煤炭采空区下伏煤层气资源潜力及抽采效果
——以山西省晋城西部矿区为例

张江华 秦 勇 李国富 孟召平 李国庆 李军军 季长江 陈召英

1.中国矿业大学资源与地球科学学院 2.煤与煤层气共采国家重点实验室3.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室·中国矿业大学4.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院 5.中国地质大学资源学院

0 引言

在国家“双碳”目标的背景下，中国天然气资源供给需求比任何时候都更为强烈。煤矿采空区及其围岩中残留着丰富的煤层气资源[1]，是增加天然气供给的现实资源。截至2021年，仅山西省废弃矿井就达1.2×104处，采空区面积达到870.92 km2[2]。为了盘活这一部分煤层气资源，前人分别对采空区煤层气资源评价方法[3-4]、采空区井设计[5]和抽采方法[6]进行了研究，但多关注的是采空煤层之上煤层气抽采，资源量更为丰富的下伏煤层气资源长期未能动用。上部煤层开采同样导致采空区下伏地层应力卸载，煤岩层裂隙张开，渗透率增高，为下伏煤层气资源高效开采提供了有利条件。结合煤炭开采向深部延伸的趋势，山西蓝焰集团率先关注到采空区下伏煤层气资源的开发利用价值，启动了针对性抽采方法研发[7-9]。然而，过采空区煤层气地面井开发依然面临诸多技术难题，如煤层采空卸压条件对下伏煤层气赋存特点的扰动情况不明、资源分布状况不清、抽采效果有待评估等。基于此，针对晋城西部矿区，建立了采空区下伏煤层气资源潜力评价方法，分析了抽采应用效果，为该项技术方法推广应用提供了依据。

1 地质概况

晋城西部矿区（简称晋城西区）早期的煤炭开发和煤层气地面抽采对象为3号煤层，多年开采形成了大面积采空区，下伏9号和15号煤层的煤层气长期未能有效抽采，也给下伏煤层的煤炭安全生产造成极大隐患。同时，因为采掘衔接的需求，下部煤层的煤层气预抽迫在眉睫。

晋城西区包括寺河、晋圣、成庄和岳城等煤矿，主要可采煤层由浅至深为山西组3号煤层和太原组9号、15号煤层（图1）。可采煤层累计厚度约13.5 m，属于国内紧缺的优质无烟煤。

图1 晋城西部矿区位置及其含煤地层综合柱状图

3号煤层距离9号煤层约48 m，距15号煤层约84 m（图1）。大量测试结果显示，晋城西区9号煤层和15号煤层的兰氏体积平均为43.71 m3/t，兰氏压力平均为3.42 MPa，临界解吸压力平均为3.02 MPa。其中3号煤层平均厚度为6.09 m，平均含气量为19.51 m3/t；9号煤层平均厚度为1.00 m，平均含气量为17.84 m3/t；15号煤层平均厚度为3.21 m，平均含气量为24.10 m3/t；3号煤层倾角为4°，直接顶板一般为砂质泥岩或粉砂岩，单向抗拉强度为1.20 MPa，黏聚力为4.93 MPa，内摩擦角为41.6°。

2 采空区下伏煤层气资源潜力

2.1 采空区卸压范围分析

与常规采空区煤层气抽采井相比，采空区下伏煤层气地面井抽采技术难点之一在于钻井需穿越采空影响区。鉴于这一特点，过采空区井钻遇的采空影响区在垂向上可分为3部分：①上覆卸压区；②采空破碎区；③下伏卸压区（图2）。根据“上三带”及采空区应力释放原理，由上而下的岩层移动分为弯曲下沉带、裂隙带、垮落带、采空区煤层、底臌裂隙带和底臌变形带。笔者将弯曲下沉带和裂隙带定义为上覆卸压区，将底臌裂隙带、底臌变形带定义为下伏卸压区，将垮落带和采空区煤层定义为采空破碎区，同时，将裂隙带、采空破碎区和底臌裂隙带统称为采煤影响区域。

图2 采空区卸压范围示意图

上述分带中，垮落带由上覆岩层垮落岩石组成，裂隙带随着工作面的推进发生变形与位移导致裂隙发育，两者直接导通采空区破碎区。在下伏卸压区，底臌裂隙带裂隙主要为沿层理的顺层张裂隙和岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙，裂隙连通性较好，并与采空区导通；底臌变形带裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主，上、下岩层之间不导通，顺层裂隙发育程度与采空区距离呈反比[10]。

