煤矿区煤层气与煤炭协调开发模式初探

雷 毅，申宝宏，刘见中

(中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

煤矿区煤层气与煤炭协调开发模式初探

雷 毅，申宝宏，刘见中

(中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

在分析和总结晋城、两淮和松藻3个矿区地质条件及煤层气与煤炭开发时间顺序、空间布局、技术途径的基础上，初步提出3种典型地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式及其适用条件，为相似条件下煤层气与煤炭协调开发提供借鉴。

煤层气;煤炭;协调;模式

煤炭是我国的主体能源，2010年分别占我国一次能源生产和消费结构的77.4%和68.6%。煤层气是我国重要的非常规天然气资源，也是我国煤矿重特大事故的主要根源，地质资源量达3.68×1013m3。煤层气与煤炭属于典型的同源同体的共生矿产，煤层气开发与煤炭开采既相互促进，也彼此制约。煤层气与煤炭协调开发有利于实现安全、资源、环保三重效益，研究探讨典型地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式具有重要意义。

1 煤层气开发与煤炭开采的相互影响关系

煤层气与煤炭两种资源同源共生的特点，决定了煤层气开发与煤炭开采密切相关且相互影响，其影响关系主要包括以下两个方面:

(1)煤层气开发与煤炭开采的正效应关系一方面，通过地面煤层气抽采能有效降低煤层气含量，将高瓦斯矿井变成低瓦斯矿井，有利于煤炭资源的安全开发。另一方面，煤炭开采引起岩层移动，在采空区四周形成一个连通的采动裂隙发育区，使煤层的渗透性显著提高，有利于煤层气资源的高效开发。

(2)煤层气开发与煤炭开发的负效应关系一方面，煤炭开采对上覆岩层产生扰动作用，对地面钻井产生较大影响，易导致切孔、堵孔、套管变形断裂甚至钻孔报废，不利于煤层气抽采井施工。另一方面，地面煤层气抽采钻井遗留套管，不利于煤炭开采;抽放钻孔及水力压裂等增透措施破坏顶底板，易沟通含水层，给煤炭开采带来安全隐患。

2 典型地质煤层气与煤炭协调开发

晋城矿区、两淮矿区、松藻矿区是我国较高渗中硬煤层条件、低渗突出软煤层群条件及复杂地质条件下煤层气与煤炭协调开发的典型代表。在分析和总结3个矿区地质条件及煤层气与煤炭开发时间顺序、空间布局、技术途径的基础上，初步提出三种典型地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式及其适用条件。

2.1 较高渗中硬煤层煤层气与煤炭协调开发

2.1.1地质条件

晋城矿区位于沁水煤田南部，具有煤层稳定、煤层气赋存条件好的特点，是我国目前发现的最具煤层气开发潜力的地区。晋城矿区煤层主要为高阶无烟煤，埋深300～700m，主采3号煤层倾角小，厚度5～6m，煤层硬度高，地质构造相对简单;瓦斯含量10～38m3/t，平均16m3/t;渗透率中等偏高，0.1～5mD;资源丰度达2×108m3/km2。

2.1.2 时空协调

为实现采煤采气一体化协调开发，将矿区划分为煤炭采空区、煤炭生产区、煤炭远景区，不同区域内采用不同的煤层气开发方式。

(1)煤炭远景区 以煤层气地面开发为主。煤层气含量q＞16m3/t区域，提前5～10a采用地面直井或水平井开发技术进行预抽;q为8～16m3/t区域，提前3～5a采用地面直井或水平井开发技术进行预抽，同时进行煤矿井下瓦斯抽采。

