浅析绿色开采框架体系的煤与瓦斯共采技术

齐大田　吴岩　刘瑜

摘 要：绿色采矿是一种考虑环境影响和资源消耗的采矿方式。文章阐述了绿色采矿框架体系煤与瓦斯联产技术的概念和形式，总结了提取高浓度瓦斯的关键技术，并强调重视合理的生产布局和提取系统是实现煤与瓦斯采矿技术的重要保证。

关键词：绿色开采;煤与瓦斯共采;生产布局;抽采系统

煤矿开采在矿区造成了独特的生态和环境问题，并建立了绿色采矿的概念，以确保在煤炭开采材料的基础上最大限度地控制和保护矿区的生态环境。目前，作为绿色采矿技术之一的煤与天然气联产技术取得了初步成效，主要包括沁水盆地金城联合开采模式、两淮降压模式及地表煤层气开发模式[1]。由于我国对天然气资源开发的认识和技术存在一些问题，大量的天然气资源尚未得到利用，影响了煤与瓦斯采矿技术的工程应用。在此基础上，本文从概念、形式和关键技术出发，探讨了绿色采矿框架体系中煤与瓦斯采矿技术的概念，从而加强煤层气作为清洁能源的开发利用，有效减少温室气体排放，确保煤矿安全生产。

1    绿色开采的概念

近年来，国内外许多专家学者系统研究了矿产资源的开发利用、环境、生态和可持续发展，提出了绿色矿业的概念。虽然“绿色采矿”有不同的表达方式，但总结来说是一种考虑资源效率和环境影响的现代采矿模式。目标是在采矿过程中最大限度地提高资源开发效率，最大限度地减少对生态环境的影响，协调和优化企业的经济和社会效益[2]。绿色采矿的关键是绿色采矿实施技术和应用。

2    煤與瓦斯共采

2.1  煤与瓦斯开采的“O”环原理

煤层有两种类型的瓦斯抽放方法：首先，采矿前的预排水是采矿期间和采矿后的减压泵送。研究表明，中国的煤储层一般具有高度变质、低渗透、低压和低含气饱和度的特点。70%以上煤层的渗透率小于1×10-3 μm2。实践表明，一旦煤层引起岩石运动，即使是渗透率非常低的煤层也会使其渗透率增加数十至数百倍[3]。

2.2  减压瓦斯抽放不足

国内外卸油瓦斯抽放研究有两个方面：首先，目前对覆岩开采裂缝分布特征的研究尚不完全清楚，影响了排水钻井布置的优化;其次，国内外减压瓦斯抽放是以采矿层工作面安全生产为基础，主要研究煤层及相邻层的瓦斯抽放。然而，对于压力释放程度和卸载瓦斯抽放对上覆长距离煤层的影响缺乏研究。

3    煤与天然气合作生产形式和特点

3.1  煤层气开采

中国的资源型煤炭和天然气开采，主要基于煤层气开发企业。煤层气开采主要采用地面钻井和排水，先采煤，然后采煤，分为天然气生产和煤炭开采两个阶段，实现煤与天然气的联合生产。据初步估计，中国拥有30～35万亿平方米的煤层气资源，在2 km的浅水区，位居世界第一[4-5]。煤层气产业发展前景十分广阔，但中国煤层气渗透率小，煤层发生条件复杂，开发过程十分困难。

3.2  煤矿瓦斯抽采

中国安全和资源的煤与天然气共同开采，主要集中在矿山和高瓦斯矿井，提炼和综合利用煤矿瓦斯，是一种宝藏，但从煤矿中提取的天然气浓度不稳定，可用量有限。煤矿瓦斯抽放主要采用地下钻井和开采，采矿时采用第一采矿层（保护层），同时，保护层作用在于使气体减压和解吸，并在提取气体的同时提取煤。近十年来，中国的天然气开采技术取得了快速发展。煤层瓦斯气主要通过地下煤层瓦斯预排水、侧采（钻井）侧提取和采后提取来提取。大口径、长孔钻、定向钻、煤层防反射等工艺流程日趋成熟，应用广泛，排水效果显著，为煤矿瓦斯防治奠定了坚实的技术基础。

3.3  煤层气开采和煤矿瓦斯抽放的特点

为了达到节约资源的目的，煤层气开采是从地面钻到目标煤层，采用压裂和防反射措施，采用排水工艺收集目标层解吸气体。煤层气的甲烷浓度超过90%，相当于传统的天然气，可用作民用燃料和工业原料。通过净化、压缩油罐车或通过燃气管道供应周围城镇是方便的。煤矿瓦斯抽放的目的是控制天然气，主要是在地下钻井，有时与施工地面钻井相结合，采用防反射措施或利用岩层运动的效果[6]。

4    煤与瓦斯共采技术

4.1  开采保护层技术

通过理论分析和现场试验，该研究成功开发了一系列减压和防反射技术，如长距离煤层向上卸压、近距离煤层多次降压减压以及采矿急倾斜煤层的平行减压。煤层气的通孔钻井和排水施工，消除了煤层突出的危险，降低了煤层瓦斯含量。

4.2  顶板钻井和排水技术

通过泵送和切断上部相邻层气体的通道到工作表面，同时拉动采空区下部的气体以减少气体流入工作面。原理是增加采空区流场上部的下沉点，使大量气体通过下沉点流出。

4.3  建立有效地质保障系统

高分辨率和三维三分量地震勘探技术用于准确解释地质结构并准确预测煤层分布和厚度，有效识别中小型断层和裂缝，准确预测天然气及其分布。

4.4  优化矿井开拓布局

采用“分区开拓、分区建设、分区通风”，矿山安全生产系统减少了采矿工作量，减少了投资，缩短了施工周期。

4.5  创新开采方法

在矿区的划分和采矿区的布局中，应尽可能增加采区的面积，并应增加工作面的长度和工作面的长度。当煤层倾角小于12°时，采用倾斜条带布置，采煤方法尽可能选择全机械化采矿，何时不采用高等级综采。

5    结语

煤与瓦斯采矿可分为地表煤层气开发和煤矿瓦斯抽放。引导煤层气开发形成规模较大，从煤矿瓦斯抽放中获取更经济、可用的高浓度瓦斯，以更好地利用瓦斯资源。

[参考文献]

[1]章磊，王勇，高保彬，等.复杂矿井绿色安全开采体系设计探讨[J].煤炭工程，2017（7）：4-7.

[2]余陶，李平，张锤金，等.深井高瓦斯煤层群首采层开采卸压瓦斯高效抽采模式与关键技术[J].中国科技成果，2017（2）：37-38.

[3]郭文兵，王云广.基于绿色开采的高强度开采定义及其指标体系研究[J].采矿与安全工程学报，2017（4）：616-623.

[4]杜君武，易永忠.绿色开采技术在煤炭企业中的应用分析[J].资源节约与环保，2018（6）：58.

[5]陈强，苏锋，焦士海.对煤与瓦斯治理的现状分析及防治对策探讨[J].科技经济导刊，2017（22）：129.

[6]于海旭，张伟华，李强.试论煤矿绿色开采技术研究与应用[J].现代工业经济和信息化，2019（2）：232.

作者简介：齐大田（1988— ），男，工程师，技术员，学士。