根据寺河煤矿生产地质报告及国家安全监管局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[11]，计算寺河矿3号煤层采空区上部裂隙带最大高度、工作面底板破坏深度（即底臌裂隙带的范围）。基于稳压区理论可以确定上部煤层开采对下部煤层的影响范围，利用稳压区错距公式计算底臌变形带的最小深度。相关计算公式分别如下[12]。

垮落带最大高度（Hk）计算如下：

式中M表示煤层厚度，m；表示累计采厚，m。

裂隙带最大高度（Hl）[13]计算如下：

工作面底板破坏深度（Hp）[14]计算如下：

式中T表示开采深度，取平均值331.4 m；α表示煤层倾角，取平均值4°；W表示工作面倾向长度，取平均值 250.0 m。

利用稳压区开采计算模型[15]计算底臌变形带的最小深度，公式如下：

式中Xmin表示两煤层影响最小错距，m；D表示两煤层平均间距，取84.0 m；δ表示岩石移动角，取55°；L表示安全距离，一般为20.0～25.0 m，取20.0 m；B表示上煤层工作面的最大控顶距，取7.0 m。

计算结果分别为：垮落带最大高度为15.0 m，裂隙带最大高度为59.4 m，底臌裂隙带（即工作面底板破坏深度）最大深度为25.9 m，底臌变形带最小深度为86.0 m。因此，采煤影响区域为3号煤层顶板以上74.4 m至底板以下25.9 m，下伏卸压区最小深度为3号煤层底板以下86.0 m。3号煤层距离9号煤层约48.0 m，距15号煤层约84.0 m。由此可知，9号和15号煤层均处于底臌变形带内，处于3号煤层采空区下伏卸压区范围。

2.2 采空区下伏地层卸压效果分析

利用FLAC3D模拟软件，分别模拟3号煤层采高为 1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m 和 6.0 m（煤层原始厚度）时的开采活动，计算采空区下伏岩层的弹性卸压应力变化（图3）。

图3 上部煤层采高与下伏岩层卸压程度关系图

如图3所示，随着3号煤层采高的增加，下伏岩层的卸压范围逐渐变大，且卸压梯度也逐渐变大。基于数值模拟结果，拟合得到3号煤层采高与卸压最大深度之间关系如下：

式中Xmax表示下伏岩层卸压最大深度，m；式（5）中的系数23.5，指示采空区下伏岩层卸压深度约为采高的23.5倍。

以研究区3号煤层平均厚度6.1 m计算，在采全高条件下，下伏岩层卸压最大深度可达143.0 m。进一步而言，3号煤层采空区卸压作用大幅提高了采空区下部9号和15号煤层的孔渗性。倪小明等[16]基于樊庄区块原始煤储层参数，根据煤基质与孔隙应力平衡、损伤理论拟合垂向应力与孔隙度关系，提出了如下经验模型：

式中σv表示垂向总应力（即原始上覆岩层自重应力），MPa；φ表示孔隙度。这一模型采用晋城矿区试验数据获得，可应用于9号和15号煤层的孔隙度和渗透率变化幅度估算。

未采区煤层垂向应力（σv0）与采空区下伏煤储层垂向应力（σv1）的计算公式均由下式估算：

式中ρ表示岩石密度，kg/m3，计算σv1时密度根据过采空区井的测井曲线予以解释，计算σv0时密度采用采动前煤层气井测井解释结果；h表示深度，m，计算σv1时h根据钻孔柱状图确定采空区和下伏目的煤层的距离；g表示重力加速度。

将计算的σv0与σv1的代入式（6），得出9号、15号煤层孔隙度分别提高约3.15倍和2.50倍。

陈俊国[17]利用本文研究区邻区（潞安矿区李庄煤矿）煤样，开展物理模拟试验和理论推导，建立了简化的渗透率和孔隙度关系式。笔者利用这一模型，计算采空后下伏煤层的渗透率提高倍数，计算如下：