(2)煤炭生产区 以井下抽采为主、地面采动区抽采相结合的方式进行煤层气抽采，保证煤矿井下瓦斯压力P＜0.74MPa，瓦斯含量q＜8m3/t。

(3)煤炭采空区 地面煤层气井进行采空区抽采为主，同时注重与井下瓦斯抽采相结合。

在实施过程中，根据煤层气含量、煤矿生产规划和回采工作面空间位置进行立体化设计和布置。在时间方面，保证煤层气开发与煤炭开发的全过程协调一致;在空间方面，保证地面煤层气井位与矿井采掘之间的衔接与协调;在功能方面，实现采前、采中和采后煤层气综合抽采，煤层气开发与煤炭地质勘查、矿井建设与生产、瓦斯治理等工作的衔接与协调，实现煤层气井功能的多元化。

2.1.3 技术途径

抽采技术主要包括地面煤层气开发、井下抽采技术和地面与井下联合抽采三方面。地面煤层气开发技术包括直井、水平井和丛式井。直井采用清水钻进、活性水压裂和定压排水采气技术，适宜于有较长抽采时间保证的区域;水平井适合地质条件简单，抽采时间相对较短，渗透率中等和投资规模较大的区域;丛式井适合地质条件较简单，地面地形条件较差，征地和道路修整困难，投资规模中等的区域。

井下抽采技术包括模块化区域递进式抽采技术、分源双系统抽采技术和采空区抽采技术。模块化区域递进式抽采技术运用顺煤层的长钻孔、枝状钻孔技术，在煤矿抽采巷道向两侧施工长钻孔，根据钻孔长度和工作面尺寸确定抽、掘、采工作面比例，每一次的抽、掘、采工作面形成一个模块。分源双系统抽采技术根据本煤层预抽需要高负压、低流量，采空区抽采需要低负压、大流量的特点，在钻孔预抽区和采空区分别建立煤层气抽采系统。采空区抽采技术通过在地面钻垂直孔至采动裂隙带，抽采采空区以及邻近煤层和围岩中的煤层气。

2.1.4 模式总结

较高渗中硬煤条件下煤层气与煤炭协调开发模式主要特点是先采气后采煤，以采气保采煤;地面开发与井下长钻孔区域抽采相结合，保证安全高效采煤的同时，实现煤层气与煤炭协调开发。该模式适用于地质构造相对简单，地势平缓，煤质较硬，f＞1，q＞16m3/t，渗透率＞1mD，现代地应力作用较弱的地区。

2.2 低渗突出软煤层群煤层气与煤炭协调开发模式

2.2.1 赋存条件

两淮矿区是华东、中南、华北等煤矿区的典型代表，煤炭储量占华东地区煤炭总储量的70%，是我国高瓦斯、高地应力、煤层群、开采条件较复杂的典型矿区。两淮矿区现有31对生产矿井，全部为高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，具有煤层群 (8～15层可采煤层)、煤层瓦斯含量高 (12～32m3/t)、表土厚 (300～600m)、埋藏深 (400～2000m)、极松软 (f为0.2～0.8)、透气性低 (渗透率为 0.001～0.01mD)、瓦斯压力大 (高达6.4MPa)、煤层倾角变化大 (0～90°)等特点。

2.2.2 时空协调

为实现低渗突出软煤层群条件下煤层气与煤炭协调开发，矿井必须提前3～5a制定煤层气与煤炭共采及煤层气抽采规划，调整矿井开采部署，制定矿井开拓、掘进和回采接替计划，以及配套的煤层气抽采技术方案，保证首采层和卸压层工作面正常衔接，做到“抽、掘、采”协调。为此，在时间和空间上将矿区划分为准备区、生产区和采空区，如图1所示。

(1)准备区 在低透气性煤层群赋存区域，采用先抽后采模式，先采气后采煤，以采气促采煤。利用地面钻井压裂抽采和井下穿层钻孔抽采技术，实现瓦斯含量 q＜8m3/t，残余瓦斯压力 P＜0.74MPa的目标。

(2)生产区 首采层采用穿层钻孔、顺层钻孔、边掘 (采)边抽和井下强化增透抽采等技术，卸压层采用地面钻井采动区抽采技术和卸压层穿层钻孔抽采技术，实现煤层气与煤炭资源安全高效开发，工作面瓦斯抽采不低于《煤矿瓦斯抽采基本指标》的要求。

