香山科学会议：深部煤矿瓦斯灾害与煤层气开发重大基础问题

443：深部煤矿瓦斯灾害与煤层气开发重大基础问题深部煤矿瓦斯灾害与煤层气开发重大基础问题—香山科学会议第443次学术讨论会综述我国经济社会的快速发展，对石油、天然气等优质洁净能源的需求大幅增长。继1993年我国成为石油净进口国后，油气对外依存度越来越高，供需矛盾日益加剧，煤炭在一次能源生产和消费中的比例始终维持高位运行，给煤矿安全生产、清洁可持续发展带来了巨大的压力。为缓解我国洁净能源供需矛盾，应着力提高非常规油气资源和新能源的生产和消费比例。煤层气作为我国重要的非常规洁净能源，需要加大其开发和利用力度。煤炭和煤层气的综合开发对于保障国家能源安全、促进煤矿安全生产和节能减排具有重要的现实意义和长远的战略意义。我国煤矿的地质、开采条件极其复杂，煤炭和煤层气开采难度大，在煤层气开发过程中，遇到了包括美国在内的其他国家从未遇到的科学难题。长期以来，我国在构造复杂区低渗透性煤层中开展的地面煤层气开采未能取得重大突破，国家曾引进美国技术在两淮矿区实施数口地面钻井开采煤层气，试验成效不大。同时，在煤矿井下引进德国、澳大利亚钻机直接在煤层中抽采瓦斯的尝试也没有较大进展。低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题，长期以来没有得到有效解决，此类煤矿瓦斯爆炸事故多发、生产效率低下，安全高效开采难以实现。我国的煤炭与煤层气开发已经进入深部区域，面临着浅部从未遇到的新问题，其资源评价与灾害防治问题更加突出。针对我国深部煤储层“高应力、高含气、强吸附、低渗透”的特征以及盆地演化复杂与构造变形较强等特点，为了阐述煤层气储层的宏、微观特征及孔裂隙结构演化过程，探讨煤层气吸附、解吸、运移及物质流动规律，揭示深部煤矿瓦斯突出机理与超量煤层气赋存状态，剖析深部复杂条件下煤层气富集和导向流动的形成机制，研讨构造变形区深部煤层气开发潜力，推进形成我国科学性、有效性和针对性的深部煤矿瓦斯灾害防治、深部煤与煤层气共采以及煤系多气共采理论体系和技术方法。香山科学会议于2012年11月6日～8日在北京召开了以“深部煤矿瓦斯灾害与煤层气开发重大基础问题”为主题的学术讨论会，会议聘请中科院地质地球物理所孙枢研究员、淮南矿业集团公司袁亮教授、中科院大学地学院侯泉林教授、中联煤层气有限责任公司吴建光教授和中科院大学地学院琚宜文教授担任执行主席，来自澳大利亚以及国内高等院校、科研院所、企业和管理部门的40多位专家学者应邀参加了讨论会。与会专家围绕（1）深部煤矿瓦斯突出机理与超量煤层气赋存状态；（2）煤矿区煤与非常规天然气共采重要理论问题；（3）复杂构造区煤层气开发关键基础问题和（4）深部煤矿瓦斯突出预测与煤层气勘探开发战略及对策问题等中心议题进行了广泛交流和深入讨论，并提出了建议。一、主题评述报告袁亮教授作了题为“煤层气高效开发面临的重大科学技术问题”的主题评述报告。他指出，我国煤层气产业发展对于保障国家能源安全，优化能源结构，保障煤矿安全生产以及节能减排具有重要的意义。报告分析了我国煤层气发展的战略机遇、发展现状以及面临的挑战，并提出我国煤层气高效开发的实施路线，即2030年前煤层气产业发展的三个阶段：“十二五”期间的产业规模奠基阶段、“十三五”期间的产业发展支撑阶段以及“十四五～十五五”期间的开发格局全面形成阶段；报告还指出了三个阶段的关键任务。现有煤炭与煤层气共采的两种模式：（1）以保护层卸压和强化预抽技术为代表的区域性瓦斯治理技术、无煤柱煤与瓦斯技术，称为“淮南模式”，在国内多煤层高瓦斯矿区广泛推广应用；（2）针对单一煤层井下和地面抽采两个独立的产业模式的局限性而研发的“三区”（煤矿规划区、开拓准备区、生产区）联动煤层气立体抽采工艺与配套技术，称为“晋城模式”。未来煤层气抽采技术研发应注重：高含气量松软低渗透性煤层的煤层气高效抽采理论与关键技术；多煤层条件下煤层气赋存体系及开发关键技术；煤矿区煤层气地面与井下协同开采理论与关键技术；煤矿区煤层气抽采效果评价理论与技术。