李继昌-西部侏罗纪煤田瓦斯资源化开发及阶梯式利用关键技术研究与工程示范

1、西部侏罗纪煤田瓦斯资源化开发及阶梯式利用关键技术研究与工程示范汇报人：原德胜陕西彬长矿业集团有限公司汇报提纲12345项目背景及意义总体研究思路主要研究成果项目创新点相关知识产权经济、环保及社会效益61、项目背景及意义1.1 煤层瓦斯资源化开发与利用的必要性盆地资源量（万亿方）鄂尔多斯9.86沁水3.95准格尔3.83滇东-黔西3.47二连2.58吐哈2.12塔里木1.93天山1.63海拉尔1.60我国煤层气资源总量丰富，近期可采瓦斯资源量7.0万亿方，主要包括沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘和南缘、滇东-黔西与准噶尔盆地南缘等。中-高阶、低阶煤层气资源各占“半壁江山”，中-高阶煤可采瓦斯资源量5.

2、7万亿方，占53%；低阶煤可采瓦斯资源量5.2万亿方，占47%。1.2 煤层瓦斯资源化开发与利用的针对性彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南缘，属侏罗纪低阶煤，煤层气预测资源量为97.52亿方，具有重要的开发利用前景和价值，对于增加天然气能源供应、优化能源结构则具有极其重要的战略意义。截至2013年，我国煤矿瓦斯（煤层气）抽采量156亿方，而利用量仅66亿方，利用率仅为42.3%，瓦斯利用技术及利用水平亟待显著提高。乏风瓦斯排放量占煤矿瓦斯总排放量的约64%，乏风瓦斯的利用对于矿区瓦斯的节能减排及能量回收具有重要的意义，但乏风瓦斯能量密度低使得其可利用性及利用技术装备亟待显著提高。1.3 矿区瓦斯“零排

3、放”面临的挑战性分布式矿区瓦斯能源系统瓦斯资源化开发新模式瓦斯阶梯式利用新装备瓦斯能源新系统抽采瓦斯能量最大化利用？瓦斯“零排放”面临的“三项”挑战高效高品质瓦斯开发瓦斯的高效利用系统能量利用的最大化乏风瓦斯2、总体研究思路2.1 项目研究的总体思路2.2 项目预期效果满足煤矿安全生产对于瓦斯防治的要求 满足瓦斯高效利用对瓦斯气源品质的要求 满足节能减排对矿区瓦斯零排放的要求 3、主要研究成果首创了侏罗纪低煤阶煤层瓦斯资源化高效高品质开发技术获得了侏罗纪低阶煤的储层物性特征，指出了彬长矿区侏罗纪煤层瓦斯高效抽采的有利区域，确定了矿区瓦斯资源化开发地面井井型优选及井下瓦斯抽采的布孔原则，构建了彬

4、长矿区侏罗纪低阶煤储层日产30万方瓦斯地面规模化开发系统工程，首创了低煤阶高瓦斯煤层“井上下抽采相协同、三区递进相协调、卸压与抽采相耦合”的“二三二”瓦斯高效抽采技术新模式，提高了瓦斯抽采的效率及可利用瓦斯的品质。3.1 研究成果之一1）侏罗纪低阶煤的煤岩特征显微煤岩特征：有机显微组分以惰质组（丝质组、半丝质组）为主，镜质组次之（镜质组、半镜质组），壳质组少见，镜质组反射率0.50%0.76%，属于低变质程度煤种（MT/T 1158-2011）。1.彬长矿区低煤阶煤层瓦斯赋存的基本特征大佛寺煤（不均一镜质体）平煤八矿煤（富氢镜质体）顾桥矿煤（粒状结构镜质体）新裕矿煤（富氢镜质体）袁庄矿煤（网状