式中K0、K1分别表示初始煤层渗透率和采空后下伏煤层渗透率，μm2；φ0、φ1分别表示初始煤层孔隙度和采空后下伏煤层孔隙度。

得出9号、15号煤层渗透率分别提高约31倍和16倍。同时，采空区下伏煤层因卸压作用，抗压强度和抗拉强度减小，约为相同深度原始抗压强度及抗拉强度的1/3，原岩整体结构遭到破坏，裂隙充分发育，储层压力减小。卸压作用必将导致采空区下伏煤层气解吸，在保存条件良好前提下，游离气含量在总含气量中的比例必然提高。

2.3 采空区下伏煤层气资源量测算

计算模型由煤层吸附气资源量和采动卸压游离气资源量两部分组成，即：

式中G表示采空区下煤层气资源量，m3；Gx表示吸附气资源量，m3；Gy表示游离气资源量，m3。

2.3.1 吸附气资源量计算模型

按照我国地矿行业标准（煤层气储量估算规范：DZ/T 0216—2010），采用体积法计算煤层气资源量[18]：

式中Qx表示吸附气资源丰度，108m3/km2；A表示资源量计算面积，km2。

吸附气资源丰度计算式为：

式中Vx表示吸附气含量，空气干燥基样品的测定数值，m3/t；E表示煤层平均容重，t/m3。

其中，煤层吸附气含量计算式为：

式中S表示含气饱和度；VL表示兰氏体积，m3/t；pL表示兰氏压力，MPa；pp表示现今储层压力（即采空后煤储层压力），MPa。

若已知煤层原始含气量，根据Langmuir方程，含气饱和度的计算公式为：

式中V0表示煤层原始含气量，m3/t；p0表示煤储层原始压力，MPa；Vl表示理论饱和含气量，m3/t。

2.3.2 游离气资源量计算模型

受到上部采空区开采卸压的影响，下伏煤储层压力下降，使一部分吸附气解吸成为游离气。为此，采空区下伏煤层游离气含量为：

式中Qy表示游离气资源丰度，108m3/km2，其计算公式为：

式中Vy表示游离气含量，m3/t。

其中，暂不考虑采空区卸压逸散作用，煤层游离气含量是原始吸附气含量与采空区卸压导致解吸量之差，计算公式为：

式中S1表示采空区下伏煤储层含气饱和度。

根据马修斯（Matthew）和凯利（Kelly）提出的破裂压力预测模型[19-20]，破裂压力与地层孔隙压力（相当于采空区下伏煤储层压力pp）和上覆岩层压力的关系为：

式中pf表示煤储层破裂压力，MPa；b为常数，根据各矿区实际压裂施工所得破裂压力和试井所得地层压力代入式（17）拟合计算得出。

其中，破裂压力由各区块过采空区井压裂报告予以解释，利用式（7）计算的采空区下伏煤储层垂向应力σv1替代上覆岩层压力Pf并代入式（17），求得采空区下伏煤储层压力：

根据太沙基有效应力原理，总应力等于孔隙流体压力和有效应力之和，采空后的煤储层有效应力为：

式中σe表示有效应力，MPa。

利用晋城矿区煤储层有效应力和含气饱和度之间的拟合公式[16]为：

变换式（20），得到采空区下伏煤层含气饱和度计算如下：

将计算结果S1代入式（16），可得到游离气含量。将下伏煤储层条件和煤样等温吸附实测资料带入上述相关计算式，计算得到研究区各煤矿的煤层气资源量和资源丰度如表1所示，结果显示，晋城西区采空区下伏9号煤层和15号煤层煤层气资源量合计为261.45×108m3。其中，吸附气资源量为 105.55×108m3，占比40.37%；游离气资源量为155.90×108m3，占比59.63%。由此可见，各矿游离气资源量都超过50%，为过采空区煤层气抽采提供了极为有利的资源条件。

