山西采煤采气一体化开发模式探讨

杨 函，王泽斌，孙泽飞

(1.山西地质博物馆，山西 太原 030024；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 102200)

因煤层气和煤炭资源的共伴生关系、人为的资源种类划分、能源经济地位差距以及矿业权设立先后顺序等诸多原由，煤层气开发与煤炭开采存在诸多密不可分的内在联系，突出表现为煤层气矿业权和煤炭矿业权的普遍重叠[1-6]。截至2019年6月末，山西省共设置油气(煤层气)矿业权72个，登记面积3.15万km2，煤层气矿业权(含增列油气)63个，常规油气矿业权9个。其中，与煤炭矿业权重叠面积大于10 km2的煤层气矿业权就有28个，重叠面积从10.33 km2到174.26 km2不等，总重叠面积约3 221.34 km2，约占煤层气矿业权总面积的10.5%，呈现出重叠区块多、重叠面积大的特点[7]。

进入21世纪以来，随着我国煤层气产业技术的发展和煤炭开采、瓦斯治理需求的增加，围绕重叠区煤层气资源的开发利用，许多专家学者提出了采煤采气一体化的开发模式。张遂安[8]认为煤层气开发必须坚持地面开发与井下抽采并举的方针，确保煤矿安全生产，尽可能实施一井多用战略，实现煤层气高效抽采。冯立杰等[9]认为设计实施采气工程时，要考虑采煤工程的需求，而设计实施采煤工程时，又要兼顾采气工程的需求。张俊威[10]认为采煤采气一体化开发模式要求，在时间上，煤层气的抽采与矿井的开发、生产的全过程协调一致；在空间上，地面煤层气井位的布置与矿井采掘衔接相一致；在功能上，煤层气井实现“地质勘探、采前抽、采中抽、采后抽”一井四用。然而，在采煤采气一体化开发模式被认可之前，尽管许多煤炭企业已开展了煤矿瓦斯抽采排放，但煤炭开采与煤层气开采总是被分开进行。本文经过对山西省现有采煤采气一体化开发模式的分析对比，为矿业权人提供了新的采煤采气一体化参考建议，对解决矿业权争议、提高资源综合利用效率具有现实指导意义。

1 采煤采气一体化的必要性

在我国能源结构调整过程中，推进清洁能源代替煤炭在一次能源消费中的占比，将在相当时间内受到煤炭行业多方面的影响。截至2018年，煤炭在我国能源消费中的比重仍然高达64%，这意味着短期内我国以煤炭为主要能源的基本格局难以实现根本性改变，煤炭开采和利用依然是保证国家能源安全的最主要途径。实践证明，现有单一煤层气开发模式既制约我国煤矿安全生产，又可能造成煤层气资源浪费和环境污染，导致不良的社会环境影响。煤层气井下抽采与煤矿开采、掘进并行，危险性大，瓦斯爆炸事故难以根本杜绝，同时导致矿井煤层气“浓度低、抽采率低、利用率低”的三低特性，造成大气污染。我国已在多个气田实现煤层气商业开发，产气效果较好，但传统地面抽采更侧重于单一煤层气资源的开发利用，很少综合考虑煤矿安全生产，给煤矿的后续开采带来一定的影响。为此，煤层气产业的发展趋势应是兼顾煤层气和煤炭的综合开发利用，营造煤炭生产安全环境的同时实现煤层气资源规模开发和利用[11]。

目前来看，实施采煤采气一体化模式，具有巨大的安全价值、经济价值、能源价值和环境价值，具体表现：①煤层气的开发可以改善煤矿安全生产，提高安全价值；②煤层气的开发降低了井下瓦斯溢出风险，有利于提高井下煤层掘进速度，改善井下作业的通风环境，从而提高煤炭生产效率；③煤层气作为一种清洁能源，除了可以进行瓦斯发电，节省供电费用，还可以用于居民和工业燃料，改善我国能源结构；④开发利用煤矿瓦斯可以有效减少温室气体排放。经测算，某矿业集团下属的某高浓度瓦斯矿实施采煤采气一体化开发模式后，可以增加1.72亿元的综合效益。

2 典型的采煤采气一体化开发模式

近年来，许多煤层气和煤炭企业探索了多种综合利用模式，如单一企业内部采煤采气一体化的“晋城模式”、不同企业先采气后采煤的“三交模式”、煤炭和煤层气企业合作共赢的“中联-阳煤模式”，都取得了一定的效果。

2.1 晋城模式

“晋城模式”是晋煤集团充分发挥自身作为煤炭开采企业和煤层气抽采企业的技术优势，有效整合内部资源，以寺河煤矿和成庄煤矿为先导试验区开展的采煤采气一体化开发项目[12]。在煤矿开采及之前，主要采取“采前抽”和“采中抽”的煤层气开发模式，协调开发煤炭资源；2013年以后，晋煤集团又在煤矿的采空区陆续布置了一些抽采煤层气的直井，实现了“采后抽”。对瓦斯含量高于16 m3/t的煤层开采区域，提前5～8年实施地面钻井，采用直井压裂、水平井抽采等方式进行“采前抽”，使瓦斯含量降到16 m3/t以下。对于瓦斯含量在8～16 m3/t的煤层开采区，根据煤层的赋存特性，提前3～5年或更长时间，采用井下抽采和地面抽采相结合的模式开展“采前抽”。对于瓦斯含量小于8 m3/t的区域，采用边抽边采的方式，治理采掘活动中涌出的瓦斯，实现“采中抽”。

