煤層氣開采模式探討
摘要：“井下抽采”與“地面鉆采”是煤層氣開采的兩種方式。如何將“地面鉆采+井下抽采”有機結合，是解決能源矛盾、消除安全隱患的根本問題。在分析兩種開采模式差異基礎上，利用“系統(tǒng)工程事故樹+多層模糊數(shù)學綜合評價法”對其影響因素分析評判。最后提出了不同類型礦井的煤層氣開采模式。
關鍵詞：煤層氣；開采模式；井下抽放；地面鉆采
2002年國家煤礦安全監(jiān)察局制定了“先抽后采，以風定產，監(jiān)測監(jiān)控”的煤礦瓦斯防治方針，強化了瓦斯抽采在治理瓦斯災害中的地位。但目前的井下瓦斯抽采遠遠不能滿足瓦斯治理的要求，“地面鉆采”煤層瓦斯日益提上日程。如何將“地面鉆采+井下抽采”有機結合，則是擺在我們面前的難題。本文在分析了兩種開采模式差異基礎上，利用“系統(tǒng)工程事故樹分析法+多層模糊數(shù)學綜合評價法”，最后提出了不同類型礦井的煤層氣開采模式。
1 兩種開采模式的異同
1.1 開采機理的差異
(1)井下煤層氣抽采機理。所謂井下煤層氣抽采就是借助煤炭開采工作面和巷道，通過煤礦井下抽采、采動區(qū)抽采、廢棄礦井抽采等方法來開采煤層氣資源。井下煤層氣抽采機理是：當煤層采動以后，破壞了原巖石力學平衡，造成了煤層的卸壓，由于瓦斯氣體90%以上以物理吸附狀態(tài)存在于煤層中，為了繼續(xù)保持平衡，煤層中的瓦斯涌出，通過人工改造使其成為密閉系統(tǒng)，從而持續(xù)維持卸壓區(qū)域．這樣，煤層瓦斯將源源不斷被抽出。由此可見：使井下煤層氣得以抽采的2個基本條件是：在小范圍內有足夠的煤層氣資源及使煤層瓦斯得以釋放的煤層透氣性大小。
(2)地面鉆采煤層氣機理。地面鉆采煤層氣就是利用垂直井或定向井技術來開采原始儲層中的煤層氣資源。地面鉆采煤層氣的機理是：當儲層壓力降低到臨界解吸壓力以下時，甲烷氣體從煤基質微孔隙內表面解吸出來；由于瓦斯?jié)舛炔町惗l(fā)生擴散到煤的裂隙系統(tǒng)，最后以達西流形式流到井筒。解吸是煤層氣進行地面鉆采的前提，降壓是解吸的前提。由此可見：地面鉆采煤層氣能否發(fā)生的根本在于煤層氣是否能降壓解吸。
1.2 實施方法的不同
井下煤層氣抽采主要是通過鉆孔方式鉆進幾百米到上千米，利用抽放泵對井下煤層氣進行采收，資源量和透氣性是其發(fā)生基礎。地面鉆采煤層氣是通過排水降壓使煤層氣解吸并采出，其實施方式主要是打垂直井或定向井。并在井下煤儲層下制造口袋，利用抽水泵抽取煤儲層中的水使煤儲層壓力降低到臨界解吸壓力以下產出
1.3 兩種開采模式的相同點
不管井下煤層氣抽采還是地面煤層氣鉆采，其投入資金量大、投資風險高、技術要求高、效益回報周期長，這是其共性。同時，不管是由于采煤引起煤儲層的卸壓還是地面鉆探實施的排水降壓，都是破壞了煤儲層的力學平衡，為了建立新的平衡，從而使以物理吸附狀態(tài)存在于煤儲層的煤層氣釋放出來。
2 影響開采模式的因素
煤層氣開采是否具有商業(yè)價值，取決于產氣率大小、是否具有競爭力的市場價格和規(guī)模性的產量。因此，無論采取井下抽采還是地面鉆采工藝，都需要有一定的氣含量做基礎。井下抽采煤層氣在開采煤層氣過程中由于無采取任何增產措施，這樣，它的開采對煤儲層本身的滲透性、百米鉆孔的資源量和煤儲層的解吸能力密切相關；而地面鉆采煤層氣從目前的經濟、技術的可行性考慮，構造煤、構造復雜、水動力活動強的地區(qū)不利于地面鉆采的實施。綜上考慮，決定實施井下抽采還是地面鉆采的根本在于：資源量、煤儲層的滲透性、煤體結構、水文地質條件和煤儲層的解吸能力。