讨论中，与会专家认为瓦斯治理与煤层气开发需要结合起来。煤层气不开发就会造成资源浪费，高瓦斯区不抽采就会导致煤矿瓦斯灾害，排放煤层气就会造成环境污染问题。我国煤层气开发有资源多、资料多、矿井多的有利条件。部分专家提出，开发煤层气的关键问题涉及（1）地质属性本身的认识；（2）对煤储层性质的改造，即如何开发新的改造技术。目前，煤层气开发经济模型还很不完善。分区勘探开发包括垂直分区、水平分区和时间分区，不够深入和全面。煤矿区煤炭与煤层气的共采仍缺乏国家支持。二、深部煤矿瓦斯突出机理与超量煤层气赋存状态与会专家在报告中，指出变形作用不仅影响煤的大分子结构，而且影响煤层气的赋存状态。韧性变形作用使机械能逐渐转化为应变能，煤中化学结构随应变能的积累发生芳核内部位错、滑移蠕变甚至降解，比脆性变形更容易导致次生结构缺陷的形成，以致降低构造煤大分子结构的稳定性，使脂族和醚氧结构等侧链小分子发生降解。实验表明，不到10%的应变就足以使煤结构中的脂肪含氧基团或醚键发生降解并生成气体释放。而导致强变形的韧性变形煤中往往容易发生瓦斯突出，并产生超量煤层气。我国是世界上煤岩动力灾害最为严重的国家，仅原国有重点煤矿中，超过50%为高瓦斯突出矿井。随着采深及开采强度加大，在煤矿伤亡事故中所占比例越来越高。煤与瓦斯突出是应力、瓦斯和煤物理力学性质随时间耦合演化而发生的突变行为，其发生机理还需进一步研究。构造发育差异性及其对煤体的改造作用研究，是揭示煤层瓦斯富集规律和突出危险性评价的重要方面。不同类型构造煤具有不同的结构和瓦斯特性，其中韧性变形煤特殊的物理和化学结构决定了其高含气量和低透气性的特征，是瓦斯突出的危险地带。构造煤发育及其分布规律的正确判别是瓦斯突出预测与评价的关键科学问题，迫切需要精确的探测理论和技术方法的支持。三、煤矿区煤与非常规天然气共采重要理论问题采煤采气一体化就是运用现代采矿与煤层气抽采技术，在可采煤层段对与其共生的煤层气资源统筹规划，协调开发，达到相互促进并将相互之间的负面影响降至最低限度的一系列工程运营活动。基于煤炭开发时空接替规律，将煤矿区划分为煤炭生产规划区、煤炭开拓准备区与煤炭生产区等三个区间，达到充分利用资源的目的。晋城煤业集团首创了条带式井上下联合抽采技术，同时在寺河等矿区应用井下定向钻机实现煤矿井下钻孔与地面钻井压裂带的贯通，实现了真正意义上的井上下联合抽采。目前我国煤矿各大矿区实施瓦斯抽采有两类：采动卸压抽采效果好，但受条件限制；采前预抽无卸压条件，抽采效果差。煤矿区煤层气抽采应以煤炭资源开发为主体，采煤为主，采气为辅，走“采煤采气一体化”的道路，同时抽采应与煤矿生产安全密切关联。采用定量的方法进行分析计算，对抽采效果进行综合评价，使得煤层气的抽采最大限度地利用资源、保护生态环境。煤矿区煤与煤层气协调共采需要统筹地面和井下煤层气开发与煤炭开采的关系。一方面，为了实现“抽、掘、采”的协调，矿井须提前6-10年制定煤与煤层气共采规划，在时间和空间上做到准备区（远景区）、生产区和采空区的合理接续和布局。另一方面，要充分认识采动影响的时空关系，合理布设煤层气地面和井下抽采钻井（孔），防止井孔破坏，优化抽采效果。四、复杂构造区煤层气开发关键基础问题与会专家在报告中，指出在我国构造变形区深部煤层寻找新的煤层气开发有利区并取得突破是煤层气产业化的迫切需要，进一步精细探测富集高渗区以提高其产能与开采效率也是煤层气开发中亟待解决的难题。构造变形区深部煤层气开发重要科学问题主要包括四个方面：（1）盆地演化过程中挤压与伸展构造的叠加；（2）煤储层变质变形作用及脆韧性叠加与转换；（3）煤岩变形的微-纳米结构及其物性突变；（4）储层改造中储集空间导通改造及多场动力改变。国内外煤层气开发的实践表明，要实现商业化运作就必须具备高丰度富集条件，同时煤储层的原始渗透率要高，且储层具有可改造性。高丰度煤层气富集区的核心是富集和可采。我国沉积盆地深部煤层气资源量巨大，与浅部煤层不同，深部煤层一般具有高地层压力、高地温和低渗透性特点。