本发明涉及一种地面注氮排采煤层瓦斯，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标的煤矿瓦斯防治方法，具体地，本发明涉及一种从地面钻穿煤层的注气井(以下简称为“注气井”)向煤层注入高压氮气，从钻穿煤层的生产井(以下简称为“生产井”)收集产出的气体，增强地面抽排煤层瓦斯的效果，将煤层瓦斯含量降低到远低于规范规定的水平，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标，提高煤矿瓦斯利用率，保护大气环境的煤矿瓦斯防治方法。
背景技术：
瓦斯是赋存在地下煤层气中的气体，其主要成分是以液体薄膜状态赋存在煤层微孔隙表面的可燃性烃类气体，该烃类气体的主要成分是甲烷。瓦斯既是天然气清洁能源，又是导致煤矿瓦斯突出和爆炸的原因。很多煤矿是瓦斯矿井或高瓦斯矿井，瓦斯防治任务重。长期以来，煤矿瓦斯防治主要是在煤矿井下巷道中钻水平孔或/和斜孔抽排，称之为“井下抽排”。井下抽排时间长达几个月、半年甚至一年多之后，才能够将煤层瓦斯含量降低到安全标准，然后开始采煤作业。一些瓦斯矿井三班工人，两班搞瓦斯防治。瓦斯防治费用每吨煤几十元到一百多元，占采煤成本的1/6到1/4，采煤成本已经不堪瓦斯防治的沉重负担。尽管如此，瓦斯爆炸事故仍然难以避免，如达利摩斯之剑高悬在上至企业高管、下至工人的头上。此外，井下抽排气体的甲烷浓度低，利用率只有30％；绝大部分井下抽排的瓦斯被排放到大气中。甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍。煤矿瓦斯排放是温室效应重要的来源之一。
近年来，煤矿引进煤层气开发行业使用的“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式，在地面钻井抽排煤层瓦斯，以期消除采煤时的瓦斯爆炸、突出、超标危险，称之为“地面抽排”。各地煤矿地面钻井抽排瓦斯的很多，有钻井几口、十几口的，也有多达数百口，甚至一千多口的。但是，由于大多数煤矿的煤层渗透率低，煤的力学强度小，地面抽排瓦斯产量低，不能有效地降低煤层瓦斯含量，因此，煤矿对投资地面钻井抽排煤层瓦斯的热情正在减退，有的地面抽排井已经关井废弃了。
煤层气行业已经发现，向煤层注入惰性气体，例如，氮气，或注入其他不与煤层发生化学反应的气体，例如，二氧化碳，能够提高煤层气井产量(参见，例如，Rajen Puri and Michael H.Stein，1988年，Method of coalbed methane production，美国专利号4883122)。
尽管向煤层注入气体增产煤层气的技术已经公开将近三十年了，尽管地面抽排煤层瓦斯的实践已经存在数年了，但是，至今没有人将这两项技术结合起来用于煤矿瓦斯防治。这是因为(1)注气增产煤层气的专利虽然已经提出二十多年了，但是至今没有被煤层气开发行业使用，鲜为人知；(2)完成这个结合需要同时熟悉煤层气开发和煤矿瓦斯防治两个领域的现状、需求和技术，属于跨行业创新；(3)需要对现有注气增产煤层气技术做创新发展，更需要对现有煤层瓦斯地面抽排做创新；(4)创新的技术必须提高煤矿瓦斯防治安全等级，确保采煤安全。
随着岁月流逝，煤矿开采深度越来越大；瓦斯含量随深度增大，煤矿瓦斯防治任务也将越来越重。发展新的煤矿瓦斯防治技术，低成本消除瓦斯爆炸、突出、超标危险，非常有必要。
技术实现要素：
本发明涉及一种地面注氮排采煤层瓦斯，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标的煤矿瓦斯防治方法，具体地，本发明涉及一种从地面钻穿煤层的注气井(以下简称为“注气井”)向煤层注入高压氮气，从地面钻穿煤层的生产井(以下简称为“生产井”)收集产出的气体，增强抽排煤层瓦斯的产量，将煤层瓦斯含量降低到远低于规范规定的水平，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标，并提高煤矿瓦斯利用率、保护大气环境的煤矿瓦斯防治方法。
本发明是采用以下技术手段实现的：
