乌兰废弃煤矿瓦斯赋存地质特征及开发技术

2022-01-12王勃朱庆忠刘文革于志军刘春春史鸣剑周晓刚韩甲业郭岐山

河南理工大学学报(自然科学版) 2022年2期

王勃，朱庆忠，刘文革，于志军，刘春春，史鸣剑，周晓刚，韩甲业，郭岐山

（1.应急管理部信息研究院，北京 100029；2.中国石油华北油田分公司，河北任丘 062552；3.中节能宁夏新能源股份有限公司，宁夏银川 750002；4.山西尚道能源开发有限公司，山西晋中 030600）

0 引言

废弃煤矿瓦斯是指因煤矿煤炭资源开采基本结束，或矿井不符合安全生产条件，或其他政策原因关闭的煤矿瓦斯资源，这些瓦斯主要以吸附和游离态赋存于剩余煤层、落煤、围岩和井下密封巷道中［1-3］。开发废弃煤矿瓦斯符合社会期许，也符合安全、经济和环境等多方考量［3-4］。国内外学者围绕采空区上覆与下伏岩层采动裂隙动态分布规律、瓦斯资源潜力评估、采空区瓦斯气体的运移及分布规律等方面开展了诸多理论研究［5-7］，也有学者对废弃煤矿瓦斯资源开发利用的必要性和经济可行性进行了研究。桑逢云等［8］分析了英国废弃煤矿瓦斯的开发实践，发现煤矿关闭后，废弃煤矿瓦斯开发越早，开发效果越好；刘文革等［3］对陕煤陈家山矿采空区盖层封盖能力及采空区瓦斯资源量进行了评价，分析了废弃煤矿瓦斯开发利用的经济效益；晋煤集团积极开展废弃煤矿瓦斯赋存规律、抽采技术基础理论研究以及相关设备研发，形成了较为完备的抽采利用技术体系，其下属沁水蓝焰煤层气有限责任公司目前已部署废弃煤矿瓦斯抽采井40余口，经济效益非常可观［9］。

国内废弃煤矿瓦斯开发虽然起步较晚，但近年来受到越来越多学者关注，张东亮等［10］、于志军等［11］根据阳泉矿区和呼鲁斯太矿区的地质特征和瓦斯抽采现状，分析了矿区内废弃煤矿瓦斯开发的优劣条件，并提出废弃煤矿瓦斯开发综合利用的合理建议；郝海金等［12］、郭继圣等［13］分析了近年来国内煤矿瓦斯开发利用的发展历程和总体情况，指出了制约煤层瓦斯开发利用的主要问题，并提出相应建议；刘文革等［14］、桑逢云等［8］通过总结英国、德国和芬兰等国家废弃煤矿瓦斯开发利用经验，结合国内外废弃煤矿瓦斯资源特征及开发条件，为我国废弃煤矿瓦斯开发提出新方法和新思路。

本文以乌兰废弃煤矿瓦斯为研究对象，基于矿区地质特征，分析该废弃煤矿瓦斯资源富集模式和开发优势条件，综合目前井下瓦斯抽放状况及煤层气地面抽采的技术进展，提出废弃煤矿瓦斯开发的技术对策，以期为乌兰废弃煤矿瓦斯的开发利用提供技术指导，并为相似废弃煤矿的瓦斯资源开发提供借鉴。

1 矿井开采概况

1.1 地质构造

乌兰煤矿地处内蒙古自治区阿拉善左旗呼鲁斯太矿区的北部，位于呼鲁斯太向斜的东翼及北部转折端，地质构造基本为一单斜构造，走向为N20°～30°，在井田北翼走向折转成近东西向。由于剧烈的地质运动使北翼地层突起，倾角60°～80°，形成急倾斜地层。南翼地层倾角15°～21°，形成缓倾斜地层，虽有局部褶皱起伏地段，但其变化幅度不大，除矿井北部采区外，其他采区构造分类属简单类型［10］。区内大型断层有2条，为F73正断层和呼鲁斯太逆断层，乌兰煤矿发育的断层主要为正断层，断层主要产状走向NE、倾向NW、倾角近60°，表明构造主应力场方向为NE—SW向，乌兰矿区构造纲要图如图1所示。

图1 乌兰矿区构造纲要图Fig.1 Structure map of Wulan mining area

1.2 煤层气地质条件

乌兰煤矿含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组［15］，以陆相沉积为主，下部地层为陆相黏土岩、砂岩、泥岩夹煤线及煤层，共含煤20层，主采煤层为山西组的2号、3号煤层和太原组5号、6号、7号、8号煤层［10］。主采煤层单层厚度为0.56～8.25 m。其中2号煤层最厚，平均厚度为3.52 m；其次为8号煤层，平均为2.25 m；6号煤层最薄，平均为1.22 m［15］。研究结果表明，矿区越向西南，越靠近向斜轴部，埋深越大，瓦斯含量越高；矿区内小断层发育，但由于小断层切割地层不多，有利于煤层瓦斯的储集。

