山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策

王 争，李国富，周显俊，胡胜勇，李日富，陈文科，焦鹏帅，李 超，李江彪

山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策

王 争1,2，李国富1,2，周显俊1,2，胡胜勇1,3，李日富4，陈文科5，焦鹏帅6，李 超1,2，李江彪5

(1. 煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048012；2. 易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030031；3. 太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；4. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；5. 山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204；6. 山西省煤炭地质勘查研究院，山西 太原 030031)

随着我国煤炭去产能政策的有力实施，一批资源枯竭及产能落后矿井将陆续关停废弃。废弃矿井仍赋存着大量的煤层气资源，其开发利用是实现煤炭产业清洁安全高效低碳发展、促进煤矿安全生产、优化能源结构、实现温室气体减排等方面的重要举措。基于山西省煤基重点科技攻关(煤层气产业链)项目相关研究，系统阐述了废弃矿井煤层气开发面临着资源量评价不准、钻进体系不健全、井上下联合缺失等关键问题。针对这些问题提出以下几点对策：废弃矿井精准地质探测是采空区地面钻井轨迹设计的重要依据，尤其是炮采等落后采煤工艺的废弃矿井，地球物理勘探精度应达到米级才能有效降低钻遇煤柱风险；优选废弃矿井煤层气地面“L”型钻井思路，即选采空区周边一定距离的保安煤柱作为L型井位，并配套特殊钻进工艺；煤矿企业应将废弃矿井资源开发利用纳入煤矿全生命周期规划，尤其是矿井废弃前应确保煤层气抽采通道畅通，以实现煤层气井“一井多用”的新型井上下联合开采模式，提高废弃矿井煤层气开发效率；采用防回火、各种传感器等装置，并对关键参数设置自动报警停机界限值，从而使废弃矿井煤层气地面开采工艺安全、高效；对不同浓度废弃矿井煤层气，需要采取相应的梯级利用模式，从而提高整体开发利用价值。以山西省废弃矿井为示范区，研究认识对推动全国煤矿区废弃矿井煤层气开发利用具有重要的指导和示范意义。

废弃矿井；煤层气；开发利用；关键问题；对策；L型井；一井多用；

我国煤矿90%以上为地下矿井，其中50%～ 70%为高瓦斯矿井。我国长期高强度的煤炭开采形成大面积的采空区和数量众多的废弃矿井，随着我国煤炭供给侧结构性改革政策的有力实施，促使部分资源枯竭、产能落后的煤矿加快关停废弃[1]，谢和平等[2](2017)统计得出，自2014年初至2016年底全国已关停煤炭矿井数量达2 858个。中国工程院《我国煤炭资源高效回收及节能战略研究》重点咨询项目研究表明，至2020年，我国废弃矿井的数量将达1.2万处，到2030年将达1.5万处[3]，残留煤层气资源量将近5 000亿m3，具有十分可观的开发利用潜力。废弃矿井煤层气资源是废弃矿井资源中不可或缺的组成部分，对其进行开发利用具有十分重要的理论意义和工程应用价值。国家将煤层气开发工程视为生命工程和资源工程[4-6]，国家能源局关于印发煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划的通知中明确指出：废弃矿井残存煤层气开发利用或将成为煤层气产业新的增长点，应建设一批示范工程，并研发推广废弃矿井残存煤层气开发利用技术。

我国废弃矿井采空区煤层气资源开发利用率处于极低的水平，不仅造成资源的巨大浪费，还造成废弃矿井采空区煤层气逸散到大气中增加温室效应，进而诱发后续的环境及社会问题。因此，对废弃矿井采空区煤层气进行地面开发，不仅可改变井下传统的被动式煤层气开发模式，形成地面主动式煤层气开发方式，还有助于推动我国煤层气产业实现“资源–环保”绿色发展。

依托山西省煤基重点科技攻关(煤层气产业链)等科研项目，经过近7年来理论研究和工程实践，山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发利用达到了一定应用规模，实施成效较为显著。笔者对山西省废弃矿井煤层气开发技术进行了初步总结，提出了废弃矿井煤层气地面钻井开发中面临的关键问题和主要对策。

1 废弃矿井煤层气资源开发现状

废弃矿井煤层气开发技术是继井下煤层气抽采、地面预抽井开采、地面采动井开采等开发技术之后而发展起来的一种新的煤层气开发技术方式，具体为从废弃或已停采的煤矿中将聚集在巷道、邻近岩层和采空区残煤中的煤层气开发出来并加以利用。世界各国都很重视废弃矿井煤层气资源评价与开发[7-9]，废弃矿井煤层气开发工艺技术首先在英国进行了试验，随后德国和美国等国家也相继开展了废弃矿井煤层气开发利用研究。

1.1 国外开发利用现状

废弃矿井煤层气开发技术首先在英国取得了商业性成功，其开发利用技术处于世界领先水平。英国废弃矿井煤层气开发方式主要有两种：一种为从没有充填的废弃矿井或平硐抽采煤层气；另一种是向废弃矿井采空区或采掘卸压地区施工大直径地面钻孔抽采煤层气。从20世纪50年代开始英国在北威尔士郡进行较大规模的废弃矿井煤层气抽采与利用工程，60年代很多煤矿已经建立了煤层气利用系统，主要供煤层气发电及管网集输后民用或工业使用。2014年有15个正在运行或在建的废弃矿井煤层气发电项目，总装机容量约52 MW[7]，2016年全国总装机容量达到60 MW。

