田立強，范士彥

(1.山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，山東 泰安 271000；2.山東省煤田地質(zhì)局，山東 泰安 271000)

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山東濟寧許廠煤礦下組煤瓦斯與二氧化碳開發(fā)利用前景及存在的問題

田立強1，范士彥2

(1.山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，山東 泰安 271000；2.山東省煤田地質(zhì)局，山東 泰安 271000)

許廠煤礦下組煤中蘊藏著較為豐富的瓦斯、二氧化碳資源。下組煤位于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，含瓦斯、二氧化碳和氮氣等氣體，瓦斯含量與埋藏深度呈正相關(guān)關(guān)系，主要存在低含量瓦斯、二氧化碳抽采率、二氧化碳資源化轉(zhuǎn)換等技術(shù)方面的問題。從國家相關(guān)優(yōu)惠政策、資源優(yōu)勢、煤與煤層氣一體化開發(fā)技術(shù)、近水平長鉆孔定向鉆進技術(shù)、煤層壓裂造縫技術(shù)、煤層注氣增產(chǎn)技術(shù)和瓦斯、二氧化碳氣體提純技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展程度，結(jié)合煤礦的下組煤層的開采方案，認(rèn)為許廠煤礦有著較好的煤炭與瓦斯、二氧化碳一體化開發(fā)利用前景。

下組煤；瓦斯；二氧化碳；開發(fā)利用前景；許廠煤礦；山東濟寧

0 引言

2015年，我國煤礦瓦斯抽采量達到了136億m3，利用量48億m3，利用率35.3%(國家能源局2016年數(shù)據(jù))，離利用率達60%的“十二五”目標(biāo)相去甚遠；美國環(huán)保局煤層氣辦公室主任FeliciaRuiz表示，目前美國煤層氣抽放系統(tǒng)抽出的80%的甲烷得到回收利用。因此，加快建設(shè)瓦斯利用設(shè)施，有效提高瓦斯抽采利用率，是我國“十三五”期間的當(dāng)務(wù)之急。以往的煤礦“開發(fā)利用方案”未將瓦斯及二氧化碳的抽采納入計劃，不但會浪費寶貴、優(yōu)質(zhì)的氣體資源，而且將向大氣中排放大量的溫室氣體，破壞大氣臭氧層。因此，加強下組煤層中瓦斯、二氧化碳的開發(fā)利用，具有預(yù)防災(zāi)害、利用能源和環(huán)境保護等多重意義。

許廠煤礦下組煤(16上、17煤層)煤層含氣量(甲烷)達到5.18～6.38m3/t。根據(jù)《煤層氣資源/儲量規(guī)范》(DZ/T0216-2010)，全礦井下組煤(16上、17煤層)保有瓦斯地質(zhì)資源/儲量8.57×108m3，其中內(nèi)蘊經(jīng)濟的推斷地質(zhì)儲量4.97×108m3，內(nèi)蘊經(jīng)濟的潛在資源量3.60×108m3。同時，下組煤層中保有二氧化碳地質(zhì)儲量34.28×108m3，其中內(nèi)蘊經(jīng)濟的推斷地質(zhì)儲量19.88×108m3，內(nèi)蘊經(jīng)濟的潛在資源量14.40×108m3。

1 許廠煤礦下組煤層瓦斯地質(zhì)特征

許廠煤礦下組煤主要指位于石炭-二疊系太原組下部的16上和17煤層。16上煤層厚度0.39～2.67m，平均厚度1.24m，井田范圍內(nèi)全區(qū)可采，屬穩(wěn)定煤層；17煤層上距16上煤層1.01～10.35m，平均4.53m，煤層厚度0.60～1.61m，平均0.90m，井田范圍內(nèi)全區(qū)可采，屬穩(wěn)定煤層。16上，17煤層的煤類均為氣肥煤。16上和17煤層的普氏硬度系數(shù)f=1.42，屬軟煤；真密度1.42t/m3，視密度1.29～1.32t/m3，斷口棱角狀、貝殼狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤巖類型以半亮型煤為主，半暗型煤次之。線理狀—寬條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。煤層顯微煤巖組分及鏡煤反射率見表1。在有機顯微煤巖組分中，凝膠化組分平均占80%，無機組分以粘土礦物為主，其次為氧化物、碳酸鹽和硫化物。

表1 煤層顯微煤巖組分及鏡煤反射率

根據(jù)鉆孔煤樣測試結(jié)果：煤層中氣體成分主要為瓦斯、二氧化碳和氮氣。其中，二氧化碳兩極值為8.63～65.50%；甲烷兩極值0.13%～37.56%。16上和17煤層位于瓦斯風(fēng)化帶的中上部。根據(jù)許廠煤礦的瓦斯實測值，結(jié)合瓦斯地質(zhì)圖綜合分析，下組煤層的相對瓦斯涌出量與埋深呈正相關(guān)關(guān)系，預(yù)測16上煤層不同埋深平均相對瓦斯涌出量為5.18～6.38m3/t(表2)。17煤層目前尚未開采，根據(jù)地質(zhì)報告資料，其瓦斯含量與16上煤層大致相當(dāng)，略有增加。

