李成浩， 毋亞文， 姬中民， 王海超

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100； 2.焦作師范高等?？茖W(xué)校理工學(xué)院，河南焦作 454000；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000； 4.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830046)

0 引言

甲烷既是一種清潔能源，同時也是一種強(qiáng)烈的溫室氣體(GHG)[1-5]。根據(jù)IPCC第四次評估報告， 100年周期內(nèi)，其全球變暖潛能值(GWP)是二氧化碳的25倍，排放量占全球人為溫室氣體排放量的14.3%[6]。甲烷通常被認(rèn)為是僅次于二氧化碳的第二大輻射強(qiáng)迫氣體，對臭氧層水平具有顯著影響[7-8]。

2009年中國已成為世界最大的能源消費(fèi)國，而煤炭仍然在中國能源供應(yīng)中占主導(dǎo)地位[9-11]。中國的煤炭產(chǎn)量以每年10%的速度增長，從2000年的12.99億t到2020年的38.50億t，且其中95%的煤炭產(chǎn)量來自井工煤礦[12-13]。然而，由于中國煤炭埋藏較深且等級較高，相比露天煤礦，井工煤礦釋放的甲烷量更大。據(jù)統(tǒng)計，中國煤礦每年向大氣排放約190億m3的CH4，居世界首位，約占中國工業(yè)甲烷排放總量的1/3[14-15]。

為了系統(tǒng)地評估甲烷排放對全球氣候變化的影響，IPCC推薦使用排放因子(EFs)作為煤礦甲烷(CMM)排放估算基礎(chǔ)，并提供了三種方法。第1級、第2級和第3級，三種方法精確度逐級提高。第1級和第2級方法要求各國使用EFs來核算國家或含煤盆地層面的CMM排放。然而，由于中國各地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，儲層類型多樣，煤層氣開采方法不同，這兩種方法無法準(zhǔn)確估計CMM的實(shí)際排放量。第3級方法需要測量全國各地每個礦井的實(shí)際甲烷抽放量和通風(fēng)甲烷(VAM)量。該方法精度較高，但實(shí)施難度較大[16]。Ju等(2016)[17]通過對7個典型煤礦數(shù)據(jù)的回歸分析，利用開采影響系數(shù)對淮北-淮南和晉城煤田的甲烷排放量進(jìn)行了估算，結(jié)果符合度較高。盡管如此，這種方法適用范圍可能受限，統(tǒng)計演馬礦2006—2013年甲烷排放與煤炭產(chǎn)量，兩者之間并未表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。這表明煤炭產(chǎn)量不是決定甲烷排放的唯一因素，需考慮其他控制因素(如CMM排放特征、受干擾煤、巖層的范圍、甲烷含量和地質(zhì)條件)。此外，Ju等(2016)[17]計算開采影響系數(shù)時，采用的甲烷含量是煤層原始甲烷含量，這與實(shí)際生產(chǎn)情況不相符。Wang等(2015)[18]設(shè)計了一種與IPCC方法相結(jié)合的強(qiáng)度系數(shù)法，獲得全國排放強(qiáng)度系數(shù)約為9.176。雖然該方法可以在一定程度上評估中國的CMM排放，但中國煤礦甲烷賦存規(guī)律與甲烷排放關(guān)系極為復(fù)雜，即使在同一省份，在地質(zhì)條件上亦可能存在較大差異。因此，僅靠一個排放強(qiáng)度系數(shù)很難反映中國CMM實(shí)際排放量。

本文重點(diǎn)研究具有低滲透率、強(qiáng)構(gòu)造變形煤層的瓦斯突出礦井。首先，全面梳理CMM排放特征，將甲烷排放分為甲烷預(yù)抽放和開采過程中甲烷釋放兩部分。在此基礎(chǔ)上，提出了井工煤礦甲烷排放估算新方法。以演馬礦為例，建立了甲烷預(yù)抽量估算模型，同時對MAIF進(jìn)行了分析計算。此外，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，對排放預(yù)測指標(biāo)予以了探討。最后結(jié)合焦作煤田6個煤礦實(shí)際排放情況對新估算方法的準(zhǔn)確性和合理性給予了驗(yàn)證。