(3)采空区 针对采空区、裂隙带围岩瓦斯，采用地面钻井采空区抽采及采空区埋 (插)管抽采技术，实现回收煤层气资源，防止回风瓦斯超限的目标。

2.2.3 技术途径

两淮矿区煤层气抽采主要技术途径包括地面钻井“一井三用”煤层气综合抽采技术、首采保护层抽采技术及卸压层抽采技术三方面。

图1 煤层群条件下煤层气与煤炭协调开发时空布局

(1)地面钻井“一井三用”煤层气综合抽采技术利用同一个地面钻井分阶段进行煤层气抽采，实现采前、采中和采空区抽放。

(2)首采保护层抽采技术包括区域顺层钻孔、煤 (岩)巷穿层钻孔、井下深孔控制预裂爆破增透、边掘 (采)边抽、采空区煤层气抽采等方面。

(3)卸压层抽采技术包括首采关键层顶板采空区富集煤层气抽采技术、大间距上部远程卸压煤层气抽采、煤层群多层开采底板卸压煤层气抽采技术等。

2.2.4 模式总结

低渗突出软煤层群条件下煤层气与煤炭协调开发模式如图2所示。实施过程中，主要做好以下四个方面的协调:一是地面钻井压裂、采动区、采空区抽采时，应与煤矿生产区、远景规划区协调;二是首采层煤层气与煤炭开发时，在时间、空间及产量三方面要协调;三是邻近层 (卸压层)煤层气与煤炭开发时，时间、空间及产量要协调;四是首采层与邻近层煤炭及煤层气开发时，在时间、空间上要协调。该模式适用地质条件为:高瓦斯煤层群、地质构造复杂，地势平缓，煤质松软，0.2＜f＜0.8，q＞16m3/t，渗透率为 0.001 ～0.01mD，P=6MPa。

2.3 复杂地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式

2.3.1 赋存条件

松藻矿区地处云贵高原向四川盆地过渡带的高山地带，地面抽采条件极差，是我国典型的复杂地质条件煤矿区。松藻矿区煤系地层总厚为54.49～88.60m，平均78.45m，共含煤5～14层，全区稳定可采煤层仅8号煤层，平均厚度2.02～3.83m，约占矿区总储量的60%左右，其余各煤层均为局部可采煤层，各开采煤层均属高变质阶段无烟煤，煤层之间间距一般不超过20m。矿区瓦斯储量丰富，总储量3.83×1010m3，矿区现有6对生产矿井，均为煤与瓦斯突出矿井，煤层瓦斯含量最高29m3/t，煤层瓦斯压力1.2～4.5MPa，渗透率仅 (1.4～8.0)×10－4mD。

图2 低渗突出软煤层群条件下煤层气与煤炭协调开发模式

2.3.2 时空协调

由于松藻矿区地表地形条件复杂，目前技术条件不适合进行地面煤层气开发。因此，目前在远景规划区无法采取有效的煤层气开发技术，各类技术主要应用在采掘准备区、回采生产区以及采空区3个区块，如图3所示。松藻模式的建立与实践也主要体现在这3个区块内。

图3 复杂地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式

(1)采掘准备区 各类回采巷道准备超前时间应该根据各矿井自身条件测定总结得出，没有实测数据之前，用于穿层抽采钻孔施工点的巷道最低超前时间为4个月，用于采面本层抽采钻孔施工点的巷道最低超前时间为6个月，不作采面本层抽采的回采巷道最低超前时间为2个月。不同区域煤层气抽采超前时间应该根据各矿井自身条件测定总结得出，没有实测数据之前，超前时间必须满足以下条件:突出薄煤层巷道超前掘进条带预抽采最低超前时间6个月，最少超前距离600m;突出薄煤层采面本层采前预抽采最低超前时间3个月，最少超前距离300m(综采工作面超前距离600m);突出中厚煤层巷道掘前掘进条带预抽采最低超前时间12个月，最少超前距离1000m;突出中厚煤层采面开采前本层预抽采最低超前时间6个月，全部完工;薄煤层开采时，中厚煤层网格预抽采最低超前时间6个月，最少超前距离300m(综采工作面超前距离600m);突出煤层揭煤点的预抽采最低超前时间6个月。

