煤層氣低碳經濟論文

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1瓦斯地質概況

河南省煤的變質程度在水平方向和垂直方向上都有明顯的規(guī)律。水平方向上，山西組煤質分布明顯地表現為帶狀分布，其變質程度由南向北逐步增高。按照煤的工業(yè)分類，大致分為五個變質帶，包括平頂山—韓良瘦煤帶、禹縣—臨汝—宜洛—陜澠焦煤帶、禹縣北—臨汝北—澠池北—新安南瘦煤帶、新密—登封—新安貧煤帶、滎鞏—偃龍以及黃河以北廣大地區(qū)的無煙煤帶。垂直方向上的分帶依煤系層序變質程度由新到老逐步加深，河南煤田的突出危險性也隨變質程度由南向北逐步增加。南部平頂山—韓梁肥煤帶為非突出區(qū)或低瓦斯區(qū)，中部響縣—陜澠焦煤帶、禹縣北—新安南瘦煤帶及新密—新安貧煤帶為一般突出區(qū)，而北部焦作大多為煤級較高的無煙煤，屬于河南省瓦斯嚴重突出區(qū)。

軟煤的變形特征煤田構造位處我國著名的秦嶺-大別山構造帶北麓。自晚古生代以來，中國東部南、北大陸一系列的相互作用等構造-熱事件，導致含煤巖系煤層厚度變化頻繁，形態(tài)復雜，煤級高，具有明顯不同于板內（華北地區(qū)）相近時代煤層的特殊性，是我國典型的“三軟”煤層。而礦井瓦斯實測數據同樣表明，經過強烈構造作用的軟煤強度低（f＜0.12），透氣性差（λ=0.0053m3/MPa.d），瓦斯壓力大（P＞2MPa），但解析速度較快（△P＞20），衰減期很短。一旦采掘活動發(fā)生冒頂、片幫及落煤堆積，煤體內部瓦斯將很快解析釋放，致使采掘工作面瓦斯涌出量驟增，一般為正常煤壁的幾倍甚至幾十倍。實屬低滲難抽放軟弱煤層。

2“三軟”煤層瓦斯抽采方法

2.1井下壓裂生產和科學

實踐表明，井下注水壓裂技術不僅增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率，降低煤與瓦斯突出，并且對防治煤塵、頂板、沖擊地壓等礦井地質災害均具有明顯促進作用[5-7]。如平煤十礦于2009年2月24日進行注水壓裂試驗，試驗點位于該礦24080工作面，煤層厚4m，瓦斯含量23m3/t，瓦斯壓力2.4Mpa，滲透率0.0013m/D，堅固系數0.24-0.37，屬于較難抽放軟弱煤層。通過水力壓裂試驗，在影響范圍內，預抽鉆孔56天單孔抽采瓦斯總量10093m3，平均單孔瓦斯抽放量由77m3增加到7893m3，衰減周期由7天左右延長到80-90天，單孔瓦斯預抽出率33%。根據分源預測法計算，回采期間工作面瓦斯涌出量將由壓裂前的30.13m3/min降到16.67m3/min。按照現有通風條件，回風巷中瓦斯?jié)舛葘⒂蓧毫亚暗?.51%下降到0.83%。可見，“三軟”煤層的水力壓裂試驗效果十分顯著。注水壓裂煤層還能充分濕潤煤體，有效治理“三軟”礦區(qū)的煤塵災害。煤體的含水量與采面位置有直接關系，離壓裂孔越遠，含水量越低。注水壓裂后的防塵效果也十分明顯。

2.2地面壓裂地面壓裂就是借鑒

地面油氣井壓裂工藝，在地面布置壓裂孔，沿一定方向進行水力壓裂，然后進行井下抽采。該工藝克服了“三軟”低滲煤層單純地面壓裂井增產效果差的缺陷，有效實現了煤礦“先抽后采”、“采煤采氣一體化”，尤其適用于不具備井下壓裂條件的中小煤礦，為復雜井田連片整合及區(qū)域瓦斯抽采提供了技術保證。2007年9月26日，河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司在焦作礦區(qū)位村煤礦試驗井田范圍內共布置六個地面鉆孔進行地面水力壓裂。壓裂試驗后，經微地震測試，GW試-002孔裂縫方位呈NE71.5°，東翼縫長為82.4m，西翼縫長為109.5m。截至2008年底，回采工作面已接近地面井壓裂區(qū)域，生產礦井在巷道的上下幫沿煤層傾向分別施工抽放鉆孔。從鉆孔瓦斯抽放效果來看，1號、19號和20號鉆孔終孔位置距壓裂縫中心線較近，抽放濃度是72號、166號（終孔位置距壓裂裂縫中心線較遠）的2-3倍以上，平均日抽放瓦斯純量遠大于72號、166號。

3結論

(1)河南省煤炭儲量豐富，但“三軟”煤層結構復雜，變形強烈，實屬低滲難抽煤層。如何綜合利用儲量豐富的“三軟”煤層瓦斯資源，對中原經濟區(qū)的社會經濟發(fā)展來說是一個重大的機遇和挑戰(zhàn)。

(2)礦井現場壓裂和抽采試驗表明，以“定向注水壓裂”為核心內容的瓦斯抽采技術，能夠明顯改善“三軟”煤層的透氣性，顯著提高瓦斯抽采率，是新形勢下我國煤礦瓦斯抽采技術的新突破，為復雜礦區(qū)在煤層氣資源開發(fā)中找到商機提供了技術保證。

(3)煤層注水不僅能壓裂煤層，而且能凈化井下工作環(huán)境，抑制“三軟”礦區(qū)日益嚴重的瓦斯、煤塵爆炸事故，因而也是一項防治礦井地質災害，有效實現礦井安全生產以及促進社會和諧穩(wěn)定的“綠色”開采技術。

作者：秦禮君賀平胡向志單位：鄭州大學水利與環(huán)境學院河南省煤層氣鉆井工程技術研究中心