1 地質(zhì)背景

焦作煤田地處河南省焦作市東北部，位于華北板塊、太行山隆起帶南段由近南北向向東西方向弧形轉(zhuǎn)折部位，同時也是太行山造山帶向南華北構(gòu)造帶過渡的地帶。鳳凰嶺斷層以北，主要發(fā)育北東和北北東向構(gòu)造，是焦作礦區(qū)的一個分界斷層。演馬莊礦位于焦作煤田中部，具體構(gòu)造位置位于九里山、鳳凰嶺和方莊斷層形成三角形斷塊中部，地層走向NE，傾向SE，傾角5°～15°，為單斜構(gòu)造，區(qū)域構(gòu)造以斷裂為主，褶曲不甚發(fā)育，構(gòu)造綱要如圖1所示。2005年，該礦核定生產(chǎn)能力為100萬t，工作面采用走向長臂式傾斜分層采煤法，全部陷落法管理頂板。主要開采煤層為二1煤層，煤層埋深為149.0～525.6m，平均煤厚6.68m。煤層滲透率較低，為(0.002～0.49)×10-3μm2，絕對瓦斯涌出量為26.05～46.93m3/min，相對瓦斯涌出量為20.40～28.18m3/t，本礦屬于典型的煤與甲烷突出礦井。

圖1 演馬礦構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Yanma coalmine

2 煤礦甲烷排放估算新方法

2.1 井工煤礦甲烷排放特征

準(zhǔn)確核算井工煤礦甲烷排放量，首先要弄清甲烷的主要排放源與排放途徑。根據(jù)煤層甲烷賦存規(guī)律，井工煤礦甲烷的排放源歸根結(jié)底來自于煤炭開采過程中本煤層及周圍煤巖層甲烷的逸散(圖2)，煤礦開采過程中，煤的原始應(yīng)力狀態(tài)和孔裂隙性質(zhì)發(fā)生改變，采動產(chǎn)生壓降，使得氣體解吸，經(jīng)過擴(kuò)散、滲流等運(yùn)移途徑逸散。這些逸散的甲烷一部分通過井下抽放系統(tǒng)排出，一部分則通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)排出，其余的則仍然滯留在井下空間(主要為采空區(qū))內(nèi)。

焦作煤田(區(qū)域煤層滲透率低、瓦斯含量高、構(gòu)造變形強(qiáng)烈)經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅三次主要構(gòu)造運(yùn)動，煤層遭受了不同程度破壞，從而也使得區(qū)域形成了各種類型的構(gòu)造變形煤。區(qū)域煤層滲透系數(shù)較低，僅為0.2～0.457 m2/(MPa2·d)，采用地面鉆采或水力壓裂效果均不理想，更為適宜進(jìn)行井下瓦斯抽放[19]。二1煤層頂?shù)装鍨橹旅芊凵皫r，具有良好的瓦斯封閉條件，瓦斯含量最高可達(dá)42 m3/t，瓦斯壓力最高可達(dá)2.08MPa。必須進(jìn)行瓦斯預(yù)抽放[20]。

圖2 井工煤礦甲烷排放示意圖Figure 2 Schematic diagram of underground coalminemethane emission

本區(qū)以底板(頂板)穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯為主要方法，當(dāng)瓦斯壓力(含量)低于瓦斯突出的臨界值時，可在此煤層范圍內(nèi)進(jìn)行煤巷掘進(jìn)。為了減少掘進(jìn)過程中瓦斯排放，在巷道兩側(cè)從鉆場向煤體推進(jìn)方向鉆抽放孔，待管道安裝和封堵后進(jìn)行瓦斯排放，該過程被稱為邊掘邊抽，期間也會產(chǎn)生少量的煤。工作面形成后，還需要進(jìn)行開采中的瓦斯抽放，在采煤過程中，煤層釋放出的大部分瓦斯則主要由U型通風(fēng)系統(tǒng)排空。針對回風(fēng)流和工作面上隅的瓦斯含量超過閾值的問題，主要通過布置在裂隙帶的高位抽放孔進(jìn)行抽放。整個瓦斯排放過程中，瓦斯預(yù)抽和通風(fēng)瓦斯的量最大，占據(jù)主導(dǎo)地位；其余則屬于輔助抽放，量相對較少。此外，值得注意的是，在實(shí)際的煤炭生產(chǎn)活動中，瓦斯預(yù)抽量并未涉入。