1.3 采空区概况

乌兰煤矿建有瓦斯发电厂，煤矿正常生产期间利用回风巷低体积分数瓦斯发电。2016年乌兰煤矿关停后，瓦斯发电厂失去气源，经多次尝试和技术攻关，探索出利用地面卸压钻孔抽采瓦斯的新途径。目前采空区井接入负压抽采系统的有效产气井18口，每天产气量40000 m3（纯量）。

乌兰废弃煤矿现有地面卸压钻孔106个［11］，地面钻孔分布（表1）为：5757工作面14个，5767工作面32个，5768工作面42个，5778工作面18个。其中采空区共有瓦斯抽采钻孔44个，包括5757工作面14个，5767工作面10个，5768工作面20个。

表1 乌兰废弃煤矿地面钻孔分布Tab.1 Surface borehole distribution in Wulan abandoned coal mine

2 瓦斯富集模式与开发优势

2.1 优质封盖-断层-水动力封堵瓦斯富集模式

（1）区域盖层发育，封盖性好。山西组顶部为河流沉积相，位于高位体系域［16］，岩性以泥岩和粉砂质泥岩为主，地层厚度为4.07～40.36 m，平均厚度为17.97 m，整体上，乌兰废弃煤矿煤系地层上方发育较为稳定的泥岩盖层，且厚度较大，封盖性较好（图2），对整个煤系地层中瓦斯局部富集成藏较为有利。

图2 乌兰废弃煤矿盖层厚度直方图Fig.2 Histogram of caprock thickness in Wulan abandoned coal mine

（2）断层组合有利于瓦斯富集。乌兰废弃煤矿内断层较为发育，有40条断层落差大于5 m（图3），其中正断层32条，逆断层8条；断层走向大多为北东向，个别断层为北西向；延伸长度一般为140～3200 m［17］。

图3 乌兰废弃煤矿断层落差分布特征Fig.3 Distribution characteristics of faults fall in Wulan abandoned coal mine

区内断层落差＜10 m的占72.5%，且多数存在转折，因此，断层在转折处、泥岩封堵处、深部或局部泥岩涂抹潜势值较大，泥岩涂抹效应强烈，这些现象可能造成局部瓦斯大量富集［18］。研究区内断层类型分为2种，即单一型和阶梯型。单一型受断层影响，煤层厚度变化大，断层附近构造煤较发育，断层附近应力集中煤储层透气性差，造成瓦斯局部富集；F73断层发育多处转折和分叉点，为瓦斯的富集区；阶梯型每个断阶处煤体受其两侧断面的对向揉搓、挤压作用，造成断层附近煤体强度变低，并因双向断层挤压作用形成较高的构造应力，也可能导致瓦斯压力局部较高。

（3）断层与水动力的良好配置有利于瓦斯保存。研究区主体部分位于地下水滞流区，对于煤层瓦斯的富集成藏较为有利。另外，该区断层主要为开放性正断层，但断层规模较小，均未切穿区域盖层，因此区域盖层以下含水层中的地下水可以沿着开放性断层带补给煤储层水力，在断层面附近形成局部水力封堵区，有效封堵了瓦斯的逸散通道。

综合以上分析，笔者绘制了盖层-断层-水动力封堵瓦斯富集模式（图4）。在区域盖层厚度大、小断层大量发育和地下水动力封堵的地质环境中，乌兰废弃煤矿形成了封盖-断层-水动力封堵的瓦斯富集独特模式，以此模式可预测瓦斯资源甜点区。

图4 乌兰废弃煤矿盖层-断层-水动力封堵瓦斯富集模式Fig.4 Gas enrichment models of caprock-fault-hydrodynamic plugging in Wulan abandoned coal mine

2.2 资源开发优势

2.2.1 高渗透性

研究区煤层埋深较浅，总体小于700 m，在区域地质构造及地形地貌的综合影响下，埋深呈现“北部浅、南部深”的分布规律。以8号煤层为例，其赋存底板标高1150～900 m，埋深为369～670 m［19］。

试井结果表明，区内煤层渗透率与埋深之间有一定相关性。埋深300 m以上的区域煤层渗透率为2 mD以上，埋深300～500 m的区域煤层渗透率为1～2 mD，埋深500 m以下的区域煤层渗透率为0.6～1 mD［20-23］。由该区煤层气参数井的解释结果可知，X-1井2号、3号、7号、8号煤层渗透率为0.66～0.95 mD，平均0.83 mD；X-2井2号、3号、7号、8号煤层渗透率为0.65～0.94 mD，平均0.78 mD（表2）；各煤层渗透率大致相同，3号煤层渗透率值较高。

表2 研究区煤层气参数井参数解释结果Tab.2 Parameter interpretation results of coalbed methane parameter wells in the study area

2.2.2 较高的储层压力

煤储层压力控制着煤层气的吸附和产出。研究区2号、3号、7号、8号煤层瓦斯压力为0.55～2.13 MPa，瓦斯压力随着煤层埋深增大而增大，4套主采煤层瓦斯含量为3.39～14.84 m3/t，平均7.86 m3/t。