德国在鲁尔区废弃矿井进行煤层气开发，总结了一些宝贵经验，在废弃矿井即将关闭前封闭矿井巷道，利用原井筒或地面重新钻井等方式实现煤层气资源开发目的。如图1所示，德国煤矿开采过程中为采空区煤层气开发预留专门的管道，通过原井筒连通至地面开发利用设施，废弃矿井采空区煤层气开发取得了良好的效果。在没有预埋管道的采空区，采用地面重新钻井开发采空区煤层气，也取得了很好的效果。德国在鲁尔区和萨尔州等矿区开展了废弃矿井煤层气开发[9]，其中规模最大的斯蒂亚格新能源公司年开发利用废弃矿井煤层气约3亿m3(折纯)，年发电量约10亿kW·h、供热4.4亿kW·h。截至2010年底，德国废弃矿井煤层气综合利用项目总装机容量达到了175 MW[10]。

注：右图中1—10为预留的管道或阀门。

美国作为世界首个将废弃矿井煤层气纳入温室气体排放总量的国家，其废弃矿井煤层气抽采利用技术较为成熟。如Stroud Oil Properties能源公司自1996年以来在废弃矿井Gold Eagle Mines利用原采动区煤层气井及通风井进行煤层气开发，虽然浓度较低，但通过与常规高浓度煤层气掺混后可以达到管网安全集输的要求。RavenRidge能源公司已经开发了可以用来模拟计算废弃矿井煤层气资源量的软件系统，并对外服务。截至2011年底，美国约有38个废弃矿井实施了煤层气地面开发和利用，总抽采利用量约1.6×108m3[11]。

1.2 国内开发利用现状

我国煤层气开发利用技术主要是从生产矿井未采煤层或卸压煤层中开采煤层气资源为主，真正意义上的废弃矿井煤层气开发技术尚处于探索阶段[12–13]。1994年在铁法矿区首次进行了伴随采煤影响的采空区地面垂直钻井开发煤层气技术试验。中煤科工集团西安研究院有限公司2000年开始进行废弃煤矿甲烷资源量评价和开发技术研究工作。

国内在中外联合的基础上做了一些理论基础研究工作，主要开展了废弃矿井采空区煤层气来源及赋存规律状态、资源量评价及地面井位优化模拟与瓦斯渗流模型等方面研究，并形成了一些认识和共识。20世纪50年代，刘天泉[14]、仲惟林等[15]、钱鸣高等[16]对煤矿开采过程中岩层破坏及导水裂隙分布做了大量的实测和理论研究，建立了采面岩层移动破断与采动裂隙分布的“横三区”“竖三带”的整体认识，即沿工作面推进方向覆岩将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，由下往上岩层移动分为垮落带、导水裂隙带和整体弯曲下沉带。覆岩移动变形破坏机理等理论的重要成果，有助于提高及深化对采空区煤层气富集运移规律的认识。

山西省煤炭地质勘查研究院实施的“山西省煤炭采空区煤层气资源调查评价”项目是国内首次在省级范围内就采空区煤层气资源情况进行摸底调查，于2018年通过验收。依据该项目的主要成果，至2017年底，山西省生产及在建矿井数为1 026座，关闭煤矿52座，共化解产能4 590万t/a。山西省有开发利用价值的煤炭采空区面积约2 052 km2，预测残余采空区煤层气资源量约726亿m3，其中7个煤层气含量较高的矿区(西山、阳泉、武夏、潞安、晋城、霍东、离柳)，采空区面积达870.92 km2，预测煤层气资源量约303.95亿m3(表1)，部分地区资源相对富集，值得开发利用。但山西省煤炭采空区(废弃矿井)煤层气资源相对分散、资源丰度较低，且一些废弃矿井历史地质资料不完整，不少采空区边界与现有煤炭矿业权范围交错，使得集中连片开发、持续稳定利用面临诸多不确定性，导致这部分资源一直未得到有效利用。2019年山西省自然资源厅、山西省能源局《关于开展煤炭采空区(废弃矿井)煤层气抽采试验有关事项的通知》规定，加快实施如减免费用、试采许可、用林用地支持等鼓励煤炭采空区(废弃矿井)煤层气开采试验的配套政策，并通过选点试验、分类施策，进一步深化对煤炭采空区(废弃矿井)煤层气资源的规律性认识，提高规模化利用水平，进而形成具有山西特色的成套经验，对于推动全省煤层气资源综合利用、消除煤炭采空区(废弃矿井)瓦斯溢出安全隐患、增加全省清洁能源供应、服务全国能源革命战略，具有重要意义。

