煤层气低碳经济论文

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1瓦斯地质概况

河南省煤的变质程度在水平方向和垂直方向上都有明显的规律。水平方向上，山西组煤质分布明显地表现为带状分布，其变质程度由南向北逐步增高。按照煤的工业分类，大致分为五个变质带，包括平顶山—韩良瘦煤带、禹县—临汝—宜洛—陕渑焦煤带、禹县北—临汝北—渑池北—新安南瘦煤带、新密—登封—新安贫煤带、荥巩—偃龙以及黄河以北广大地区的无烟煤带。垂直方向上的分带依煤系层序变质程度由新到老逐步加深，河南煤田的突出危险性也随变质程度由南向北逐步增加。南部平顶山—韩梁肥煤带为非突出区或低瓦斯区，中部响县—陕渑焦煤带、禹县北—新安南瘦煤带及新密—新安贫煤带为一般突出区，而北部焦作大多为煤级较高的无烟煤，属于河南省瓦斯严重突出区。

软煤的变形特征煤田构造位处我国著名的秦岭-大别山构造带北麓。自晚古生代以来，中国东部南、北大陆一系列的相互作用等构造-热事件，导致含煤岩系煤层厚度变化频繁，形态复杂，煤级高，具有明显不同于板内（华北地区）相近时代煤层的特殊性，是我国典型的“三软”煤层。而矿井瓦斯实测数据同样表明，经过强烈构造作用的软煤强度低（f＜0.12），透气性差（λ=0.0053m3/MPa.d），瓦斯压力大（P＞2MPa），但解析速度较快（△P＞20），衰减期很短。一旦采掘活动发生冒顶、片帮及落煤堆积，煤体内部瓦斯将很快解析释放，致使采掘工作面瓦斯涌出量骤增，一般为正常煤壁的几倍甚至几十倍。实属低渗难抽放软弱煤层。

2“三软”煤层瓦斯抽采方法

2.1井下压裂生产和科学

实践表明，井下注水压裂技术不仅增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出，并且对防治煤尘、顶板、冲击地压等矿井地质灾害均具有明显促进作用[5-7]。如平煤十矿于2009年2月24日进行注水压裂试验，试验点位于该矿24080工作面，煤层厚4m，瓦斯含量23m3/t，瓦斯压力2.4Mpa，渗透率0.0013m/D，坚固系数0.24-0.37，属于较难抽放软弱煤层。通过水力压裂试验，在影响范围内，预抽钻孔56天单孔抽采瓦斯总量10093m3，平均单孔瓦斯抽放量由77m3增加到7893m3，衰减周期由7天左右延长到80-90天，单孔瓦斯预抽出率33%。根据分源预测法计算，回采期间工作面瓦斯涌出量将由压裂前的30.13m3/min降到16.67m3/min。按照现有通风条件，回风巷中瓦斯浓度将由压裂前的1.51%下降到0.83%。可见，“三软”煤层的水力压裂试验效果十分显著。注水压裂煤层还能充分湿润煤体，有效治理“三软”矿区的煤尘灾害。煤体的含水量与采面位置有直接关系，离压裂孔越远，含水量越低。注水压裂后的防尘效果也十分明显。

2.2地面压裂地面压裂就是借鉴

地面油气井压裂工艺，在地面布置压裂孔，沿一定方向进行水力压裂，然后进行井下抽采。该工艺克服了“三软”低渗煤层单纯地面压裂井增产效果差的缺陷，有效实现了煤矿“先抽后采”、“采煤采气一体化”，尤其适用于不具备井下压裂条件的中小煤矿，为复杂井田连片整合及区域瓦斯抽采提供了技术保证。2007年9月26日，河南省煤层气开发利用有限公司在焦作矿区位村煤矿试验井田范围内共布置六个地面钻孔进行地面水力压裂。压裂试验后，经微地震测试，GW试-002孔裂缝方位呈NE71.5°，东翼缝长为82.4m，西翼缝长为109.5m。截至2008年底，回采工作面已接近地面井压裂区域，生产矿井在巷道的上下帮沿煤层倾向分别施工抽放钻孔。从钻孔瓦斯抽放效果来看，1号、19号和20号钻孔终孔位置距压裂缝中心线较近，抽放浓度是72号、166号（终孔位置距压裂裂缝中心线较远）的2-3倍以上，平均日抽放瓦斯纯量远大于72号、166号。

3结论

(1)河南省煤炭储量丰富，但“三软”煤层结构复杂，变形强烈，实属低渗难抽煤层。如何综合利用储量丰富的“三软”煤层瓦斯资源，对中原经济区的社会经济发展来说是一个重大的机遇和挑战。

(2)矿井现场压裂和抽采试验表明，以“定向注水压裂”为核心内容的瓦斯抽采技术，能够明显改善“三软”煤层的透气性，显著提高瓦斯抽采率，是新形势下我国煤矿瓦斯抽采技术的新突破，为复杂矿区在煤层气资源开发中找到商机提供了技术保证。

(3)煤层注水不仅能压裂煤层，而且能净化井下工作环境，抑制“三软”矿区日益严重的瓦斯、煤尘爆炸事故，因而也是一项防治矿井地质灾害，有效实现矿井安全生产以及促进社会和谐稳定的“绿色”开采技术。

作者：秦礼君贺平胡向志单位：郑州大学水利与环境学院河南省煤层气钻井工程技术研究中心