劉文革張康順韓甲業(yè)桑逢云黃 嵐

（1.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029；2.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 710119）

廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用技術(shù)與前景分析

劉文革1張康順2韓甲業(yè)1桑逢云1黃 嵐1

（1.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029；2.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 710119）

受煤炭市場需求減少、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、安全生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境等因素的影響，大量煤礦關(guān)閉退出，這些關(guān)閉礦井富含大量可以開發(fā)利用廢棄煤礦瓦斯資源，對其進(jìn)行開發(fā)利用具有安全、社會和環(huán)境多重效益。本文系統(tǒng)分析了英國、德國等發(fā)達(dá)國家廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用成果、成功案例，對廢棄煤礦瓦斯資源量評估方法、抽采利用關(guān)鍵技術(shù)和安全保障措施進(jìn)行了深入研究。在此基礎(chǔ)上剖析了我國廢棄煤礦瓦斯資源潛力及開發(fā)前景，并結(jié)合實(shí)例論證了我國開展廢棄煤礦瓦斯資源開發(fā)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

廢棄煤礦瓦斯 開發(fā)利用 資源潛力

廢棄煤礦瓦斯是指因煤炭資源枯竭、不符合安全條件或其他政策技術(shù)原因，按國家相關(guān)規(guī)定程序而關(guān)閉的礦井中殘存在剩余煤層、圍巖及井下密閉空間吸附及游離態(tài)的甲烷資源。廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用，是煤礦即將關(guān)閉前，采取一定的封堵措施，利用原提升及回風(fēng)井筒或在合適位置重新打地面抽采鉆孔的方式抽采殘存瓦斯資源過程，廢棄煤礦瓦斯抽采示意圖見圖1所示。

圖1 廢棄煤礦瓦斯開發(fā)示意圖

廢棄煤礦瓦斯其主要成分是甲烷，濃度通常一般在50%～70%，作為清潔能源可用于發(fā)電、供熱、民用和工業(yè)用燃?xì)獾确矫?。開發(fā)廢棄煤礦瓦斯具有安全、社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境多重效益。第一能夠增加清潔能源供應(yīng)，緩解老礦區(qū)能源供應(yīng)緊張局面，推動礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展；第二降低了井下密閉空間廢棄煤礦瓦斯儲存壓力，減少了高壓廢棄煤礦瓦斯從井筒或地表裂縫逸出，給周圍居民人身和財產(chǎn)安全帶來威脅的可能性；第三減少了瓦斯逸散排放，保護(hù)了礦區(qū)環(huán)境；第四為老礦區(qū)提供新的就業(yè)崗位，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，有利于老礦區(qū)工業(yè)轉(zhuǎn)型及環(huán)境治理。

1 國外廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用現(xiàn)狀

煤炭曾經(jīng)被認(rèn)為是廉價易得的主體化石能源，但隨著近年來歐美等國對氣候變化和環(huán)境保護(hù)重視程度的提高，煤炭資源逐漸被清潔能源和可再生能源所代替，導(dǎo)致大量煤礦被關(guān)閉，其中包括為數(shù)不少的高瓦斯井工煤礦。為防治煤礦關(guān)閉后瓦斯事故，增加清潔能源供應(yīng)，英美等國政府非常重視廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用，出臺了一系列優(yōu)惠政策鼓勵企業(yè)開發(fā)利用廢棄煤礦瓦斯資源。

1.1 英國

英國煤炭開采歷史悠久，曾是全球重要的產(chǎn)煤大國。但隨著世界能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化、英國北海油田的開發(fā)，英國煤炭產(chǎn)量持續(xù)大幅下降。2015年英國政府關(guān)閉了最后一座井工煤礦（凱靈利煤礦）。

英國早在1954年就開始廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用研究，其開發(fā)利用技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。2014年英國廢棄煤礦總瓦斯涌出量9000萬m3，其中約7000萬m3被回收利用，有15個正在運(yùn)行或在建的廢棄煤礦瓦斯發(fā)電項(xiàng)目，總裝機(jī)容量約52MW。