表1 山西省7个矿区煤炭采空区煤层气资源量统计

晋城矿区在废弃矿井采空区煤层气地面开采领域不断探索，自“十一五”开始就已开展了采空区地面井煤层气相关研究，开展了覆岩移动规律、采空区地面开采的初步研究。截至2018年底，在晋城矿区晋圣永安宏泰、岳城、侯村等煤矿和西山矿区屯兰、马兰、东曲等煤矿以及阳泉矿区乐平、红土沟等煤矿共钻井110余口，运行60余口，单井平均日气量约1 300 m3，年产气量约0.28亿m3，累计利用量0.82亿m3(折纯量)，累计创造产值达1.56亿元。

2 废弃矿井煤层气开发面临的主要问题

废弃矿井煤层气开发涉及通风、采煤、水文地质、煤层气地质、构造地质、物探及流体力学等多学科理论与工程研究，尚未建立系统性理论基础，现有开发技术仍处于经验性摸索阶段，所以必须进行技术理论体系探索研究和开发工艺优化。开发过程中需要解决煤层气资源量估算、井位层位设计、钻采施工等诸多技术难题。

2.1 废弃矿井采空区煤层气开发存在一定盲目性

1) 煤层气资源评价指标不准

废弃矿井煤层气由采空区内残煤、上覆煤岩层和下伏煤岩层的吸附气以及自由空间的游离气和溶解气组成，但如何准确确定上覆煤岩层和下伏煤岩层的扰动影响范围是一项极为困难的工作，不同地质条件的矿井可能有不同的扰动影响范围，而且采煤过程中部分煤层气有可能通过地表裂隙逸散至大气中，少量溶解气也会随着井下排水至地面后逸散，这部分逸散量很难估计；采空区形成后往往会有大量地层水通过裂隙带涌入采空区内，这部分积水对采空区残煤内煤层气的解吸造成了不利影响，而且减少了采空区内自由空间，导致游离气和溶解气的计算变得更为困难，如何科学、合理完善废弃矿井煤层气资源计算模型成为科技工作者极为棘手的现实问题。

2) 井位层位确定困难

山西省很多废弃矿井由于历史原因存在基础地质资料缺失、井下资源不清等问题。且地质类型及采煤工艺等不同条件下的废弃矿井采空区，其煤层气分布特征及富集规律差异性明显。晋城矿区初期采空区试验井钻井过程中经常钻遇煤柱、积水区、压实区、煤岩巷甚至原位煤，实际钻井成功率仅50%左右。由于采空区顶板覆岩“三带”高度、发育特征和不同采煤方式下采空区内部空间展布不尽相同，顶板覆岩的裂隙网络连通特性对采空区井层位的确定至关重要。为尽量增大揭露面积，晋城矿区采空区试验井终孔层位常常选择为距采空区底板下10 m左右，然而实际钻井过程中常常因为漏浆/气严重而不得不提前停止钻进并终孔，影响了单井产能。现有三维地震勘探等高分辨率物探技术虽然可以解决上述问题，但施工成本高、投资回收期过长也制约了废弃矿井采空区煤层气资源开发技术的推广。

3) 井上下联系缺失

山西省煤炭行业相关企业技术、管理人员存在思想认识不足等问题，未将废弃矿井内残存煤层气作为资源看待，绝大部分废弃矿井闭坑时未预留相关管道等设备，导致衔接后续煤层气开发时手段单一，仅能选择地面钻井开发废弃矿井煤层气资源。地面煤层气开发工程往往比井下采煤工程提前进行，二者在时间上与空间上存在一定的相互制约关系，导致煤层气开发企业布置预抽井时不能考虑有一定滞后性的煤矿生产规划方案，而且预抽井井身结构设计之初并未考虑转为后期采空区抽采时要求的大井径和一定抗挤压应力强度的套管组合，采煤工作面形成采空区后绝大部分预抽井井身结构受到破坏而报废，二次钻井施工提高了采空区煤层气开发成本。

2.2 废弃矿井采空区煤层气地面钻采工艺不配套

1) 地面钻完井工艺不健全

目前废弃矿井煤层气钻进过程中分别采用泥浆钻井工艺和氮气欠平衡钻井工艺，经常面临井漏严重、掉块卡钻、下套管遇阻、固井质量差等一系列问题。泥浆钻井工艺对设备要求不高，施工成本也低，在钻进不漏失及漏失不太严重地层时，可以作为钻进的首选工艺。当钻进至采空区地层时，因采空区裂隙带和垮落带地层普遍漏失严重，而基于常规堵漏方式的泥浆钻井工艺将面临采空区井底部不返浆和堵不住的难题，废弃矿井煤层气地面定向井(水平井、“L”型井)钻井过程中循环介质漏失现象更为明显，再加上常规堵漏材料容易污染产气层，所以泥浆钻井工艺无法满足采空区裂隙发育地层的钻井施工技术要求。另外空气可以通过井筒与采空区内煤层气混合，导致钻井过程中存在极大的安全隐患。基于泥浆钻井工艺无法解决采空区地层漏失、污染储层及安全钻进等问题，在施工采空段地层时更换为氮气欠平衡钻井工艺，一方面因空气密度小，循环过程中将大大降低井筒压力与地层压力的压差作用，减少循环介质向裂缝地层的漏失量，对储层污染的影响极小；另一方面氮气为惰性气体可以安全揭露采空区。但是氮气钻井工艺在冲击碎岩时会产生大量的粉状岩屑，在高压空气的作用下积聚于采空区裂隙带及垮落带孔隙内，阻碍采空区煤层气运移通道，降低单井产能。另外氮气钻井工艺由于高压气体排屑影响，井场附近存在大量扬尘，污染周边环境。