表2 16上煤層相對瓦斯涌出量預(yù)測值與埋深的關(guān)系

2 許廠煤礦開發(fā)利用瓦斯和二氧化碳資源的有利條件

2.1 可以獲得政策扶持

2014年底，國務(wù)院頒布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃2014—2020》指出，我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的路徑是：降低煤炭消費比重，提高天然氣消費比重。到2020年，天然氣比重達到10%以上(2015年,中國天然氣消費在一次能源消費中占比僅有5.8%)；煤炭消費比重控制在62%以內(nèi)(2015年，在一次能源消費中占比64%)。因此，煤礦由煤炭生產(chǎn)轉(zhuǎn)向煤、氣一體化生產(chǎn)是大勢所趨。煤礦的煤、氣一體化生產(chǎn)不僅符合國家能源產(chǎn)業(yè)政策，同時在節(jié)能減排、環(huán)境保護和安全生產(chǎn)等方面均滿足國家的相關(guān)政策，可以獲得國家政策扶持。主要扶持政策包括《關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》(國辦發(fā)〔2006〕47號)《關(guān)于加快煤層氣抽采有關(guān)稅收政策問題的通知》(財稅〔2007〕16號)《關(guān)于煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用補貼的實施意見》(財建〔2007〕114號)《關(guān)于加強煤炭和煤層氣資源綜合勘查開發(fā)管理的通知》(國土資發(fā)〔2007〕96號)等。2014年9月國務(wù)院辦公廳頒布的《關(guān)于進一步加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用意見》，則確認(rèn)了煤層氣發(fā)電上網(wǎng)電價“成本加利潤”的形式，讓以往較為微薄的煤層氣發(fā)電利潤有了提高的空間，為煤層氣發(fā)電的發(fā)展打下又一層基礎(chǔ)。

2.2 許廠煤礦資源優(yōu)勢

全礦井下組煤(16上、17煤層)保有瓦斯地質(zhì)資源/儲量8.57×108m3，保有二氧化碳地質(zhì)儲量34.28×108m3。結(jié)合市場價格分析，瓦斯與二氧化碳價格相當(dāng)，按山東省外銷市場價約為2元/m3，我國不同煤田瓦斯抽放率為9.30%～80.24%，平均30.09%，下組煤蘊含的資源價值非常可觀。加上國家在資源勘查及開發(fā)的補貼政策，瓦斯、二氧化碳的抽采具有很好的開發(fā)前景。

2.3 我國開發(fā)利用煤層氣的關(guān)鍵性技術(shù)基本成熟

制約煤礦煤層氣抽采的主要問題在于煤層氣的采收率比較低。隨著地面、井下煤層氣(瓦斯)綜合開發(fā)技術(shù)、近水平長鉆孔定向鉆進技術(shù)、煤層壓裂造縫技術(shù)、煤層注氣增產(chǎn)技術(shù)和瓦斯、二氧化碳氣體提純技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展成熟或基本成熟(表3)，煤礦的煤、氣一體化生產(chǎn)具備了協(xié)調(diào)開發(fā)的條件。

2.4 有利于建立井下和地面聯(lián)合抽采系統(tǒng)

根據(jù)許廠煤礦綜合開發(fā)方案，16上、17煤層聯(lián)合開拓、分層開采，采用炮采工藝、條帶式采煤方法；16上煤層-90～-280m標(biāo)高全部回采(建筑物下條帶開采)，-280～-530m標(biāo)高采用條帶式開采；-530～-900m標(biāo)高為暫不能利用部分，未列入開采計劃。17煤層-130～-230m標(biāo)高全部回采(建筑物下條帶開采)，-230～-455m標(biāo)高采用條帶式開采；-455～-910m為暫不能利用部分，未列入開采計劃。

表3 煤層氣抽采關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展水平分析

16上、17煤層傾向為SW向，暫不能利用的深部煤層位于井田的中、南部，其煤炭資源/儲量分別占全井田的46%和65%。適合布置地面鉆孔，配合井下鉆孔建立井上、井下瓦斯與二氧化碳立體抽采系統(tǒng)；淺部煤層開采區(qū)域適合井下煤層開采與瓦斯、二氧化碳協(xié)調(diào)開采系統(tǒng)，提高資源利用率。

2.5 條帶開采的采煤方法有利于氣體資源的排出

由于條帶開采的煤層回采率只能達到35%～60%，因此，煤炭回采后礦井內(nèi)剩余40%～65%的煤炭呈條帶狀分布于采空區(qū)周邊，煤層內(nèi)部應(yīng)力場隨著開采后發(fā)生的一系列變化，有利于煤層中氣體向壓力低的采空區(qū)逸出。因此，利用采空區(qū)抽取瓦斯、二氧化碳，將成為井下瓦斯抽采的重要組成部分。