絕大多數(shù)學(xué)者將地下煤礦的甲烷排放作為一個整體進(jìn)行研究，而后根據(jù)提供的煤炭產(chǎn)量和相關(guān)排放因子進(jìn)行后續(xù)估算[15, 17-18, 21-22]。然而，該方法可能并不完善(圖3)，甲烷排放量和煤炭產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系似乎并不明確。造成這種現(xiàn)象的主要原因是忽視了甲烷預(yù)抽量的貢獻(xiàn)(表1)，演馬礦甲烷預(yù)抽量非常大，占甲烷總排放量33%～51%，而甲烷預(yù)抽量與礦井年煤炭產(chǎn)量并無直接關(guān)系。為了保證生產(chǎn)過程的安全運(yùn)行，煤礦甲烷預(yù)抽放一般在開采前已經(jīng)進(jìn)行了較長時間，且許多塊段煤層甲烷預(yù)抽放可能是同時進(jìn)行的。這些工作往往與當(dāng)年的開采活動并沒有直接聯(lián)系[23]。本研究根據(jù)甲烷釋放是否涉及煤礦當(dāng)年實(shí)際產(chǎn)量，將甲烷排放活動分為兩部分(甲烷預(yù)抽放和開采過程中甲烷逸散)展開調(diào)查研究。

圖3 2006—2013年焦作礦區(qū)兩個礦井(演馬和九里山)甲烷排放量與煤炭產(chǎn)量Figure 3 Methane emissions and coal outputs from two Jiaozuomining area coalmines (Yanma and Jiulishan) during 2006～2013

表1 2006—2013年演馬礦甲烷預(yù)抽量

1)甲烷預(yù)抽放。對于煤層開采前甲烷逸散，主要來自煤層預(yù)抽，一般認(rèn)為采前甲烷預(yù)抽主要目的是達(dá)到規(guī)定的瓦斯含量安全值，以減少或有效消除瓦斯突出危險性[24]。世界各地煤田的甲烷儲層條件及煤質(zhì)不盡相同，也形成了不同的甲烷預(yù)抽技術(shù)，由于中國絕大部分地區(qū)煤層透氣性較低，且煤層原生結(jié)構(gòu)完整性較差，不適宜進(jìn)行地面鉆采，因此在煤層開采之前，直接采用煤礦井下預(yù)抽，從而盡可能降低煤層中的甲烷含量和壓力，減少礦井甲烷涌出量和巷道甲烷濃度。

2)煤層開采過程中的甲烷逸散。煤層開采過程中甲烷的逸散主要通過三個途徑(圖2)。

開采期間邊采邊抽。本研究中，所有與采煤活動有關(guān)的甲烷抽放統(tǒng)歸為邊采邊抽，主要包括掘進(jìn)過程中的抽放、采空區(qū)高位鉆孔抽放以及工作面煤層隨采抽放。掘進(jìn)過程中抽放作為工作面煤層甲烷抽放的策略之一，目的是利用掘進(jìn)巷道兩側(cè)破壞區(qū)滲透系數(shù)大幅度提高時，將回采鉆孔布置在煤體卸壓范圍內(nèi)的技術(shù)原理，降低煤層甲烷含量和掘進(jìn)過程中的甲烷逸散量[25]。