(2)回采生产区 井下煤层气预抽超前煤炭生产进行，保护层开采超前被保护层煤炭开采。保护层煤炭开采超前时间应该根据各矿井自身条件测定总结得出，没有实测数据之前，超前时间必须满足:中厚煤层保护煤量可采期，最低超前时间30个月;可供布面的中厚煤层保护煤量可采期，最低超前时间20个月。

(3)采空区 采空区煤层气开发的目标主要有两个方面:一方面是能进一步提高煤矿区煤层气的抽采率，保证矿井瓦斯抽采率达到《抽采基本指标》要求;另一方面是可有效控制采空区内部瓦斯涌入到生产空间，保证井下煤炭安全生产。

2.3.3 技术途径

松藻矿区主要技术途径包括煤层气开发技术和煤层卸压增透技术两个方面。

(1)煤层气开发技术主要包括底板穿层钻孔预抽煤层气技术、顺层钻孔预抽煤层瓦斯技术、邻近层煤层气抽采技术、采空区井下煤层气抽采技术、综合多源立体抽采煤层气技术、采空区地面煤层气抽采技术等。

(2)煤层卸压增透技术主要包括保护层开采卸压增透技术、深孔预裂爆破技术、高压水力增透技术。

以松藻矿区为代表的复杂条件矿区具有煤层渗透率低以及含气饱和度低的特点，直接采取煤层气采前预抽技术效率低下，因此积极探索、应用煤层卸压增透技术是保障矿区安全生产的重要途径。

2.3.4 模式总结

复杂地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式的主要特点在于“三超前”，即抽采准备巷道超前部署，抽采系统超前运行，保护层超前开采。模式适用地质条件为:地表地形条件复杂、高山地带、松软突出薄煤层群、地质构造极复杂，煤质松软，0.2＜f＜0.8，含气量 17 ～29m3/t，渗透率 ＜0.0008mD，P＜4.5MPa。

3 结论

晋城矿区、两淮矿区、松藻矿区是我国较高渗中硬煤层条件、低渗突出软煤层群条件及复杂地质条件下煤层气与煤炭协调开发的典型代表。在总结三个矿区地质条件及煤层气与煤炭开发时间顺序、空间布局、技术途径的基础上，初步提出3种典型地质条件下煤层气与煤炭协调开发模式及其适用条件。但煤层气开发与煤炭开采时空协调关系尚未定量化，协调程度评价体系尚未建立，还有待进一步开展研究。

［1］武华太.煤矿区瓦斯三区联动立体抽采技术的研究和实践［J］.煤炭学报，2011，36(8).

［2］吴建国，李 伟.淮北矿区煤层气抽采利用技术探讨 ［J］.中国煤层气，2005，2(4).

［3］陈 飞，程 军，姚光华，等.重庆地区煤层气资源开发模式研究［J］.煤矿开采，2011，16(1):28－31.

Initial Discussion of Coalbed Methane and Coal Coordination Mining Mode

LEI Yi，SHEN Bao-hong，LIU Jian-zhong
(China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China)

On the basis of analyzing and concluding geological condition，coalbed methane and coal mining sequence，space arrangement，technology approach in Jincheng，Huainan and Huaibei，Songzao mining area，this paper put forward coalbed meathane and coal coordination mining mode and adaptable condition of 3 typical geological conditions，which provided reference for mining coalbed methane and coal with similar condition.

coalbed methane;coal;coordination;mode

TD712.6

A

1006-6225(2012)03-0001-04

2012－02－22

雷 毅 (1979－)，男，四川阆中人，工程师，从事煤矿开采、煤层气开发及煤矿安全的科研管理及研究工作。

［责任编辑李 青］