湖南省煤炭和页岩气协同开采研究

王宏宇，魏军才，赵建光，傅群和，赵伏军

（1.湖南省地质科学研究院，湖南长沙410007；2.湖南省国土资源规划院，湖南长沙410007；3.湖南科技大学，湖南湘潭411201）

湖南省煤炭和页岩气协同开采研究

王宏宇1，2，魏军才1，2，赵建光1，2，傅群和1，2，赵伏军3

（1.湖南省地质科学研究院，湖南长沙410007；2.湖南省国土资源规划院，湖南长沙410007；3.湖南科技大学，湖南湘潭411201）

湖南各煤田煤系地层厚大且含页岩类岩层，页岩气资源潜力巨大。煤层开采在其上覆岩层中会形成“上三带”，通过数值分析对煤层开采对上覆含气页岩层影响进行了数值模拟，结果表明煤层开采导致上覆页岩层形成导气裂隙，对页岩气的高效开采有积极作用。因此，可在条件允许地区积极进行煤炭与页岩气协同开采。

煤炭；裂隙带；页岩气；协同开采

湖南省为一个常规能源矿产较为贫乏（无油、贫煤、少气）的省份，也是我国中部主要产煤省份之一［1］，但非常规能源页岩气潜在资源储量丰富［2-4］。目前桑石、黔溆、涟邵等6大煤田均已不同程度进行开发，上述几大煤田主要属海相沉积地层，煤系地层厚大且含页岩类岩层［5，6］，而页岩气即是一种赋存于页岩中的清洁、高效的非常规天然气。页岩气储层一般表现为低孔隙、低透气性特征，对其开采主要方法为水平井（直井）+水力（凝胶）压裂［7］，关键在于将含气岩层压裂形成导气裂缝，因此裂缝的发育程度为影响页岩气开采效率和产量的重要因素。而现行的压裂技术主要为通过给水、氮气、凝胶等介质施加压力使储气岩层产生裂缝，采用介质压裂不可避免对地下水等环境造成一定影响，但煤矿开采则是由于物理力学效应导致上覆岩层产生裂隙带也有利于页岩气的开采且不会对环境造成附加影响。

1　煤层开采上三带

煤矿开采由于原岩应力重新分布，形成采空区后在重复应力的作用下在采空区上覆岩层由下往上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带［8-11］，即“三带”（见图1）。煤层上方页岩气含气层若处于裂隙带或冒落带则可直接在地面打井至裂隙带中进行页岩气的高效开采。而上覆岩层的岩性（如抗压强度等）、层理、节理等对冒落带和裂隙带高度有直接影响。上覆岩层为砂岩、砂质页岩、页岩等中等硬度岩层时冒落带高度和裂隙带高度可由公式1、2计算。在查明含气页岩层与煤炭层位关系后即可初步根据公式计算出煤炭开采形成的冒落带和裂隙带高度。

图1　煤层开采上三带示意图

式中：Hm－冒落带高度；Hl－裂隙带高度；∑M－采高。

2　煤层开采上三带数值模拟

2.1数值模拟模型

假设某地煤层厚2 m，其上有一层厚27 m的含气页岩层，为研究煤层开采对上覆页岩层的影响，采用数值分析软件建立相关模型进行数值模拟。模型水平方向取250 m，垂直方向取130 m，单元尺寸1 m×1 m，总单元数37 500个（见图2）。煤层厚度2 m、倾角10°，沿煤层走向每步开挖10 m，共开挖25步。

图2　数值模型

2.2数值模拟结果

上覆岩层随煤层开挖的岩层变化情况，其中黑色部分代表破碎单元（见图3）。由图3可以直观地看出，随着煤层的不断开挖，采空区面积逐渐扩大，上覆岩层受到采动影响越来越大。岩层中的力学性质较弱单元首先发生破坏，这些破坏单元在自重的作用下从母岩中分离出来并垮落，形成冒落带。而上方岩层较厚、力学性质相对较强的岩层则失去原有支撑形成裂隙，这些裂隙会随着开挖程度扩大不断扩展形成裂隙带。而上覆岩层中厚度大且力学性质强的单元则虽然受采动影响，缓慢下沉，但其仍有一定支撑力，形成弯曲下沉带。待开挖完成后上覆岩层自下而上形成冒落带，裂隙带和弯曲带。由第25步开挖结束后图可以看出，在原页岩层中形成大量裂隙，这对于赋存在其内部的页岩气的流动创造了良好条件。因此只需从地面施工抽气井至该层裂隙带即可进行页岩气的开采。

