主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

煤炭精準開采背景下的礦井地質保障

來源:煤炭學報

專題緊緊圍繞6個主題進行報道,即:① 煤炭深部開采地質保障;② 煤炭勘查及開采階段致災地質因素探查與預測;③ 采空區及關閉煤礦地質體屬性探測與建模;④ 煤炭地下氣化爐選址評價與生產動態監測;⑤ 煤系多種資源勘探開發與利用;⑥ 關閉煤礦資源再開發利用與生態修復中的地質問題。

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  • 作者(Author): 吳基文, 王廣濤, 翟曉榮, 張文永, 彭濤, 畢堯山

    摘要:為了探索淮南礦區地熱地質特征和礦井深部熱害防治對策,系統收集和分析了淮南礦區鉆孔井溫測井資料,基于近似穩態測溫數據,擬合了測溫孔孔底溫度校正曲線,對簡易井溫測井鉆孔孔底溫度進行了校正;采用淺鉆孔測溫法,對井下巷道圍巖溫度進行了測定;計算了各井田的地溫梯度,并結合110塊煤系地層煤巖樣品的熱導率測試結果,計算得出淮南礦區的大地熱流值,編制了淮南礦區現今地溫場、地溫梯度和大地熱流分布圖,在此基礎上,系統論述了該區現今地溫場、地溫梯度和大地熱流的展布趨勢以及煤系巖石的熱物理性質,探討了地溫場分布的構造控制作用,并對礦區地熱資源進行了評價。研究結果表明:① 淮南礦區測溫井底溫度恢復與靜井時間符合指數函數關系,并據此建立了簡易井溫測井鉆孔孔底溫度變化的校正公式;② 淮南礦區地熱參數表現為地溫梯度為1.00~4.00 ℃/hm,平均值為2.8 ℃/hm;大地熱流值變化在31.87~92.68 mW/m2,平均值為65.50 mW/m2;-500 m水平平均地溫為29.96 ℃,-1 000 m水平為41.84 ℃,-2 000 m水平為69.62 ℃;巖石熱導率在0.37~5.22 W/(m·K),平均值為2.93 W/(m·K);③ 平面上地溫梯度、地溫場、大地熱流總體呈現為西低東高、南低北高的分布趨勢;④ 礦區現今地溫場和大地熱流分布主要受控于地質構造,表現為褶皺型、逆掩斷層阻熱型和導水斷層傳熱型3種構造控溫模式;⑤ 基于地熱資源評估,該區熱儲層地熱資源量為2.32×1016 kJ,可采熱能儲量為2.64×1015 kJ,礦井水和礦井回風余熱資源量為0.97×1013~1.26×1013kJ/a,是一個可再生的低溫熱源,潛在效益顯著。研究成果為淮南礦區深部煤炭開發熱害防治和地熱資源綜合開發利用提供了地質依據。加強煤礦區深部地熱資源和礦井余熱資源的評價、利用研究,應是煤礦區可持續發展的方向之一。
  • 作者(Author): 曹運興, 石玢, 周丹, 吳海明, 劉同吉, 田林, 曹永恒, 賈猛

