煤层气开采模式探讨
摘要：“井下抽采”与“地面钻采”是煤层气开采的两种方式。如何将“地面钻采+井下抽采”有机结合，是解决能源矛盾、消除安全隐患的根本问题。在分析两种开采模式差异基础上，利用“系统工程事故树+多层模糊数学综合评价法”对其影响因素分析评判。最后提出了不同类型矿井的煤层气开采模式。
关键词：煤层气；开采模式；井下抽放；地面钻采
2002年国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯防治方针，强化了瓦斯抽采在治理瓦斯灾害中的地位。但目前的井下瓦斯抽采远远不能满足瓦斯治理的要求，“地面钻采”煤层瓦斯日益提上日程。如何将“地面钻采+井下抽采”有机结合，则是摆在我们面前的难题。本文在分析了两种开采模式差异基础上，利用“系统工程事故树分析法+多层模糊数学综合评价法”，最后提出了不同类型矿井的煤层气开采模式。
1 两种开采模式的异同
1.1 开采机理的差异
(1)井下煤层气抽采机理。所谓井下煤层气抽采就是借助煤炭开采工作面和巷道，通过煤矿井下抽采、采动区抽采、废弃矿井抽采等方法来开采煤层气资源。井下煤层气抽采机理是：当煤层采动以后，破坏了原岩石力学平衡，造成了煤层的卸压，由于瓦斯气体90%以上以物理吸附状态存在于煤层中，为了继续保持平衡，煤层中的瓦斯涌出，通过人工改造使其成为密闭系统，从而持续维持卸压区域．这样，煤层瓦斯将源源不断被抽出。由此可见：使井下煤层气得以抽采的2个基本条件是：在小范围内有足够的煤层气资源及使煤层瓦斯得以释放的煤层透气性大小。
(2)地面钻采煤层气机理。地面钻采煤层气就是利用垂直井或定向井技术来开采原始储层中的煤层气资源。地面钻采煤层气的机理是：当储层压力降低到临界解吸压力以下时，甲烷气体从煤基质微孔隙内表面解吸出来；由于瓦斯浓度差异而发生扩散到煤的裂隙系统，最后以达西流形式流到井筒。解吸是煤层气进行地面钻采的前提，降压是解吸的前提。由此可见：地面钻采煤层气能否发生的根本在于煤层气是否能降压解吸。
1.2 实施方法的不同
井下煤层气抽采主要是通过钻孔方式钻进几百米到上千米，利用抽放泵对井下煤层气进行采收，资源量和透气性是其发生基础。地面钻采煤层气是通过排水降压使煤层气解吸并采出，其实施方式主要是打垂直井或定向井。并在井下煤储层下制造口袋，利用抽水泵抽取煤储层中的水使煤储层压力降低到临界解吸压力以下产出
1.3 两种开采模式的相同点
不管井下煤层气抽采还是地面煤层气钻采，其投入资金量大、投资风险高、技术要求高、效益回报周期长，这是其共性。同时，不管是由于采煤引起煤储层的卸压还是地面钻探实施的排水降压，都是破坏了煤储层的力学平衡，为了建立新的平衡，从而使以物理吸附状态存在于煤储层的煤层气释放出来。
2 影响开采模式的因素
煤层气开采是否具有商业价值，取决于产气率大小、是否具有竞争力的市场价格和规模性的产量。因此，无论采取井下抽采还是地面钻采工艺，都需要有一定的气含量做基础。井下抽采煤层气在开采煤层气过程中由于无采取任何增产措施，这样，它的开采对煤储层本身的渗透性、百米钻孔的资源量和煤储层的解吸能力密切相关；而地面钻采煤层气从目前的经济、技术的可行性考虑，构造煤、构造复杂、水动力活动强的地区不利于地面钻采的实施。综上考虑，决定实施井下抽采还是地面钻采的根本在于：资源量、煤储层的渗透性、煤体结构、水文地质条件和煤储层的解吸能力。
