淮南矿业集团何杰丁华忠苏雷王凯唐勇敢——《煤层气开发利用有限责任公司打造新时代煤炭集团地面瓦斯治理技术与管理体系——以淮南矿区为例》

该文荣获2025年中国煤炭经济研究优秀调研报告特等奖

摘要：针对淮南矿区有巨厚表土层、多煤组、断层多（矿区落差大于 5m 以上的断层近 5000 条）、岩层破碎易垮塌、钻井成井难等问题，集团公司成立专业化煤层气开发利用公司，统筹地面瓦斯治理井建设管理；构建“3+1+N”的产学研一体化科研团队，持续跟踪研究；实现钻到位、管到底、井固牢，0~2m 的钻遇率 85%以上；实现了压裂裂缝对采煤工作面的全覆盖，不留瓦斯抽采的空白区；实施了回注水“ 自清洗”排煤粉工艺；将泵挂下放至水平段煤层底板（井斜 90°), 实现了“零水压”排采等；井下钻探验证，原始瓦斯压力由 6.8MPa 降至2.4MPa，瓦斯含量由11.8m3/t 降至 5.2m3/t；为推动实现井下瓦斯治理向地面瓦斯治理的重大转型突破奠定坚实基础。

关键词：松软低透、地面瓦斯治理、排采、技术体系

一、研究背景与意义

淮南矿区作为我国开采深度最深、灾变多元、条件最为复杂的矿区之一，是“ 四高、一大”典型代表，即高瓦斯、高地压、高地温、高承压水、埋深大。目前本土 8 对矿井全部为煤与瓦斯突出矿井，矿区平均开采深度达 836m，以平均每年 10m～25m 的速度向深部延伸，预计 2030 年前后，多数矿井将进入“千米深

井”开采阶段。随着开采深部不断延伸，将面临煤层突出、瓦斯爆炸、煤炭自燃和矿井承压水害等耦合叠加威胁，耦合致灾机理更加复杂[ 1-3]，迫切需要形成具有我国特征的地面瓦斯治理开发管理体系。为深部瓦斯治理做好技术储备和基础支撑，推动矿区安全高效开采，提升安徽省、长三角地区能源安全保供水平，为全国同类型矿区深部瓦斯治理提供工程实践的重要参考，推动煤炭领域可持续发展。

（一）中国能源安全不容忽视

我国“ 富煤、贫油、少气”，2024 年，天然气、原油气对外依存度分别达 43.8% 、72.3% ，煤炭在一次能源消费中占比 53.2%。据中国工程院预测，到 2050 年煤炭占比仍将维持在 50%左右，未来几十年以煤炭为主导的能源格局难以改变[4-8]。

我国浅部能源资源枯竭态势加剧，深部资源开发加剧演化，部分产煤省份浅部煤炭资源日趋枯竭[9] ，对地方经济、社会发展和能源安全带来了压力，因此必须超前谋划深部煤炭开采，但深部煤炭开采面临高地应力、高地温、高渗透压以及开采扰动的难题，这给深部煤炭开采带来严峻挑战，安全风险越来越高[2]。

另外，煤层气（非常规天然气）是天然气的一个重要补充，与天然气同质同用，我国埋深 2000 米以浅的煤层气资源量约32.86 万亿 m³[10] ，与常规天然气储量（38.4 万亿 m³) 相当。因此，加快推进深部煤炭资源开采理论、技术、装备及工艺创新，实现深部资源绿色、安全、高效开发，有利于增加清洁能源供应，优化能源结构[ 11]，对保障我国能源安全和社会高质量发展至关重要。

（二）实现煤炭安全开采的重要保障

习近平总书记强调，“发展决不能以牺牲人的生命为代价，这是一条不可逾越的红线”。

我国现有高瓦斯和突出矿井 1448 座，数量世界第一。在煤炭资源开采过程中，动力灾害引起的事故依然频发，特别是近年来陆续发生的瓦斯灾害事故（贵州金佳煤矿，2021 年 1 月 18 日， 13 人死亡；陕西新泰煤矿，2023 年 8 月 21 日，11 人死亡；黑龙江双阳煤矿，2023 年 11 月 28 日，11 人死亡），对人民生命财产安全造成重大损失。且 2019 版《防治煤与瓦斯突出细则》规定“煤层瓦斯压力达到 3MPa 的区域应当采用地面井预抽煤层瓦斯、或开采保护层、或采用远程操控钻机施工钻孔预抽煤层瓦斯” ，传统的井下瓦斯治理模式已不适用于当前的管理要求。因此，如何提高深部煤炭安全开采水平已成为制约深部煤炭开采的重大现实问题，也是煤炭人必须完成的重大政治任务[ 12, 13]。

