晋城矿区寺河矿采空区煤层气资源评价

通过对煤炭开采引起覆岩变形破坏的研究,进行理论分析及数学推导,对晋城矿区寺河矿采空区煤层气资源进行计算。采空区内煤层气资源主要由吸附气及游离气构成,基于煤层开采后覆岩的变形破坏特征,分析采动裂隙形成原因,依此计算出冒落带及裂隙带的岩体孔隙体积,并建立了采空区煤层气资源计算模型。     

晋城寺河井区煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术研究

随着煤层气勘探的不断深入,煤矿采空区煤层气已成为煤矿区煤层气重要资源之一。基于晋城矿区寺河井区煤矿采空区分布特征,通过地质分析、采空区煤层气成分、浓度试验和资源量模型计算等方法系统研究了煤矿采空区煤层气资源条件及地面抽采关键技术,揭示了采空区煤层气赋存规律,给出了不同赋存状态下煤层气资源量计算模型和方法,探索了煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术。研究表明,煤矿采空区煤层气来源于煤柱及残留煤层、邻近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。根据吸附气和游离气资源量计算模型计算寺河井区煤层气总资源为213.016×10⁸m³,其中游离气资源为0.102×10⁸m³,吸附气资源为212.914×10⁸m³。采煤方法和采空区密闭性对采空区煤层气的来源和富集程度有重要影响。针对采空区上部岩体裂隙发育特征,将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构,实现了二开固井封闭断裂带上部含水层,三开下入割缝套管护壁,有效解决了采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性影响及抽采效果等问题。在此基础上,研发了潜孔锤+压缩空气(氮气)钻井工艺,用氮气取代空气作为循环介质,形成了安全揭露含气断裂带钻井工艺技术,为采空区煤层气安全抽采探索了有效途径。     

中国主要矿区煤层气资源的评估

煤层气资源的评估是规划煤层气开发利用的基础。本文根据我国煤层气开发的已有成功经验和煤层气资源与煤层共生、共储、共采的特点，认为近期内应以煤炭可供开采的资源量为基础评估煤层气资源才有比较现实的意义。以对各矿区煤层测定的大量瓦斯吸附常数、孔隙率、煤质分析资料和现场实测的煤层瓦斯压力为基础，计算了煤层的瓦斯含量，并提出了以目前中国主要煤矿区为单元的煤层气资源评价结果。中国主要煤矿区的煤层气保有资源量总计为47303．4亿m^3。，备采煤层气资源量为13878．6亿m^3。     

晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

废弃矿井煤层气资源丰富,抽采废弃矿井煤层气,已成为煤矿区煤层气的重要资源之一.基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际,系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展,分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题,提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容.研究...     

煤矿采动稳定区煤层气资源评估方法及其应用

受多煤层赋存条件和煤矿井下回采工艺影响,采空区内的大量遗煤导致废弃矿井或老采空区内赋存丰富煤层气资源,对这一资源的准确评估、合理开发和高效利用是我国进行非常规油气资源开发的重大需求,如何准确评估废弃矿井或老采空区的可抽采煤层气资源量是进行高效开发的关键问题。因此,通过分析煤层气的来源、赋存空间和关键影响因素,建立了基于“间接减法”理念的采动稳定区(废弃矿井或老采空区)煤层气资源评估模型,提出了进行采动稳定区煤层气资源评估的方法。运用建立的评估模型和方法,在晋城矿区成庄矿5310工作面区域进行了采动稳定区煤层气资源的地面井抽采试验,单井连续抽采433 d,抽采煤层气资源243.27万m3,抽采量核算与评估结果基本一致,初步证明了评估方法的适用性。     

