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最新综述丨孟召平教授：晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

煤炭科学技术03-11

作者

孟召平^1,2，李国富^２，田永东^２，王宇红^２，李超^２，陈浩越^１，吴迪^１

单位

1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院；2.煤与煤层气共采国家重点实验室

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摘要

废弃矿井煤层气资源丰富，抽采废弃矿井煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际，系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展，分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题，提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容。研究结果表明，煤炭开采形成的冒落－断裂带，为采空区煤层气赋存提供了储集空间。废弃矿井采空区煤层气主要来源于煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气，基于体积法对废弃矿井采空区吸附气和游离气资源分别进行计算和评价。为有效解决采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性及抽采效果的影响，将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构，优先采用压缩空气潜孔锤钻井技术，用氮气取代空气作为循环介质安全揭露含气断裂带的井工艺技术；根据晋城矿区废弃矿井采空区煤层气井抽采过程中压力和日产气量的变化特征，将采空区煤层气井抽采划分为自由放喷、气量快速下降、稳压产气和定量产气４个阶段，并提出了适用于废弃矿井采空区煤层气抽采的“四段制”抽采控制方法；最后，指出了目前面临“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理和废弃矿井煤层气抽采条件评价及抽采参数优化方法”２个关键科学问题和“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理、废弃矿井煤层气资源评价模型与方法和废弃矿井采空区煤层气抽采技术”等研究内容。

研究背景

我国是一个煤炭资源大国（煤炭资源量约为5.82×10¹²t），煤炭资源保有量为1.94×10¹²t，其中已利用资源量为0.40×10¹²t（约占20.8％），尚未利用煤炭资源量为1.54×10¹²t（约占79.2％）。煤炭作为我国主要能源之一，对工业发展起着稳定支撑作用，是经济社会发展的有力保障。煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见中明确提出“十四五”期间煤炭在我国能源结构中的主体地位不会改变。需深入贯彻落实新发展理念和能源安全新战略，加快建设清洁低碳、安全高效的现代煤炭工业体系，为我国如期实现碳达峰、碳中和战略目标奠定基础，推动形成煤炭高质量发展新格局。越来越多的生产矿井因煤炭资源枯竭而报废，也有部分落后产能矿井不符合目前国家安全生产的要求，或开采成本高、亏损严重，面临关闭或废弃，据统计，“十二五” 期间，我国淘汰落后煤矿7100处，淘汰落后产能5.5亿t/a，其中关闭煤矿产能3.2亿t/a。到2020年，我国废弃矿井数量将达到1.2万处，预计到2030年数量将到达1.5万处，初步估计，目前废弃矿井煤炭资源高达420亿ｔ以上，煤层气近5000亿ｍ³。山西省作为煤炭资源大省，新中国成立以来，已累计生产煤炭２００亿ｔ左右，积累了众多废弃矿井采空区。据统计，山西省共有4700余处废弃矿井，有开发利用价值的废弃矿井采空区面积约2052km²，初步估算，残余煤层气资源量约726亿ｍ³。针对这一资源，山西省自然资源厅与山西省能源局联合下发《关于开展煤炭采空区（废弃矿井）煤层气抽采试验有关事项的通知》（晋自然资发〔２０１９〕５４号），首次鼓励和引导各类市场主体积极参与、有序实施煤炭采空区（废弃矿井）煤层气抽采试验，为有效开发利用废弃矿井煤层气资源提供有利支持。

综上所述，煤炭作为我国主体能源，经过长期开采，废弃矿井数量巨大，废弃矿井煤层气资源丰富，抽采废弃矿井煤层气对于推动我国煤矿区煤层气开发、消除采空区瓦斯溢出安全隐患、增加清洁能源供应、缓解常规油气供应紧张状况和保护大气环境等多方面均具有十分重要的意义。