    摘要:我國煤層氣儲層地質條件復雜,低產煤層氣井普遍存在。低產井增產改造是中國煤層氣行業迫切需要破解的重大理論和瓶頸技術難題。本文所研究的低產井是指投產后經過一個時期排采生產,儲層水和煤層氣已經大量產出,氣產量較低的生產井。這類低產井的一個重要儲層屬性是雙低壓特征,即低水壓和低氣壓。針對這類雙低壓低產井,研究開發了高壓氮氣悶井儲層保護型增產改造技術,并在潞安礦區余吾井田進行了工程試驗,獲得了預期增產效果。余吾井田山西組3號煤層區域上為低壓低滲儲層,煤層氣井的產量普遍偏低。兩口試驗井LA-011和LA-016于2008年投產,經過4 a的排采生產,平均日產量只有31 m3/d和20 m3/d;兩井各進行過一次水力壓裂二次改造,增產效果仍不明顯。兩口井試驗前的儲層壓力梯度只有1.0 kPa/m左右,具有典型的低壓低產特征。高壓氮氣悶井增產改造試驗于2012年10月進行,分別泵注高壓氮氣34 800 m3和44 960 m3,泵注結束后關井悶壓92 h和112 h,在井口壓力降低到1.0 MPa以下時開井排采。在高壓氮氣悶井期間,實時監測了試驗井周邊鄰井的套壓變化,分析高壓氮氣在煤層中的運移方向,試驗結束后進行了1~3 a的排采生產。結果表明:① 在高壓氮氣泵注階段,位于不同方向鄰井的套壓不同程度升高,這一方面表明高壓氮氣具有區域性面狀穿透擴展和造縫現象,并清晰指示了高壓氮氣在煤層中的造縫穿透運移方向,而且高壓氮氣新生裂縫擴展方向不再受控于原始的區域地應力場方向,主要與排采后均化的局部地應力場有關。② 試驗前后同一時間段的產量對比表明,氮氣悶井改造具有“單井改造,多井增產”的區域性增產效果:即2井(LA-011和LA-016)改造,受到影響的5口井(LA-011,LA-016,LA-013,LA-014和LA-015)同時增產。③ 增產效果顯著,兩口試驗井日產氣增加1.2~8.9倍,3口鄰井日產氣增加1.4~3.7倍。高壓氮氣悶井技術是低壓低產井改造增產的有效技術,對煤層氣低壓低產井增產改造具有推廣應用價值。
  • 作者(Author): 朱慶忠, 魯秀芹, 楊延輝, 張倩倩, 魯曉醒

    摘要:高階煤層氣井低產低效區的普遍存在,已成為制約我國煤層氣產業發展的主要瓶頸之一。沁水盆地鄭莊區塊有2/3的礦井屬于低效井,區塊整體經濟效益差,以鄭莊區塊為例,剖析造成高階煤煤層氣低效開發問題的影響因素,提出了低效區盤活技術策略和模型。建立了井網部署方式、儲層改造適應性技術、高效排采管控方式3個方面的優化技術,形成了適用于高階煤儲層煤層氣井增產的技術系列:一是基于開發動態分析和數值模擬的開發井型井網優化技術和水平井耦合降壓盤活直井技術;二是基于煤儲層特征及煤層氣開發機理分析的高階煤儲層疏導式儲層改造技術;三是基于煤儲層氣-水賦存機理和微裂隙氣-水流動機理的高效排采管控技術。在此基礎上,提出了鄭莊區塊低效產能帶耦合盤活的工藝技術思路:以資源有效動用為核心,通過調整井網井型,采取疏導式儲層改造技術和高效排采管控模式,實現低效區帶整體協同降壓,新井高效開發,老井穩定增產,達到區塊整體盤活的效果。建立了低效區整體盤活工藝技術模型,并在鄭莊區塊進行了現場試驗。為期3 a的現場試驗取得了顯著的開發效果:44口直井平均單井日產氣量2 400 m3,是周圍老井峰值產氣量的3.6倍;22口水平井盤活試驗井產量是調整前水平井的4.2倍,耦合降壓使得周圍低產直井平均單井日產氣量提高了435 m3,試驗區采氣速度由調整前的1.8%提高為目前的7.6%,提高了區域煤層氣儲量動用程度和采氣速度,使區塊開發經濟效益轉虧為盈。該項技術的研發成功,為國內類似地質條件煤層氣低效區盤活提供了示范和借鑒。
  • 作者(Author): 郭廣禮, 李懷展, 查劍鋒, 劉瀟鵬, 徐友友