过采空区煤层气井地面抽采关键技术

为保证煤矿区煤层气资源超前预抽和连续性开发利用,抽采煤矿采空区下伏煤层的煤层气,已成为煤矿区煤与煤层气共采的重要课题之一。以山西晋城寺河矿井为例,分析了3号煤层采空区下伏岩层应力-应变分布规律、采空区下伏岩层裂隙演化规律和下伏煤层渗透率变化情况,根据采空区卸压效果和下伏煤层的煤层气解吸程度,揭示了过采空区煤层气井抽采机理。通过在采空区以上50 m位置对二开技术套管外安装裸眼封隔器和反扣装置,二开固井后,将反扣装置及以上套管进行回收,使三开固井实现全井段有效固井。从3号煤层采空区以上90 m至采空区底板20 m以下的二开钻进过程采用氮气钻进,研发了煤层气地面钻井过采空区成套系统,包括空压机组、制氮机和增压机组,对其机组参数进行了优化。基于以往寺河矿区煤层气井裂缝监测结果,优化压裂施工参数,适当缩小9号和15号煤层规模压裂。按照过采空区井抽采机理和产气特征划分了3种产气类型,分析了其产气规律。研究结果表明,9号煤层和15号煤层都位于采空区下伏底臌变形带内,3号煤层回采后,9号煤层和15号煤层渗透率分别提高了2.70倍和2.65倍,9号煤层渗透率提高到10×10~(-15)m~2左右,卸压效果较好。通过安装裸眼封隔器和反扣装置优化井身结构,过采空区井实现了全井固井,保证了固井质量;二开采用氮气介质穿越采空区,可以保障过采空区钻井的安全高效施工。压裂裂缝监测结果显示,该井15号煤层裂缝总长为290 m,走向为NE150°;9号煤层裂缝总长370 m,走向为NE80°,压裂效果较好。60%的过采空区井一般在1个月内产气,29%的井2～5个月产气,11%的井7个月以上产气。3种过采空区井产气类型分别为:单峰型Ⅰ,即气产量缓慢增加-下降型(以吸附气为主);单峰型Ⅱ,即气产量快速增加-下降型(以游离气为主)和双峰型(游离气+吸附气),不同类型煤层气井产气规律存在明显的差异性; 3种类型的过采空区井,一般保持井口套压在0.5 MPa以上,在进入稳定产气阶段后,大部分井套压控制稳定在0.2～0.4 MPa,以保证过采空区井的持续高产。     

矿区环境保护与煤炭清洁开采

介绍了煤炭开采引起的地表变形、建筑物破坏、固体废弃物污染、煤层瓦斯、矿井废水排放等矿区环境和生态破坏环境,提出了改革矿井开拓部署,改进回采工艺,研究井下充填技术,加大煤层气开发及充分利用井下废弃井巷等技术途径,减少矿区环境污染。     

“双碳”目标下煤矿采空区（废弃矿井）煤层气资源再利用的政策研究

在我国以煤炭为主导的能源结构背景下,要实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标,除了要大幅发展可再生能源外,还需要大力推进化石能源清洁高效利用。当前,煤炭行业供给侧结构性改革持续推进,国内绿色煤炭资源量逐年减少,煤炭采空区（废弃矿井）数量日益增多。开发利用好煤矿采空区（废弃矿井）残余煤层气资源,是实现“双碳”目标的重要举措。本文总结了山西省煤矿采空区（废弃矿井）煤层气资源赋存情况,分析了开发利用煤矿采空区（废弃矿井）煤层气资源的必要性和可行性,剖析了现阶段开发利用可能面临的诸多问题,如矿业权设置、经济成本等,提出了规范开发的政策性建议：1.矿业权设置方面,可以邀请招标等方式确定实施企业;2.出台政策方面。如免征矿业权使用费、鼓励煤矿闭坑后,继续运营瓦斯抽采系统、支持煤层气移动式发电站项目建设等。3.监管方面,加大监管力度,对恢复煤炭生产的企业依法实施处罚。     