頂板高位水平鉆孔布置在甲烷積聚區(qū)，目的是促使甲烷在抽放負(fù)壓作用下，沿工作面開采活動影響產(chǎn)生的張裂隙，進(jìn)入抽放鉆孔或巷道，而后排放到回風(fēng)巷或通過甲烷抽放管道直接排放到地面。在沒有預(yù)抽或預(yù)抽時間不足情況下，采場鉆孔在采煤開始后仍有甲烷抽出，則視為煤層開采中的邊采邊抽。大多數(shù)礦井在煤層甲烷含量達(dá)到安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)后，仍然進(jìn)行抽放，直至煤層開采完畢。

通風(fēng)甲烷。為保證生產(chǎn)安全，煤層開采時需通入大量空氣以稀釋礦井甲烷，使甲烷濃度降低，然后排入大氣，這種被抽排到大氣中甲烷含量低于1%的混合氣體被稱為煤礦乏風(fēng)或VAM[25]。

封存在采空區(qū)的甲烷，隨著煤層的開采，頂板不斷垮落并重新壓實(shí)，逸散的甲烷部分被封存在采空空間內(nèi)，雖然作為煤層開采過程中甲烷逸散的一部分，但由于其并未參與實(shí)際甲烷的排放，這里不作核算計量。

2.2 井工煤礦甲烷排放量核算方法

通過前述對井工煤礦甲烷排放情況分析，可基于甲烷預(yù)抽和開采過程中甲烷逸散兩部分提出甲烷排放估算方法。甲烷預(yù)抽量由于其特殊的排放特征，單獨(dú)計算；開采過程中甲烷逸散量的估算則同時需要VAM和開采時的甲烷排放量數(shù)據(jù)。眾所周知，中國煤礦眾多，且有些地方是禁止進(jìn)入的，導(dǎo)致許多預(yù)期的測量數(shù)據(jù)量不容易獲得，推廣應(yīng)用可能存在困難。因此，這里將開采過程中甲烷逸散作為一個整體來研究(圖2)，建立新的估算模型如下：

Qm=Q1+Q2-Q3

(1)

式中：Qm為井工煤礦甲烷總逸散量，Mm3/a；Q1為甲烷預(yù)抽量，Mm3/a；Q2為開采過程中甲烷逸散量，Mm3/a；Q3為井工煤礦甲烷利用量，Mm3/a。

各分量具體計算如下。

1)井工煤礦甲烷預(yù)抽量。中國高瓦斯煤礦生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，有效的甲烷抽放對提高煤礦生產(chǎn)安全和效率具有十分重要的作用[26]。結(jié)合我國煤層的實(shí)際特點(diǎn)，大多數(shù)煤層都經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，破壞了煤層原始結(jié)構(gòu)，煤已變得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更軟和高度不透氣。因此，采取甲烷預(yù)抽放十分必要。當(dāng)通過現(xiàn)場解吸和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測得煤層殘余瓦斯含量小于8m3/t時，表明瓦斯突出危險消除，方可進(jìn)行采掘作業(yè)。

在整個煤礦甲烷排放過程中，煤層甲烷預(yù)抽排放的貢獻(xiàn)也較大，在總排放量中占據(jù)著十分重要的位置，但由于其一般于開采前較長時間已經(jīng)開始預(yù)抽，與當(dāng)年實(shí)際開采煤炭產(chǎn)量并無直接相關(guān)聯(lián)系，因此須單獨(dú)進(jìn)行核算。為探究煤層預(yù)抽甲烷量的計量模型，本文對演馬礦2006—2010年六個不同塊段(圖4)甲烷預(yù)抽量和預(yù)抽時間進(jìn)行了統(tǒng)計，并通過累計抽放總量與該塊段甲烷儲量對比計算了預(yù)抽率，獲得各塊段預(yù)抽時間與預(yù)抽率關(guān)系如圖5所示。

圖4 2006—2010年演馬礦五個不同預(yù)抽塊段分布Figure 4 Yanma coalmine 5 different predrainage blocksdistribution during 2006～2010