深部煤层非常低的渗透率和高的开发成本，使得有效开采利用变得困难。我国煤层气开发应实行两条腿走路：一是煤矿区煤层气抽采，以改善煤矿安全条件为主要目的，先抽气后采煤，实现煤和气两种资源协同开发和保障煤矿安全的综合效益。二是煤矿区以外地区的煤层气勘探开发，以能源开发为首要目的，建成商业化供气基地,通过售气获取直接经济效益。煤层孔隙度和渗透率模型的建立是正确理解煤与气体相互作用力学基础理论的关键。数值模拟技术可以用来定量描述煤层气开发和CO2地下储存中多物理场耦合的作用，煤层孔隙率和渗透率的演化，从而指导煤层气和固体煤的有效开发。五、深部煤矿瓦斯突出预测与煤层气勘探开发战略及对策问题与会专家在报告中，指出深部煤层气资源的合理开发利用对于缓减我国优质能源供需矛盾、减少温室气体排放、改善大气环境具有重要意义。埋深大于900m的煤层气开采已经属于深部开采，深部煤层处在较高地应力、较高孔隙压力、较高温度环境下。在此深度下煤层的抗压强度较低，煤层的组织结构、基本行为特征、渗透性和工程响应均发生根本性变化，给深部煤层气资源开采造成极大困难。浅部煤层的煤层气开发技术，并不完全适宜于深煤层煤层气，要辅以适宜于深煤层的钻完井液和压裂液、超低密度支撑剂等新材料，将是解决深煤层煤层气开发技术瓶颈的重要途径。由于处于煤层气勘探开发的初期阶段，面临：地质条件复杂、资源远离市场、瓦斯排放总量大、“先采气、后采煤”缺乏落实、资金缺口较大、气价缺乏竞争力、“三权”矛盾、监管力量薄弱，投入不足，手段单一等问题。无论从适用性技术进步，还是产业规模方面，目前都不十分理想，制约了煤层气资源的充分利用。从资源评价到作为产业发展，我国煤层气的开发经历了曲折的道路。我国煤层气产业发展缓慢的原因很多，但最根本的问题包括客观存在的地质条件复杂和技术不完全适应两个方面。要实现煤层气产业化目标，国家和地方配套政策需要进一步落实，而适用性技术突破是关键。六、会议总结与专家建议在经过广泛交流和深入讨论，与会专家一致认为：1.我国深部煤炭与煤层气的开发面临着新的战略机遇和挑战。要通过实施煤层气基础研究、抽采技术创新以及开发技术示范工程“三大战略”，尽快实现我国煤层气的高效开发；2.瓦斯突出机理和超量煤层气的赋存状态均与构造变形作用密切相关。中国含煤盆地大部分经历过复杂的构造变形作用，可从变形角度入手，进行探索；3.煤层气资源开发的迫切性、煤层地质条件的复杂性以及煤层气储存条件决定了煤矿区煤与煤层气协调开发是煤层气高效开发的重要途径。要统筹地面和井下煤层气开发与煤炭开采的关系，做到资源开发顺序和抽采技术的协调统一；4.要实现煤层气产业化目标，一是国家和地方配套政策需要进一步落实；二是适应性技术突破。关键科学与技术问题：1．煤矿突出过程中产生的超量煤层气与煤层变形作用有何关系、赋存状态如何等是矿井瓦斯突出预测与认识超量煤层气的关键科学问题；2．在正确理解“深部”的概念和科学内涵基础上，阐明深部煤层气富集的地质条件，探讨深部煤层气可采性，是深部煤层气勘探的核心问题；3．构造复杂区深部煤层是我国煤层气开发需要重点关注的区域。如何寻找新的煤层气开发有利区，如何在开发比较成功的盆地进一步精细探测煤层气富集高渗带，是煤层气开发中亟待解决的难题；4．低渗透性煤层气储层增产改造、煤层群中煤与煤层气协同共采、煤系地层多气综合开发的突破是当前面临的重要技术问题。专家建议：1.构造变形煤不仅影响了深部煤矿瓦斯突出，而且制约了我国深部煤层气勘探开发，建议科技部和基金委应重视深部构造变形区煤层气勘探开发与煤矿瓦斯灾害重大基础问题的立项研究;2.建议国家科研、工业与安全部门从安全、技术、经济等方面尽快确定煤矿适合开采的深度，实现煤矿区煤与煤层气共采以及煤系地层多气综合开发;3.硫化氢含量与分布及其对煤与煤层气开采环境的影响、煤矿瓦斯突出过程化学组成的变化、深部煤储层含水性及其与煤层气赋存之间的关系等,建议国家和地方加强研究力度;4.由于煤层气开发与煤矿区煤炭开发不一定同步，因而煤层气勘探开发中煤层气资源管理