大佛寺煤矿煤层气开采现状及技术应用

李昔遥，祖近轩，张治仓，高 峰，刘 乐

（陕西新泰能源有限公司，陕西 彬州 713500）

大佛寺煤矿属于高瓦斯煤矿，煤矿采掘前，可采用地面钻采和井下瓦斯抽放两种方法抽采煤层气，矿井中瓦斯量可减少70%～85%。大佛寺煤矿煤层气资源丰富，煤层厚度差很大，通透性好，已具备地面钻采的良好条件，适合采用多分支水平井技术。当前，煤矿企业要积极响应国家政策，降低矿井瓦斯含量，提高煤矿安全生产系数，同时大力开发煤层气资源，实现经济效益、社会效益和环境效益的共赢。

1 大佛寺煤矿煤层气赋存情况

大佛寺煤矿位于陕西省彬州市，主要开采4 号煤层，煤层厚度为7.50 ～9.00 m，其属于特厚煤层。煤层构造单一，煤质较好，各煤层都是低热变质烟煤层。4 号煤层的平均热值为24.49 ～24.87 MJ/kg，为中高热导率煤层。大佛寺煤矿煤层气储量达 51.96 亿m，4 号煤层的可开采资源量为39.77 亿m，其为中型煤层气田。4 号煤层瓦斯浓度最高值为17.13 m/t，煤矿绝对瓦斯涌出量为155.49 m/min，煤矿瓦斯主要来自采掘作业面、采空区底板和顶煤层。

2 试验分析

2.1 煤质分析和原煤红外谱图

煤质分析结果如表1 所示。基于傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）对煤样的微观结构进行测试，结果如图1 所示。羰基和醚氧键之间的气体吸收谱带分布在1 600 ～1 900 cm和1 000 cm的附近区域。这些充氧官能团对煤炭氧化过程的气体产物排放有重要影响，所以它是煤炭氧化过程的主要活性基团。甲基、亚甲基在煤分子中都是相当活泼的基团，尤其亚甲基在氧化过程中很容易进行电子转移，首先转化成甲基，然后随着温度的升高变为有机气体，煤样的C=C 基团较为稳定，其不容易在低温下氧化。

表1 煤质分析结果

图1 不粘煤原煤红外谱图

2.2 煤层孔隙特征

下面在4 号煤层选取4 个点位测定煤层孔隙度。经测定，其分别为2.79%、5.33%、7.06%和3.72%。测定结果表明，煤岩孔隙度一般小于10%，而4 号煤层的平均空隙度为4.725%。

2.3 煤层渗透性

4 号煤层的渗透率保持在0.04 ～45.1×10μm，平均渗透率为8.58×10μm，数值较大。煤样渗透率和孔隙度范围较宽，非均质性强。煤层渗透率与孔隙度成正相关，线性关系较好。

2.4 原煤对瓦斯的吸附特征

下面采用瓦斯吸附解吸装置，分析不粘煤对瓦斯的吸附能力。温度30 ℃、不同压力的条件下，不粘煤对瓦斯的吸附量变化规律如图2 所示。随着气压增加，瓦斯吸附量逐步上升。气压升至一定值后，瓦斯吸附量趋于平稳，表明原煤对瓦斯的吸附达到饱和。瓦斯吸附初期，煤体表面与瓦斯分子间的吸引力占据绝对优势，导致吸附表面分子难以脱附。在抽采过程中，最大化解吸瓦斯是增产关键。

图2 不粘煤对瓦斯的等温吸附曲线

3 煤层气开采技术

3.1 煤层气布井方式

地面抽采井主要有4 种，即直井、V 形井、U 形井和多分支水平井。实践证明，多分支水平井在技术与经济效益方面表现良好，其由4 个分支、1 个主支和1 个采气直井组成。首先钻1 口直井，直井井口距水平支井井口约250 m，在4 号煤层下入一根直径约 8 m 的玻璃钢套管，完成主井钻进后，起钻至工程设计第一分支点，然后进行侧钻，直至完成分枝井眼施工。

3.2 煤层气抽采及压缩

煤层气采用排水抽采方式，排水贯穿始终。经过过滤和流量计计量，分水器出气进入气体采集管网，经水表计量后排至蓄水池。增压洗涤后，煤层气需要再次增压。先将原气运输至集气管理站，再通过分离器筛除杂物和游离水，然后增压空冷，将其运输至精密过滤器，除去剩余煤粉，最后洗涤，将其通入加压机，完成煤层气加压。

3.3 煤层气集输

2018年，将井田内未接入生产管网的孤立煤层气井进行集输，建设21 km 集输管网，连接井场29座。以发电厂为中心，其分为东西2 条干线，东线长 4.73 km，西线长16.27 km，厂内连接钢管296 m、放散管250 m、阀井19 座、分水器7 座，对抽采煤层气加以输送。

3.4 煤层气销售

2021年，煤层气抽采工作井已有23 口，目前以直井为主，辅助使用U 形井和多分支水平井，日均抽采量约为4.9 万m/d，全年抽采量约为1 725 万m。煤层气已经实现民用和商用，其日均用气量为32 600 m。 经煤层气开采敏感性分析，大佛寺煤矿煤层气开发项目净现值（NPV）与气价、产气量和开发投资成正相关，与经营成本成负相关，其均为线性关系。从相关性大小来看，各因子的排序为：气价＞产气量＞开发投资＞经营成本。煤层气开发项目净现值对气价和产气量的变化最为敏感，其次才是开发投资和经营成本。如果气价下降幅度达到10%，产气量下降幅度达到15%，项目的净现值就会小于0 元。该项目投入资金较大且融资期较长，从敏感性分析来看，该项目已具备抗风险能力，在目前国家调整天然气价格的形势下，要采取积极措施，稳定并提高煤层气抽采量。

4 煤层气抽采改进措施

煤层气抽采钻井和集输成本高，有必要采取改进措施，促进煤层气抽采的发展。当前，要加大政府补贴，引导企业深入研究煤层气勘探技术，准确定位煤层气聚集处，为钻井抽采打下坚实基础；加强煤层气解吸研究，利用注气增产、注热增产和多分支水平井等技术，提高煤层气解吸速率和解吸量；扩大煤层气的使用渠道，充分利用清洁资源，提高经济效益。

5 结论

大佛寺煤矿应因地制宜，合理运用多种技术，增加瓦斯解吸量，实现煤层气抽采最大化。采气就地利用，余气外输，逐渐扩宽商业利用渠道，实现煤层气商业化。煤层气综合利用不仅可以满足当下清洁能源政策要求，提升煤矿安全生产水平，而且可以为企业创造新的经济增长点，实现经济效益、社会效益和环境效益的最大化。