本发明涉及一个地面注氮排采煤层瓦斯，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标的煤矿瓦斯防治方法，具体地，本发明涉及地面钻井，从多口注氮井向一个或多个煤层注入高压氮气，增强煤层瓦斯解吸，驱使已经解吸的瓦斯从注氮井向生产井运移，从多口生产井获得瓦斯或瓦斯与氮气的混合气体，降低煤层瓦斯含量，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标，并提高煤矿瓦斯利用率、保护大气环境的煤矿瓦斯防治方法。
该方法由下列步骤组成：
(a)设计注氮井和生产井井位。设计井位的要点是：(i)划分煤层瓦斯地面排采单元。(ii)整体规划，分步实施，达到同一个排采单元的可采煤层同步注氮排采，整体降低该排采单元煤层瓦斯含量。(iii)注氮井和生产井布置在煤矿生产准备区和规划区，以保证有足够长的注氮和排采瓦斯的时间。(iv)一口注氮井配置多口生产井。(v)注氮井与断层之间的距离在2～4倍生产井井距之间选择。(vi)在保证不直接钻遇断层的前提下，断层面与注氮井之间的第一排生产井尽可能接近断层。(vii)井位设计需要考虑的因素还有：井区地质 构造特征、煤层渗透率、瓦斯含量、密度、灰分、厚度、煤体结构、注氮压力、注氮速率、产气速率、预定的吨煤瓦斯含量降低值或残余瓦斯含量、预定抽排期限。
(b)钻井，取煤芯，固井，射孔。
(c)实验室测定煤芯样品的瓦斯含量、密度、灰分，获得煤层的特性参数。
(d)从注氮井向煤层持续地注入氮气。
(e)从生产井持续地采集瓦斯或瓦斯与氮气的混合气体，监测气体成分、产量随时间的变化。
(f)对每一口注氮井重复步骤(b)、(c)和(d)，对每一口生产井重复步骤(b)、(c)和(e)。
(g)根据煤层瓦斯含量、密度、厚度、生产井瓦斯日产量、采煤安全要求的煤层残余瓦斯含量、采煤规划确定的地面抽排年限等因素，调整步骤(a)设计的注氮井和生产井井位，必要时加密注氮井和生产井。
(h)在同一矿井煤田井区，根据吨煤瓦斯含量降低的速率、生产井气体成分变化，步骤(g)根据需要可以重复多次。
(i)根据煤层特性参数、厚度、生产井累计瓦斯产量，计算吨煤瓦斯含量降低值，并计算残余瓦斯含量。
(j)在煤层瓦斯含量低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量之后，停止注氮和排采，从注氮井和生产井放空煤层高压气体，开始煤巷掘进和回采作业。
(k)保留注氮井和生产井井口设施，待回采作业结束后，作为采空区瓦斯抽排井。
(l)在煤层瓦斯含量低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量之后，如果较长时间内不开始煤巷掘进和回采作业，并且生产井所产气体的瓦斯浓度大于设定的门限值，继续注氮井的注氮和生产井的排采。所述“较长时间”的长短决定于煤层围岩的性质和临近排采单元煤层瓦斯向当前排采单元运移特征。所述“门限值”被设定为在当前流行技术条件下能够经济有效利用的最低瓦斯浓度。
(m)加强煤矿井下巷道瓦斯监测，在煤矿巷道、回采工作面现场测定煤层残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、瓦斯涌出量。这三个监测参数中的任意一个超标时，实施井下瓦斯补充抽排。
本发明与现有技术相比，具有以下明显的有益效果和优势：
使用本发明方法地面注氮抽排煤层瓦斯能够有保证地降低煤层瓦斯含量，达到采煤安全要求的残余瓦斯含量标准，从而消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标。
使用本发明方法能够有效地降低煤矿瓦斯防治费用，提高煤矿生产效率，因为本发明方法根本性地减少了井下抽排工程量，缩短了井下抽排时间，。
使用本发明方法能够有效地提高煤矿瓦斯利用率，利用清洁能源，减少温室气体排放，保护大气环境。有多种方法利用本发明生产井所产气体中的甲烷，直至甲烷浓度小于1％。因此，预期使用本发明方法能够将煤矿瓦斯利用率提高到95％以上。
附图说明
无附图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。