1.2 德國

德國二十世紀(jì)六十年代以來，受石油產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等因素影響，德國煤礦開采業(yè)受到較大沖擊，大量井工煤礦關(guān)閉，從業(yè)人員從300萬人減少到5000人，2015年剩余的3個井工煤礦也被計劃于2018年之前全部關(guān)閉。

目前，德國擁有17個廢棄煤礦瓦斯抽采利用項(xiàng)目，瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量185MW，瓦斯年抽采量2.5億m3，抽采濃度為15%～70%，年發(fā)電量10億kWh。

1.3 美國

美國是世界上廢棄煤礦瓦斯抽采利用商業(yè)化最成功的國家，也是世界上首個將廢棄煤礦瓦斯排放量計算在溫室氣體排放總量內(nèi)的國家。根據(jù)《2013美國溫室氣體排放清單》數(shù)據(jù)，2011年美國共建設(shè)38個廢棄煤礦開展瓦斯抽采利用項(xiàng)目，利用的煤礦瓦斯總量約1.6億m3，其中近60%的項(xiàng)目分布在伊利諾斯州的煤炭盆地中。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 廢棄煤礦蓋層封蓋能力評價方法

廢棄煤礦采動影響區(qū)資源量評估及后續(xù)開發(fā)時，需要滿足兩個基本條件。

（1）氣體封存條件，即穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體不會發(fā)生很大程度上的散逸，能夠較好的保存下來；

（2）空隙聯(lián)通條件，即區(qū)域上部的含水層中的水體不能大量穿過蓋層進(jìn)入煤層氣儲層空間，從而使孔隙被封閉。而滿足這兩個條件，需要區(qū)域上覆巖層對于含水層的封蓋能力需要滿足“最低有效封蓋厚度”要求，計算公式如下：

式中，i—儲層空間與含水層之間的第i層蓋層；θi—巖層封閉能力調(diào)整系數(shù)；Hi—蓋層原始厚度，m；γ—斷層傾角，°；∑M—煤層開采厚度，m；c—開采分層數(shù)量。Hi＝θi*H，H為上覆巖層不同巖層厚度。泥質(zhì)巖類的是煤層氣儲層的最佳封閉層，將泥巖的封蓋能力系數(shù)視為1，將統(tǒng)計層段內(nèi)其它的常見巖性巖層厚度與泥巖進(jìn)行統(tǒng)計矯正，即通過將其他巖層本身的厚度乘以其封閉能力調(diào)整系數(shù)的方法，把各個巖性的巖層都轉(zhuǎn)化為等效厚度。

2.2 資源量評估方法

由于廢棄煤礦瓦斯抽采利用是對殘存在關(guān)閉煤礦中瓦斯資源二次開采過程，資源量估算困難，影響因素多、不確定性大，國內(nèi)外學(xué)者對廢棄礦井煤層氣的資源評價方法及其相關(guān)理論進(jìn)行了多年的探索和研究。目前廢棄煤礦瓦斯地質(zhì)儲量估算方法包括物質(zhì)平衡法和資源構(gòu)成法兩種，廢棄煤礦瓦斯可采儲量估算方法包括物質(zhì)守恒法和基于流體力學(xué)模型的儲層模擬法。資源構(gòu)成法進(jìn)行廢棄煤礦瓦斯資源量評估結(jié)果較為準(zhǔn)確，為目前國內(nèi)外普遍采用的方法。但此方法所需數(shù)據(jù)通常需要進(jìn)行大量先導(dǎo)性試驗(yàn)方可獲得，增加了項(xiàng)目前期投入。

資源構(gòu)成法的原理為根據(jù)廢棄煤礦中瓦斯賦存狀態(tài)，廢棄煤礦瓦斯資源總量為游離態(tài)的瓦斯量和吸附態(tài)的瓦斯量之和，計算公式如下：