废弃矿井采空区裂隙带和垮落带既是产气层，又是破碎程度严重区域，当采用裸眼完井设计可能存在井壁坍塌堵住井眼的问题；采用筛管完井设计，井壁仍有坍塌可能，会使筛管受到挤压错断变形，筛眼也很容易被粉状岩屑堵塞。

2) 地面抽采工艺

废弃矿井采空区地面井作为一种煤层气开采新井型，即在废弃后的小中型煤矿通过地面垂直钻井至采空区垮落带内，使井口与采空区有效沟通，地面使用负压抽采设备产生压力降直至采空区内部裂隙空间，达到抽采煤层气的目的。采空区煤层气安全抽采必须要避免在煤层自燃发火倾向严重或曾经发生过采空区自燃着火的采空区开展。此外，还需要从抽采工艺流程、抽采制度、抽采设备、安全监测监控、安全保障措施、安全操作规程等方面采取完善措施。对采气管线内涉及防火防爆的指标气体浓度和主要抽采参数开展实时监测，包括CH4浓度、O2浓度、CO浓度、抽采压力、气体温度、采出气混合流量及CH4纯流量等。

3 废弃矿井煤层气开发主要技术对策

3.1 废弃矿井采空区精准地质探测

传统地面煤矿采空区探测技术主要依赖地震类及电磁法类勘探技术[17-19]，探测能力及分辨率较低，只能适用于大面积采空区分布范围的定性推断。山西省采煤历史悠久，在长壁式采煤方式推广以前，主要采用炮采等落后采煤工艺[2]，残煤率较高，形成的采空区内有大量煤柱，且煤柱间距3～8 m居多，致使真实的采空区位置与范围、采空区裂隙带空间分布、采空区及裂隙带内流体性质(水、气)等指导井位布置的关键地质信息缺失，工程实施中有很大比例的钻孔钻遇煤柱及积水区内，造成产气效果不佳，严重制约了废弃矿井煤层气的开发效果。

因此，目前传统的地面采空区探测技术普遍存在探测能力不足及精度低的共性，亟需开展多种地球物理探测技术的集成创新，形成多波场联合探测技术，研究采空区特别是落后采煤工艺形成的采空区地震响应特征、优化数据处理算法、多场源综合反演等内容，在降低现有勘探成本基础上大幅度提高探测技术的分辨尺度与定位精度，由几十米级提高至米级，用于精准探测废弃矿井不同煤层采空区的边界及各类煤柱的具体位置、分布和规模大小，并准确识别煤炭开采后“竖三带”中裂隙带和垮落带的分布范围和展布规律，进而为地面钻井轨迹设计提供理论依据，形成废弃矿井采空区精准定位及所含流体性质判识的技术体系。

3.2 废弃矿井煤层气地面“L”型钻井设计

钻井施工是废弃矿井采空区煤层气开发的关键环节之一，不同于常规煤层气预抽井的钻井施工，采空区钻进的地层是受井下煤层开采扰动后形成的一种类似构造地层，其中的裂缝不仅在横向和垂向十分发育，而且裂缝的赋存形态也多变。针对山西典型煤矿采空区上覆岩层的裂隙特征开展漏失机理分析，并以此为依据开发适用于采空区破碎地层特点的微泡沫钻井液材料体系，形成适合废弃矿井采空区煤层气地面开发的微泡沫欠平衡钻井工艺：在钻遇采空区裂隙带和垮落带地层时可以显著降低钻井液漏失现象，同时具有较强的洗井能力减少了粉状岩屑对储层的严重污染，隔绝空气进入采空区内达到安全揭露采空区目的。通过提高完井筛管的抗挤压强度并对筛眼形状及大小进行结构性组合优化设计，并结合微泡沫欠平衡钻井工艺技术特点开展相应完井工艺优化。

对于废弃矿井单个面积较大采空区或者相邻采空区群，结合井下高位钻孔开发技术以及地面直井开发技术优缺点，提出通过地面施工井身轨迹为直线–曲线形式的单孔底定向孔的“L”型井身结构(图2)，能够最大限度开发区域性密闭采空区煤层气资源，提高废弃矿井采空区揭露空间，提高单井产能，相较于井下高位钻孔开发技术则可以有效降低施工成本，提高单井经济性。