淮南矿区是全国强突煤层群达的典型代表。随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出等动力灾害风险升级，对职工生命安全造成巨大威胁。经过长期的实践和摸索，煤层气公司着重实施保护层开采、地面水平井瓦斯治理模式，取得了很好安全效果，在行业内树立了煤矿瓦斯治理淮南模式。采取地面瓦斯区域治理是实现“超前施工时间”换“ 井下作业空间” 的有效途径，有利于从根本上预防和减少煤矿瓦斯事故[ 14]，推动实现瓦斯防治形势“ 质” 的飞跃，保障煤矿安全生产。

（三）浅部煤层瓦斯治理理论难以指导深部工程实践

经过多年的研究、总结，淮河能源控股集团形成了煤与瓦斯

共采、“ 高位环形裂隙体” 等理论成果，指导了浅部煤层瓦斯综合治理技术、装备研发和工程实践，保障了矿区安全开采。但随着开采深度的增加，深部煤层高瓦斯、高地压、高承压水等复杂开采条件逐步显现，保护层开采和井下瓦斯治理工程实施条件受限，现有理论无法完全满足深部高瓦斯煤层安全高效生产的迫切需求[ 15]，特别是对煤岩体破裂机制、性质、特征及程度之间的关系不清，地面抽采压裂增透尚未形成科学有效的基础理论体系，难以科学指导深部煤层瓦斯治理实施。

在此背景下，亟需开展深部松软低渗煤层增透理论和高效抽采理论研究，探索形成科学有效、具有普适性的深部瓦斯治理基础理论体系，指导深部煤层瓦斯治理技术、装备研发和工程实践，保障深部高瓦斯压力煤矿安全生产。

（四）淮南地区具有区位优势和资源优势

如图 1所示，两淮地区煤层气资源以深部煤层为主，1000米以深的煤层气资源量占比 82.40%（其中 B 组煤占淮南矿区总储量约 43%；包括 4-1 煤、5-2 煤、8 煤 3 个主采煤层，累积厚度超过 10m），浅部资源仅占 17.60%。煤层气集中分布在两淮煤田，淮南煤田 5008.3 亿 m³, 含气丰度大于 1 亿 m³/km2 同时，且地处华东腹地，紧邻长三角，是淮河生态经济带重要节点[ 16]，合肥都市圈核心区，区位优势明显。

淮河能源控股集团现有本土 8 对煤炭生产矿井采矿权，淮南矿区煤层气资源丰富，开发潜力巨大，且安徽具有较大的天然气需求市场，据《安徽省人民政府关于促进天然气协调稳定发展的实施意见》（皖政〔2019〕1 号）中指出，预计 2030 年安徽省

天然气缺口达 15 亿 m3，2035 年缺口 40.7 亿 m3。因此，淮南矿业集团煤层气公司具有政策、产业、能源、区位、市场等多重优势，可为深部煤炭的区域化、立体化瓦斯治理提供有利条件。

图 1 两淮煤田 2000m 以浅煤层资源量与埋深关系

二、课题目标与技术路线

淮南矿区煤层埋深大、表层土厚、地质条件复杂、岩层破碎易垮塌、煤层松软低透等特点，导致地面瓦斯治理过程中存在井孔易垮塌、钻井成井难、井轨迹复杂、难抽等问题，针对上述问题，从管理体系建设和地面瓦斯治理技术方面，逐项开展技术攻关，探索形成创新人才培育、全生命周期管理、 “五级管理”调度机制等管理体系，推动革新“井工厂”模式、“饱和体积压裂”技术、“零水位”排采技术、“ 自清洗”排煤粉工艺等系列地面瓦斯治理技术（如图 2所示），为推动实现井下瓦斯治理向地面瓦斯治理的重大转型突破奠定坚实基础。

图 2 地面瓦斯治理技术与管理体系研究技术路线

三、课题实施方法

（一）优化深部煤炭地面瓦斯治理组织管理机构

煤层气公司成立以前淮南矿区地面瓦斯治理为各煤矿自主管理，主要职能是治理井下瓦斯，保障矿井生产安全，但存在管理分散，专业化程度不高的问题。矿区瓦斯利用管理单位为瓦斯利用分公司，主要任务是瓦斯发电，但因瓦斯利用气源受矿井采场接替影响较大。当矿井瓦斯涌出不均衡，将影响机组开机率，导致瓦斯综合利用效率偏低。

