地面瓦斯治理概述

一、概述

煤层气（煤矿瓦斯）是制约全球矿井安全高效生产的重要因素，治理瓦斯是煤矿开采的前提和基础。特别是在高瓦斯低透气性煤层中，瓦斯治理长期以来不能得到有效解决，并且随着矿井开采深度的增加，地质条件更加复杂，地应力、瓦斯压力和含量也逐渐增加，煤矿开采的难度和复杂性也在不断提高，瓦斯治理难度进一步增大，现已成为世界性难题。

我国煤矿数量多，大部分矿井为高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井，且多数煤层为低透气性煤层（渗透率＜1mD），平均值在0.002－16.17mD之间。其中，渗透率小于0.10mD的占35%；0.1～1.0mD的占37%；大于1.0mD的占28%；大于10mD的较少。所以，我国煤矿瓦斯治理难度更大，瓦斯对煤矿开采的威胁更强。

河南作为我国较为主要的产煤大省，矿井数量多，分布广，2016年全省约390对国有重点煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井104对，占矿井总数的30%。且河南省煤层赋存条件受多期地质构造叠加影响，煤体较为破碎，大多煤层呈糜棱状、粉状，多数煤层透气性差（渗透率＜0.1 mD－0.001 mD），瓦斯含量高，采用井下及地面抽采难度大，这些都给矿井安全生产带来了极大的威胁。

地面区域瓦斯治理即煤层气地面开采有三个重要意义：第一，利用地面瓦斯抽采井部署灵活、可结合采掘接替要求提前部署、减少在井下与突出煤层短兵相接的不安全因素，煤层气（煤矿瓦斯）地面开发抽采赋存在煤层中的部分瓦斯，可有效地降低煤矿的瓦斯灾害程度，对改善突出矿井“瓦斯压力、地层应力、煤体强度”的三个改善效果显著，从而减少矿井灾害程度和降低矿井安全防治工程投入，降低矿井生产成本。第二，煤层气（煤矿瓦斯）是一种新型洁净能源，其开发利用可一定程度上弥补常规油气能源的不足。在我国无论是工业用气，还是民用气都有着广阔的市场，丰富的煤层气资源量与广阔的市场是煤层气开发的前提。第三，减少温室气体排放，保护大气环境。通过地面抽采的煤层气（瓦斯）甲烷浓度在80%以上，我省煤矿通过风排的甲烷平均浓度低于5%，甲烷是大气中主要的温室气体之一，对红外线的吸收能力极强，其温室效应是二氧化碳的20多倍。甲烷是我省煤矿区的重要污染源，甲烷的排放量占所有化石燃料排放量的一半。因此，煤层气的开发利用可有效地降低温室效应。

二、国内外煤层气（煤矿瓦斯）抽采现状

常规地面煤层气（煤矿瓦斯）开发最早开始于美国，1953年美国在圣胡安盆地进行地面开采煤层气试验，成功钻获第一口煤层气试验井，目前年产量超过500×108m3，比我国常规天然气产量还高，占天然气能源总量的8%－10%，成为重要的能源。

我国是继美国之后第二个大规模进行地面煤层气勘探的国家，与美国不同的是，我国首先从煤矿安全角度出发，结合煤层气（煤矿瓦斯）的利用，开展了煤矿区在准备区、开拓区及规划区的煤层气（煤矿瓦斯）地面抽采。早在1952年就在抚顺矿务局龙凤矿建立了瓦斯抽放站，截至2015年煤层气（煤矿瓦斯）地面抽采已在山西晋城、长治屯留和山西离柳等地规模开发，陕西、新疆、河南及重庆等地也先后有部分矿区进行了地面抽采试验。主要包括垂直井、丛式井、水平井等多种井型。

目前，我国煤层气（煤矿瓦斯）地面抽采理论和技术进步非常显著。一是重视地质工作的研究；二是技术工艺方面，直井套管完井仍然是国内煤层气勘探开发的主要完井方式。水力携砂压裂仍然是煤层气井增产改造的主流技术。水平井分段压裂成为新的完井方向，不仅在煤层中完井，也在煤层顶板进行水平钻进、分段压裂完井，取得了成功。

针对我国不同的矿井情况和瓦斯赋存特点，应采用综合的、科学的瓦斯治理技术。采取井下抽放和地面抽放相结合的策略，充分利用时间与空间，实现一种立体式、多元化的瓦斯抽放，最大限度地提高瓦斯抽放量和抽放率。将地面煤层气井与井下水平长钻孔抽放相结合、规划区抽采与采空采动区抽采相结合、短钻孔抽采与长钻孔抽采相结合、常规抽放与强化抽放相结合、邻近层与本煤层抽采相结合的技术措施，充分发挥各技术的优势。

