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煤与瓦斯共采设计软件研发

可行性研究报告

中平能化研究院瓦斯研究所

2010年10月

煤与瓦斯共采设计软件研发可行性研究报告
一、概述
1、项目名称、起止时间、承担单位与协作单位
项目名称：煤与瓦斯共采设计软件研发
起止时间：2011年1月-2012年12月
承担单位：中平能化研究院瓦斯研究所
2、简述项目的现状、研究的目的、意义及国内外技术概况
1) 项目的现状
瓦斯，亦称煤层气，是在煤的生成和变质过程中伴生的气体，是一种具有强烈温室效应的气体，其大量直接排放将严重污染大气环境，但是，瓦斯又是经济的可燃气体，是一种清洁、方便、高效的能源。据估计，全球埋深浅于2000m的煤层气资源量约为240万亿m3，是常规天然气探明储量的两倍多。中国是世界上煤层气资源最丰富的国家之一，全国陆上煤田埋深浅于2000m的资源量为36.7万亿m3，相当于450亿吨标准煤，与中国常规天然气资源量相当。但是，在煤矿开采过程中，瓦斯灾害是威胁煤矿安全生产的巨大隐患之一。近年来，随着开采深度和集约化生产程度的迅速提高，地质条件越来越复杂，煤层瓦斯已成为制约矿井安全高效生产的关键因素。大力开发煤层气，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全生产条件和提高经济效益，并有利于改善地方环境质量和全球大气环境。实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍到数百倍，甚至更多，为瓦斯运移和抽放创造了条件。因此，如何更有效地开发和利用煤层瓦斯，实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采，一直以来都是煤矿企业和广大科研工作者努力的方向和目标。
2) 研究的目的、意义
项目研究的目的在于揭示煤岩采动的裂隙发育规律和煤层瓦斯吸附、解吸、运移规律，建立煤与瓦斯共采的时空协同机制，形成科学、有效、有针对性的煤与瓦斯共采理论体系和技术方法，开发煤与瓦斯共采设计软件，为煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和解决方案。
3) 国内外技术现状
a) 煤层瓦斯赋存与运移
煤中瓦斯的赋存形式有游离态和吸附态，其中吸附瓦斯占全部瓦斯含量的80%-90%,游离瓦斯量占10%-20%；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。
煤的吸附性实际上是固体表面与气体或液体的一种表面作用，这种表面作用之所以能发生，是由于煤体表面的分子存在剩余的自由立场，当瓦斯分子碰到煤体表面时，其中一部分将被吸附，并释放出吸附热；在被吸附的瓦斯分子中，只有当其重新获得动能，并足以克服煤体表面引力场的位垒时，才能重新回到气相中形成游离态的瓦斯。1916年法国化学家朗缪尔（Langmuir）在研究固体表面吸附特性时，得出了单分子层吸附的状态方程，即朗缪尔方程。随后，国内外瓦斯研究工作者经过实验和理论分析后发现该方程同样适用于瓦斯在煤体表面的吸附。影响煤体吸附瓦斯的主要因素有：瓦斯压力、温度和煤的变质程度。冯增朝认为，煤体表面的吸附是固相、吸附相与气相构成的三相介质结构，正是由于吸附相的存在，才使煤的表面张力下降、煤的表面能降低，使煤的固体骨架发生相对膨胀，导致煤的强度降低，使煤易于破碎。煤体吸附瓦斯量多，吸附相瓦斯所占比例越大，则煤体强度降低的就越多；而煤体解吸瓦斯后，强度能有所提高。
目前研究煤层瓦斯运移的方法主要是渗流理论和扩散理论，其中渗流理论的核心是达西定律，是流体在多孔介质中的流动规律。扩散方程是菲克首先总结得出的，称菲克定律。对于煤岩体，王佑安等测定煤粒瓦斯放散速度时发现，当煤粒尺寸小于一定粒度后，煤粒的放散速度基本接近，因此把这一粒度称为极限粒度，认为煤体是由若干尺寸小的煤粒组成，尺寸小于极限粒度的煤粒中的瓦斯流动是扩散运动，符合菲克定律；煤粒尺寸大于极限粒度时，瓦斯在煤粒之间的流动是渗流运动，符合达西定律。即，在煤体的大孔和裂隙中，瓦斯流动是以压力梯度为动力，其运移遵循达西定律；而在微孔结构中，瓦斯流动是以浓度梯度为动力，遵循菲克定律。
b) 煤层气开采与利用
美国自20世纪80年代以来，进行了系统的煤层气地质基础研究，形成了“煤储层双孔隙几何模型”、“中阶煤生储优势与成藏优势理论”、“生物型或次生煤层气成藏理论”、“中阶煤选区评价理论”、“低渗极限与高煤阶煤层气缺陷理论”、“煤储层数值模拟技术”等为核心的煤层气勘探开发理论体系，在此基础理论支撑下，形成了“地面钻井-完井-试井-压裂-排采”为核心的技术工艺流程，是美国的煤层气年产量突破500×1012m3（2005年）。二十余年来，我国煤炭部门、石油部门、地矿部门、地方政府、国内外煤层气公司等先后在中国42个含煤区施工了3000余口煤层气井，但是除了山西沁水盆地东南部、辽宁铁法、山西河东煤田等少数地区实现了局部商业化开发外，大多数煤层气井开发试验结果不理想，彭苏萍院士认为，其原因除客观地质因素影响外，最主要的是煤层气开发是一项系统工程，地质是煤层气开发的基础，开发工艺是地质过程的工程延伸。
c) 煤与瓦斯共采研究
煤层瓦斯抽放方法可分为2类：1)煤层采前抽放；2)煤层开采过程中及采后的卸压抽放。研究表明，我国煤储层普遍具有变质程度高、渗透率低、压力小和含气饱和度低的特点，70%以上煤层的渗透率小于1×10-3μm2，这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的，而如何提高煤层采前渗透率是目前尚未解决的难题。实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍到数百倍，甚至更多，为瓦斯运移和抽放创造了条件。因此，应充分利用采动过程中岩层移动对煤层渗透率的增大作用，重视对采动卸压瓦斯抽放的研究，走煤与瓦斯共采之路。
二、研究的关键技术与方案
1、项目主要研发内容及预期达到的技术经济指标
1) 研究内容：
a) 研究破断煤岩体的结构特征及联通性规律
研究含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的特征；获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的特征及发育机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙的时空演化规律。
