日前，由晉能控股集團煤與煤層氣共采國家重點實驗室等單位聯(lián)合申報的“廢棄礦井采空區(qū)地面煤層氣抽采技術研究及示范”項目，獲得2020年度山西省科學技術進步一等獎。近日，本報記者采訪了該項目相關負責人，了解該項目研發(fā)及應用情況。

建立模型，摸清資源情況

礦關了，但井下還殘存著煤層氣(瓦斯)，不僅容易引發(fā)次生災害，影響周邊生產(chǎn)生活，還會向地表逸散，增加溫室效應。

從“十一五”末開始，煤與煤層氣共采國家重點實驗室、山西藍焰煤層氣集團有限公司等單位就嘗試著抽采廢棄礦井和采空區(qū)的煤層氣。同時，他們與中國礦業(yè)大學(北京)、太原理工大學開展產(chǎn)學研用聯(lián)合創(chuàng)新，對廢棄礦井采空區(qū)煤層氣富集規(guī)律、資源評價以及井位優(yōu)化進行深入研究，形成了適應廢棄礦井采空區(qū)地面鉆井抽采與利用的成套技術體系。

“與采煤規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)等相比，采空區(qū)的煤層氣賦存情況更加復雜。采煤工藝、遺煤量等不同，煤層氣的賦存情況就會不同。”煤與煤層氣共采國家重點實驗室執(zhí)行副主任、博士李國富說。

要抽采廢棄礦井采空區(qū)煤層氣，首先要弄清采空區(qū)煤層氣的富集情況。為此，科研人員研發(fā)了廢棄礦井采空區(qū)煤層氣資源評估模型及方法。具體而言，研究人員在煤體吸附性能研究基礎上，對發(fā)育不同煤體結構煤礦采空區(qū)的吸附氣資源量進行了計算;在對煤體開采覆巖變形破壞規(guī)律研究基礎上，分別建立了采空區(qū)冒落帶和裂隙帶內(nèi)巖體孔隙體積模型;結合煤層氣資源分布特征，考慮廢棄礦井采空區(qū)積水情況，建立了采空區(qū)積水量計算和含水飽和度計算模型。

基于這些研究，項目團隊對沁水盆地南部晉圣永安宏泰、岳城、寺河、成莊等典型煤礦采空區(qū)煤層氣資源量進行了測算。結果表明，該區(qū)域廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣資源豐富。例如，晉圣永安宏泰礦井田面積為6.5平方千米，二疊系山西組3號煤層煤層氣總資源量達到5.87億立方米，具有較好的開發(fā)利用潛力。

地面抽采，打破時空限制

“我們是從地面抽采煤層氣，不受時間、空間限制，安全更有保障，效果更好。”李國富表示。

煤層氣主要成分甲烷的密度比空氣低，當甲烷從煤層中解析出來后，會往高處走，并沿著孔隙聚集到采空區(qū)上方的某個區(qū)域。

以往，煤礦多是從安全的角度抽采煤層氣(瓦斯)，而且多在井下抽采。但是，井下抽采受到時間、空間限制。一方面，隨著開采推進，煤礦不再維護，一些巷道就會慢慢垮塌，不能再布置抽采設備。另一方面，從井下巷道往上打孔，孔的深度和位置都受巷道布置的影響，一般不能打到最優(yōu)的層位。

地面抽采則不受上述限制，可以等煤層氣散逸出來，富集在一處后再進行鉆孔抽采。

科研人員利用自主研制的三維滲流模擬試驗系統(tǒng)，開展了采空區(qū)氣流空間分布特征研究，將采空區(qū)氣流空間劃分為富集區(qū)、過渡區(qū)和無流區(qū);利用數(shù)值模擬方法，揭示了典型井位負壓抽采條件下的煤層氣滲流特征和不同井位的氣流場、速度場和高速流動區(qū)分布特征，并找到了地面鉆井抽采的最佳井位和層位。

找到了最佳井位與層位，就要往目標區(qū)域鉆井。但受采煤影響，采空區(qū)上部的巖體比較松散，反而不利于鉆井。正常情況下，鉆井需要用水基鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)。鉆井液一方面可以給鉆機降溫，另一方面可以把碎屑帶出來，讓鉆進繼續(xù)。巖體松散的話，鉆井液就會從孔隙中漏掉，讓鉆進無法繼續(xù)，也更容易發(fā)生掉鉆、埋鉆事故。