地面钻井抽排煤层瓦斯做煤矿瓦斯防治能够一举三得：改善煤矿安全生产条件、提供清洁气体能源、减少温室气体排放。但是，当前按照“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式做地面抽排，瓦斯产量低，不能有效降低煤层瓦斯含量，这是因为中国和世界煤矿范围内的绝大多数煤层有三个特点：(1)原始渗透率低或极低，通常小于1毫达西；在中国河南等地，煤层原始渗透率通常只有几十微达西，有的甚至低至几个微达西。这比当前煤层气开发行业使用的“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式所要求的煤层气储层的渗透率低1～4个数量级。(2)力学强度低，属于软煤层。(3)煤体结构不完整，煤粉严重。以下将这样的煤层称为“低渗透率软煤层”。
当前煤矿按照煤层气开发行业使用的“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式做煤矿瓦斯地面抽排。该技术模式不能够有效地抽排低渗透率软煤层的瓦斯。原因如下：
首先，该技术模式的压裂增透技术不能够有效地提高低渗透率软煤层的渗透率。压裂增透的效果主要取决于两个因素：(1)煤层的原生割理、裂隙发育程度和后期改造以及(2)煤层的力学强度。低渗透率软煤层原生割理、裂隙发育程度差或者因为成煤期后地质构造运动的改造已经基本上不存在，是压裂增透效果不佳的主要原因之一。原生割理、裂隙是压裂前煤层已经有的裂隙，它们是压裂时新生成裂隙的生长点；压裂液携带支撑剂进入原生割理、裂隙，在强大的压力下，原生割理、裂隙的张开度增大，并向前延伸，在此过程中，生成新的裂隙，支撑剂比较均匀地散布在割理裂隙中；原生割理、裂隙和新生裂隙一起，构成连通的裂隙网络，成为井筒与大范围煤层沟通的通路。低渗透率软煤层的原生割理、裂隙在多次地质构造运动中已经被改造，在地应力作用下已经基本上闭合了。在低渗透率软煤层中做压 裂增透，支撑剂(砂子等)在强大压力推挤下，很可能一坨一坨地堆积在煤层中，而不是成层、成条状地散布在煤层中。
低渗透率软煤层力学强度小，是压裂增透效果不佳的另一个主要原因。压裂增透技术不担心煤层硬，而担心煤层软。被压裂的岩层硬度(力学强度)大，这不是问题，即使是坚硬的砂岩，也可以被成功地压裂，例如，致密砂岩气储层。相反，低渗透率软煤层力学强度小，是压裂增透效果不好的更致命的原因。首先，由于力学强度小，在压力作用下，煤层不是破裂，而是塑性变形，携带支撑剂的压裂液不是沿着裂缝前进，而是沿塑性破裂带渗流前进，压裂液向前进，支撑剂被过滤留下来。随着压力加大和持续，压裂液向煤层强度小的部位前进，支撑剂一坨一坨地留在煤层中。当然，也有支撑剂被压裂液携带散布在煤层中，特别是在井筒较近地方。但是，由于支撑剂的硬度大，煤层硬度小，而且软煤层煤粉严重，在压裂结束一段时间后，散布在煤层中的支撑剂首先被煤粉包裹；更长时间后，即使条带状的支撑剂、成层状的支撑剂、一坨一坨的支撑剂也将逐渐地被煤层压实，嵌入煤层中，或者被煤粉包裹，失去增透的作用。这也是下述令人失望的现实状况的主要原因之一：低渗透率软煤层中的煤层气井即使初期日产量达到了数百方或更高的日产量，在数星期或数月内也将降低到数百方或数十方。
其次，该技术模式依靠排水降压，降低煤层气储层的内部压力，使得煤基质孔隙体系内的压力小于临界压力，甲烷因此而开始从微孔隙表面解吸，并在甲烷浓度梯度的作用下，按照菲克定律(Fick’s Law)向割理、裂隙运移。该技术模式假定煤层气储层的裂隙型孔隙体系是连通的，或者经压裂增透工程之后是连通的，因此，井筒排水造成的低压可以经裂隙型孔隙体系传递到远离井筒的地方，在井筒周围形成一个足够大的低压漏斗。在该低压漏斗范围内，煤层气储层压力低于临界解吸压力的地方，发生煤层气解吸。但是，对于低渗透率煤层气储层，由于裂隙型孔隙体系连通性差，压裂增透不能够有效地提高煤层渗透率，因此，井筒排水造成的低压不能够有效地传递到井筒周围，低压漏斗很小。即使有少数连通的割理、裂隙能够将井筒排水造成的低压传递到离井筒较远的地方，由于该裂隙型孔隙体系没有形成连通的网络，在离井筒稍远的地方，孤立的低压通道将煤层分隔为块体，在块体内部压力没有降低到临界压力，煤层气不会解吸。
