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晋城矿区是我国重要的煤炭工业基地,位于沁水煤田的东南部,沁水盆地是我国重要的含煤盆地。晋城矿区集约化高产高效矿井的建设正面临瓦斯制约的形势和煤层气产业化开发的需求,煤矿区如何协调开发煤炭资源和煤层气资源一直是困扰煤炭生产企业的问题。本文针对目前煤矿区煤层气开发中存在的问题,以晋城矿区为对象,在国家“十五”科技攻关项目《煤层气井下开发成套工艺技术研究》(2001BA605A-07-03-02)项目的支持下,开展晋城矿区煤层气赋存与井下开发技术研究。
本研究根据晋城矿区煤层气赋存的特点,通过井下煤层气赋存参数实测,研究煤层气含量、涌出量和抽气量变化规律,建立煤层气赋存的预测理论,为煤层气规模开发并兼顾煤炭开采的合理参数研究提供理论依据;在对顺煤层长钻孔施工工艺技术进行研究的基础上,通过顺煤层钻孔预抽煤层气,建立煤层气开发与采煤一体化的模式,为煤层气的开发提供新的途径和模式;并进行现场实施应用,为煤层气新能源的开发提供新的技术途径。本文取得的主要研究成果有:
①通过煤矿井下煤层瓦斯压力直接测定方法研究试验,为AQ1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力直接测定方法》标准的制定提供了依据。研究提出了通过井下煤层气含量间接测定与煤层气含量地勘直接实测相结合确定矿井煤层气含量的新方法。
②通过对晋城矿区煤层气基本参数进行的测定和对矿区煤层气赋存规律进行的分析研究,提出了晋城矿区煤层气赋存的二维控制因素,将晋城矿区煤层气原来的单一的煤层埋深控制发展到由煤层埋深与矿区地质单元控制构造(矿区东端露头、西端寺头断层)的距离共同控制;在此基础上,构建了矿区3#煤层的煤层气赋存模型,并实现了对矿区3#煤层煤层气气赋存量的预测,其准确率达到85%~97%(国内一般仅为80%左右)。
③改进了顺煤层长钻孔施工工艺技术,实现了500m以上钻孔的成孔率达95%以上,年钻孔工程量在140万m/台以上,使旋转钻机钻孔深度突破了国内239m的纪录。引进孔底马达千米钻机突破了国内成孔深度400m的纪录,在国内首次实现主孔长1024m的枝状钻孔成孔,并创建单台钻机年成孔78484m的世界纪录,为矿区煤层气开发提供了手段。
④在井下煤层气开发抽采系统布局上,提出了采用长距离串联系统和高、低浓度分系统运行技术方法,实现了井下煤层气强化开发;在抽掘采工程布局和计划衔接方面,应用所提出的井下煤层气预测理论,以500m、1000m长度钻孔为支撑的模块抽采方式,实现了井下煤层气开发的抽掘采合理布局,创立了井下煤层气规模开发与采煤一体化协调开发模式。
⑤建立了井下煤层气规模开发的示范工程。通过应用井下煤层气规模开发模式,寺河矿实现高瓦斯矿井煤炭产量达千万吨(国内唯一),矿井2008年产煤量达到11.20Mt、井下煤层气开发量为1.85亿m3,分别是项目研究前(2003年)的的2.5倍、5.29倍;大宁矿煤层气抽采量2008年达到2.21亿m3、抽采率达85.40%(均创全国最高),2008年矿井产煤量(3.46Mt)、井下煤层气开发量分别是项目研究前(2005年)的的3.17倍、2.84倍。项目实施使2008年矿区3个矿(寺河、成庄、大宁矿)煤炭产量达到2306万、占全国总量的约1%,煤层气井下开发量总计4.86亿m3/a,占全国井下总抽采量的9.53%。
本研究成果己在10多个矿区推广应用,取得显著应用效果;以项目研究成果为基础上,制定了AQ1026-2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》的安全技术标准,项目成果由此已向全国推广应用。