图2 “L”型井身结构

废弃矿井采空区钻井过程中，定向系统常常选择电磁波随钻测量系统，对深部煤储层及地层电阻异常区，电磁波随钻测量技术不能有效获取地层参数，穿采空区段无法保证造斜率实现精确定向钻进，故地面“L”型井井型仅适用于地质构造简单、埋深400 m以浅及基础资料准确的废弃矿井采空区。主要技术思路为首先选择废弃矿井采空区周边一定距离的保安煤柱等实体煤区域作为“L”型井井位，一开段钻至基岩下一定距离终孔固井，可选择常规泥浆钻井工艺；二开段钻至采空区裂隙带上方一定区域停钻作为造斜点，开始更换氮气等惰性气体作为循环介质，根据井位与采空区实际相对位置关系设定方位角，设置一定小角度的顶角值可以尽快钻至裂隙带区域终孔固井；三开段保持方位角不变，设置一定大角度的顶角值可以较大范围地揭露采空区空间，至预定区域或严重漏风位置处终孔不固井，仅采用割缝筛管护壁。

3.3 废弃矿井采空区煤层气井上下联合开发

我国目前煤矿区煤层气开发资源量约80%来源于井下钻孔，20%左右来源于地面钻井。煤矿废弃后绝大部分巷道及井下钻孔随之弃用，如何充分利用这部分巷道及井下钻孔是提高废弃矿井煤层气开采量的关键因素。煤矿及地面煤层气开发企业应加强井上下联系，建立新型井上下联合开发模式以提高煤层气开发效率：对于即将废弃矿井，在闭坑废弃前将不同煤层气抽采系统连接至地面等措施保证煤层气抽采通道畅通，提高井下巷道及钻孔利用率；对于正在生产矿井，地面煤层气开发企业应在符合煤矿规划基础上合理布井，实现“一井多用的目的”。

1) 矿井废弃前保证煤层气抽采通道畅通

煤矿方应提高高抽巷、底抽巷注浆封孔质量以及采空区密闭墙质量，从而提高井下煤层气开采系统生命周期。矿井开采过程中，由于通风使巷道内充满空气，矿井废弃后，仍有大量空气存在巷道中，封孔质量较好的情况下可以使部分高抽巷、底抽巷在采煤工作面回采后甚至整个矿井废弃时仍有较好的开采效果；采空区密闭墙质量同样对井下煤层气开采系统的开采量、煤层气浓度、开采时长有显著影响。高抽巷、底抽巷注浆封孔质量以及采空区密闭墙质量不好时，极易引发漏风问题，确定漏风点并补充密闭措施将是一项非常困难且成本高昂的技术工作。矿井废弃前可以将井下不同煤层气开采系统如本煤层瓦斯抽采系统、邻近层瓦斯抽采系统、采空区瓦斯抽采系统等，利用铺设管道等方式尽量延伸至主副井或风井地面井口位置处，矿井废弃后利用地面水环泵等抽采设备对井下开采系统进行统一负压开采。对不能延伸或延伸成本较高的井下开采系统，可以考虑提前在地面钻井至高抽巷道内或者定向施工钻井至井下瓦斯管道系统，矿方人员使用波纹管等金属软管或对地面定向钻井井底与煤层气开采系统管道通过法兰接头实现有效物理连接，矿井废弃后可以通过地面水环泵等抽采设备连通井下开采煤层气。

为降低井下同一开采系统的不同开采区域相互干扰或不同开采系统相互间干扰，矿井废弃前应将高负压、低甲烷浓度及低流量的开采子管路或易积水、高应力等风险隐患区域的开采子系统及时关闭，地面井口位置处对不同开采系统管道设置闸阀、电磁阀等切断装置，矿井废弃后可根据各开采系统实际效果进行选择性开采，进而提高开采效率。

2) 地面煤层气开发企业合理规划，实现“一井多用”

煤矿方应与地面煤层气开发企业建立可靠联系[20]，在符合煤矿规划基础上实现共赢。规划区预抽井钻井阶段先进行水文地质调查及取心测井，为煤矿方提供基础地质资料，并进行先期开采；在前期布置地面预抽井时，就需要结合井下已规划准备回采工作面巷道的空间位置，合理设置井位，以便于在后期将其改造为采动井。只有在地面预抽井井筒较完整、稳定性较好且沟通采动裂隙带时，才可能转为开发效果较好的采动井。理论上，在采煤过程中顶板覆岩沉降较小区域与覆岩裂隙场瓦斯富集区域的交集处为优先布置井位，即优选靠近回风巷侧且地表沉降拐点连线至采场中线(0.2～0.4)(为采煤工作面倾向长度)区域范围内。煤矿方对规划区进行回采时对上述区域预抽井采取保护措施，将预抽井位区域设为煤柱保护区及局部顶板加强支护等，使预抽井井身结构不受破坏，经过射孔压裂作业后转为采动井卸压开发煤层气及后续采空区开发，从而实现“一井多用”的目的，减少投资基建成本。

3.4 废弃矿井煤层气地面安全高效开发

废弃矿井采空区地面井不同于常规预抽井“排水降压”的产气机理，使用抽油机等常规预抽井开采设备产气效果不佳。采空区地面井可使用具有变频功能和PLC控制系统的增压机组等设备进行负压开采，不仅可以有效降低电能损耗，而且实现了“定负压、变流量”或者“定流量、变负压”开采模式的应用。地面开采工艺系统设置干式防回火装置、单向阀、水封阻火泄爆器等装置，有效实现燃烧的物理隔离。废弃矿井采空区地面井甲烷、氧气浓度波动较大，增压机组进行开采时存在燃烧、爆炸风险以及管道集输风险，加装甲烷、氧气、温度、压力、一氧化碳等多种传感器[21]，对关键运行参数设置自动报警与停机界限值，通过全方位、多角度的监测监控，可以保障设备安全稳定运行，并对废弃矿井采空区自燃风险进行科学监测。