总之，该技术模式的压裂增透不能有效提高低渗透率软煤层的渗透率，即使压裂后对渗透率有所提高，这样的提高对低渗透率软煤层也不能持久。这导致如下两方面的缺陷：(1)井筒周围压降漏斗小，能够发生降压解吸的煤层范围小，没有足够大量的解吸煤层气扩散到裂隙。(2)渗透率低至0.1mD数量级时，在裂隙中很难形成气水两相流体；低渗透率软煤层 裂隙中水的流动很微弱，即使有解吸煤层气扩散到裂隙，发生二次解吸并渗流到达井筒的过程也缓慢而漫长。因此，按照煤层气开发行业使用的“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式做煤矿瓦斯地面抽排，瓦斯产量低，不能够有效地降低煤层瓦斯含量。
向煤层注入氮气能够促进甲烷解吸和增大煤层渗透率，因而能够改善煤层瓦斯地面抽排效果，详述如下：
氮气从四个方面促进甲烷解吸：(1)降低煤基质块内甲烷分压力，促使甲烷第一次解吸；(2)注氮增大割理/裂隙空间与煤基质块之间的甲烷浓度梯度，有利于一次解吸后的甲烷从煤基质块内微孔隙向割理/裂隙空间扩散，促进二次解吸；(3)氮气挤占煤基质型孔隙表面的位置，“剥离”甲烷，促使甲烷解吸；(4)氮气在注入煤层前被加热，高温氮气促使甲烷解吸。
注氮从四个方面增大煤层渗透率：(1)高压氮气压缩煤基质块，增大煤层渗透率；(2)注氮促使甲烷解吸，解吸-收缩效应增大裂隙张开度，增大煤层渗透率；(3)注氮增大甲烷的相对渗透率，从而增大其有效渗透率；(4)高压氮气在煤层中造出新的细微裂隙，增大煤层的渗透率。
尽管上述注氮增大煤层渗透率的四个作用对于本发明方法的成功是重要的，但是，更重要的是，高压氮气在煤层中的渗透率不是煤层气开发行业所说是那个渗透率，也不是通常意义上的煤层的“绝对渗透率”，而是氮气在高压驱动下渗流通过煤层的渗透率。渗透性与非渗透性是个相对的概念，即使致密钢板，在超高压条件下，也可以让气体通过。“渗透率”的定义和测定又是一个很复杂的概念。“渗透率”分为绝对渗透率、有效渗透率、基准渗透率、相对渗透率(也即相渗透率)……等等。其中，绝对渗透率是在标准条件下测定的惰性气体渗流通过岩石的渗透率。岩石的绝对渗透率通常远大于岩石对液体的渗透率。当前煤层气勘探开发行业所说的煤层的渗透率是煤层对地下水的渗透率，而不是煤层对氮气、瓦斯等气相流体的渗透率。本发明方法抽排煤层瓦斯时，达到稳定状态后，煤层中的水已经被高压氮气驱排到井区之外，煤层中的流体只有氮气、瓦斯，或二者的混合物等气体，并且是高压驱动下的气体。在这种情况下，煤层对氮气、瓦斯及其混合物的渗透率甚至不是煤层的绝对渗透率，因为绝对渗透率是在标准状况(1个大气压)下测定的；而应当是高压驱动下的气体在煤层中渗流运移的渗透率。由于这个高压是变化的，例如，从注氮井向生产井方向，压力是逐渐降低的，因此，煤层对氮气、瓦斯及其混合气体的渗透率也是变化的。虽然不能够准确确定本发明实施时煤层对氮气、瓦斯及其混合气体的渗透率，可以肯定的是，该渗透率远大于煤层气开发行业当前使用的煤层对地下水的渗透率。
因此，本发明方法能够有效地降低煤层瓦斯含量，包括低渗透率软煤层的瓦斯含量，达到消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标之目的。
与当前地面抽排使用的“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术比较，本发明方法还有另外两个优势。第一个优势是，注氮地面抽排瓦斯能够实现多煤层联合开发。在“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式下，只有当煤层埋藏深度相差不大，并且多个煤层都属于同一个地下水系统时，才有可能实现多煤层联合开发。在注氮技术模式下，这两个限制条件都不存在了，因为高压氮气将地下水驱排到井区之外。首先，高压氮气和甲烷混合气体驱除煤层裂隙中的水，依靠高压气体维持或加大割理裂隙张开度，不存在因排水降压导致的煤层割理裂隙闭合，因而注氮技术模式下煤层渗透率不降低，反而增大。其次，在注氮技术模式下，不需要排水降压，也就不必要担心不同地下水系统之间相互窜扰。