式中：Qy1為采空區(qū)內(nèi)的游離態(tài)瓦斯資源量，V為采空區(qū)體積，gy1為采空區(qū)甲烷濃度。

殘余遺煤中的吸附態(tài)瓦斯資源量可通過如下公式計算：

式中：Qmt為整個受采動影響范圍中的吸附態(tài)瓦斯資源量，Ti為整個受采動影響范圍中的第i煤層的遺煤量，Di第i煤層的瓦斯排放百分比，整個受采動影響范圍中的第i煤層可解析瓦斯含量，在一定的壓力下不可解析的瓦斯含量。

基于資源構(gòu)成法算得的地質(zhì)儲量，假設(shè)在廢棄煤礦瓦斯抽采結(jié)束時受擾動區(qū)域內(nèi)的氣壓統(tǒng)一降低到某一負(fù)壓值條件下，可抽采的吸附態(tài)瓦斯資源量和游離態(tài)瓦斯資源量之和即為可抽采廢棄煤礦瓦斯資源量。受擾動區(qū)域內(nèi)各煤層中的吸附態(tài)可采儲量資源量為：

式中：Qmt為整個受擾動區(qū)域內(nèi)可采出的瓦斯資源量，Ti為整個受擾動區(qū)域內(nèi)第i煤層的煤炭資源量，為整個受擾動區(qū)域內(nèi)第i煤層可解析瓦斯瓦斯含量，為整個受擾動區(qū)域內(nèi)第i煤層在一定抽采負(fù)壓條件殘存的瓦斯含量。

廢棄煤礦瓦斯抽采前礦井采空區(qū)內(nèi)的游離態(tài)瓦斯在整個抽采過程中不斷地被外界侵入空氣稀釋，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀谝欢ǖ南拗岛笸咚钩椴砷_始變得不經(jīng)濟(jì)，此時廢棄煤礦瓦斯抽采結(jié)束。則采空區(qū)內(nèi)的游離態(tài)瓦斯的可采儲量為：

式中：Qy為廢棄煤礦瓦斯抽采前采空區(qū)游離態(tài)瓦斯的可采資源量，V為采空區(qū)體積，gy1為廢棄煤礦瓦斯抽采前采空區(qū)甲烷濃度，gy2為廢棄煤礦瓦斯抽采終止時采空區(qū)甲烷濃度。

2.3 開發(fā)利用技術(shù)

廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用是對殘存剩余煤礦瓦斯的二次開采過程，與常規(guī)天然氣和原始煤層氣開發(fā)技術(shù)不同，需要制定具有針對性的開發(fā)方案和相應(yīng)的安全監(jiān)控保障措施。

2.3.1 開發(fā)利用工程技術(shù)

為節(jié)省投資，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，英國和德國廢棄煤礦瓦斯抽采使用以井筒抽采法為主、地面抽采法為輔的聯(lián)合抽采方式。為保證瓦斯氣源質(zhì)量，煤礦關(guān)閉后，需采用混凝土對廢棄煤礦井筒進(jìn)行密封，對塌陷區(qū)裂縫進(jìn)行填堵，避免空氣通過裂隙進(jìn)入井下密閉空間，造成剩余煤炭資源緩慢氧化。并在煤礦關(guān)閉前，在井筒預(yù)先埋設(shè)連通采空區(qū)和巷道的管路，拆除采空區(qū)密閉墻，以便后期廢棄煤礦瓦斯抽采。根據(jù)礦井報廢前的煤炭開采規(guī)劃，預(yù)測礦井涌水量和礦井被淹沒時間，制定礦井水抽排方案，妥善處理淹井問題。

2.3.2 安全監(jiān)測技術(shù)