4 废弃矿井煤层气梯级利用模式

针对废弃矿井采空区煤层气开采浓度差异较大特点，同时考虑到煤层气开采的安全性与高效性，如图3所示，将废弃矿井采空区煤层气地面开采利用分为高体积分数(30%以上)、中低体积分数(20%～30%)、低体积分数(5%～20%)及极低体积分数(5%以下)煤层气梯级利用技术体系，根据煤层气浓度差异，采用不同开采设备，并匹配对应开采工艺进行开发与利用。废弃矿井煤层气地面井布井区域通常位置偏远，配套工程投资较高，利用双燃料发电机组可以为开采设备持续提供电能，解决采空井供电线路成本高的难题，对废弃矿井煤层气开发具有重大现实意义[22]。

1) 高浓度煤层气开采利用技术

高浓度煤层气可直接通过增压机组进行开采，经过初步脱水和增压后并入集输管网，根据终端需求用于民用、化工、燃料等行业。

图3 山西省部分矿区煤层气梯级利用

2) 中低浓度煤层气开采利用技术

中低体积分数煤层气(20%～30%)不能直接通过增压机集输利用，如图4所示，为充分利用低体积分数煤层气资源，针对野外地面开采条件开展集成创新，研究具有安全开采、甲烷提纯以及增压集输等功能的分布式提纯系统[23]，提纯后变为高浓度煤层气可直接进入集输管网，根据终端需求用于民用、化工、燃料等行业。

图4 晋城矿区某采空区井提纯系统

3) 低浓度煤层气开采利用技术

目前低浓度煤层气主要有直燃制热技术(图5)，直燃制热核心技术是通过自动控制系统自动调整低浓度煤层气和空气的流量、流速，保障稳定可控燃烧。采用特殊的金属织物燃烧器和安全保障系统，避免低浓度煤层气在燃烧器内发生爆燃、回火等问题，实现低浓度瓦斯安全地直接燃烧，转换为热能后进行后续供暖及发电利用。

图5 晋城矿区某泵站直燃系统

4) 极低浓度煤层气开采利用技术

目前主要应用有蓄热氧化利用技术(图6)，主要由低浓度瓦斯输送安全保障系统、瓦斯混配装置、蓄热氧化装置、新风(热水或蒸汽)换热装置、综合安全控制系统组成，核心装备为多床式瓦斯热逆流氧化装置，极低浓度煤层气发生蓄热氧化反应转换为热能，用于后续供暖及发电。

图6 山西省某矿区蓄热氧化系统

5 结论

a. 山西省废弃矿井煤层气资源量丰富，但煤层气开发面临的关键技术问题有：地质条件复杂、资源量预测不准、钻井体系不健全及抽采工艺不配套等。

b. 针对研究区生产实际指出：废弃矿井精准地质探测是采空区地面钻井轨迹设计的重要依据，尤其是炮采等落后采煤工艺的废弃矿井，地球物理勘探精度应达到米级才能有效降低钻遇煤柱风险；提出了废弃矿井煤层气地面“L”型钻井设计思路及新型井上下联合开采模式，选取采空区周边一定距离的保安煤柱作为L型井位，并配套特殊钻进工艺，同时在煤矿全生命周期的合理规划，尤其是矿井废弃前即确保煤层气抽采通道畅通，实现一井多用，以提高废弃矿井煤层气开发效率；采用防回火、各种传感器等装置，并对关键参数设置自动报警停机界限值，从而使废弃矿井煤层气地面开采工艺安全、高效。

c. 依据废弃矿井煤层气浓度特征，需要采取相应的梯级利用模式，即低、中、高浓度煤层气需采取不同的开采、集输、提纯技术，并应用于不同领域，以提高煤层气的利用价值。

d. 大力研究和推广废弃矿井采空区煤层气开采技术，充分利用煤层气资源，是实现煤炭产业清洁安全高效低碳发展、促进煤矿安全生产、优化能源结构、实现温室气体减排、减少大气污染的重要举措。山西省作为煤炭与煤层气开发的典型示范区，其废弃矿井煤层气开发有望成为山西省资源转型发展的新亮点，同时也为全国废弃矿井资源开发利用提供借鉴和指导。

[1] 袁亮. 煤炭精准开采科学构想[J]. 煤炭学报，2017，42(1)：1–7.

YUAN Liang. Scientific conception of precision coal mining[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(1)：1–7.

[2] 谢和平，高明忠，高峰，等. 关停矿井转型升级战略构想与关键技术[J]. 煤炭学报，2017，42(6)：1355–1365.

XIE Heping，GAO Mingzhong，GAO Feng，et al. Strategic conceptualization and key technology for the transformation and upgrading of shut-down coal mines[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(6)：1355–1365.