第二个优势是，断层不再是生产井的危害因素，注氮地面抽排不至于漏掉瓦斯突出爆炸危险区。在“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式下，因为断层可能与含水层连通，造成排水难以降压；断层错断煤层，导致煤层气井控制面积减小；断层常常导致钻井事故，并必然导致钻井液漏失，因此，煤层气井要远离断层。但是，断层常常是煤矿爆炸、突出危险最容易发生的部位，是防突防爆的重点，特别需要抽排瓦斯到安全水平，这要求煤层气井靠近断层。这是一个在“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式下无法解决的矛盾。在注氮技术模式下，这个矛盾造成的冲突基本上不存在了。钻井井位选择只要避开断层，保证钻孔不直接钻遇断层，避免造成卡钻等事故就可以了。断层也是氮气在煤层中流动的通道，有利于氮气进入煤层，扩大煤层气生产井控制的范围，并剥离和驱离断层和断层附近的甲烷，使之向生产井运移，消除断层附近煤层爆炸、突出危险。对于断层，在注氮技术模式下，井位部署原则是：注氮井远离断层，避免氮气通过断层大量进入煤层顶、底板岩层，浪费氮气；生产井在保证不直接钻遇断层的前提下，尽可能接近断层，有利于断层和断层附近的甲烷便捷地运移到生产井井筒。
本发明在提供了注氮促进瓦斯解吸和增大煤层渗透率的理论并解释了注氮技术模式另的优势之后，下面提供实现探测的具体方法和步骤。
本发明在地面钻井，从多口注氮井向一个或多个煤层注入氮气，从多口生产井获得瓦斯以及瓦斯与氮气的混合气体，降低煤层瓦斯含量，达到消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标、提高煤矿瓦斯利用率、保护大气环境之目的。该方法由下列步骤组成：
(a)设计注氮井和生产井井位。设计井位的要点是：(i)划分煤层瓦斯地面排采单元。划分依据是煤田开采规划、地质构造特别是断层、陷落柱的位置和特征等等。(ii)整体规 划，分步实施，达到同一个排采单元的可采煤层同步注氮排采，整体降低该排采单元煤层瓦斯含量。如果资金充裕，可以多个排采单元同步注氮排采煤层瓦斯。(iii)注氮井和生产井布置在煤矿生产准备区和规划区，以保证有足够长的注氮和排采瓦斯的时间。由于瓦斯主要以吸附态赋存在煤层中，解吸和排采是一个缓慢的过程，由于地面钻井费用大，井距不能够使用小井距，因此，注氮和排采时间长达数年乃至十多年。这需要将注氮井和生产井布置在煤矿生产准备区和规划区，以保证有足够长的注氮和排采瓦斯的时间。(iv)一口注氮井配置5～10口生产井。如果井距小或者预定的排采时间短，一口注氮井可以配置10口以上的生产井。(v)注氮井与断层之间的距离在2～4倍生产井井距之间选择，注氮井与断层之间的距离决定于注氮压力、注氮速率、煤层渗透率、断层的性质和断距。(vi)在保证不直接钻遇断层的前提下，断层面与注氮井之间的第一排生产井尽可能接近断层，接近的程度决定于断层的性质、断距等断层的特征参数以及地下水的水系和运移特征。(vii)井位设计需要考虑的因素还有：井区地质构造特征、煤层渗透率、瓦斯含量、密度、灰分、厚度、煤体结构、注氮压力、注氮速率、产气速率、预定的吨煤瓦斯含量降低值或残余瓦斯含量、预定抽排期限，等等。
(b)钻井，取煤芯，固井，射孔。如果煤层有多层，钻穿全部需要做瓦斯排采的煤层。对全部需要做瓦斯排采的煤层射孔，建立这些煤层与井筒的连通，一次注氮排采全部煤层的瓦斯，不受煤层深度差别大的限制。在多个煤层属于不同地下水水系，并且不同水系的径流量相差很大时，不一定一次注氮排采全部煤层的瓦斯。由于煤矿出于生产规划需要优先排采某一个煤层的瓦斯时，可以分期排采不同煤层的瓦斯。
(c)实验室测定煤芯样品的瓦斯含量、密度、灰分，获得煤层的特性参数。
(d)从注氮井向煤层持续地注入氮气，允许设备故障、检修、季节因素影响制氮效率等因素导致的注氮暂停。
(e)从生产井持续地采集瓦斯或瓦斯与氮气的混合气体，监测气体成分、产量随时间的变化。即使在注氮暂停期间，生产井仍然持续生产。
(f)对每一口注氮井重复步骤(b)、(c)和(d)，对每一口生产井重复步骤(b)、(c)和(e)。
(g)根据煤层瓦斯含量、密度、厚度、生产井瓦斯日产量、考虑安全需要设定的残余瓦斯含量、采煤规划确定的地面抽排年限等因素，调整步骤(a)设计的注氮井和生产井井位，必要时加密注氮井和生产井。
(h)在同一矿井煤田井区，根据吨煤瓦斯含量降低的速率、生产井气体成分变化，步骤(g)根据需要可以重复多次。
(i)根据煤层特性参数、厚度、生产井累计瓦斯产量，计算吨煤瓦斯含量降低值，并计算残余瓦斯含量。