    摘要:煤炭地下氣化是我國先進能源領域重要的研究方向之一,也是我國煤炭資源“流態化”開采技術體系的重要組成部分。目前已完成的煤炭地下氣化工業性實驗由于實驗規模較小沒有引起顯著的裂隙發育和明顯的地表沉降發生。但隨著煤炭地下氣化實驗規模的擴大及推廣應用,如何面向不同地質條件進行地下氣化生產設計控制裂隙發育及地表沉降是目前亟待解決的瓶頸問題,極大的限制了煤炭地下氣化的選址及規模化生產。為了解決這個難題,利用數值模擬方法研究了無井式煤炭地下氣化巖層與地表移動規律以及導水裂隙發育高度與氣化爐參數的關系,同時利用理論方法提出了“雙曲線”型焦化隔離煤柱穩定性評價方法。研究得出:① 無井式煤炭地下氣化巖層和地表移動曲線與常規條帶開采巖層和地表移動曲線形態相似,可參考條帶開采地表沉陷預測方法進行無井式煤炭地下氣化巖層和地表沉陷計算,但預測參數需修正;② “雙曲線”型煤柱評價可分為彎曲和矩形兩部分進行,并在此基礎上建立了“雙曲線”型煤柱穩定性評價方法,可為不同地質條件下地下氣化生產設計提供技術支撐;③ 無井式煤炭地下氣化引起的導水裂隙發育高度與氣化爐參數直接相關。當氣化爐高度一定且隔離煤柱穩定時,氣化爐寬度與導水裂隙發育高度呈線性正相關;當氣化爐寬度和隔離煤柱寬度一定時,氣化爐高度與導水裂隙發育高度也呈線性正相關,故在覆巖含水層下進行地下氣化生產時,要兼顧導水裂隙與氣化爐參數的關系。
  • 作者(Author): 劉淑琴, 師素珍, 馮國旭, 馮健, 李明軒, 郭巍

    摘要:21世紀以來,煤炭地下氣化技術水平快速發展,以煤層水平井和移動注氣技術應用為基礎的現代煤炭地下氣化技術日益成熟,具備了產業化示范的技術基礎。煤炭地下氣化的技術流程包括氣化爐選址、氣化爐建爐、氣化爐點火、氣化過程測量與控制、地下水污染防治與控制、氣化爐閉爐,而地質選址是煤炭地下氣化項目規劃、規模化穩定生產及地下水污染防治的保障條件和先決條件。首先概述了煤炭地下氣化的3種主要技術路線。依據現代煤炭地下氣化技術路線,提出了地質選址評價的基本原則。地質選址需從煤炭儲量、煤層條件、地質構造、水文地質條件、頂底巖層穩定性、煤種、煤質等多個角度,圍繞氣化爐建設、穩定氣化和環境影響進行全面評價。在此基礎上,以內蒙古哈日高畢礦區為例,進行了煤炭地下氣化地質選址案例分析。基于三維地震解釋成果和波阻抗反演數據體,研究了目的煤層的空間展布及斷層發育特征。通過對擬聲波反演結果進行分析,獲得了目的煤層頂底板巖性的分布特征。基于地震屬性和視電阻率測井曲線,采用多屬性神經網絡反演對目的煤層及頂底板的富水性進行了研究。基于螞蟻體屬性技術對目標層段的裂隙發育特征進行了分析。最后,從煤層展布及構造特征、巖性分布特征、富水情況、裂隙發育規律方面對案例研究區進行了地質選址綜合評價,以此作為科學選址的決策依據。
  • 作者(Author): 秦勇, 王作棠, 韓磊

    摘要:煤炭地下氣化是彌補我國天然氣供需缺口的多元化途徑之一。然而,該項技術歷經80余年現場試驗目前仍未產業化應用。煤炭地下氣化爐的載體為地質體,煤礦床地質稟賦約束了特定地下氣化項目的可行性,推進這一過程必須跨越地質風險瓶頸。立足于這一戰略需求和基本認識,簡要回顧歷史并提出問題,從資源稟賦、選址評價、環境安全3個方面評述了國內外關于煤炭地下氣化地質因素的認識與進展,提出了推進煤炭地下氣化產業化的地質工作建議。分析認為,煤炭地下氣化地質工作貫穿于規劃布局、爐址選擇、氣化生產、燃后處理整個過程,系統性地質工作尚不到位是煤炭地下氣化長期未能實現產業化的重要原因,需要從戰略高度上充分理解我國煤炭資源稟賦對當前地下氣化技術的適應性,國外嚴格的選址“標準”啟示我們加大對難采、劣質、零散煤炭資源原位規模性氣化技術研究探索的力度,高溫因素與靜態地質體疊加所潛在環境地質安全問題需要正視并積極應對。基于上述地質思考,建議對煤炭地下氣化技術應持謹慎的樂觀態度,不宜保守,更不宜盲目,鼓勵選擇適宜地質條件開展工業性試驗探索。將煤炭地下氣化作為一項保障國家長遠能源安全的戰略措施,圍繞煤炭地下氣化資源評價選區與戰略規劃、氣化爐勘查與選址評價技術、高安全廣適性地下氣化工藝技術、生產地質動態監測預警技術、地下氣化地質保障系列規范5個方面,推進并組織論證和實施“煤炭地下氣化地質風險評價與預測關鍵技術”計劃。其中,煤炭地下氣化資源評價選區與戰略規劃是打破目前“難以產業化”僵局的基礎,需要立足于我國煤炭資源特性及賦存條件實際,總結國內外地下氣化工業性試驗經驗,建立全國統一的煤炭地下氣化資源評價技術準則,評價全國或大區煤炭資源對當前地下氣化技術的適應性程度。然后,提出可供分步實施的典型地質條件國家級先導性試驗區建議。
  • 作者(Author): 張慶輝, 田忠斌, 林君, 黎東升, 嵇艷鞠, 馬玉龍, 賈偉