圖5中顯示各塊段預(yù)抽率(P)與預(yù)抽時間(t)呈正相關(guān)關(guān)系，預(yù)抽率隨預(yù)抽時間的增加而升高，且各塊段變化趨勢曲線間距非常接近。因此，可以假設(shè)函數(shù)：

P=f(t)

(2)

從圖6中可以看出，函數(shù)P與時間t接近于直線關(guān)系，那么函數(shù)P=f(t)可簡化為如下形式：

P=γ×t

(3)

式中：γ為預(yù)抽率與預(yù)抽時間的比值，將式(3)變形可得到：

(4)

式中：P1和P2為最終預(yù)抽率和初始預(yù)抽率；t1和t2為最終預(yù)抽時間和初始預(yù)抽時間，月。

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)并結(jié)合式(4)，計算五個不同塊段預(yù)抽率和預(yù)抽時間比值分別為1.24、1.08、1.37、1.71和1.65，這些數(shù)值非常接近。雖然存在一些波動，但考慮到煤礦預(yù)抽鉆孔布置的差異、密封性以及人工操作造成的誤差，這些波動處于正常范圍內(nèi)。求得各比值的平均值為1.41，可作為同一礦區(qū)其他礦井的推薦參考值。

圖5 演馬礦五個塊段預(yù)抽率與預(yù)抽時間的關(guān)系Figure 5 Relationship between predrainage rate andpredrainage time in Yanma coalmine 5 blocks

結(jié)合式(1)和(4)，可推得甲烷預(yù)抽量核算模型如下：

(5)

式中：n為預(yù)抽塊段的數(shù)量；Pi為塊段i的年甲烷預(yù)抽率；qi為塊段i的煤層甲烷儲量，m3；ti為塊段i的年甲烷預(yù)抽時間，月；Wi為塊段i的煤層原始甲烷含量，m3/t；mi為塊段i的煤炭儲量，t。

對于少數(shù)礦井不進(jìn)行采前預(yù)抽，而是直接采取邊采邊抽的方式進(jìn)行生產(chǎn)，則采前預(yù)抽量的計算可以省略。

2)開采過程中的甲烷逸散量(MRDM)。隨著回采工作面向前推進(jìn)，鄰近煤、巖層受采動影響，孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性也會發(fā)生變化，同時釋放部分甲烷。因此，煤層開采過程中逸散的甲烷除了已開采煤層釋放的甲烷還應(yīng)包括受采動影響周圍煤、巖層逸散的甲烷。一般來說，已開采煤層釋放的甲烷量較易測定，只需獲得煤炭產(chǎn)量及甲烷含量數(shù)據(jù)即可求出，而周圍煤巖層由于受本煤層采動影響，內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)一直處于變化之中，其中甲烷賦存和運(yùn)移規(guī)律變得極為復(fù)雜，受采動影響的煤巖層范圍很難確定，釋放的甲烷量也不易直接測定，因此需要尋找一個有效地解決方法。

表2 2006—2011年演馬礦已采煤炭甲烷逸散量與開采過程中實(shí)際甲烷逸散量

表2為2006—2011年演馬礦已采原煤甲烷釋放量和實(shí)際MRDM數(shù)據(jù)。顯然，當(dāng)年實(shí)際開采過程中的甲烷逸散量遠(yuǎn)大于已采原煤釋放的甲烷量，這說明煤層開采過程中受采動影響周圍煤、巖層甲烷釋放量是巨大的，且占據(jù)著主導(dǎo)地位。根據(jù)采煤強(qiáng)度大小不同，其擾動范圍應(yīng)該也是成比例的，因此，可借鑒該思想進(jìn)行估算。比較表2中各年已采原煤甲烷逸散量和實(shí)際開采過程中甲烷逸散量，發(fā)現(xiàn)它們之間確實(shí)存在一系列非常接近的比值，分別為4.31、4.32、4.57、4.75、4.00和4.69，基本維持為4.00～4.75，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的規(guī)律性，盡管有所波動，但考慮到采煤過程中許多不可預(yù)測的因素(勞動力、設(shè)備和地質(zhì)條件的差異)，誤差在可接受范圍內(nèi)。求其算術(shù)平均值為4.44，可用于反映受采動影響周圍煤、巖層甲烷逸散情況，這里把它稱為采動影響因子(MAIF)，具體計算公式如下：

