煤矿采掘对煤层气开发影响模式探讨

张光波 祁空军 于家盛 毛崇昊 张 庆 刘昌平

(中石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

煤层气与煤炭的伴生成因关系和煤层气与煤炭的同位同体赋存关系，决定了煤层气开发与煤炭开采、煤层气开发与煤矿瓦斯抽采存在密不可分的联系。煤炭企业开发煤层气的主要目的是为煤矿生产提供安全的瓦斯环境，煤层气开发处于从属地位，而煤层气企业开发煤层气的目的则是单纯的获得经济利益。

为了实现煤与煤层气协调一体化开发，国家相继出台了多项产业政策。《关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见》(国办发[2006]47号)，明确提出了“先采气、后采煤、采煤采气一体化”煤层气开发原则。同时要求，“必须坚持先抽后采、治理与利用并举的方针，采取各种鼓励和扶持措施，防范煤矿瓦斯事故，充分利用能源资源，有效保护生态环境。”国家能源局2016年11月发布的《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》提出“推进煤层气矿业权审批制度改革试点，实现煤层气与煤炭等资源协调开发。构建煤炭远景区先采气后采煤、煤炭生产规划区先抽后采和采煤采气一体化格局，促进资源勘察与开发、地面开发与井下抽采协调发展。”煤层气企业主要在煤矿的远景规划区或准备区进行地面抽采(表1)。但是目前协调开发机制并不健全，“先采煤、后采气”政策缺少刚性约束，矿权重叠区资源开发缺少有效衔接。本文以中石油华北煤层气公司为例，分析总结了矿权重叠区内煤矿采掘的影响模式，并提出了相应的治理对策，以期为其他煤矿影响区治理提供技术思路。

表1 煤层气协调开发模式示意图

1 矿权重叠区地质概况

中石油华北煤层气公司矿权位于沁水盆地马蹄形斜坡带的东南缘，区内地层宽阔平缓，总体向西倾斜，地层倾角一般为2°～7°，以发育小断距正断层和低缓平行褶皱为主，褶皱展布方向以北北东向和近南北向为主。主力开发层系为3号煤和15号煤层，煤层保存完整，横向分布稳定，3号煤厚度为5～8m，煤层埋深300～700m，厚度4.6～7m，含气量介于16～29m3/t，渗透率0.01～0.91mD，单井平均产气1200m3；15号煤厚度1～5.5m，煤层埋深400～800m，厚度1.7～4.1m，含气量15～27 m3/t，渗透率0.02～0.92mD，单井平均产气1000m3。

2 矿权重叠区采掘影响模式

中石油华北煤层气公司在晋城矿区与晋煤集团、蓝花集团等多个煤矿企业存在矿权重叠，目前已导致50余口生产井产量急剧下降或衰竭无气，日影响气量12.3×104m3，部分单井排采时间不足5年，导致了大量投资浪费(图1)。基于煤矿采掘的生产周期，煤炭采掘对煤层气地面抽采影响主要分为三种模式：主巷道掘进影响、掘进面影响和回采面影响。

图1 煤矿采掘对煤层气开发影响

2.1 主巷道掘进影响

主巷道掘进过程中，利用掘进面底板岩巷布置钻场，钻场间距为100m，覆盖范围约为60m煤巷掘进范围，每个钻场布置钻孔3～5排，每排布置10个穿层钻孔，钻孔直径为96mm，开孔间距为0.5m，终孔间距为5m，钻孔施工深度在150m，钻孔覆盖范围在煤层中不得有间隔，钻孔布置如图2(a)所示，此阶段抽放孔主要作用是降低煤巷中的瓦斯含量。 钻孔抽放有效范围为3～10m，煤层气井单井控制半径为90～120m，综合考虑煤层钻孔的影响半径约为100～130m。随着钻孔的瓦斯抽放，穿层钻孔覆盖范围的煤层气井会在1～2个月内衰竭无气，例如CZ411井，生产曲线如图2(b)，正常气量约为3000m3/d，由于煤矿进行穿层钻孔预抽瓦斯，1个月后迅速衰减为无气。