5、镜质体）2）低阶煤的孔隙形状特征根据国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）及de Boer分类标准，大佛寺低阶煤的孔隙以“墨水瓶”型孔为主，而平煤八矿为“两端开口的楔形孔”，淮北顾桥、平煤四矿、汾西新裕则以“狭缝型孔”为主。3）低阶煤的孔隙分布特征孔隙以中大孔（50nm）为主大佛寺低阶煤的孔隙以中大孔为主，其中大孔（50nm）比例明显高于其它高变质程度煤样的大孔比例。大佛寺煤的孔径分布相对均衡，使得煤层各类孔隙间的连通性相对较好，有利于瓦斯在煤层中的流动。4）低阶煤的孔隙渗透率特征大佛寺低阶煤的大孔比例31.66%，孔隙渗透率达10.3368mD，大孔比例及孔隙渗透率均明显高于高变质程度煤样

6、。大佛寺低阶煤具有明显的大孔隙、高渗透性的特点。5）低阶煤煤储层的细观裂隙发育特征观测位置煤体结构主裂隙次裂隙方位（）密度（条/10cm）方位（）密度（条/10cm）40104灌浆巷300m原生碎裂23553003440104灌浆巷600m原生碎裂2304300540104灌浆巷1030m原生碎裂23523353440106灌浆巷300m原生碎裂2204310540106灌浆巷1500m原生碎裂2605340440108运顺巷原生碎裂22043206大佛寺低阶煤的大佛寺井田煤层裂隙较发育，裂隙（割理）密度中等，主裂隙密度4条/10cm，次裂隙密度4.5条/10cm。6）低阶煤储层的渗透率特征煤

7、层钻孔埋深（m）渗透率（md）4上煤DFS-C01477.800.11DFS-C02575.406.84DFS-C03539.600.89DFS-C04485.554煤DFS-C01513.305.73DFS-C02596.103.55DFS-C03567.603.08DFS-C04499.453.06在井下对4上煤层及4号煤层进行的透气性系数测试，主采煤层4煤层透气性系数为2.2165.340m2/MPa.d。从测试结果看，均反映该区煤层具有相对较高的透气性系数。7）低阶煤对瓦斯的吸附-解吸特性煤样朗缪尔体积VL（ml/g）朗缪尔压力PL（MPa）相关系数R2大佛寺煤矿25.142.190.

8、995平煤八矿24.791.040.99淮南顾桥煤矿23.850.970.991汾西新裕博煤矿18.902.110.986平煤四矿21.721.850.996淮北吴庄煤矿20.742.420.998实测瓦斯含量：8.589.24m3/t瓦斯压力：1.081.51MPa吸附常数显示，大佛寺低阶煤吸附瓦斯易于解吸，较容易产生较高的瓦斯压力。煤层基岩、埋深与煤层气含量4煤气含量与基岩厚度关系图4煤层气含量与埋深关系图瓦斯含量与基岩厚度的相关性并不明显（左图），较高瓦斯含量区域位于基岩厚度在270400m之间的区域，而在井田东南部的局部区域，瓦斯含量与基岩厚度具有一定的正相关关系。8）煤层瓦斯分布的地

9、质主控因素煤层顶底板泥岩厚度与煤层气含量4号煤层瓦斯含量与顶板5m范围内泥岩厚度相关性显著，具较高正相关性，说明煤层顶板5m内泥岩厚度对煤层气的封盖保存起的作用较大。4号煤顶面到直罗组顶面层段砂泥岩比与4号煤层气含量表现出明显呈负相关，说明该层段地层内砂岩厚度越大越不利于4号煤层气的保存。9）煤层瓦斯资源开发区域划分资源估算方法：含气量法大佛寺煤矿煤层气资源量/储量估算结果表彬长矿区煤层瓦斯开发整体规划2.低煤阶高瓦斯煤层“二三二”抽采新模式井上下抽采相协同规划区：地面多井型引导式瓦斯抽采准备区：井下长钻孔立体网络化递进式抽采生产区：井下立体钻孔主动递进式卸压瓦斯抽采三区递进相协调采动卸压与瓦