2.6 有效降低地下水頭壓力

結(jié)合煤礦生產(chǎn)計劃和采區(qū)規(guī)劃，合理布置鉆孔，優(yōu)化設(shè)計、運用參數(shù)模擬及產(chǎn)能預(yù)測技術(shù)，使地面鉆孔可以一孔多用，既是煤層氣勘查井，又是瓦斯、二氧化碳生產(chǎn)井，還是水文地質(zhì)觀測孔和降水鉆孔?？梢杂行У亟档退^壓力，輔助煤礦安全生產(chǎn)。

16上煤層的頂板為十下灰?guī)r含水層，富水性一般為弱—中等，但水壓往往較高，通過地面采氣井對氣、水混合液的抽采，可以達到有效降低水壓，釋放煤層內(nèi)部壓力，促進煤層內(nèi)氣體涌出的效果。

2.7 二氧化碳的循環(huán)使用和資源化使用

當(dāng)煤層中注入二氧化碳氣體后，由于二氧化碳的吸附力大于煤對甲烷的吸附能力，它與煤基質(zhì)微孔隙中的甲烷產(chǎn)生了競爭吸附，經(jīng)過一段時間后，二氧化碳可置換出煤中吸附的甲烷[7]。將其作為煤層增產(chǎn)工藝的注入氣體，可以提高瓦斯產(chǎn)量。二氧化碳提純凈化后可廣泛應(yīng)用于機械加工、化學(xué)合成、石油開采、煙絲膨化、農(nóng)業(yè)施肥、消防滅火、食品及醫(yī)藥衛(wèi)生等多種領(lǐng)域[13]。隨著二氧化碳資源化轉(zhuǎn)化技術(shù)的不斷進步，還可以將二氧化碳催化氫化為甲烷、甲醇等清潔能源。

3 瓦斯和二氧化碳開發(fā)利用存在的技術(shù)問題

(1)解決在煤炭開采前的原始煤層中進行瓦斯、二氧化碳預(yù)抽的效率問題。

(2)盡量減少對采煤安全生產(chǎn)的影響，既要有利于開發(fā)煤層中氣體，又要有利于開采煤炭，效益才會顯著提高。

(3)提高瓦斯、二氧化碳氣體資源的抽采效率。

(4)二氧化碳資源化開發(fā)利用技術(shù)有待提高。二氧化碳資源化利用技術(shù)主要包括生物轉(zhuǎn)化、電化學(xué)還原、光催化還原以及催化氫化等。在較溫和條件下具有高轉(zhuǎn)化效率的催化氫化技術(shù)，即將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇等清潔能源，是二氧化碳資源化利用領(lǐng)域的主要研究方向[11]。

4 結(jié)語

制約許廠煤礦煤炭、瓦斯、二氧化碳一體化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題是低含量瓦斯、二氧化碳的抽放率問題和二氧化碳的資源化利用問題。需要在技術(shù)研發(fā)、勘查施工、瓦斯與二氧化碳抽采、提純、運輸和商業(yè)化應(yīng)用等方面形成一條龍式的運作模式下，使煤礦在經(jīng)濟效益、資源利用、安全生產(chǎn)和環(huán)境保護等方面取得更大的成果。

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Development and Utilization Prospect and Existing Problems of Gas and Carbon Dioxide in Xuchang Coal Mine in Jining City of Shandong Province

TIAN Liqiang1, FAN Shiyan2

(1.No.3 Exploration Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology, Shandong Tai’an 271000, China; 2. Shandong Bureau of Coal Geology, Shandong Tai’an 271000, China)

There are abundant gas and carbon dioxide resources in Xuchang coal mine. According to characteristics of gas geology, it is regarded that the lower group coal is located in the weathering zone. It includes gas, carbon dioxide and nitrogen gas, and gas content and buried depth are positively correlated. The existing problems are low content of gas, carbon dioxide extraction rate, the conversion of carbon dioxide and other technical aspects. From national related preferential policies, resource advantages, coal and coal seam gas integration development technology, near horizontal drilling technology, coal seam fracturing technology, gas injection production technology and gas, carbon dioxide gas purification technology and other key technologies, combining with coal mining plan and other aspects of coal mine, it is concluded that there is coal and gas, carbon dioxide integrated development and utilization prospects.

Lower froup coal; gas; carbon dioxide; development and utilization prospect; Xuchang coal mine; Jining city in Shandong province

2016-03-16；

2016-05-01；編輯：曹麗麗

田立強(1968—)，男，山東文登人，高級工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘查工作；E-mail：15053813980@139.com

TD713

A

田立強，范士彥.山東濟寧許廠煤礦下組煤瓦斯與二氧化碳開發(fā)利用前景及存在的問題[J].山東國土資源，2016,32(10)：21-24.TIAN Liqiang, FAN Shiyan. Development and Utilization Prospect and Existing Problems of Gas and Carbon Dioxide in Xuchang Coal Mine in Jining City of Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：21-24.