(j)在煤层瓦斯含量低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量之后，停止注氮和排采，从注氮井和生产井放空煤层高压气体，开始煤巷掘进和回采作业。例如，《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第五章“抽采达标评判”第二十七条之表1“采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标”规定，根据采煤工作面日产量从1000吨/天到1万吨/天，分为7个产量范围，对应残余瓦斯含量允许值从8m3/吨到4m3/吨(参见，国家安全生产监督管理总局、国家发展和改革委员会、国家能源局、国家煤矿安全监察局，安监总煤装〔2011〕163号，“煤矿瓦斯抽采达标暂行规定”)。据此，如果采煤工作面日产量为1万吨/天，可以将采煤安全要求的残余瓦斯含量设定为4m3/吨。在残余瓦斯含量低于4m3/吨之后停止注氮和排采。
(k)保留注氮井和生产井井口设施，待回采作业结束后，作为采空区瓦斯抽排井。
(l)在煤层瓦斯含量低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量之后，如果较长时间内不开始煤巷掘进和回采作业，并且生产井所产气体的瓦斯浓度大于设定的门限值，继续注氮井的注氮和生产井的排采。所述“较长时间”的长短决定于煤层围岩的性质和临近排采单元煤层瓦斯向当前排采单元运移的特征。例如，如果围岩是厚度大的炭质泥岩，“较长时间”是几个月到半年，因为炭质泥岩是较好的瓦斯储藏空间；如果围岩是的致密砂岩，“较长时间”是一年以上，因为致密砂岩储存瓦斯能力差，并且透气性差，阻止其他地层的瓦斯向煤层运移。又例如，煤层渗透率高，当前排采单元与尚未排采的单元相邻，尚未排采单元的煤层瓦斯容易向当前排采单元运移，“较长时间”是几个月到半年；煤层致密坚硬，渗透率低，当前排采单元与尚未排采的单元完全不相邻，“较长时间”是一年以上。总之，“较长时间”具体是多长，需要根据当前排采单元上、下、四周煤层、地层瓦斯向当前排采单元运移的特征确定。所述“门限值”被设定为在当前流行技术条件下能够经济有效利用的最低瓦斯浓度，例如，驱动低浓度瓦斯发电机所需的最低瓦斯浓度。在停止注氮排采煤层瓦斯之后，由于煤层残余瓦斯含量低，自由态甲烷浓度低，因此，煤层顶板、底板围岩中的瓦斯将向煤层运移。这有可能导致煤层残余瓦斯含量升高，甚至可能变得大于相关规范规定的标准。因此，如果预期较长时间不开始煤巷掘进和回采作业，即使煤层瓦斯含量已经低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量，应当在综合效益评估之后，决定是否继续注氮地面排采。构成注氮地面排采煤层瓦斯的综合效益的因素是：(i)采煤安全等级提高和采煤效率提高而获 得的效益，(ii)清洁能源利用的效益，(iii)环境保护的效益。在生产井所产气体的瓦斯浓度大于当前流行技术条件下能够经济有效利用的最低瓦斯浓度时，上述三项效益都存在，应当继续地面注氮排采。如果生产井所产气体的瓦斯浓度低于当前流行技术条件下能够经济有效利用的最低瓦斯浓度，清洁能源利用的效益不存在了；生产井所产气体不得不排放到大气中，环境保护的效益也不存在了；综合效益只剩下采煤安全等级提高和采煤效率提高而获得的效益。随着注氮时间延长，生产井所产气体中的氮气浓度增大，甲烷浓度降低，排采1m3甲烷的成本增大；在煤层瓦斯含量低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量之后，继续注氮地面排采煤层瓦斯对提高采煤安全等级和采煤效率的效益也变小了；因此，应当停止注氮地面排采瓦斯。