公开资料表明，采用以上采煤采气一体化开发模式的寺河煤矿和成庄煤矿，自2003年到2006年，煤层气抽采量从0.73亿m3/a增加到了2.15亿m3/a，抽采率从30%提升到了50%，矿井生产能力从1 050万t/a提高到了1 800万t/a。2013年8月，晋煤集团蓝焰煤层气公司在晋圣永安宏泰煤矿施工了一口废弃矿井煤层气抽采井JSCK-02井，并成功实现产气，目前该井仍保持日产量约4 000 m3，累计产气达320万m3，甲烷浓度稳定在90%以上，真正实现了煤层气的“采后抽”。截至2016年2月，晋煤集团已在各类生产矿井采空区和关闭煤矿采空区建成煤层气抽采井64口，日利用量约4.6万m3，历史累计抽采量2 074.3万m3，累计利用量1 475.7万m3。目前，晋煤集团计划在旗下寺河、成庄、岳城等煤矿采空区分三期布置190口采空井，争取形成1.03亿m3/a的产能。

2.2 三交模式

“三交模式”是中石油煤层气公司为解决三交区块复杂的矿业权重叠问题，在彼此承认对方矿业权的基础上，与煤炭开采企业签订合作协议，进入矿业权重叠区域内进行煤层气的勘查开发，有效降低开发区瓦斯浓度，解决矿业权重叠矛盾的一种互利共赢模式。在该模式下，三交项目与煤炭企业共同维护重叠区内煤层气和煤炭的勘查开发秩序，及时交换、共享动态资料，在双方矿业权重叠区共同进行规划部署，采用地面抽采方式(采前抽)进行煤层气勘探开发，实现了“先采气、后采煤，采煤采气协调发展”。这一模式得到了时任国务院副总理张德江的充分肯定，“中石油创新煤层气开发模式，意义重大，应当鼓励和支持”。

在“三交模式”指导下，中石油煤层气公司先后与17家煤炭开采企业开展了采煤采气一体化开发合作，有效化解了绝大部分的矿业权重叠问题(矿业权面积383.202 km2，与煤矿重叠面积约295 km2)。在煤矿8年首采区以外的区域，正常开展煤层气地面抽采，可以将高瓦斯煤矿降低为低瓦斯煤矿；在煤矿5～8年首采区内，加密布井，加快抽采速度，从而有效地减少煤矿瓦斯矿难事故；在煤矿5年首采区注重一井多用，充分发挥该井对采气和采煤的贡献；在煤炭正采区，进行积极避让，不进行地面抽采。目前，中石油煤层气公司在重叠面积大的锦源煤矿、西坡煤矿范围内(重叠区面积约100 km2)合作程度最高。

针对锦源煤矿、西坡煤矿重叠区3#/4#/5#煤瓦斯含量高(8～12 m3/t)、埋深适中(350～850 m)、厚度较大(4～6 m)的特点，三交项目充分发挥地面抽采技术优势，在锦源、西坡8年首采区以外进行正常煤层气地面抽采。 截至2017年6月，在该区域内已陆续完成各类钻井97口(图1)，累计产气约3亿m3，有效地降低了抽采区域瓦斯含量，局部区域已由煤层气含量8 m3/t以上降至4 m3/t以下，有助于煤矿从根本上解决瓦斯溢出事故、加快采煤速度、降低煤炭开采成本。通过前期的合作，锦源煤矿、西坡煤矿已有望在其5～8年开采规划区内尽快实施地面钻井抽采。目前，中石油煤层气公司已启动锦源煤矿5年首采区内的井位优化部署工作。

图1 锦源煤矿、西坡煤矿重叠区已钻井位分布图Fig.1 Drilled distribution map in overlap areaof Jinyuan and XiPo coal mines

2.3 中联-阳煤模式

中联煤层气公司将自身的煤层气开发技术优势与阳煤集团煤炭矿业权优势、煤矿瓦斯治理需求相结合，成立联合管理会，以煤矿五年规划区为重点规划区域，采用“采前抽”的方式，费用分担、利益共享，实现了采煤采气一体化开发的目标。 截至2016年4月，该模式已在阳煤集团七元煤矿实现成功运用，并在泊里煤矿、新元煤矿、西上庄煤矿进行推广。