研究区X-1和X-2参数井的参数解释结果表明，2个参数井参数极为相似，其主采煤层的储层压力梯度为0.896～0.954 MPa/100 m，接近常压［18］。与沁水盆地其他区块相比［24］，该参数井的压力梯度在区域内属于较高水平。

从国内现有开发区块的产气效果看，储层压力梯度越高，产气效果越好［21］，从而说明该区具备较好的产气潜力。

2.2.3 采动后裂隙发育导流能力增加

煤层开采后，采空区及其围岩可划分为3个区，即原岩应力区、支承压力区和卸载压力区（采空区）［25］。竖向可以划分为底鼓破碎带、冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图5所示［15］。

图5 乌兰废弃煤矿采空区覆岩变形破坏示意图Fig.5 Deformation and failure diagram of overburden in goaf of Wulan abandoned coal mine

依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》中软弱、中硬岩类冒落带、导水裂隙带发育最大高度计算方法计算出冒落带高度，为8.0～54.4 m，裂隙带高度为33.3～135.9 m，底板采动破坏带高度为30.88～30.92 m（表3）。因此，在乌兰煤矿7号、8号煤层开采后导水裂隙带会直接沟通上方的5号、6号煤层，不会直接波及到上方的2号、3号煤层，但根据5757工作面抽采效果看，2号、3号煤层的渗透性会大幅度提高，在一定抽采负压条件煤层中残存的废弃煤矿瓦斯会不断解吸，同时底板采动破坏带波及下方的10号、11号煤层。

表3 冒落带、导水裂隙带高度计算结果Tab.3 Calculation results of height of caving zone and water conducting fracture zone

另外，原岩应力区和支承应力区竖直应力随着深度增加而增大［26-27］，而渗透率随着竖直应力增加呈负指数减小，因此，可以推测出采空区的渗透率得到不同程度增大，而支承压力区和原岩应力区的渗透率均有不同程度减小。整体上采空区的渗透性得到了较好改善，增强了气体的导流能力，同时游离态气体占比较大，有利于气体的快速产出。因此，乌兰废弃煤矿瓦斯开采可以依照以下顺序：首先开采7号煤层，以对8号煤层实施下保护，其次开采8号煤层；这两层煤层的开采是对2号、3号煤层的二次保护，进行该两次卸压抽采，有效消除了瓦斯突出的危险；7号、8号煤层开采后，再对2号、3号煤层进行开采。

2.2.4 较为丰富的瓦斯资源

采用目前瓦斯资源计算普遍应用的资源构成法［24］计算研究区的瓦斯资源量。其中，受扰动区域内各煤层中的吸附态可采储量资源量［1，3］为

式中：Qmt为整个受扰动区域内可采出的瓦斯资源量；Ti为整个受扰动区域内第i层煤的煤炭资源量；为整个受扰动区域内第i煤层可解析瓦斯含量；G1mti为整个受扰动区域内第i煤层在一定抽采负压条件下残存的瓦斯含量。

采空区内游离态瓦斯的可采储量［3］为

式中：Qy为废弃煤矿瓦斯抽采前采空区游离态瓦斯的可采资源量；V为采空区体积；gy1为废弃煤矿瓦斯抽采前采空区甲烷体积分数；gy2为废弃煤矿瓦斯抽采终止时采空区甲烷体积分数。

根据研究区内采煤范围和对煤层的扰动情况，对采空区、采动区及未采区进行划分，结果如图6所示，并在此基础上开展瓦斯资源量计算，计算结果表明，乌兰废弃煤矿现存瓦斯资源量为691.13×106m3，其中，吸附态瓦斯为683.83×106m3，游离态瓦斯为7.3×106m3。

图6 乌兰废弃煤矿不同工作面采动影响区和采空区划分Fig.6 Divisions of mining influence area and goaf in different working faces of Wulan abandoned coal mine

3 开发技术对策

3.1 检修钻孔提高采气效率

利用井下可视传感器对已有钻孔的孔身结构和筛管畅通性进行检测，分析钻孔的完整性，对于井筒完好的钻孔进行冲砂洗井作业，坚持连续稳定的负压抽采；对于井筒发生变形的钻孔，分析变形原因，根据其错断位置，在错断处钻斜孔以形成有效连通，之后进行连续稳定的负压抽采。

3.2 借鉴地面煤层气开发技术开发未采区资源

由于未采区资源量较大，且受采空区地应力释放卸压作用影响，使煤储层渗透率得到明显改善，在充分考虑研究区地质条件的情况下，进一步借鉴煤层气地面开发的成熟技术，综合邻区成果、经济极限井网密度、单井合理控制储量、压裂裂缝半长和经验等，在距离采空区1000 m的富集区优选合适的井距开展丛式井（组）先导性试验，在取得成效后逐步由采空区向外扩展，并采用丛式井（组）开发主采煤层，充分开发未采区的瓦斯资源。