中国煤矿区煤层气开发及其技术途径

在介绍我国及重点煤矿区煤层气资源量分布利用情况以及煤矿区煤层气开发原则的基础上,分析了煤矿区煤与煤层气一体化开发的时空协调关系及煤气共采实现的技术途径。从煤层采动引起的岩层移动时空规律、煤层采动对煤层气钻井(孔)布设的影响和采煤活动对煤矿区煤层气开发的促进作用3个方面分析了煤炭开采对煤层气开发的影响;从煤层气开发对煤炭开采顺序和效率的影响、煤层气抽采对煤矿瓦斯治理的促进作用以及煤层气地面开发存在的安全隐患3个方面,分析了煤层气开发对煤炭开采的影响。最后介绍了煤矿区煤层气开发的效果,指出煤与煤层气一体化协调开发是开发和利用煤矿区2种资源,预防和治理煤矿瓦斯事故的有效途径。     

矿区环境保护与煤清洁开采

介绍了煤炭开采引起的地表变形，建筑物破坏，固体废弃物污染，煤层瓦斯，矿井废水排放等矿区环境和生态破坏环境，提出了改革矿井井拓部署，改进回采工艺，研究井下充填技术，加大煤层气开发及充分利用井下废弃井巷技术途径，减少矿区环境污染。     

废弃矿井瓦斯资源量计算主要参数确定方法

文章分析了废弃矿井瓦斯资源构成，介绍了废弃矿井瓦斯资源量的计算方法，指出资源构成法是实用可行的计算方法。在上述基础上，重点研究了资源构成法计算废弃矿井瓦斯资源量时，采空区瓦斯浓度、废弃瓦斯含量、采空区体积等主要参数的确定方法及主要考虑问题。     

受底板承压水影响的下保护层开采厚度确定

针对淮南潘谢矿区煤层条件建立了采动煤岩体计算模型,在分析顶、底板煤岩受力后裂隙分布特征基础上,通过数值模拟的方法研究了保护层A3煤层不同开采厚度时,采空区上方的B4-1煤膨胀变形量及本煤层底板导水破坏深度变化规律;随着开采厚度不断增大,B4-1煤层膨胀变形量呈指数函数趋势增加,并在采厚2～3 m之间有突变过程;在承压水水压降为1.0 MPa情况下,随开采厚度增加,底板采动破坏深度与之呈现对数曲线关系。在保证保护层A3煤层对被保护层B4-1煤层能充分卸压及在承压水体上安全回采的前提下,最后得出A3煤层理论上最佳开采厚度为2.21～4.0 m。     

山西省废弃矿井采空区煤层气地面抽采实践

历史上部分中小煤矿受回采工艺、技术等限制,采空区遗留有大量煤炭,所释放煤层气(瓦斯),对安全生产造成影响;部分煤层气通过上覆地表裂隙散放至大气中,造成环境污染。针对上述安全、环境及社会问题,以山西省废弃矿井采空区煤层气治理为工程背景,提出了废弃矿井采空区煤层气地面钻采技术及配套工艺体系。即使用惰性气体如氮气等作为地面钻井循环介质,安全揭露采空区顶板裂隙带及垮落带,根据煤层气浓度通过增压机组等设备进行负压抽采,实现分级抽采利用废弃矿井采空区煤层气的目的。应用实践表明,采空区地面井平均产能达2000m^3/d,部分高产井产能甚至达到6000m^3/d,抽采年限达6年以上。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