[3] 袁亮. 我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[M]. 北京：科学出版社，2017.

YUAN Liang. Strategic studies of high-efficient and energy-effective coal extraction in China[M]. Beijing：Science Press，2017.

[4] 袁亮. 我国深部煤与瓦斯共采战略思考[J]. 煤炭学报，2016，41(1)：1–6.

YUAN Liang. Strategic thinking of simultaneous exploitation of coal and gas in deep mining[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(1)：1–6.

[5] 贾建称，巩泽文，靳德武，等. 煤炭地质学“十三五”主要进展及展望[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：32–44.

JIA Jiancheng，GONG Zewen，JIN Dewu，et al. The main progress in the 13th five-year plan and the prospect of coal geology[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：32–44.

[6] 吴建光，张延庆，张遂安，等. “西气东输”工程沿线煤层气资源开发潜力评价[J]. 煤田地质与勘探，2000，28(6)：27–28.

WU Jianguang，ZHANG Yanqing，ZHANG Sui’an，et al. Assessment on coal methane potential resource along “Gas Tranfer From Western To Eastern” project[J]. Coal Geology & Exploration，2000，28(6)：27–28.

[7] 刘文革. 废弃煤矿煤层气再利用前景广阔[DB/OL]. 2017-10-16. http://news.bjx.com.cn/html/20171016/855450.shtml

LIU Wenge. 废弃煤矿煤层气再利用前景广阔[DB/OL]. 2017-10-16. http://news.bjx.com.cn/html/20171016/855450.shtml

[8] 韩保山. 废弃矿井煤层气储层描述[J]. 煤田地质与勘探，2005，33(2)：32–34.

HAN Baoshan. Reservoir characterization of abandoned mine methane(AMM)[J]. Coal Geology & Exploration，2005，33(2)：32–34.

[9] Lothar Hesidenz. 德国萨尔矿区特定条件下煤开采中瓦斯抽采及利用现状[C]//中国国际煤矿瓦斯防治与利用大会. 北京：国家安全生产监督管理总局，2005：154–162.

Lothar Hesidenz. Status of gas extraction and utilization in coal mining under specific conditions in German Sal mining area[C]//China International Conference on Gas Prevention and Utilization in Coal Mines. Beijing：State Administration of Work Safety，2005：154–162.

[10] 韩甲业. 我国报废煤矿瓦斯抽采利用现状及潜力[J]. 中国煤层气，2013，10(4)：23–25.

HAN Jiaye. Status quo and potential of drainage and utilization of abandoned mine[J]. China Coalbed Methane，2013，10(4)：23–25.

[11] KARACAN C Ö，RUIZ F A，COTÈ M，et al. Coal mine methane：A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction[J]. International Journal of Coal Geology，2011，86(2)：121–156.

[12] 孟召平，师修昌，刘珊珊，等. 废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用[J]. 煤炭学报，2016，41(3)：537–544.

MENG Zhaoping，SHI Xiuchang，LIU Shanshan，et al. Evaluation model of CBM resources in abandoned coal mine and its application[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(3)：537–544.

[13] 周效志，桑树勋，金军，等. 煤炭资源枯竭矿井煤层气资源量估算方法研究[J]. 中国煤层气，2015，12(1)：3–6.

ZHOU Xiaozhi，SANG Shuxun，JIN Jun，et al. Study on estimation methods of abandoned mine methane resources in coal resources-exhausted mines[J]. China Coalbed Methane，2015，12(1)：3–6.

[14] 刘天泉. 矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J]. 煤炭学报，1995(1)：1–5.

LIU Tianquan. Influence of mining activities on mine rockmass and control engineering[J]. Journal of China Coal Society，1995(1)：1–5.

[15] 仲惟林，许延春. 采动覆岩分类[J]. 煤炭科学技术，1988(8)：8–10.

ZHONG Weilin，XU Yanchun. Classification of mining overburden[J]. Coal Science and Technology，1988(8)：8–10.

[16] 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，1998，23(5)：20–23.

QIAN Minggao，XU Jialin. Study on “O-shape” circle distribution characteristics of mining-induced fracture in the overlaying strata[J]. Journal of China Coal Society，1998，23(5)：20–23.

[17] 方荣耀. 煤矿采空区的地震响应特征分析[D]. 太原：太原理工大学，2018.

FANG Rongyao. Analysis of seismic response characteristics of coal mine area[D]. Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2018.

[18] 薛国强，潘冬明，于景邨. 煤矿采空区地球物理探测应用综述[J]. 地球物理学进展，2018．33(5)：2187–2192.

XUE Guoqiang，PAN Dongming，YU Jingcun. Review the applications of geophysical methods for mapping coal-mine voids[J]. Progress in Geophysics(in Chinese)，2018，33(5)：2187–2192.

[19] 徐慧，牟义，杨思通，等. 榆林地区浅埋煤层采空区电法综合勘探技术[J]. 地质与勘探，2020，56(4)：792–801.

XU Hui，MOU Yi，YANG Sitong，et al. Comprehensive exploration technology based on the electric methods for the goaf of shallow coal seams in the Yulin area[J]. Geology and Exploration，2020，56(4)：792–801.