隨著廢棄煤礦瓦斯抽采的進(jìn)行，當(dāng)瓦斯解吸量小于瓦抽采量，井下密閉空間壓力降低時，一方面造成瓦斯?jié)舛冉档?，降低了抽采瓦斯質(zhì)量，另一方面空氣通過井筒、地表裂縫進(jìn)入到井下空間，空氣中的氧氣與殘余煤炭資源發(fā)生緩慢氧化反應(yīng)，導(dǎo)致抽采氣體中一氧化碳濃度升高，引起井下殘余煤炭資源自燃。因此需要合理制定瓦斯抽采制度，安裝實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)，對廢棄煤礦瓦斯抽采濃度、壓力和一氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)在在線監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整瓦斯抽采濃度和流量，保證安全高效的持續(xù)抽采廢棄煤礦瓦斯資源。

3 我國廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用前景

3.1 報廢煤礦數(shù)量

煤炭是我國的主體能源，全國煤礦數(shù)量眾多，且以井工礦為主，占95%左右，受能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、煤炭需求減少、安全生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境等因素的影響，大量煤礦關(guān)閉退出。這些關(guān)閉礦井大部分是高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井，上下臨近煤層、煤柱和井下采空區(qū)富含大量可以開發(fā)利用廢棄煤礦瓦斯資源。據(jù)統(tǒng)計2000～2015年全國累計關(guān)閉煤礦1.8萬余處。關(guān)閉煤礦主要位于在山西、湖南、貴州、四川、云南、黑龍江、重慶、河北、遼寧和陜西省10個省（市），這些省份將成為下一步廢棄煤礦瓦斯開發(fā)的重點(diǎn)省份。

3.2 報廢煤礦瓦斯資源量

根據(jù)中國煤炭工業(yè)年鑒統(tǒng)計，1949～2012年我國井工開采方式下累計殘煤資源量為582.7億t，據(jù)此推測中國廢棄礦井煤層氣儲量可達(dá)萬億立方米量級，資源量豐富，開發(fā)潛力大。

4 應(yīng)用實(shí)例

陳家山煤礦是陜煤銅川礦業(yè)公司下轄煤礦，位于陜西省銅川市西北方向，井田走向長約5.5km，寬約3.7km，面積16.0589km2，總體呈南北向展布、西南收斂的不規(guī)則多邊形，原始表內(nèi)煤炭地質(zhì)儲量17590.0萬t，主采4－2煤，為防止礦井底鼓造成地板突水，采用人工鋪假底方式進(jìn)行分層開采。

4.1 蓋層封蓋能力評價

這一區(qū)域的主要含水層為洛河組砂巖，而4－2煤層之上的性質(zhì)良好隔水層為宜君組礫巖的上半部分，宜君礫巖之上的地層受采動影響所造成的下沉變形程度很小并明顯小于其下地層可推測出宜君礫巖層為主關(guān)鍵層，且其上部也是較好的隔水層。

在陳家山各采空區(qū)上方，并無影響重大的斷層出現(xiàn)，因此在此處不考慮斷層對于封閉性的影響。根據(jù)有效封蓋厚度計算公式可得采空區(qū)上覆蓋層的有效封蓋厚度為59.2m。不同工作面最大裂隙帶高度為30.5m，其有效封蓋高度均可滿足瓦斯資源量評估及開發(fā)的適用條件。

4.2 廢棄煤礦資源量評價

采用資源構(gòu)成法，對陳家山廢棄煤礦瓦斯資源進(jìn)行評價。陳家山報廢煤礦瓦斯資源除小部分呈游離態(tài)儲存于采空區(qū)及臨近的圍巖孔隙中外，大部分賦存于殘余以及受采動影響的臨近煤層中，由于游離態(tài)瓦斯占比較小，此次計算忽略不計。資源構(gòu)成法吸附態(tài)態(tài)瓦斯資源量技術(shù)如下：