(1)資源量。一定的資源量是進行煤層氣開采的基礎。而一定的含氣量、煤層厚度、資源豐度是一定資源量的保證。
(2)滲透性。煤儲層的滲流能力是煤層中氣體導流能力的反映，它關系到甲烷氣體在煤中的賦存狀態(tài)和開采抽放的難易程度。煤層氣存在于煤的雙孔隙系統(tǒng)中，煤的雙孔隙系統(tǒng)為基質孔隙和裂縫孔隙?；|孔隙由孔隙大小來反映，是煤層氣運移的通道；裂縫孔隙又稱為割理，其不僅是儲氣空間，同時它又可使基質孔隙連通，增強儲層的滲透性。煤層滲透率與煤的變質程度、煤巖組分和煤的灰分有密切關系。中等變質的肥煤和焦煤，其滲透率最高低變質的褐煤、長焰煤和氣煤孔隙度大，滲透率次之；中、高變質的瘦煤至無煙煤滲透率最低。煤中惰質組含量越高、灰分越低，其滲透率越高。
(3)解吸能力。解吸能力的大小將直接影響煤層氣的開采難易程度及采收率。飽和度越大，煤層氣的運移潛勢就越大，煤層氣的排采潛勢就越高。根據(jù)實驗研究表明，煤層氣的吸附一解吸過程可近似看成可逆過程，因此，吸附時間越長，對煤層氣的解吸越不利。煤層氣是靠降壓解吸的，臨/儲壓力比越高，越不利于煤層氣的解吸。
(4)煤體結構。煤的堅固性系數(shù)和煤的破壞類型是煤體結構的綜合反映。
(5)地質條件。水動力活動頻繁的地區(qū)，利于煤層氣的運移和擴散，不利于煤層氣的保存，也不利于煤層氣的排水降壓；構造復雜區(qū)域，將不利于煤層氣進行地面鉆采。
綜上所述，得出煤層氣開采模式的事故樹模型，如圖1。
3 煤層氣開采模式評判體系
煤層氣開采模式評判方法就是在對其影響因素的隸屬度規(guī)劃基礎上，通過專家確定的各影響因素的權重，利用模糊變換原理結合矩陣運算，從而確定各個影響因素的分值，從而劃分出不同等級，最后確定出煤層氣開采模式。具體方法如下：
采取何種煤層氣開采模式的影響因素集可歸納為：
U={資源量，滲透性，解吸能力，煤體結構，地質條件}={u1，u2，u3，u4，u5}
V={好，較好，一般，較差，差}={v1，v2，v3，v4，v5}
決定開采模式的因素集中的任一指標，屬于好與壞的程度構成一個模糊集合，其隸屬函數(shù)取值于[0，1]區(qū)間。根據(jù)隸屬度的大小，劃分為5個等級：
設第i個因素的單因素評價為Ri=(ril，…，rim)，它是U的模糊子集。對于一個區(qū)域來說，其開采模式的各指標在不同地區(qū)有所不同，設在不同地區(qū)共測n次，根據(jù)統(tǒng)計原則，確定某一指標在uik(u)中各等級中隸屬度的次數(shù)m，從而確定rik=m/n。以此建立了開采模式的單因素綜合評判矩陣，即：
權重確定：在綜合決策中，指標因素的權重處于非常重要的地位，它反映了各個指標因素在綜合決策過程中所起的作用，直接影響到綜合決策的結果。本文根據(jù)專家評分方法結合統(tǒng)計原則，建立了各因素之間的權重分配。將權系數(shù)矩陣記為：M=(m1，m2，m3，mm4)；它們之和為1。
然后應用模糊矩陣的復合運算，得到開采模式的模糊綜合評判矩陣為：
對B進行歸一化處理，
評語是屬模糊性的，為了比較方便，對評語進行量化處理。本文采用百分制進行量化，定量評價等級如表1。
B與量化值之問矩陣的積得出的數(shù)值與等級標準表比較得出多級綜合評判結果。建立的煤層氣開采模式的評價體系如表2。
4 煤層氣開采模式
煤層氣開采評判體系建立后，根據(jù)某一地區(qū)的實際情況計算出各評判指標的分值，從而建立了煤層氣開采模式，如圖2所示。