[20] 李国富，何辉，刘刚，等. 煤矿区煤层气三区联动立体抽采理论与模式[J]. 煤炭科学技术，2012，40(10)：7–11.

LI Guofu，HE Hui，LIU Gang，et al. Three region linkage three-dimensional gas drainage theory and mode of coal bed methane in coal mining area[J]. Coal Science and Technology，2012，40(10)：7–11.

[21] 王争. 潘庄井田试验区采空区地面井抽采制度及配套工艺研究[J]. 中国煤层气，2018，15(1)：3–6.

WANG Zheng. Study on drainage system and matching technology of surface well in goaf of test area in Panzhuang mine field[J]. China Coalbed Methane，2018，15(1)：3–6.

[22] 王争，李超，李阳，等. 双燃料发电机组在采空区地面井上的应用[J]. 煤炭工程，2020，52(1)：85–88.

WANG Zheng，LI Chao，LI Yang，et al. Application of dual fuel generator unit in goaf coalbed methane wells[J]. Coal Engineering，2020，52(1)：85–88.

[23] 李超，郭向前，胡胜勇，等. 低浓度煤层气分布式提纯系统的研制与应用[J]. 煤矿安全，2018，49(4)：85–88.

LI Chao，GUO Xiangqian，HU Shengyong，et al. Development and application of distributed purification equipment for low concentration coalbed[J]. Safety in Coal Mines，2018，49(4)：85–88.

Key problems and countermeasures of CBM development through surface boreholes in abandoned coal mines of Shanxi Province

WANG Zheng1,2, LI Guofu1,2, ZHOU Xianjun1,2, HU Shengyong1,3, LI Rifu4, CHEN Wenke5, JIAO Pengshuai6, LI Chao1,2, LI Jiangbiao5

(1. State Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Co-Mining, Jincheng 048012, China; 2. Yi’an Lanyan Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology Co., Ltd., Taiyuan 030031, China; 3. College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 4. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400037, China; 5. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group Co. Ltd., Jincheng 048204, China; 6. Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute, Taiyuan 030031, China)

With the effective implementation of China’s coal capacity reduction policy, a number of resource-depleted and under-developed mines will be abandoned. The plenty of coalbed methane resources still existing in abandoned mines, could be developed and utilized to realize clean, safe, efficient and low-carbon development of coal industry, promote safe production of coal mines, optimize energy structure, and achieve greenhouse gas emission reduction. Based on the relevant research of Shanxi Province Coal-based Key Science and Technology Targeting Project(Coalbed Methane Industry Chain), the author systematically expounds the key problems faced by coalbed methane development in abandoned coal mines, such as inaccurate resource evaluation, unsound drilling system, lack of surface and underground co-extraction, etc. In view of these problems, the following countermeasures are proposed: Accurate geological exploration of abandoned mines is an important basis for the design of surface drilling trajectory in goaf, especially for abandoned mines with backward coal mining technology such as blasting mining. In order to effectively reduce the risk of drilling into coal pillars, the precision of geophysical exploration should reach meter level. “L” –shaped coalbed methane surface boreholes are the best choice in abandoned mines, that is, selecting a certain distance of safe coal pillar around the goaf as the location of L-shaped boreholes and supporting special drilling technology. Coal mining enterprises should consider the development and utilization of abandoned mine resources during the whole life cycle planning of coal mines in advance, especially ensure the unblocked CBM pumping channels before the mine is abandoned, so as to realize the new combined mining mode of “one borehole for multi-purpose” of CBM boreholes and improve the CBM development efficiency of abandoned mines. Adopt backfire prevention device, various sensors and other devices, and set automatic alarm halt limit value for key parameters, so that coalbed methane surface extraction process in abandoned mine is safe and efficient; In order to improve the overall development and utilization value, it is necessary to adopt the corresponding cascading utilization mode for coalbed methane with different concentration in abandoned mines. Taking the abandoned mines in Shanxi Province as a demonstration area, the research and understanding has important guiding and demonstrative significance for promoting the development and utilization of coalbed methane in abandoned mines in the coal mining areas of China.

abandoned mines; coalbed methane; development and utilization;key problems;countermeasures;L-shaped borehole; one borehole for multi-purposes; surface and underground co-extraction

井上下联合抽采

TD712.6

A

1001-1986(2021)04-0086-10

2020-10-13；

2021-05-07

山西省揭榜招标项目(20201101001)；山西省科技重大专项项目(20201102001，20181101013)

王争，1986生，男，山东菏泽人，工程师，研究方向为煤层气开发与利用. E-mall：1836266331@qq.com

李国富，1965年生，男，山西晋城人，博士(后)，正高级工程师，从事煤与煤层气共采理论与技术研究. E-mall：13834068216@qq.com

王争，李国富，周显俊，等. 山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：86–95. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.011

WANG Zheng，LI Guofu，ZHOU Xianjun，et al. Key problems and countermeasures of CBM development through surface boreholes in abandoned coal mines of Shanxi Province[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：86–95. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.011

(责任编辑 范章群)