陳家山報廢煤礦瓦斯主要存在4－2煤層中，因其i取值為1；目前剩余煤礦為1498.78萬t；瓦斯的排出比例，與工作面間的距離成正比，由于陳家山的下分層與開采煤層為同一煤層，瓦斯排出比例取60%；陳家山煤礦剩余煤炭資源所處的壓力取0.103MPa，4－2煤層瓦斯含量為2.7m3／t，則根據(jù)Langmuir方程，在0.103MPa下，剩余煤層中的不可解吸氣量為為0.274m3／t；為原始瓦斯含量減去不可解析量，為2.427m3／t。由此各采空區(qū)中的報廢煤礦瓦斯地質(zhì)資源量約為1.86× 107m3。取0.0389MPa作為低負(fù)壓對抽采效果進(jìn)行推算。在0.0389MPa負(fù)壓下，抽采后煤層的不可解吸瓦斯含量為0.1045m3／t。將報廢煤礦瓦斯評估的地質(zhì)資源量中最終抽采負(fù)壓下的不可解吸瓦斯含量扣除，則可得預(yù)計的可抽采報廢煤礦瓦斯資源量1.71×107m3。

4.3 經(jīng)濟(jì)分析

廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用項(xiàng)目建設(shè)投資900萬元，運(yùn)營成本70萬元／年，項(xiàng)目收益主要為瓦斯發(fā)電銷售收入，年發(fā)電量約為891萬kWh，累計可發(fā)電量約為5120.6萬kWh，可實(shí)現(xiàn)年發(fā)電收入534.6萬元，累計3072.4萬元。煤層氣開發(fā)利用國家補(bǔ)貼0.2元／m3，陜西省政府補(bǔ)貼0.1元／m3計算，共可獲補(bǔ)貼512.1萬元。項(xiàng)目年利潤581.6萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 郭慶勇，張瑞新.廢棄礦井瓦斯抽放與利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2003，30（6）：23－26.

［2］ 崔永君.廢棄礦井瓦斯值得關(guān)注的煤層氣資源［J］.中國煤層氣，2005，2（3）：27－31.

［3］ 韓甲業(yè).我國廢棄煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀及潛力［J］.中國煤層氣，2013，10（4）：23－25

［4］ 孟鵬飛.廢棄礦井資源二次利用的研究［J］.中國礦業(yè)，2011，20（7）：62－65.

［5］ 韓保山.廢棄礦井煤層氣資源開發(fā)潛力評價方法研究［R］.西安：煤炭科學(xué)研究總院西安分院，2003：20－33.

［6］ 孟召平，師修昌，劉珊珊，等.廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣資源評價模型及應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報，2016，41（3）：537－544.

（責(zé)任編輯 劉 馨）

Technology and Prospect Analysis of AMM Development and Utilization

LIUWenge1，ZHANG Kangshun2，HAN Jiaye1，SANG Fengyun1，HUANG Lan1
（1.China Coal Information Institute，Beijing 100029；2.Shaanxi Coalbed Methane Development Co.，Ltd.，Shaanxi710119）

Affected by such factors as falling coalmarket demand，energy structural adjustment，work safety and ecologically environmental restriction，a huge amount of coal mines were closed and abandoned.Those abandoned coalmines are enriched with methane，which is of development and utilization value withmultiple benefits from the aspects of safety，society and environment.The paper analyzes the achievements and successful cases of AMM development and utilization in developed countries such as the UK and Germany，and further researches has been proposed on evaluation methods of AMM resources，key technologies of AMM drainage and utilization and safety and guaranteemeasures.Based on the previous studies，it analyzes the potential and development prospect of AMM resources in China，and demonstrates the technical and economic feasibility of AMM development in China.

AMM；development and utilization；resources potential

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51374083）

劉文革，男，教授級高級工程師，長期從事煤層氣、安全生產(chǎn)、煤炭行業(yè)領(lǐng)域理論政策研究和安全技術(shù)研發(fā)工作。