10、斯抽采相耦合两相流达西定律：运动方程：多气体组分吸附方程：孔隙度模型：敏感模型：3.规划区地面多井型井引导式高浓度瓦斯抽采技术1）建立了煤层瓦斯地面井排采气体渗流模型多分支水平井（DFS-C02）的排采特性分析与产能预测流压控制方式产水速率预测产气速率预测累计产气量预测按照如图所示的井底流压控制方式，排采250天左右储层压力降至临界解吸压力，开始产气，产气峰值达14000m3/d，稳产期产气量为3000-4000m3/d，1000天累计产气800万m3，5000天的累产气量可达2600万m3。 U型分支水平井的排采分析与产能预测流压控制方式产水速率预测产气速率预测累计产气量预测预测该井的产气高

11、峰值可达1500m3/d，稳产期的产气量为600-700m3/d，5000天的累计产气量可达380万m3。 垂直井排采分析与产能预测流压控制方式产水速率预测产气速率预测累计产气量预测预测直井最大产气速率15001600m/d，井底流压降至150kPa时，可达产气峰值2000m3/d，稳产阶段产气量约800m3/d，5000天累计产气量约540万m。 500天1000天2020天5000天多分支井在该区的排采特性较好，垂直井次之，而U型则排采效果较差。其中多分支V型井（DFS-02V）最高日产气量为16582.3m3/天，多分支水平井（DFS-C02 ）日产气量12964.26m3/天。地面井的

12、生产过程分为：初期的产水阶段和后期的产气阶段。不同井型达到峰值产水量的时间有着显著差异，排水使煤储层压力降至低于煤层瓦斯的临界解吸压力之后，排采进入产气阶段。2）煤层瓦斯地面井排采特性排采制度对地面井产气的影响井底流压与产气量之间呈指数关系。不同排采时期，动液面高度对产气量的影响有着不同的作用规律，且对排采过程的高产气阶段产气量的影响更为显著，排采过程在高产气阶段应稳定合理排采速率和动液面高度。套压与产气量之间近似为线性变化的关系，但不同的排采阶段线性关系的比例不同。排采高产气期，其以产气为主，井底压力则主要由套压控制，须保持较低的套压生产。不同井型煤层气井产能拟合关系为其中：产量与累计产量的

13、比值前k个月的累计产量累计产量序列日产量序列3）煤层瓦斯地面井产能预测模型基于排采数据的煤层气井产能预测与验证V型多分支井水平多分支井直井实测数据与公式拟合的相关性均较好，相关系数均高于0.8482，对于处于稳定产气阶段或产气衰减阶段而言，该式可得较好的拟合关系。4）地面井的井型优选与布井原则区域选择：地面开发首先选择煤层瓦斯含量相对较高、煤层厚度大且变化较小、煤层渗透率相对较高的地区。井型选择：结合矿井开采现状、地面条件及不同井型的产能布设适当的井型。时间因素：在时间上地面抽采与矿井生产协调一致，形成地质勘探、地面预抽、矿井建设、煤炭开采、采中抽采、采后抽采的合理衔接。空间因素：在空间上，地

14、面井设计应避让井筒、硐室及巷道，避免对煤矿建设与开采带来影响。5）制定并实施了日产30万方煤层瓦斯地面井抽采工程1）“井下千米钻孔地面井压裂裂隙带”立体贯通网络化抽采4.准备区井下长钻孔立体网络化递进式抽采技术在规划区地面预抽采的基础上，当规划区转变为准备区时，在煤矿井下采用千米钻机施工本煤层长钻孔，贯通已有的地面抽采井压裂裂缝及其影响带，形成人工裂缝与本煤层长钻孔构成的立体抽采网络，关闭贯通的地面井抽采，转为井下预抽为主。2）井下“长钻孔”耦合交互式采前递进抽采随掘随抽顺层钻孔递进掩护式采前预抽顺层钻孔工作面采前预抽1）采场卸压瓦斯抽采理论之一：工作面超前支撑应力分布5.生产区井下立体钻孔主