b) 研究裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及流动规律
揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律；建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型，揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。
c) 提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型
解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制，建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型；以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段，实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控，以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率，实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制；针对煤层群赋存条件，揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律，建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法，建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合模型；基于煤与瓦斯共采的时空协同机制，开发煤与瓦斯共采设计软件。
2) 技术经济指标
a) 煤岩实验室测定不少于20样次；
b) 建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合模型；
c) 开发煤与瓦斯共采设计软件。
2、项目研究的关键技术、技术方案、技术路线
1) 关键技术
a) 破断煤岩体的结构特征及联通性规律
b) 裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及流动规律
c) 建立煤与瓦斯共采的时空协同机制
2) 技术方案
a) 采集煤样，研究深部煤岩体的结构特征及联通性规律；
b) 使用数值模拟技术，揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律；
c) 建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合模型；
d) 基于煤与瓦斯共采的时空协同机制，开发煤与瓦斯共采设计软件。
三、项目实施的措施、条件
中平能化研究院瓦斯研究所是瓦斯与冲击地压灾害治理的专职研究机构，集成平煤股份数十年来治理瓦斯与冲击地压的研究成果。拥有工程院院士、教授级高工、高工、高级研究员等长期从事井下一线瓦斯防治工作的工程技术人员，参与并获得省部级以上的研究成果多项，具有自主研发和现场技术难题攻关的能力。瓦斯实验室拥有DGC型瓦斯含量直接测定装置、气相色谱仪、瓦斯扩散速度测定仪、吸附常数测定仪、渗透率-相对渗透率测定仪等实验设备。
四、市场需求情况分析及经济、社会和环境效益预测
1、国内外市场推广应用前景和市场需求情况分析预测
煤层瓦斯大量直接排放将严重污染大气环境，但是，瓦斯又是经济的可燃气体，是一种清洁、方便、高效的能源，实现煤与瓦斯两种资源有效、安全共采，不仅可减少煤炭开采过程中对大气环境的污染，而且瓦斯利用可创造巨大的经济效益。另外，瓦斯突出是目前煤炭生产的主要安全问题，安全生产技术的落后已经成为制约煤炭产业发展的瓶颈。因此，如何更有效地开发和利用煤层瓦斯，实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采，一直以来都是煤矿企业和广大科研工作者努力的方向和目标，也是当今的前沿问题。煤与瓦斯共采，不仅可降低煤矿生产风险，而且采出的瓦斯变废为宝，可创造较大的经济效益。本项目的研究为煤炭资源的安全、高效洁净开发和可持续发展提供科学依据和解决方案，具有非常好的市场推广应用前景。
2、项目完成后的预期经济、社会和环境效益
中平能化集团2009年瓦斯总抽（采）放量9216万m3。抽（采）放瓦斯浓度为5～30%，矿井风排瓦斯2.5亿m3，风排瓦斯浓度为0.2～0.5%。2009年瓦斯利用总量1400万m3，占抽采量的15.2%，占矿井风排和抽采瓦斯总量的4.1%。如果推行煤与瓦斯共采，不仅可减少向大气中的瓦斯排放量，同时，对这些未排入大气的瓦斯进行利用，这样既保护了环境，又创造了效益。瓦斯是清洁、方便、高效的能源，也符合当前低碳的社会主题。另外，本项目研究成果可提高安全生产水平，减少瓦斯事故造成的人员伤亡和财产损失。
3、项目合理性、先进性、可行性分析评价
本项目的研究与应用基地—平煤股份在我国煤炭行业中具有典型性、代表性，且具备良好实验条件。项目组人员构成合理，项目研究的人力资源充分。煤与瓦斯共采研究是当前的重要、热点问题，项目具有先进性。项目研究方案理论及技术依据充分、技术路线完整、目标明确，具有可行性。
五、经费概算和资金筹措
1、项目经费概算（单位：万元）
项目总费用：180
科研费明细：
① 调研费：10
② 实验测试费：40
③ 研究费：50
④ 开发费：70
⑤ 资料费：5
⑥ 论证鉴定费：5
⑦ 合计：180
分年度资金：
2011年度90
2012年度：90
2、项目资金筹措方案
项目预计总投资180万元，拟申请集团科研补贴资金180万元。
3、项目经费使用计划
项目投资主要用于调研咨询，方案设计与研究，实验测试，系统开发，资料印刷，鉴定验收，差旅，试验以及其它不确定投入。
六、实施进度计划
2011年1月～2011年3月 前期调研
2011年4月～2011年7月 破断煤岩体的结构特征及联通性规律
2011年8月～2011年11月 裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及流动规律
2011年12月～2012年3月 煤与瓦斯共采理论模型
2012年4月～2012年11月 煤与瓦斯共采软件开发
2012年12月 完成项目、编写结题报告