为适应新形势发展需要，2018 年 6 月集团公司成立了煤层气公司代替原有的各矿自主管理，2020 年 4 月集团公司将瓦斯利用分公司并入煤层气公司，成立煤层气开发利用公司，是集成地面瓦斯治理勘探、开采、加工、利用和销售的全产业链的专业化公司。构建了上有气源，中有管路，下有市场的管理体系。如图 3所示，煤层气公司形成了分工更加明确，业务更加专业，组织架构更加科学，管理更加高效的管理体系。地面瓦斯治理与利

用全过程采用集团公司、煤层气公司、资源开发部和地面瓦斯治理工程分公司的“ 四级管控”机制，确保工程建设质量。

图 3 煤层气公司架构与地面瓦斯治理工程多级管控机制

（二）构建人才培育体系与组建专业化队伍

1.构建全面的创新人才培育体系

党的二十大报告指出：“科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”。发展新质生产力根本在于创新驱动，创新驱动实质上是人才驱动。淮河能源坚持把人才强企作为推动地面瓦斯治理高质量发展的战略举措，在探索实践中形成独具特色的“选、育、用、创”人才培养模式，为企业高质量发展提供了有力人才支撑。

首先是“选”人方面：以产业需求为导向，通过外引内培，多渠道培育人才、引进人才。通过校园招聘和社会招聘等方式，为企业人才队伍注入新鲜血液，形成人才梯队建设，做好人才储备工作。

其次是“育”人方面：一是通过集团、煤层气公司、部门、岗位多级培训机制，让员工从即从全局高度了解公司的愿景和使

命，也从岗位角度了解岗位重要性和在全局中的作用。二是坚持党管教育培训，充分发挥党委“把方向、管大局、保落实”作用，确保高技能人才队伍建设方向。三是通过“ 师带徒”、“ 内部定期技术交流”、“一日一题”、“一周一案例”和“对外交流”等学习方式，不断提高从业人员专业素养。

再次是“用”人方面：坚持正确的用人导向，多举措推进制度改革，畅通“管理型、技术型、技能型” 三个发展通道，建立人才多元化发展路径和发展机制，畅通各类人才晋升通道，打破管理、专业、技能职级“ 天花板” 和“ 隔离墙” ，充分调动各类人才发展的积极性和创造性。形成“ 能者上、平者让、庸者下” 的用人体系。

最后是激发“创”新精神：在公司内部每年开展一次青工“五小”竞赛。公司层面出台年度创新计划和奖惩机制，对公司各部门和基层单位提出创新任务。每两年评选一次优秀论文、专利以及“五小”成果。出台管理创新、“金点子”等创新激励机制。让每个人都能基于自己的岗位提出创新与改革点，不断优化工作流程，为现代企业的降本增效不断努力。

2.组建专业化队伍

针对淮南煤田需要大量的技术研究和实践，必须坚持问题导向，不断破解难题，并不断迭代优化，才能形成一套适合淮南地区构造煤地面瓦斯治理的地质、钻井、压裂、排采、作业等一体化技术体系。因此，淮河能源高度重视煤层气开发技术攻关和科研创新，构建“3+1+N”科研攻关团队（如图 4所示）。3 个专业科研机构：2023 年 3 月淮河能源控股集团联合安徽理工大学成

功获批建设“ 深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室” 和“低浓瓦斯利用实验室” ，以及原有的工程研究院，对地面瓦斯治理工程中的关键技术和理论做技术攻关。1 个综合管理公司：煤层气开发利用公司作为地面瓦斯治理的专业化公司，公司内部设置科院管理体系，由生产副总经理担任科研管理主任，主要职能：一是提炼工程建设中的复杂问题和技术难题，制定科研规划，对接专业科研机构进行研制和应用；二是对建设过程中的新技术和新装备应用做总体规划；三是统筹新技术、新装备的引进与推广；四是对接 N 个外委工程建设单位对新理论、新技术、新装备做现场应用。N 个外委单位：是指围绕地面瓦斯治理工程建设所涉及到的 N 个单位。

图 4 “3+1+N”地面瓦斯治理科研攻关模式图

（三）工程项目“全生命周期”管理制度

建设项目的“全生命周期”（如图 5所示）包括项目的决策阶段、建设阶段和运行阶段。地面瓦斯治理工程是高投资，运行周期长的项目，且地面井钻井、压裂、排采全部为隐蔽工程，任何环节的疏忽或质量事故，都会对建设工程质量造成不利影响，

而最终产气好坏是在工程开工的2~3 年后才显现，因此，煤层气公司对整个建设工程采用自主地质工程一体化设计、“五级管理”