(m)加强煤矿井下巷道瓦斯监测，瓦斯超标时做局部井下抽排。按相关规范(例如，GB/T23250煤层瓦斯含量井下直接测定方法、AQ/T1047煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法、AQ/1029-2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范)要求，在煤矿巷道、回采工作面现场测定残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、瓦斯涌出量。这三个监测参数中的任意一个超标时，实施井下瓦斯补充抽排。前述步骤(i)计算的残余瓦斯含量是当前排采单元的整体上的残余瓦斯含量。因为多种原因(例如，井距大、煤层气局部渗透率低、煤层力学强度的方位差异，等等)，虽然当前排采单元整体上的残余瓦斯含量低于根据采煤安全要求设定的残余瓦斯含量，但是，有可能局部煤层的残余瓦斯含量较高。此外，如步骤(l)所述，当可采煤层的瓦斯含量因为地面瓦斯抽排而明显降低时，煤层围岩、不可采薄煤层、相邻排采单元等岩体中的瓦斯将向煤层扩散。因此，需要加强煤矿井下巷道瓦斯监测，并根据监测数据在必要时做局部井下抽排。
本发明方法与文献已经公开的注气增产煤层气技术有根本不同，因为二者不同的目的导致不得不对实施方法做全面创新。对这些创新，择其要者简述如下：
(1)已有的注气增产煤层气技术以开发和销售煤层气赢利为目标，可以选择只开发瓦斯富集并且渗透率高的煤层；对同一个煤层，又选择只开发富集高渗的部位。注氮地面排采煤层瓦斯技术以煤矿瓦斯防治为目的做煤层瓦斯地面排采，为了保证采煤安全，对某一特定可采煤层最好整体降低瓦斯含量；如果因为煤层展布范围大和/或资金有限，不能整个煤层同时整体降低瓦斯含量，也至少必须一个排采单元同时整体降低瓦斯含量。为此，本发明方法的第一个实施步骤的第一项是划分煤层瓦斯地面排采单元。本发明创新性地提供了划分排采单元和部署注氮井、生产井的方法。
(2)已有的注气增产煤层气技术的注气井需要远离断层，以防止注入煤层的气体窜入断层，逸散到与断层连通的其他地层中；生产井也需要距离断层足够远，因为断层通常是地下水的通路，断层造成煤层破碎，煤粉严重，地下水携带煤粉向生产井运移，堵塞割理裂隙，降低煤层渗透率。但是，断层是瓦斯富集部位，常常是瓦斯突出、爆炸容易发生的部位，因此是煤矿瓦斯防治重点部位，尤其需要做好瓦斯排采，降低煤层瓦斯含量。这是一个矛盾，现有的注气增产煤层气技术无法解决的。本发明创新性地化解了这个矛盾。本发明方法要求注氮井与断层之间的距离在2～倍生产井井距之间，并根据注氮压力、注氮速率、煤层渗透率、断层的性质和断距等因素决定注氮井与断层之间的距离。对于临近断层的生产井井位设计，在保证不直接钻遇断层的前提下，断层面与注氮井之间的第一排生产井尽可能接近断层，接近的程度决定于断层的性质、断距等断层的特征参数以及地下水水系和运移特征。这样的井位设计方法既保证了降低断层部位瓦斯含量，消除瓦斯爆炸、突出、超标危险，又不至于注入煤层的氮气经断层通路大量逸散，造成浪费。
(3)已有的注气增产煤层气技术的井位设计拷贝了煤层气开发“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式的井位设计方法，设计的依据是煤层厚度、断层、陷落柱、矿区地质构造形态等因素。本发明设计井位依据的因素包括了煤层厚度、断层、陷落柱、矿区地质构造形态，增加了井区煤层渗透率、瓦斯含量、密度、灰分、煤体结构、注氮压力、注氮速率、产气速率、预定的吨煤瓦斯含量降低值或残余瓦斯含量、预定抽排期限。本发明的步骤(a)所述注氮井和生产井井位设计，对实现本发明之目的既是第一重要的，也是创新的。
(4)本发明方法为达到保证采煤安全之目的，需要将煤层瓦斯含量降低到远低于相关规范规定的标准。为此设计了多个实施步骤，测定煤层原始瓦斯含量、密度、灰分等煤层特征参数，监测生产井井口气体成分、产量等生产参数，据此计算煤层瓦斯含量降低值，确定煤层残余瓦斯含量变化及其降低之速率。根据监测、计算成果以及预定的排采期限，调整井位部署，甚至多次调整井位部署。这些都是当前注气增产煤层气技术所没有的，都是本发明方法为煤矿瓦斯防治之目的，必须采取的实施步骤。
