽(yáng)泉等礦區(qū)，施工采空區(qū)煤層氣抽采井100余口，日抽采利用氣量約16萬(wàn)立方米，抽采甲烷濃度一般在30%至90%，多數(shù)井保持在50%以上，累計(jì)利用采空區(qū)煤層氣1.28億立方米，減排二氧化碳192萬(wàn)噸。

李國(guó)富表示，未來(lái)，他們還將在不同煤層賦存條件、不同采煤方法條件下形成的采空區(qū)和關(guān)閉礦井煤層氣資源量精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、采空區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及富水性地面精細(xì)探測(cè)等方面，繼續(xù)加強(qiáng)科研攻關(guān)。