表1 晋城西区采空区下伏煤层气资源量计算结果表

3 采空区下伏煤层气抽采效果分析

关于晋城西区采空区下伏煤层气抽采工艺和技术方法，笔者所在课题组已有介绍[7-8]。在此基础上，进一步总结过采空区煤层气井抽采技术体系，分析抽采效果及经济效益。

3.1 采空区下伏煤层气抽采技术体系

煤矿采空区大部分为破碎带和遗留煤柱区域。针对有煤柱区域下伏煤层的预抽选用“L”形井进行抽采下组煤，其井身结构采用常规三开井身结构（图4）。

图4 过采空区煤层气抽采方法示意图

针对上覆煤层为采空区的下伏煤层，抽采井型采用大口径垂直井，三开井身结构，采用空气钻进，钻遇采空区破碎带时利用氮气介质进行钻进，消除煤矿井下安全隐患。在采煤影响区域以上的二开技术套管可利用返扣装置进行回收，钻井及固井方法详见本文参考文献[7-8]。

3.2 过采空区煤层气井抽采效果

跟踪分析研究区50口过采空区井，分为3种产气类型[8]。其中60%的井在投运1个月内开始稳定产气，为产气类型Ⅰ；28%的井在排采2～6月内开始稳定产气，为产气类型Ⅱ；12%的井排采7个月以上开始产气，为产气类型Ⅲ（表2）。研究区大部分常规煤层气井都需排采7个月以上开始产气，排采两年后开始稳定产气，过采空区井见气周期明显快于常规煤层气井。

表2 不同类型过采空区煤层气井产气效果分析表

上述50口过采空区井3种类型的产气潜能差异较大：Ⅰ型，见气快，单井最高产气量达 11 040 m3/d，井口套压维持在较高水平，平均井口套压为0.43 MPa，具有较好的产能潜力；Ⅱ型，见气较快，单井最高产气量为9 643 m3/d，单井平均产气量较高，达 3 324 m3/d，井口套压平均为 0.32 MPa；Ⅲ型，见气时间较长，上覆采空区卸压效果不明显，单井平均产气量为1 496 m3/d，与研究区常规煤层气井产气效果相当。

3.3 采空区下伏煤层气抽采效益

过采空区抽采下伏煤层气技术已在研究区寺河、岳城、成庄等煤矿推广应用。截至2021年底，累计施工投运煤层气井102口，日产气量约27.6×104m3，累计产气量 2.54×108m3（表3），累计创造产值4.31亿元（煤层气井口价按1.7元/m3计）。寺河煤矿井下煤层气抽采成本较高，抽采成本约为15元/m3，过采空区抽采下伏煤层气累计为煤矿节约生产成本所产生的经济效益达38.10亿元，效益显著。

表3 过采空区煤层气井经济效益表

对比分析寺河煤矿50口3号煤层常规煤层气井，平均成本158 万元/口，投资回收期为4.7 年。50口过采空区井平均成本188 万元/口，投资回收期仅3.2年，比常规煤层气井缩短1.5年。煤层气井口价1.7元/m3，成本按总投资和气量折算为1.357 元/m3，过采空区煤层气井5年累计（第1年工程施工，第2年计为投运第1年）新增利润4 973.0 万元，常规煤层气井5年累计新增利润为4 360.2 万元（表4），由此可见，过采空区井具有显著的投资产出效益。

表4 过采空区煤层气井与常规煤层气井效益对比分析表

4 结论

1）针对晋城西区山西组3号煤层采空区卸压情况，将底臌裂隙带、底臌变形带定义为下伏卸压区，将裂隙带、采空破碎区、底臌裂隙带定义为采煤影响区域，分别计算了其范围，为过采空区井钻进施工提供了理论基础。计算和数值模拟表明，下伏卸压区范围最大深度可达底板以下143 m，太原组9号煤层和15号煤层都处于底臌变形带内。

2）建立了采空区下伏卸压区煤层气资源量及相关参数估算模型，计算了晋城井区4个煤矿（寺河、岳城、成庄、晋圣）采空区下伏煤层气资源量，资源量合计为261.45×108m3。其中，吸附气资源量105.55×108m3，占比40.37%；游离气资源量155.90×108m3，占比59.63%。各矿下伏9号和15号煤层的游离气资源量占比都超过50%，为过采空区煤层气抽采提供了理论依据。

3）对比常规煤层气井，分析了过采空区煤层气井抽采的经济效益。结果表明，过采空区井单井投资回收期比常规煤层气单井缩短1.5年，50口井5年累计新增利润4 973.0万元，经济效益显著，具有向山西南部其他矿区（如潞安矿区、西山矿区、阳泉矿区等）推广应用的前景和价值。