(5)停止作业的标准根本不同。已有的注气增产煤层气技术关注的是煤层气开发成本与煤层气销售收益之间的盈亏关系，关注的是生产井的产量。当生产井所产气体的甲烷含量百分比降低，致使注气增产煤层气的成本高于煤层气销售收益时，已有的注气增产煤层气技术将停止作业。本发明方法关注的是注氮地面排采煤层瓦斯的综合效益，关注的是煤层残余瓦斯含量是否低于相关规范规定的标准，是否足够多地低于相关规范规定的标准。该综合效益固然包括销售和/或利用瓦斯的收益，但是，该综合效益的主体成分是煤矿采 煤的成本、效率和效益。采煤成本中的一个重要部分是瓦斯防治费用。当前瓦斯防治依靠在煤矿巷道中做井下瓦斯抽排，吨煤瓦斯防治费用从几十元到一百多元。吨煤瓦斯含量一般不高于20m3/吨。井下瓦斯抽排一般只能够将残余瓦斯含量降低到5～8m3/吨。由此推算，使用井下瓦斯抽排方式，抽排1m3瓦斯的费用大约是几元到十多元。本发明方法使用注氮地面排采煤层瓦斯，达到降低煤层瓦斯含量从而提高煤矿安全等级、减少煤矿井下瓦斯抽排工程量从而降低煤矿井下瓦斯抽排费用、缩短抽排时间从而提高采煤生产效率之目的，最终达到提高煤矿采煤经济效益之目的。因此，使用本发明方法时，即使生产井所产气体的甲烷含量百分比降低，从而导致注氮地面瓦斯抽排成本高于销售和/或利用瓦斯的收益，也不停止注氮排采煤层瓦斯，而是一直排采到煤层残余瓦斯含量低于相关规范规定的标准，甚至要远低于相关规范规定的标准。只要本发明注氮地面排采煤层瓦斯1m3的平均成本减去销售和/或利用1m3瓦斯的平均收益之差值(以下将该差值称为“注氮地面排采煤层瓦斯的单位亏损额”)，不超过煤矿井下抽排1m3瓦斯的费用——该费用大约是几元到十多元，那么，本发明方法就具有经济可行性。已有的注氮增产煤层气现场试验获得注入煤层1m3氮气，能够增产2.5m3煤层气的效果，尽管这是在优质煤层气储层获得增产效果，煤矿井区煤层未必得到这样好的增产效果。使用变压吸附、分子膜等近年来发展的注氮技术，从空气中分离氮气的综合成本大约0.40元/m3。煤层气井口价格为1.80元/m3左右，加上国家补贴0.20元/m3，销售煤层气的毛收益是2.00元/m3左右。据此推算，注氮地面排采煤层瓦斯的单位亏损额大于煤矿井下瓦斯抽排1m3瓦斯费用的可能性很小，尽管该亏损额因各个煤矿的煤层特性差异而不同的。因此，本发明方法将煤层残余瓦斯含量降低到远低于相关规范规定的标准之后才停止作业，这具有经济可行性。
总之，本发明方法的创新都是为达到本发明的目的——将煤层瓦斯含量降低到远低于规范规定的水平，消除煤矿瓦斯爆炸、突出、超标，降低煤矿瓦斯防治费用，提高煤矿采煤效率，提高煤矿瓦斯利用率，保护大气环境——而必须采取的步骤和/或措施。虽然本发明方法因为采用这些步骤和/或措施增大了排采单位瓦斯的成本，但是这些步骤和/或措施能够确定性的煤层瓦斯含量到到远低于规范规定的水平。虽然与煤矿当前使用的“钻井-压裂-排水-降压-采气”技术模式比较，本发明方法因为向煤层注入氮气而增大了排采单位瓦斯的成本，但是，与煤矿当前使用的在煤矿巷道中井下抽排比较，本发明方法能够降低煤矿瓦斯防治成本。
本发明与现有技术相比，具有以下明显的有益效果和优势：
使用本发明方法地面注氮排采瓦斯能够有保证地降低煤层瓦斯含量，达到采煤安全要求的吨煤瓦斯含量标准，从而消除瓦斯超标、突出、爆炸危险。
使用本发明方法能够有效地降低煤矿瓦斯防治费用，提高煤矿生产效率。目前煤矿瓦斯防治主要依靠井下抽排，瓦斯防治费用每吨煤几十到一百多元。假设吨煤瓦斯降低值为10m3/吨，相当于井下抽排瓦斯成本为每立方米几元到十多元。使用本发明方法地面抽排瓦斯成本为每立方米0.5元到1.5元。目前煤矿井下抽排一个回采工作面的煤层瓦斯的时间长达几个月到一年多。使用本发明方法地面抽排瓦斯之后，只需要加强井下瓦斯超标实时监测，在有瓦斯超标危险时做局部井下抽排。由于大幅度地减少了井下抽排工程量，因此，能够根本性地降低井下抽排工程量，缩短井下抽排时间，因而能够提高煤矿生产效率。
使用本发明方法能够有效地提高煤矿瓦斯利用率，利用清洁能源，减少温室气体排放，保护大气环境。2013年，中国煤矿井下瓦斯抽排量为126亿m3，但是，利用量仅43m3，利用率34.1％。使用本发明方法时，生产井初期采集的气体基本上是纯净的煤层气(主要成分是甲烷)，在氮气从注氮井运移到达生产井后，所采气体是甲烷和氮气的混合物。随着采气时间延长，氮气浓度缓慢升高，甲烷浓度缓慢降低。只要甲烷浓度大于1％，就可以驱动低浓度瓦斯发电机，因为当前一流的低浓度瓦斯发电机要求输入气体的甲烷浓度下限是1％。有多种方法利用本发明生产井所产气体中的甲烷，直至甲烷浓度小于1％。例如，在甲烷浓度大于40％用作民用燃料、化工原料、液化天然气；在甲烷浓度在40％～10％之间，做普通瓦斯发电；在甲烷浓度在10％～1％之间，做低浓度瓦斯发电。因此，使用本发明方法能够将煤矿瓦斯利用率提高到95％以上。