随着主巷道掘进，在煤巷后方具备条件时，布置千米钻机施工钻场，利用定向长钻孔对工作面进行超前瓦斯抽放，每隔400m布置一个钻场，每个钻场布置15个左右的钻孔，钻孔直径96mm，钻孔深度300～800m，终孔间距为12～15m，钻孔布置方式如图2(c)所示。由于千米钻孔抽放辐射范围较大，其外延100～130m范围内煤层气井会在2～3个月内衰竭无气，例如CZ010井，生产曲线如图2(d)所示，正常气量约为3500m3/d，受千米钻井钻孔抽放影响，2个月内迅速衰减无气。

图2 主巷道掘进影响

2.2 掘进面影响

在工作面巷道掘进过程中，需要利用普通顺层钻孔对煤层进行强化抽采，顺层钻孔垂直于工作面两边巷道，采用对打钻孔布置方式，钻孔长度为150～200m，钻孔直井94mm，钻孔间距3～5m，每个钻孔施工至下一工作面巷道外30m，钻孔布置方式如图3(a)所示。由于抽采工作面范围内煤层气井在千米钻孔预抽阶段已衰减无气，因此掘进面影响范围在抽放孔覆盖范围外延100～130m，此影响区域内的煤层气井会在3～4个月范围内衰减无气。例如CZ014井，生产曲线如图3(b)所示，正常气量约为1500m3/d，3个月后逐步衰减为0。

图3 掘进面影响

2.3 回采面影响

经过千米钻孔采前预抽、顺层钻孔强抽后，煤层中的瓦斯含量基本能够达到《防治煤与瓦斯突出规定》要求的8m3/t的要求，达到了区域消突的目的。在工作面回采过程中，回采区域的3号煤层气井均已衰竭无气，此阶段主要影响的是15号煤生产井，煤矿会对15号生产井进行封割套管处理，生产井会迅速衰竭无气，如图4(a)。例如CZ418井，生产15号煤，生产曲线如图4(b)所示，正常气量约为3000m3/d，由于工作面回采至该井附近，需对3号煤层段进行注灰封堵同时井下进行套管切割，导致该井停产。

3 治理措施

3.1 负压抽放

煤层气采用的是低压集输工艺模式，单井低压气以0.07～0.1MPa的系统压力经过阀组后汇入集气站。如果能够有效的降低系统压力，增大生产压差，可以达到增产的目的。对于煤矿影响区的井，通过负压设备可以有效降低集输系统压力，缓解衰减速率。目前对20口井应用负压抽放设备9台，系统压力由实施前的0.09MPa降至目前0.04MPa，产气量由实施前的3.9×104m3增加至目前的5.8×104m3，产气量增加了1.9×104m3，一定程度上遏制了煤矿采掘影响。

图4 回采面影响

3.2 套管封堵

对于采掘面区域外的合采煤层气井，3号煤层受采掘影响衰竭无气，但15号煤仍可正常开发利用。为了避免15号煤产气不被井下负压抽走，需对3号煤层段进行注灰封堵或者套管补贴，封堵后15号煤层可继续开发。例如CZ408井，生产3、15号煤，生产曲线如图5(a)所示，正常气量约为1800m3/d，受煤矿采掘影响无气，后对3号煤层段进行套管补贴后继续生产15号煤，目前产气量1000m3/d左右。

3.3 采空区钻井

在采空区内可以利用空气潜孔锤钻井技术开发利用15号煤层。正常一开钻进；二开先采用常规泥浆，钻至3号煤顶部采空裂隙带后，使用空气潜孔锤钻井技术，钻至3号煤层下部20～30m处，下入244.5mm套管固井；三开钻穿15号煤层后，预留50m口袋，下入139.7mm套管固井完井。例如CZ015井，生产曲线如图5(b)所示，该井位于3号煤采空区内，利用空气潜孔锤钻井技术开发利用15号煤，目前产气量1000m3/d左右。

图5 煤矿影响区治理井生产曲线

3.4 建立沟通机制

统筹煤层气、煤炭资源开发布局和时序，合理确定煤层气勘探开发区块。建立健全的煤层气与煤炭资源开发方案互相衔接、项目进展定期通报、资料共享等制度，深化采煤采气一体化的“晋城模式”和煤炭与煤层气企业合作共赢的“潞安模式”。通过合作或者调整煤层气矿业权范围等方式，妥善解决重叠区内资源协调开发问题。