河北省煤系天然气资源及其成藏作用

为摸清河北省煤系天然气资源潜力,揭示其耦合成藏作用,采用等温吸附、TOC含量测试、X衍射、岩石热解、高压压汞、液氮吸附、显微组分镜鉴、脉冲渗透率等试验测试,对源-储地化和物性特征进行研究,结合各赋煤构造区煤系沉积-构造演化史,进行煤系天然气资源评价并揭示其成藏作用。结果显示:河北省煤系天然气资源丰富,煤层气资源量39 015×108m3,页岩气资源量33 447×108m3,致密砂岩气资源量24 000×108m3,石炭二叠系占绝对优势;烃源岩有机质以Ⅲ型为主,成熟度Ro介于0.5%~3.0%,以成熟—过成熟阶段为主;煤对煤系天然气藏起决定作用,富有机质泥页岩起关键作用,泥页岩的厚度优势弥补了有机质"欠缺";煤系储层连通性较好,属低孔低渗型,二次生烃作用是煤系天然气成藏的关键;共生调节机制煤层气表现为层间调节,页岩气为层内调节,砂岩气为协调调节;基于共生调节机制和空间叠置关系,将煤系天然气藏分为"远源"致密砂岩气藏、"自源"页岩气/煤层气藏和"自源+他源"叠合气藏3类,后者包括3种成藏模式。     

超化煤矿“三软”煤层回采工作面瓦斯治理技术

对超化煤矿主采的山西组二1煤层在工作面回采过程中采取的高抽巷瓦斯抽放技术、顶板岩石钻孔抽放技术、上隅角抽放、煤层注水等技术手段及其效果进行了系统的分析和总结,以期能够对矿井今后在瓦斯治理方面起到指导作用,也可供类似条件的矿井参考。     

底板岩巷穿层钻孔一孔多用瓦斯抽采时效性研究

为了提高穿层钻孔的利用率,基于煤岩动力学行为下的采动裂隙场和应力场演化规律,提出全生命周期的底板岩巷穿层钻孔一孔多用瓦斯抽采技术,即按先后顺序实现采前预抽、边采边抽以及采空区瓦斯抽采功能。以古汉山矿1604综采工作面为例,进行现场试验。结果表明:一孔多用试验钻孔的抽采效果具有明显的时变特性,为定性定量分析试验钻孔的抽采时效性规律,根据抽采纯量变化将抽采全生命周期划分为初始预抽增流期、高效预抽期、预抽快速衰减期、高效卸压增流期、低流枯竭期、采后纯量回升期和采后衰减低流期7个阶段;高效预抽期是全生命抽采周期中最关键的阶段,其次为高效卸压增流阶段,平均瓦斯抽采纯量可达到在预抽高效期钻孔平均瓦斯抽采纯量的61.4%;确定前方距离工作面70 m至后方距离工作面40 m范围内为穿层钻孔受采动卸压影响区,工作面超前35~40 m,抽采浓度和纯量最大;在边采边抽阶段,距离采面前方20~70 m的试验钻孔平均抽采纯量比卸压前提高5倍;古汉山矿底板岩巷穿层钻孔采前预抽合理抽采天数为260 d,边采边抽有效抽采期为46 d,采空区瓦斯抽采有效抽采期为26 d。通过一孔多用的底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采实现了预抽达标和降低工作面瓦斯涌出的目标,具有良好的推广应用价值。     

沿空掘巷技术在嵩山煤矿三软煤层中的应用

煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一,尤其是三软煤层地质条件下煤炭开采,巷道围岩矿压大,巷道变形快,底鼓严重。巷道围岩的突出特征是围岩由非均质层状岩体组成,围岩变形不协调而容易离层和失稳,表现为巷道变形破坏明显。河南省偃龙地区三软煤层地质条件下,综采工作面回风巷、运输巷煤巷变形的有效控制,一直是个技术难题。论述了目前传统的三软煤层地质条件下留设大煤柱掘进的煤巷,维护的现状及存在的问题。 以嵩山煤矿二二采区2203综采工作面回风巷4号段为例,结合现场实际情况,将沿空掘巷技术应用到该段煤巷掘进中,着重分析了沿空掘巷技术在三“软”煤层条件下煤巷掘进中的适用性。实践表明,在三软煤层地质条件下,沿空掘巷技术适用性强,相较于留设大煤柱掘进的煤巷,沿空掘进的煤巷巷道变形慢,得到了有效的控制,大大减少了返修量,具有很大的经济效益和社会效益。