15、动递进式卸压瓦斯抽采技术工作面前方煤壁在超前支撑应力的作用下经历“压缩”、“膨胀破裂”过程，有利于卸压瓦斯的流动与抽采。实测工作面超前支撑应力峰值工作面前方710m处，应力集中系数34.9。超前支撑应力显著影响范围为工作面前方约20m范围之内。膨胀区范围：010m压缩区范围：1020m1）采场卸压瓦斯抽采理论之二：采场“三带”分布以大佛寺煤矿40108工作面为例：采场覆岩冒落带高度4556m，为采高的45倍，冒落带高度与综放工作面采高的关系：裂隙带127139 m，为采高的10.611.6倍，裂隙带高度与综放工作面采高的关系：冒落带高度边界拟合函数2）井下“立体钻孔”卸压瓦斯主动式递进抽采采动

16、卸压区瓦斯抽采中高位钻孔卸压瓦斯抽采高位巷卸压瓦斯抽采6.“三区联动”级联准则判据以彬长矿区瓦斯抽采有利区域划分为依据，以瓦斯含量为指标，综合考虑煤层瓦斯地质特征、瓦斯地质条件、煤炭开采强度和煤矿通风安全措施等因素，建立最高允许含气量数学模型：瓦斯抽采的安全效果：全矿井瓦斯抽采率为73.2%。三区瓦斯抽采比例：规划区3.26.6%，平均4.9%；准备区17.322.3%，平均19.8%；生产区47.849.3%，平均48.5%；乏风瓦斯约为26.8%。7.低煤阶高瓦斯煤层“二三二”模式的抽采效果抽采瓦斯的“品质”特性：（三区抽采瓦斯利用率达100%）规划区：抽采瓦斯平均浓度67.39%，可直接

17、供气利用率100%；准备区：抽采瓦斯平均浓度8.26%，可直接发电利用率84.58%；生产区：抽采瓦斯平均浓度7.61%，可直接发电利用率57.41%；抽采浓度小于8%的可用于乏风瓦斯氧化掺混用气的比例：其中准备区15.42%、生产区42.59%。创新了矿区瓦斯阶梯式高效利用新装备构建了低浓度瓦斯安全输送系统，发明了瓦斯浓度智能调节与自适应调配系统，实现了“瓦斯安全添加与浓度自适应调配”，保证了低浓度瓦斯发电系统及乏风瓦斯氧化装置运行的稳定性与安全性；创新了“自回热型抽采低浓度瓦斯与乏风瓦斯协同氧化一体化利用关键技术装备”，实现了氧化装置多通道匀流进气与高效埋管取热，改善了氧化装置温度分布的均

18、匀性。3.2 研究成果之二瓦斯输送与混配的阻隔爆装置： 水位自控式水封阻火器 丝网过滤器 瓦斯管道专用阻火器 低温湿式放散阀低浓度瓦斯细水雾安全输送系统:该系统包括水环真空泵、水封式阻火器、干式阻火器、瓦斯管路、排空阀、输气阀、细水雾发生器、除水器等依次相连的管件。1. 低浓度瓦斯安全输送系统及关键装备优点：1）文丘里混合器提高了混合过程的安全性；2）火焰传感器一定程度上起到了超前阻隔爆的目的；3）反馈信号提高了系统对瓦斯浓度调节的准确性；4）多种阻火、泄爆方式的组合运用，保证了系统运行的安全可靠。2. 瓦斯浓度智能调节与自适应调配系统混配系统实景图瓦斯浓度智能调节与自适应调配系统的运行特性自

19、动配气系统的稳定工作特性：在抽采瓦斯浓度、抽采瓦斯压力、乏风气体压力、乏风瓦斯浓度、乏风流量波动条件下，可自动调节并实现氧化装置瓦斯浓度稳定在0.9%1.1%，保证了系统运行的安全与稳定。传统乏风瓦斯蓄热氧化热量传递过程及自回热改进3.乏风瓦斯氧化装置自回热预热氧化技术传统蓄热氧化装置进气的预热仅通过高温气体辐射及蓄热体导热使得热量向上游逆流传递，进气预热效果较差。改进：通过高温烟气逆流强化热量向进气的回流，改善进气的预热过程并降低烟气热损失。创新了自回热型低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置氧化装置的稳定运行特性垂直井稳定蒸汽压力不变，蒸汽产量和温度随浓度升高而提高，热效率随乏风浓度升高而