(1)资源量。一定的资源量是进行煤层气开采的基础。而一定的含气量、煤层厚度、资源丰度是一定资源量的保证。
(2)渗透性。煤储层的渗流能力是煤层中气体导流能力的反映，它关系到甲烷气体在煤中的赋存状态和开采抽放的难易程度。煤层气存在于煤的双孔隙系统中，煤的双孔隙系统为基质孔隙和裂缝孔隙。基质孔隙由孔隙大小来反映，是煤层气运移的通道；裂缝孔隙又称为割理，其不仅是储气空间，同时它又可使基质孔隙连通，增强储层的渗透性。煤层渗透率与煤的变质程度、煤岩组分和煤的灰分有密切关系。中等变质的肥煤和焦煤，其渗透率最高低变质的褐煤、长焰煤和气煤孔隙度大，渗透率次之；中、高变质的瘦煤至无烟煤渗透率最低。煤中惰质组含量越高、灰分越低，其渗透率越高。
(3)解吸能力。解吸能力的大小将直接影响煤层气的开采难易程度及采收率。饱和度越大，煤层气的运移潜势就越大，煤层气的排采潜势就越高。根据实验研究表明，煤层气的吸附一解吸过程可近似看成可逆过程，因此，吸附时间越长，对煤层气的解吸越不利。煤层气是靠降压解吸的，临/储压力比越高，越不利于煤层气的解吸。
(4)煤体结构。煤的坚固性系数和煤的破坏类型是煤体结构的综合反映。
(5)地质条件。水动力活动频繁的地区，利于煤层气的运移和扩散，不利于煤层气的保存，也不利于煤层气的排水降压；构造复杂区域，将不利于煤层气进行地面钻采。
综上所述，得出煤层气开采模式的事故树模型，如图1。
3 煤层气开采模式评判体系
煤层气开采模式评判方法就是在对其影响因素的隶属度规划基础上，通过专家确定的各影响因素的权重，利用模糊变换原理结合矩阵运算，从而确定各个影响因素的分值，从而划分出不同等级，最后确定出煤层气开采模式。具体方法如下：
采取何种煤层气开采模式的影响因素集可归纳为：
U={资源量，渗透性，解吸能力，煤体结构，地质条件}={u1，u2，u3，u4，u5}
为了将评价结果定量化．将最后结果分为5个等级，即评价集为：
V={好，较好，一般，较差，差}={v1，v2，v3，v4，v5}
决定开采模式的因素集中的任一指标，属于好与坏的程度构成一个模糊集合，其隶属函数取值于[0，1]区间。根据隶属度的大小，划分为5个等级：
设第i个因素的单因素评价为Ri=(ril，…，rim)，它是U的模糊子集。对于一个区域来说，其开采模式的各指标在不同地区有所不同，设在不同地区共测n次，根据统计原则，确定某一指标在uik(u)中各等级中隶属度的次数m，从而确定rik=m/n。以此建立了开采模式的单因素综合评判矩阵，即：
权重确定：在综合决策中，指标因素的权重处于非常重要的地位，它反映了各个指标因素在综合决策过程中所起的作用，直接影响到综合决策的结果。本文根据专家评分方法结合统计原则，建立了各因素之间的权重分配。将权系数矩阵记为：M=(m1，m2，m3，mm4)；它们之和为1。
然后应用模糊矩阵的复合运算，得到开采模式的模糊综合评判矩阵为：
对B进行归一化处理，
评语是属模糊性的，为了比较方便，对评语进行量化处理。本文采用百分制进行量化，定量评价等级如表1。
B与量化值之问矩阵的积得出的数值与等级标准表比较得出多级综合评判结果。建立的煤层气开采模式的评价体系如表2。
4 煤层气开采模式
煤层气开采评判体系建立后，根据某一地区的实际情况计算出各评判指标的分值，从而建立了煤层气开采模式，如图2所示。
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