图3　模拟结果

3　煤与页岩气协同开采

由以上分析，若煤炭开采后上覆岩层冒落带和裂隙带发育高度达到含气页岩层，即可不必实施压裂，从地面打抽气井至裂隙带，安设抽采管道进行煤炭和页岩气的协同高效开采（见图4）。

图4　煤与页岩气协同开采示意图

煤炭和页岩气协同开采具有以下优点：

（1）裂隙带发育，导气通道好，页岩气资源回采率高；（2）抽采井打直井即可，不需打施工难度大的水平井；（3）抽采管路安装容易，管理和维护较方便；（4）免除压裂程序，页岩气开采工程量小，开采成本低；（5）无需注水和其他物质进行压裂，对环境影响小。

4　结论及建议

（1）湖南省各煤田煤系地层主要属海相沉积，是我国南方页岩气富区，页岩气资源潜力巨大。

（2）煤矿开采活动引起上覆岩层形成的冒落带和裂隙带对提高岩层内导气通道十分有利。

（3）煤炭和页岩气协同开采对提高资源开发效率，减少资源浪费，节约开采成本且对环境影响较小。

（4）积极开展页岩气勘查研究，在充分认识含气岩层和煤层层位关系的基础上逐步开展煤炭与页岩气协同开采。

［1］何红生，何大芳，李志能.湖南页岩气资源研究进展于问题［J］.中国矿业，2013，22（3）：8-11.

［2］彭正奇，李志能，潘志刚，等.湖南省古生界页岩气成藏条件与资源评价［R］.长沙：湖南省煤炭地质勘察院，2012.

［3］周庆华，宋宁，王成章，等.湖南花垣页岩气区块地质评价与勘探展望［J］.天然气地球科学，2014，25（1）：130-140.

［4］聂海宽，唐玄，边瑞康.页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测［J］.石油学报，2009，30（4）：484-492.

［5］卢益民，徐泽明，刘国泉.关于在湖南煤矿区开采利用页岩气的建议［A］.第十届国际煤层气研讨会论文集，2010.

［6］王红岩，刘玉章，董大忠，等.中国南方海相页岩气高效开发的科学问题［J］.石油勘探与开发，2013，40（5）：574-579.

［7］王中华.国内页岩气开采技术进展［J］.中外能源，2013，18（2）：23-32.

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［11］张发亮，何启林.工作面上覆岩冒落导水裂隙两带高度的确定［J］.矿业工程研究，2012，27（4）：66-70.

Research of Hunan coal and shale gas collaborative mining

WANG Hongyu1，2，WEI Juncai1，2，ZHAO Jianguang1，2，FU Qunhe1，2，ZHAO Fujun3
（1.Hunan Institute of Geological Sciences，Changsha Hunan 410007，China；2.Hunan Land and Resources Planning Institute，Changsha Hunan 410007，China；3.Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

The coal measure strata of each coalfields in Hunan is large and thick and there are shale strata in these coal measure strata.The shale strata has gas great resources potentialities of shale gas.The coal mining can form"three zone"in the overlying strata.Numerical simulation was used to analysis the effect of shale strata from coal mining.The result show that the coal mining can cause the formation of mediated gas fissures in the shale strata because of coal mining.These fissures has a positive effect of the shale mining.So the coal and shale gas collaborative mining should be actively developed at the conditions allowed region.

coal；fissure zone；shale gas；collaborative mining

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.006

TE132.2

A

1673-5285（2015）06-0019-03

2015－04-22

湖南省国土资源厅2014-09号科技项目资助。

王宏宇，男（1986-），工程师，硕士，从事地质与采矿方面的研究工作，邮箱：why949@126.com。