20、降低浓度为0.4%以上时瓦斯氧化率大于95%流量60000m3/h、乏风温度1718、湿度88%89%，自维持运行乏风浓度约为0.3%浓度0.2%、温度7、湿度50%时，装置自维持运行的最小流量为15000m3/h 氧化率最低浓度蒸汽产量最低流量通风瓦斯浓度0.3%1.2%范围内，装置最大处理风量为61010m/h，甲烷氧化率均大于95%。在通风瓦斯处理风量约60000m/h时，乏风氧化装置的最低稳定运行甲烷浓度为0.3%。首次提出并构建了瓦斯浓度与能量阶梯式利用新型热力系统耦合创新了“低浓度瓦斯内燃发电机组、乏风瓦斯氧化发电机组、余热利用”三位一体的新型热力系统，实现了矿区瓦斯的阶梯式高效利

21、用；首次提出了“分布式矿区瓦斯近零排放多联产能源系统”的新模式，丰富和发展了狭义上对“分布式能源系统的概念及应用范畴”，实现了以“瓦斯浓度”与“能量品位”为导向的“双效阶梯式、能量最大化”利用的新工艺。3.3 研究成果之三煤矿低浓度瓦斯与乏风瓦斯热氧化发电热力系统1.乏风瓦斯氧化发电热力系统从左到右依次是： 乏风瓦斯氧化发电机组、余热利用、低浓度瓦斯内燃发电机组2.矿区分布式煤矿瓦斯近零排放能源系统彬长矿区瓦斯分布式零排放能源系统整体技术工艺3.彬长矿区大佛寺煤矿瓦斯（近）零排放工程实践彬长矿区大佛寺煤矿低浓度瓦斯发电集群场区乏风瓦斯发电厂区实景图能源系统整体效率及合理运行工况范围在进气瓦斯浓

22、度不低于0.6%的情况下，甲烷氧化效率不低于95%，进气瓦斯浓度高于0.8%的情况下甲烷氧化率不低于98%，进气含湿量要求不高于60%。热电联产系统的整体发电效率约为28%左右，系统整体能量利用效率约为70%。低浓度瓦斯发电厂建设规划区域分布示意图乏风瓦斯发电厂建设规划区域分布示意图彬长矿区循环经济模式的核心“分布式矿区瓦斯零排放多联产能源系统”4. 彬长矿区瓦斯零排放绿色循环经济发展模式4、项目创新点1、在理论上，提出了侏罗纪低阶煤具有大孔隙、高渗透特性的新认识，建立了低煤阶煤层瓦斯不同井型抽采的产能预测模型；首次提出了以矿区瓦斯阶梯式利用为基础的“分布式矿区瓦斯近零排放多联产能源系统”新模

23、式，丰富和发展了狭义上对“分布式能源系统的概念及应用范畴”，实现了以“瓦斯浓度”与“能量品位”为导向的双效阶梯式利用的新工艺；率先提出了矿区“煤与瓦斯开发相协调”、“瓦斯抽采与输送工艺相匹配”、“瓦斯浓度与利用模式相适应”的矿区瓦斯阶梯式利用系统工程的新理念。4.1 项目创新点2、在抽采工艺上，构建了规划区“地面多井型引导式瓦斯抽采”、准备区“井下长钻孔立体网络化递进式抽采”、生产区“井下立体钻孔主动递进式卸压瓦斯抽采”，首创了低煤阶高瓦斯煤层“井上下抽采相协同、三区递进相协调、卸压与抽采相耦合”的“二三二”瓦斯高效抽采技术新模式。3、在技术装备上，发明了“自回热型抽采低浓度瓦斯与乏风瓦斯协同