三、省内以往地面瓦斯抽采综合治理情况

河南省煤层气（瓦斯）地面抽采技术探索起步于20世纪80年代，经历了探索——起步——井组试验——示范工程的四个发展阶段。国外有美国中美能源公司，国内有中国煤田地质总局、中联煤层气有限责任公司、中原油田、南阳油田、中国石油化工股份有限公司华北分公司（原地矿部华北石油地质局）、煤炭科学研究院抚顺分院、西安分院、河南省煤田地质局及安阳贞元集团、北京奥瑞安公司等参与煤层气（瓦斯）的地面抽采及勘查研究工作。

（一）上世纪末开始的探索试验阶段

1.1980－1985年煤炭部煤科院抚顺分院与焦作矿务局在中马村矿施工10口地面瓦斯抽放钻孔，井型为直井，储层改造采用水力压裂、洞穴法等。但受当时设备、排采基本原理、管理等条件影响使得煤层气（瓦斯）初期有一定的气量，但是不能持续抽排，效果不是很理想。(www.xing528.com)

2.1993年郑州天然气公司与美国中美能源公司合资进行煤层气勘查，中原油田施工，采用洞穴法，掏煤卸压方式在荥巩煤田（现崔庙矿）进行地面钻井抽采试验，成孔2口井。孔1井冲出煤量250吨左右，最高产气量800立方／天，历时半个月，累计抽出瓦斯7000－8000立方，后气量衰竭不产气；孔2井同样采用洞穴法，高压注水、掏煤卸压方式，瓦斯喷出井口3米高，最高产气量900立方／天，历时1个月，累计抽出瓦斯1万立方，后气量衰竭不产气，仍是不能持续稳定产气。

3.1995－1996年，中原油田与焦作矿务局在焦作矿区古汉山井田深部进行瓦斯地面抽采试验，共施工4口试验井，进行参数测试和采气试验。施工工艺采用裸眼洞穴和水力压裂完井方式，经过4－13个月排采，存在构造软煤客观因素、沟通含水层排采水量大、煤粉堵塞的问题，初期有一定的气量，但是未能持续产气。

（二）2007－2011起步试验阶段

1.2007年中裕（焦作）煤层气公司在焦作矿区施工36口地面煤层气井，采用常规压裂和二氧化碳压裂，部分井获得产气量。

2.2010年河南煤化出资，中石油煤层气公司组织施工2口直井，采用液氮泡沫加砂压裂，实际排采有一定效果，但均未达到预计目标。

3.2010年焦煤九里山矿与河南省煤层气公司共同出资，在九里山矿施工2口煤层气直井，采用裸眼完井工艺，排采4个月未见成效停排。2012年河南煤层气公司组织人员对该井进行改造，持续稳定产气3年多。

4.2011年河南煤化出资，与河南理工及中石油长城公司合作，在中马村矿施工1口水平井，采用水力喷射分段压裂完成对围岩－煤储层改造，总产气量少，持续产气时间短。

5.2011年河南省煤层气公司在义马孟津施工了1口远端对接水平井，水平段进行了4个分支的侧钻、掏煤施工，累计水平进尺1100米，掏煤275m3，瞬时日产气量478m3，持续产气时间短。

6.2011年河南省煤层气公司在义马耿村施工1口直井＋2组水平分支井，直井进行压裂施工，水平分支井因断层影响，构造煤发育，区域应力集中，2口井均未完成设计进尺。3口井进行排采试验，日产气量均在200方以下。

（三）2012年至今瓦斯综合治理阶段

1.2012年，河南省煤层气公司在成功激活前期施工2口井基础上，认真分析该区在探索阶段、起步阶段的经验教训，在河南能化支持下，分别在焦作矿区古汉山矿、九里山矿实施了针对采动区、准备区及准原始地层地应力区新的井网抽采试验，共施工10口直井。井组试验实现了群井持续稳定一年以上产气500m3／天，突破了河南焦作矿区20世纪八十年代以来不能连续产气的瓶颈。

2.2011－2013年，河南煤层气公司与鹤壁六矿在矿区内施工3组水平井，最高日产气量3600方。工艺技术的突破，为河南复杂矿区煤层气开发提供借鉴。

3.2010－2014年，由平煤出资，河南省煤层气公司、西安煤科院、煌龙公司，分别在平顶山矿区首山一矿、十三矿分别施工24口直井及1组水平对接井。