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(jī)結(jié)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(chǔ)上，利用“系統(tǒng)工程事故樹+多層模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法”對(duì)其影響因素分析評(píng)判。最后提出了不同類型礦井的煤層氣開采模式。

　　關(guān)鍵詞：煤層氣；開采模式；井下抽放；地面鉆采

　　2002年國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局制定了“先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控”的煤礦瓦斯防治方針，強(qiáng)化了瓦斯抽采在治理瓦斯災(zāi)害中的地位。但目前的井下瓦斯抽采遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)結(jié)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(chǔ)上，利用“系統(tǒng)工程事故樹分析法+多層模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)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(jī)理的差異

　　(1)井下煤層氣抽采機(jī)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(dòng)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(jī)理是：當(dāng)煤層采動(dòng)以后，破壞了原巖石力學(xué)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(gè)基本條件是：在小范圍內(nèi)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(jī)理。地面鉆采煤層氣就是利用垂直井或定向井技術(shù)來開采原始儲(chǔ)層中的煤層氣資源。地面鉆采煤層氣的機(jī)理是：當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低到臨界解吸壓力以下時(shí)，甲烷氣體從煤基質(zhì)微孔隙內(nèi)表面解吸出來；由于瓦斯?jié)舛炔町惗l(fā)生擴(kuò)散到煤的裂隙系統(tǒng)，最后以達(dá)西流形式流到井筒。解吸是煤層氣進(jìn)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(shí)施方法的不同

　　井下煤層氣抽采主要是通過鉆孔方式鉆進(jìn)幾百米到上千米，利用抽放泵對(duì)井下煤層氣進(jìn)行采收，資源量和透氣性是其發(fā)生基礎(chǔ)。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(shí)施方式主要是打垂直井或定向井。并在井下煤儲(chǔ)層下制造口袋，利用抽水泵抽取煤儲(chǔ)層中的水使煤儲(chǔ)層壓力降低到臨界解吸壓力以下產(chǎn)出

　　1.3 兩種開采模式的相同點(diǎn)

　　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(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)要求高、效益回報(bào)周期長(zhǎng)，這是其共性。同時(shí)，不管是由于采煤引起煤儲(chǔ)層的卸壓還是地面鉆探實(shí)施的排水降壓，都是破壞了煤儲(chǔ)層的力學(xué)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(chǔ)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(jià)值，取決于產(chǎn)氣率大小、是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)價(jià)格和規(guī)模性的產(chǎn)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(chǔ)。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(chǎn)措施，這樣，它的開采對(duì)煤儲(chǔ)層本身的滲透性、百米鉆孔的資源量和煤儲(chǔ)層的解吸能力密切相關(guān)；而地面鉆采煤層氣從目前的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的可行性考慮，構(gòu)造煤、構(gòu)造復(fù)雜、水動(dòng)力活動(dòng)強(qiáng)的地區(qū)不利于地面鉆采的實(shí)施。綜上考慮，決定實(shí)施井下抽采還是地面鉆采的根本在于：資源量、煤儲(chǔ)層的滲透性、煤體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件和煤儲(chǔ)層的解吸能力。

　　(1)資源量。一定的資源量是進(jìn)行煤層氣開采的基礎(chǔ)。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(chǔ)層的滲流能力是煤層中氣體導(dǎo)流能力的反映，它關(guān)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(zhì)孔隙和裂縫孔隙。基質(zhì)孔隙由孔隙大小來反映，是煤層氣運(yùn)移的通道；裂縫孔隙又稱為割理，其不僅是儲(chǔ)氣空間，同時(shí)它又可使基質(zhì)孔隙連通，增強(qiáng)儲(chǔ)層的滲透性。煤層滲透率與煤的變質(zhì)程度、煤巖組分和煤的灰分有密切關(guān)系。中等變質(zhì)的肥煤和焦煤，其滲透率最高低變質(zhì)的褐煤、長(zhǎng)焰煤和氣煤孔隙度大，滲透率次之；中、高變質(zhì)的瘦煤至無煙煤滲透率最低。煤中惰質(zhì)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(yùn)移潛勢(shì)就越大，煤層氣的排采潛勢(shì)就越高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)煤層氣的解吸越不利。煤層氣是靠降壓解吸的，臨/儲(chǔ)壓力比越高，越不利于煤層氣的解吸。

　　(4)煤體結(jié)構(gòu)。煤的堅(jiān)固性系數(shù)和煤的破壞類型是煤體結(jié)構(gòu)的綜合反映。

　　(5)地質(zhì)條件。水動(dòng)力活動(dòng)頻繁的地區(qū)，利于煤層氣的運(yùn)移和擴(kuò)散，不利于煤層氣的保存，也不利于煤層氣的排水降壓；構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，將不利于煤層氣進(jìn)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(píng)判體系

　　煤層氣開采模式評(píng)判方法就是在對(duì)其影響因素的隸屬度規(guī)劃基礎(chǔ)上，通過專家確定的各影響因素的權(quán)重，利用模糊變換原理結(jié)合矩陣運(yùn)算，從而確定各個(gè)影響因素的分值，從而劃分出不同等級(jí)，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(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件}={u1，u2，u3，u4，u5}

　　為了將評(píng)價(jià)結(jié)果定量化．將最后結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，即評(píng)價(jià)集為：

　　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(biāo)，屬于好與壞的程度構(gòu)成一個(gè)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(gè)等級(jí)：

　　設(shè)第i個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)為Ri=(ril，…，rim)，它是U的模糊子集。對(duì)于一個(gè)區(qū)域來說，其開采模式的各指標(biāo)在不同地區(qū)有所不同，設(shè)在不同地區(qū)共測(cè)n次，根據(jù)統(tǒng)計(jì)原則，確定某一指標(biāo)在uik(u)中各等級(jí)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(píng)判矩陣，即：

　　  權(quán)重確定：在綜合決策中，指標(biāo)因素的權(quán)重處于非常重要的地位，它反映了各個(gè)指標(biāo)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(jié)果。本文根據(jù)專家評(píng)分方法結(jié)合統(tǒng)計(jì)原則，建立了各因素之間的權(quán)重分配。將權(quán)系數(shù)矩陣記為：M=(m1，m2，m3，mm4)；它們之和為1。

　　然后應(yīng)用模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算，得到開采模式的模糊綜合評(píng)判矩陣為：

　　對(duì)B進(jìn)行歸一化處理，

　　評(píng)語是屬模糊性的，為了比較方便，對(duì)評(píng)語進(jìn)行量化處理。本文采用百分制進(jìn)行量化，定量評(píng)價(jià)等級(jí)如表1。

　　B與量化值之問矩陣的積得出的數(shù)值與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表比較得出多級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果。建立的煤層氣開采模式的評(píng)價(jià)體系如表2。

　　4 煤層氣開采模式

　　煤層氣開采評(píng)判體系建立后，根據(jù)某一地區(qū)的實(shí)際情況計(jì)算出各評(píng)判指標(biāo)的分值，從而建立了煤層氣開采模式，如圖2所示。