调度机制、动态管控和 PDCA 循环检查等管理方式实行全链条、全过程和全员参与的质量管理，这不仅有助于不断提高工程建设管理水平，又有助于倒推工程项目改进的方向。

图 5 工程项目全生命周期管理体系

1.地质工程一体化设计

地质工程一体化设计的核心在于“以地质为基础，以工程为目标”，通过将地质参数与三维地质建模和三维仿真技术融合，实现对地面瓦斯治理工程的井位部署、井轨迹、压裂参数、产能预测及抽采效果评价等方面的过程管理。实现安全、高效、可持续的工程实践。推动资源开发与工程建设进入精细化、科学化发展。

图 6 地质工程一体化工作流程

2.“五级管理”调度机制

煤层气公司建成以“日、周、月、季、年”的五级调度机制（如图 7所示），以“钻到底、压到位、排得尽”为原则，将建设目标分解，形成以日保周、以周保月、以月保季、以季保年，确保工程项目建设和排采产气按照规划设计路径发展。

日汇报内容：对钻井和压裂工程建立每日工程建设进度台账，重要工序作业进度及重点安全监管点做全过程监控，钻井轨迹实时上图纠偏。对每日排采产气情况对上级进行汇报，并建立单井生产全生命周期的数据台账。成立工程分公司，引进专业的技术人才，24 小时驻点实施跟班监督，实现钻井、压裂、排采跨专业的全过程跟踪管理。

周研判内容：每周召开工程建设和排采工程调度会议，对工程建设中遇到的重要问题进行研判，并加以解决。

月调度内容：每月召开一次安全生产调度会议，平衡解决生产过程中遇到的难点、重点问题，并提出下一步工作计划和工作目标。

季点评内容：季度分析点评会议是煤层气公司层面召开的一次重要会议，主要是以效率、效益、效果、效能、效应、效绩为牵引的“ 六效”分析点评机制，引导企业上下争先进位、比学赶超。

年考核内容：主要内容是对本年度内的地面瓦斯治理工程建设情况全面总结，对地面瓦斯治理井排采产气任务完成进行考核，并兑现年度奖惩，及对下一年的工程建设和排采目标进行规划。

图 7 “ 五级管理”调度机制图

3.动态管控

目标动态控制工作程序如图 8所示，运用动态监测、分析评估、调整优化等手段，对工程项目全生命周期的进度、成本、质量和安全等要素实时监控和调整，适应内外部环境变化，保障项目顺利推进。

图 8 动态控制工作程序

（四）构建规模化、立体化的地面瓦斯治理新模式

1.以“ 井工厂”模式规模化建设地面瓦斯治理井

煤层气公司采用“ 井工厂”模式建设地面瓦斯治理井，单个井场的地面瓦斯治理井数量由原来的 2 口，增加到现在的 7 口（如图 9所示），可以大幅度减少单井建设用地面积、工期和建设成本（单井缩减用地面积60%以上，平均单井工期减少 13 天）。

图 9 潘三区块“ 井工厂”模式地面瓦斯治理井位布置图

2.构建立体化治理模式

（1）“叠层水平井”立体化瓦斯治理模式

“叠层水平井”立体化瓦斯治理模式是指对多个煤层的地面瓦斯治理井进行同时设计、同时建设及同时投入使用。采用“叠层水平井”立体化瓦斯治理模式有三点有益效果：一是可以在设计之初总体规划，形成规模化开采，进而减小单井用地面积和建设成本。二是可使得压裂裂缝相互交错，进而形成大规模、立体化、复杂化的裂缝网络，提高煤层的渗流能力。三是可减少井间干扰，非同时施工时，后期建设的地面瓦斯治理井在进行钻井和压裂施工时，会对先期投入排采的井产生井间干扰，造成长时间产气中断。煤层气公司在 2024 年在潘三矿区建设的 14 口“叠层水平井”如图 10所示，其中 10 口水平井位于 8 煤层，4 口水平井位于 4 煤层，两个煤层之间平均垂距为50 米。

图 10 “叠层水平井”布置示意图

（2）井地联合立体瓦斯治理模式

淮南矿区煤层群发育、构造复杂、瓦斯含量高、煤层埋藏深、煤层渗透性差等地质条件，经过多年的探索，将地面水平井卸压瓦斯技术与井下卸压瓦斯技术联合，形成井地联合立体（井下巷

道+地面水平井）抽采卸压瓦斯技术。依据不同瓦斯治理模式，优选不同目标煤层和地面水平井布井技术。形成井上下立体区域瓦斯综合治理模式如图 11a 所示，基于淮南矿区煤层群条件，初步形成了 3 种井地联合立体瓦斯治理模式。