    摘要:為實現山區復雜地形條件下,對沁水盆地東南地區煤炭采空區及采空積水區的快速、精確勘查,采用時域電性源地空電磁法對上述區域進行地球物理勘查。時域地空電磁法采用地面發射空中接收的方式,在地面布設接地長導線源,利用大功率發射機向地下發射時域方波信號,在空中利用無人機搭載接收系統沿平行于發射源的預定航線進行飛行探測獲取電磁信號和測點坐標信息,發射與接收的電磁數據通過GPS時鐘進行同步。利用時域電性源地空電磁探測系統,采集到了信噪比高的電磁數據,同時開展了地空電磁基線校正方法、地空電磁噪聲抑制方法及視電阻率成像方法的研究,進一步提升電磁數據的質量和成像分辨率。通過對時域電性源地空電磁數據和空間坐標信息進行處理獲得反應測區地電信息時間的電性源地空電磁法視電阻率,結合已知地質信息進行解釋,推斷解釋了煤炭采空區和采空積水區的空間分布特征。時域電性源地空電磁法在極大減少地面工作量的同時,兼顧了勘探深度,因此兼具航空電磁法快速高效和地面電磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用該系統開展地空電磁勘查,可以實現工作效率4~5倍的提升,且勘探效果與已知地質信息基本吻合,表明時域電性源地空電磁探測系統可以實現對煤炭采空區的快速、精確勘查。針對本次勘查的效果,可以預期時域電性源地空電磁探測系統將在復雜地形條件下的深部資源探測、環境、工程、災害地質調查中發揮重要的作用。
  • 作者(Author): 王鵬, 程建遠, 姚偉華, 李明星, 王益

    摘要:小煤窯積水采空區威脅煤礦安全生產,為有效識別鉆孔旁側遺漏的積水采空區并確定其空間位置,采用地面發射階躍磁場、鉆孔中接收三分量感應場的觀測方式進行地面-鉆孔瞬變電磁探測。通過構建積水采空區地電模型,正演分析了異常的響應特征及異常場隨異常體電阻率、規模和相對鉆孔距離變化的規律。計算結果表明:異常場的3個分量均響應明顯,X,Y分量過零點與Z分量極值點對應異常體深度;X,Y分量幅值相對較小,但為純異常場,便于識別和提取;Z分量幅值相對較強,但異常場為背景場的千分之一,不易識別和提取;由于更接近異常體,地面-鉆孔觀測方式相比地面瞬變電磁采集到的Z分量異常信號更強;異常響應強度隨異常體電阻率降低、規模增大、距離減小而增強。基于等效電流環理論,設計了最小二乘約束反演算法,通過反演擬合異常場能獲得異常體的中心坐標、傾角、尺寸等參數,實現異常體的空間定位。在陜西省榆林市某煤礦使用地面-鉆孔瞬變電磁法開展積水采空區探測實驗,采集的X,Y分量數據在目標層附近表現明顯的異常響應特征,通過對1.0 ms和1.3 ms的異常場數據進行反演擬合,發現并推斷鉆孔北側存在小煤窯積水采空區,反演結果得到后期鉆孔驗證,與實際揭露情況吻合。理論分析與現場實驗證明:地面鉆孔瞬變電磁法能有效探測到鉆孔旁側的積水采空區,實現“一孔多用”并突破“一孔之見”,為小煤窯積水采空區的精細探查提供了一種新的地球物理勘探手段。

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