24、氧化一体化利用的关键技术装备”，实现了“高浓度瓦斯安全添加、乏风瓦斯浓度自适应调配、氧化装置多通道匀流进气与高效埋管取热”，创新了余热蒸汽发电及冷热联产的能量阶梯式利用的新型热力系统。4、在工程实践上，率先实现了“煤矿低浓度瓦斯发电及余热梯级利用产业集群”的CDM（清洁发展机制）认证与CERs（核证减排量）商业化运行，建成了全国首个“煤矿乏风瓦斯规模化氧化发电示范工程”，构建了彬长矿区以瓦斯为产业导向的“煤炭安全开采煤层瓦斯资源规划化开发矿区瓦斯阶梯式利用”三位一体的循环经济发展新模式。首创了低煤阶高瓦斯煤层“井上下抽采相协同、三区递进相协调、卸压与抽采相耦合”的“二三二”瓦斯高效抽采技术新模

25、式。首次构建了以“分布式矿区瓦斯近零排放多联产能源系统”为基础矿区瓦斯阶梯式利用的新模式，形成了以“瓦斯浓度”与“能量品位”为导向的双效阶梯式利用的新工艺，提出了矿区“煤与瓦斯开发相协调”、“瓦斯抽采与输送工艺相匹配”、“瓦斯浓度与利用模式相适应”的矿区瓦斯阶梯式利用系统工程新理念。4.2 项目研究的先进性率先构建了目前国内低浓度瓦斯与乏风瓦斯协同发电及余热利用的大规模经济运行项目，首次提出并构建了“分布式矿区瓦斯近零排放多联产能源系统”，能源系统综合效率约为70%。率先实现了“煤矿低浓度瓦斯发电及余热梯级利用产业集群”的CDM（清洁发展机制）认证与CERs（核证减排量）商业化经济运行。5、技

26、术经济指标及相关知识产权5.1 技术经济指标全矿井瓦斯抽采率达73.2%；抽采瓦斯及乏风瓦斯总利用率达84.6%，其中抽采瓦斯利用率100%，乏风瓦斯利用率约47.5%（现为一期工程，二期工程完工后可实现乏风瓦斯利用率100%）；乏风瓦斯氧化装置最大处理风量为61010m/h，经济运行范围内瓦斯最低氧化率不低于95%，自维持稳定运行的最低瓦斯浓度0.3%；分布式矿区瓦斯近零排放多联产能源系统的发电效率约为25%，总能量利用率达70%。申请专利：国际PCT专利1项5.2 相关知识产权【1】煤矿乏风瓦斯氧化装置（发明授权）【2】一种煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统（发明授权）【3】一种脉动多

27、孔介质燃烧发电系统（发明授权）【4】一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置【5】一种煤矿乏风瓦斯氧化装置用瓦斯浓度安全自动调节系统及方法【6】一种自吸旋流式煤矿抽采瓦斯与乏风瓦斯混合装置（发明受理、实用新型授权）【7】一种乏风瓦斯氧化利用的导流装置（发明受理、实用新型授权）【8】一种煤矿作业场所主动式灭火抑爆系统及方法（发明受理、实用新型授权）【9】一种矿区分布式煤矿瓦斯近零排放多联产供能系统（发明受理、实用授权）【10】一种矿区分布式煤矿抽采瓦斯热电冷多联产能源系统（发明受理、实用授权）【11】一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔多相介质封堵装置及方法（发明受理、实用授权）【12】一种煤

28、矿井下瓦斯抽采钻孔群区域性网络裂隙帷幕式注浆封堵装置及方法（发明受理、实用授权）申请国内专利：12项（发明授权3项、实用新型授权7项）【1】Fractal analysis of pore characteristics and their impacts on methane adsorption of coals from Northern China,Oil, Gas and Coal Technology【2】Combustioncharacteristicsoflowconcentrationcoalminemethaneindivergent porousmediaburner,International Journal of Mining Science and Technology【3】煤体多孔介质孔隙度的分形特征研究，采矿与安全工程学报