針對這些情況，團隊研發(fā)了包括多結點集約化注漿加固、孔底復合封堵破碎巖體、小導孔注漿加固、煤層底板隔水層薄弱區(qū)帶修補等在內(nèi)的成套鉆井技術。

“當鉆進到有裂隙的巖層時，我們先打個小孔，注入水泥漿，加固破碎巖體，然后就可以正常鉆進了。”李國富說。

同時，在破碎巖體處，團隊則嘗試著使用壓縮氣體鉆井。煤與煤層氣共采國家重點實驗室工程師李超介紹，壓縮氣體配合少量的水和發(fā)泡液，形成泡沫狀的循環(huán)介質(zhì)，利用泡沫表面張力將攜帶的鉆屑返排至地表，避免卡鉆、埋鉆。

當鉆進到煤層附近區(qū)域時，使用空氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)有導致煤炭自燃的風險。為了消除鉆井揭露采空區(qū)裂隙帶后的爆炸隱患，在鉆井過程中，工作人員采用惰性氣體氮氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)，形成壓縮氮氣安全鉆井工藝。

分級利用，綜合效益明顯

鉆進到目標區(qū)域后，就要對采空區(qū)的煤層氣進行抽采利用。

煤與煤層氣一般是共生的。煤炭中含有5%到8%的孔隙，這些孔隙吸附了大量的煤層氣。采前抽采需要提前很長時間打孔，讓煤層氣從煤炭中解析出來。

與開采前的賦存方式不同，受開采活動影響，采空區(qū)的煤層氣多以游離態(tài)存在。煤采完后，煤層氣會自動從殘存煤炭、周圍煤層中往外冒，并聚集起來。如果還有一些煤層氣沒有從煤炭中解析出來，工作人員就利用負壓抽采工藝，讓煤層氣盡快解析出來。

“十一五”末，團隊在原晉煤集團岳城礦施工了一口抽采井。由于資料精準全面、井下采用分層開采法等原因，該井抽采效果較好，合計產(chǎn)氣約3000萬立方米。目前，該井每天的產(chǎn)氣折純量在2萬立方米左右，已穩(wěn)定產(chǎn)氣10多年。該井投資100多萬元，到現(xiàn)在抽采的煤層氣價值數(shù)千萬元，煤礦安全效益和生態(tài)效益明顯。

當煤層氣的甲烷濃度在5%到16%時，具有爆炸風險。為了保證煤層氣安全抽采，項目組制定并發(fā)布了國內(nèi)該領域首部安全技術標準《煤礦采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣地面抽采安全規(guī)范DB14/T 2049-2020》。

針對不同甲烷濃度的煤層氣，項目組研發(fā)了相匹配的抽采設備和工藝，對關鍵抽采參數(shù)設置了自動報警與停機界限值，建立了采空區(qū)煤層氣地面分級利用技術體系。

李國富介紹，當甲烷濃度大于30%時，可以通過管道就近并入主管網(wǎng)，然后通過壓縮、液化等途徑，直接供工業(yè)或居民使用。當甲烷濃度小于30%時，低濃度煤層氣安全管道輸送則是需要解決的技術難題。

對此，團隊提出了三種處理利用方式。一是摻混高濃度的煤層氣，使其達到安全標準，然后通過管道輸送。二是通過自主研發(fā)的野外分布式撬裝抽采提純系統(tǒng)，提純煤層氣，然后再利用。三是利用研發(fā)的雙燃料分布式發(fā)電技術，通過瓦斯發(fā)電，將煤層氣轉(zhuǎn)化為電，直接供現(xiàn)場使用。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前，項目組已在山西省內(nèi)晉城、西山、陽泉等礦區(qū)，施工采空區(qū)煤層氣抽采井100余口，日抽采利用氣量約16萬立方米，抽采甲烷濃度一般在30%至90%，多數(shù)井保持在50%以上，累計利用采空區(qū)煤層氣1.28億立方米，減排二氧化碳192萬噸。

李國富表示，未來，他們還將在不同煤層賦存條件、不同采煤方法條件下形成的采空區(qū)和關閉礦井煤層氣資源量精準預測、采空區(qū)內(nèi)部結構及富水性地面精細探測等方面，繼續(xù)加強科研攻關。