A 组煤瓦斯治理模式：如图 11b 所示，地面水平井对 A 组煤进行区域治理，先开采 A 组煤上保护 B 组煤；A 组煤回采期间井下立井抽采 B 组煤层群卸压瓦斯。

B 组煤瓦斯治理模式：如图 11c 所示，对不具备开采 A 组煤的矿井，采用地面水平井对 4 煤进行区域治理，回采 4 煤期间井下立井抽采 5-8 煤层卸压瓦斯。

C 组煤瓦斯治理模式：如图 11d 所示，地面水平井预抽 11-2煤瓦斯，先开采突出危险性弱的 11-2 煤保护 13-1 煤层；11-2 煤回采期间地面立井抽采 13-1 煤卸压瓦斯。

图 11 立体治理示意(a)和 A 组(b) 、B 组(c) 、C 组(d)治理模式

（五）深部强突煤层“饱和体积压裂+裂缝监测”技术

1.饱和体积压裂技术

饱和体积压裂的核心在于通过大规模的水力压裂形成由主裂缝和多级次生裂缝交织的复杂缝网，进而大幅提高煤层气的开采效率。通过对淮南矿区压裂裂隙扩展制约机制的研究，揭示高瓦斯低透气性松软煤层瓦斯导向流动通道形成机制与人工压裂导控网格化增透机理。开创性的提出煤层和煤层顶板整体压裂方法，采用分段分族饱和体积压裂工艺（如图 12所示），实现深部松软低透气性煤层大面积网格化增透。

图 12 水平段分段分簇射孔（左） 和饱和体积压裂现场（右）

2.地面瓦斯治理井人工裂缝监测

根据压裂井及周围井的井位、压裂段、测井数据等参数，使检波器沿措施井压裂段呈矩阵台网布设，采用 I-NODAL 浅埋阵列采集设备（采样频率达到 1ms），进行地面微地震裂缝监测。微地震解释流程如图 13所示，根据微震事件出现的空间位置，结合地震剖面构造和岩性特征，解释裂缝的连通性，最终评估压裂产生的存储层改造体积大小。监测结果显示，平均缝网半长150m，平均缝网宽 57m，缝网高 25m。

图 13 微地震解释流程图

（六）探索排采新工艺新技术，取得产气“二次突破”

1.“零水压”排采技术

现有的地面瓦斯有杆抽采系统由于其存在杆管偏磨问题，只能将其下放到井斜 70°左右的位置，此时泵的吸入口到达煤层顶面还有约 30 米（井底约300kPa）的垂直距离（如图 14（左）所示）。最低流压可降低到 30kPa ，以 PE1-1 为例（PE1-1 产气曲线如图 14（右）所示）：在最低流压 300kPa 时预测该井最终累产气为 386 万 m3，最低流压 30kPa 时累产气为 583 万 m3，可提高煤层气产量 197 万 m3，产能提升 51%。

因此，有杆抽采系统存在大量剩余产能无法被释放的问题，煤层气公司经过总结研究出“零水压”排采方法，优选电潜隔膜泵，将泵吸入口放在水平段，大大提高下泵深度，将气井产能发挥到最大，且电潜隔膜泵运行更平稳，单井检泵周期从 300 天提升至超 760 天。

图 14 回注水工艺流程图（左）PE1-1 累产气量与井底流压关系

曲线（右）

2.井间干扰快速复产

由于大型区块的地面瓦斯治理井在建设上存在时间差，后期建设的地面瓦斯治理井在进行钻井和压裂施工时，会对先期投入排采的井产生井间干扰，煤层气公司通过分析研究，可以通过以下管理手段使被干扰井快速复产：①有针对性的降低压裂规模，减小对邻井的压裂干扰；②创建压力“隔离带”，阻断对排采井压裂波及；③对受干扰井进行大排量洗井；④区域协同降低井底压力。

图 15 压力“隔离带”原理示意图

3.对“U”型地面瓦斯治理井实施“一井两采”

定向水平井在水平段末端与直井相连通，两口井形成“U”字形结构，称之为“U”型井（结构如图 16所示）。“U”型井有直井和水平井排采“双通道”，当地面瓦斯治理井处于排采稳产期，煤层气得到充分解吸后，可以同时开启水平井产气，实施“一井双采”生产模式，充分释放“U”型井产能。 “双通道”生产模式，有利于提升煤层气井整体生产能力，还有利于解决矿区煤层倾角带来的排采通道不畅难题。以朱集东矿 U1 井为例，直井单井日均产气 3000m3，采用直井+水平井的“双通道”生产模式后，该井日均产气量增加到 3500m3。