为有效解决中联煤层气公司寿阳煤层气区块和阳煤集团七元煤矿矿业权重叠问题，实现瓦斯治理和煤层气开发并举，中联煤层气公司和寿阳集团在146.23 km2(矿权重叠面积116.9 km2)的区域上合作开展了采煤采气一体化开发合作模式。该模式综合考虑了安全管理、采掘布局、煤层气资源节约、规划矿井接续时间等诸多因素，利用“采前抽”“采中抽”的地面开发手段，确保首采面巷道掘进过程中煤层瓦斯含量降到8 m3/t以下。为确保项目能够为双方提供最大程度的收益，双方共同组建了联管会来管理项目的运行。该项目按照地面抽采井的服务年限，计划分四个阶段实施99组水平井、821口定向井，项目的实施将带给中联煤层气1.39亿元的效益(煤矿补助收益)。截至2016年5月，该项目已完钻8组水平井，其中7组已经产气，并为煤矿方提供了精细的地层信息。

3 三种典型开发模式的对比

三种典型开发模式都是煤层气企业和煤炭企业在解决自身面临的发展问题时，针对煤层气(瓦斯)抽采这一共同需求，因地制宜探索出的具有显著成效的采煤采气一体化开发模式，既有相似之处，也有许多不同点。

3.1 相似之处

1) 都是煤层气勘探开发和煤矿开采的有益结合，有效地解决了各自实验区域的煤层气、煤炭矿业权重叠问题。

2) 使煤层气企业在一定程度上实现了矿业权重叠区煤层气资源的有序开发和利用，提升了企业效益。

3) 为煤炭企业降低矿井瓦斯治理投入、降低安全风险、提升开发效率、减少低浓度瓦斯浪费和避免大气污染做出了积极贡献。

4) 都采用了成熟的水平井+直井开发的煤层气地面抽采方式，在煤矿开采之前实行“采前抽”，降低煤层瓦斯含量。

5) 促进了我国煤层气产业和煤炭产业的健康快速发展。

3.2 不同点

1) 合作对象不同。“晋城模式”是大集团内部的专业采气公司和煤矿进行的合作；“三交模式”是中石油煤层气公司和矿业权重叠区煤矿的合作；“中联-阳煤模式”是中联煤层气公司与矿业权重叠区煤矿以及非重叠区煤矿的合作。

2) 合作紧密程度不同。“晋城模式”可以利用集团内部优势，本身不存在沟通衔接的问题；“三交模式”仅通过合作协议和定期会晤，存在违约和人员流动等风险；“中联-阳煤模式”通过联管会机制建立了健全的沟通渠道，最大程度地减少了沟通障碍。

3) 合作内容和抽采顺序不同。“晋城模式”以煤层瓦斯含量来划分抽采顺序，瓦斯含量8 m3/t以上的区域采用“采前抽”的方式提前进行地面抽采，瓦斯含量在8 m3/t以下的区域采用“采中抽”的方式边抽边采，对于剩余瓦斯含量较高的采空区采用“采后抽”的方式实现资源的最大化开发；“三交模式”是在煤矿的8年规划区以及5～8年规划区内进行“采前抽”的煤层气地面抽采；“中联-阳煤”模式是在煤矿5年规划区进行“采前抽”。

4) 合作区的煤岩性质不同。“晋城模式”的合作区多以无烟煤为主，煤岩镜质体反射率基本大于3.68%、煤岩渗透率多在0.3～2.1 mD、含气量多在12～28 m3/t，尤其是成庄采空区的剩余含气量仍高达7 m3/t，为采空区的“采后抽”提供了很好的资源基础。“三交模式”的合作区多以肥煤为主，煤岩镜质体反射率多在0.91%～1.19%、煤岩渗透率多在0.028～5.620 mD、含气量多在10～15 m3/t。“中联-阳煤模式”的七元煤矿多以贫煤-无烟煤为主，煤岩镜质体反射率在1.7%～2.6%、煤岩渗透率多在0.02～1.43 mD、含气量多在10～22 m3/t。

5) 合作项目的费用来源不同。“晋城模式”的合作项目费用多是煤矿本身的瓦斯治理经费，抽采的商品气销售收入也由煤层气企业支配；“三交模式”的合作项目费用完全由煤层气企业自筹，虽然抽采的商品气销售收入全归煤层气企业所有，但在煤矿有开采需求时，煤层气企业要无偿避让；“中联-阳煤模式”的合作项目经费由煤层气企业和煤炭企业协商后共同承担，抽采后的商品气销售收入由煤层气企业支配，降低了煤层气企业的资金压力和抽采风险。

4 建 议

1) “晋城模式”“三交模式”“中联-阳煤模式”的成功实践表明，以瓦斯抽采为共同利益切入点的采煤采气一体化开发模式，完全可以实现煤层气企业和煤炭企业的互利共赢。

2) 在具体开展采煤采气一体化开发模式过程中应优先建立常态化的健全的合作保障机制，保障信息及时共享，确保双方利益最大化。

3) 在合作过程中，不仅要注重对传统的“采前抽”和“采中抽”煤层气地面开采的应用，更要注重对剩余瓦斯含量较高的煤矿采空区的“采后抽”，加大对低渗透性、高含气量尾矿或废矿的普查，真正做到煤层气资源的最大化利用。

4) 在合作项目经费保障方面，应秉持互助共赢、友好协商的态度，通过煤矿瓦斯治理预算补助一部分、煤层气企业自身筹备一部分等措施，有效降低合作项目方的资金负担，确保项目持续平稳运行。