让废弃矿井煤层气变害为宝

日前，由晋能控股集团煤与煤层气共采国家重点实验室等单位联合申报的“废弃矿井采空区地面煤层气抽采技术研究及示范”项目，获得2020年度山西省科学技术进步一等奖。近日，本报记者采访了该项目相关负责人，了解该项目研发及应用情况。

建立模型，摸清资源情况

矿关了，但井下还残存着煤层气(瓦斯)，不仅容易引发次生灾害，影响周边生产生活，还会向地表逸散，增加温室效应。

从“十一五”末开始，煤与煤层气共采国家重点实验室、山西蓝焰煤层气集团有限公司等单位就尝试着抽采废弃矿井和采空区的煤层气。同时，他们与中国矿业大学(北京)、太原理工大学开展产学研用联合创新，对废弃矿井采空区煤层气富集规律、资源评价以及井位优化进行深入研究，形成了适应废弃矿井采空区地面钻井抽采与利用的成套技术体系。

“与采煤规划区、准备区等相比，采空区的煤层气赋存情况更加复杂。采煤工艺、遗煤量等不同，煤层气的赋存情况就会不同。”煤与煤层气共采国家重点实验室执行副主任、博士李国富说。

要抽采废弃矿井采空区煤层气，首先要弄清采空区煤层气的富集情况。为此，科研人员研发了废弃矿井采空区煤层气资源评估模型及方法。具体而言，研究人员在煤体吸附性能研究基础上，对发育不同煤体结构煤矿采空区的吸附气资源量进行了计算;在对煤体开采覆岩变形破坏规律研究基础上，分别建立了采空区冒落带和裂隙带内岩体孔隙体积模型;结合煤层气资源分布特征，考虑废弃矿井采空区积水情况，建立了采空区积水量计算和含水饱和度计算模型。

基于这些研究，项目团队对沁水盆地南部晋圣永安宏泰、岳城、寺河、成庄等典型煤矿采空区煤层气资源量进行了测算。结果表明，该区域废弃煤矿采空区煤层气资源丰富。例如，晋圣永安宏泰矿井田面积为6.5平方千米，二叠系山西组3号煤层煤层气总资源量达到5.87亿立方米，具有较好的开发利用潜力。

地面抽采，打破时空限制

“我们是从地面抽采煤层气，不受时间、空间限制，安全更有保障，效果更好。”李国富表示。

煤层气主要成分甲烷的密度比空气低，当甲烷从煤层中解析出来后，会往高处走，并沿着孔隙聚集到采空区上方的某个区域。

以往，煤矿多是从安全的角度抽采煤层气(瓦斯)，而且多在井下抽采。但是，井下抽采受到时间、空间限制。一方面，随着开采推进，煤矿不再维护，一些巷道就会慢慢垮塌，不能再布置抽采设备。另一方面，从井下巷道往上打孔，孔的深度和位置都受巷道布置的影响，一般不能打到最优的层位。

地面抽采则不受上述限制，可以等煤层气散逸出来，富集在一处后再进行钻孔抽采。

科研人员利用自主研制的三维渗流模拟试验系统，开展了采空区气流空间分布特征研究，将采空区气流空间划分为富集区、过渡区和无流区;利用数值模拟方法，揭示了典型井位负压抽采条件下的煤层气渗流特征和不同井位的气流场、速度场和高速流动区分布特征，并找到了地面钻井抽采的最佳井位和层位。

找到了最佳井位与层位，就要往目标区域钻井。但受采煤影响，采空区上部的岩体比较松散，反而不利于钻井。正常情况下，钻井需要用水基钻井液作为循环介质。钻井液一方面可以给钻机降温，另一方面可以把碎屑带出来，让钻进继续。岩体松散的话，钻井液就会从孔隙中漏掉，让钻进无法继续，也更容易发生掉钻、埋钻事故。

针对这些情况，团队研发了包括多结点集约化注浆加固、孔底复合封堵破碎岩体、小导孔注浆加固、煤层底板隔水层薄弱区带修补等在内的成套钻井技术。

“当钻进到有裂隙的岩层时，我们先打个小孔，注入水泥浆，加固破碎岩体，然后就可以正常钻进了。”李国富说。

同时，在破碎岩体处，团队则尝试着使用压缩气体钻井。煤与煤层气共采国家重点实验室工程师李超介绍，压缩气体配合少量的水和发泡液，形成泡沫状的循环介质，利用泡沫表面张力将携带的钻屑返排至地表，避免卡钻、埋钻。

当钻进到煤层附近区域时，使用空气作为钻井循环介质有导致煤炭自燃的风险。为了消除钻井揭露采空区裂隙带后的爆炸隐患，在钻井过程中，工作人员采用惰性气体氮气作为钻井循环介质，形成压缩氮气安全钻井工艺。

分级利用，综合效益明显

钻进到目标区域后，就要对采空区的煤层气进行抽采利用。

煤与煤层气一般是共生的。煤炭中含有5%到8%的孔隙，这些孔隙吸附了大量的煤层气。采前抽采需要提前很长时间打孔，让煤层气从煤炭中解析出来。

与开采前的赋存方式不同，受开采活动影响，采空区的煤层气多以游离态存在。煤采完后，煤层气会自动从残存煤炭、周围煤层中往外冒，并聚集起来。如果还有一些煤层气没有从煤炭中解析出来，工作人员就利用负压抽采工艺，让煤层气尽快解析出来。

“十一五”末，团队在原晋煤集团岳城矿施工了一口抽采井。由于资料精准全面、井下采用分层开采法等原因，该井抽采效果较好，合计产气约3000万立方米。目前，该井每天的产气折纯量在2万立方米左右，已稳定产气10多年。该井投资100多万元，到现在抽采的煤层气价值数千万元，煤矿安全效益和生态效益明显。

当煤层气的甲烷浓度在5%到16%时，具有爆炸风险。为了保证煤层气安全抽采，项目组制定并发布了国内该领域首部安全技术标准《煤矿采空区(废弃矿井)煤层气地面抽采安全规范DB14/T 2049-2020》。

针对不同甲烷浓度的煤层气，项目组研发了相匹配的抽采设备和工艺，对关键抽采参数设置了自动报警与停机界限值，建立了采空区煤层气地面分级利用技术体系。

李国富介绍，当甲烷浓度大于30%时，可以通过管道就近并入主管网，然后通过压缩、液化等途径，直接供工业或居民使用。当甲烷浓度小于30%时，低浓度煤层气安全管道输送则是需要解决的技术难题。

对此，团队提出了三种处理利用方式。一是掺混高浓度的煤层气，使其达到安全标准，然后通过管道输送。二是通过自主研发的野外分布式撬装抽采提纯系统，提纯煤层气，然后再利用。三是利用研发的双燃料分布式发电技术，通过瓦斯发电，将煤层气转化为电，直接供现场使用。

统计数据显示，目前，项目组已在山西省内晋城、西山、阳泉等矿区，施工采空区煤层气抽采井100余口，日抽采利用气量约16万立方米，抽采甲烷浓度一般在30%至90%，多数井保持在50%以上，累计利用采空区煤层气1.28亿立方米，减排二氧化碳192万吨。

李国富表示，未来，他们还将在不同煤层赋存条件、不同采煤方法条件下形成的采空区和关闭矿井煤层气资源量精准预测、采空区内部结构及富水性地面精细探测等方面，继续加强科研攻关。