(6)

式中：Qy為實(shí)際甲烷逸散量，m3/a；Qz為產(chǎn)出原煤甲烷逸散量，m3/a；Qa為邊采邊抽甲烷量，m3/a；Qb為VAM排放量，m3/a；M為原煤產(chǎn)量，t；Wa為開采時煤層甲烷含量(礦井如無甲烷預(yù)抽，為煤層原始甲烷含量)，m3/t；Wb為已采原煤甲烷殘存量，m3/t。

Ju等(2016)[17]計算的開采影響系數(shù)為1.3～2.0，低于MAIF值。這主要是由于其在計算開采影響系數(shù)時，沒有將甲烷預(yù)抽量與礦井甲烷總逸散量分開，且其在計算開采影響系數(shù)時采用的是原始甲烷含量，這可能缺乏足夠的說服力，因?yàn)樵趯?shí)際開采過程中，煤層中的甲烷已提前被預(yù)抽。因此，采用這個系數(shù)反映來中國的采礦活動所影響的范圍可能較為牽強(qiáng)。

由于演馬礦地處焦作礦區(qū)中部，具有焦作煤田典型地質(zhì)特征，其大地構(gòu)造背景與周圍其他礦井相同，煤層的開采方式與甲烷賦存規(guī)律也基本一致，因此可將演馬礦的采動影響因子推廣到整個礦區(qū)。建立煤炭開采過程中甲烷逸散量核算模型如下：

Q2=MAIF×M×(Wa-Wb)

(7)

當(dāng)Wa不能作為一個測量值獲得時，也可通過結(jié)合式(8)計算獲得：

Wa=(1-γ×ti)×Wi

(8)

3)煤礦甲烷利用量。根據(jù)釋放途徑的不同，煤礦甲烷的排放可分為通風(fēng)甲烷(乏風(fēng))和抽放甲烷兩種。其中通風(fēng)甲烷的甲烷含量極低，一般為0.2%～0.6%，作為溫室氣體的一個主要排放源，煤礦生產(chǎn)過程中約70%的甲烷排放皆來源于此，但卻難以作為能源加以利用[15]；抽放的甲烷按濃度可劃分為高濃度甲烷(甲烷含量≥30%)和低濃度甲烷(甲烷含量<30%)，但后者利用率較低。2015年中國煤層氣(煤礦甲烷)抽采總量為180億m3，其中井下甲烷抽采量達(dá)136億m3，而利用量卻僅為48億m3。大量的甲烷排放到大氣中，不僅對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，也是對能源的極大浪費(fèi)。因此，合理利用煤礦甲烷具有節(jié)能和環(huán)保的雙重意義。

甲烷在大氣中的停留時間只有10a左右，而CO2的駐留周期大約是120a，抓住甲烷駐留周期相對較短的特點(diǎn)，減少甲烷排放比控制CO2排放更快并且更為有效地緩解氣候變化, 且易收到立竿見影的效果[17]。目前，中國針對抽放甲烷的利用主要集中在發(fā)電、民用燃?xì)?、以及汽車燃料等方面，社會效益也較為明顯。其中較大的發(fā)電項(xiàng)目有山西大寧煤礦瓦斯發(fā)電廠(裝機(jī)容量35MW，德國道依茨-MWM公司TCG2032V16型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組)和瑞新能源端氏瓦斯發(fā)電廠(裝機(jī)容量45MW，美國卡特彼勒公司生產(chǎn)的G3520C型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組)，本文涉及的演馬礦也配備了國產(chǎn)勝動低濃度燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。另外，中國對于通風(fēng)甲烷的回收和利用也十分關(guān)注，相關(guān)研究已有十幾年的歷史，部分VAM處理技術(shù)已進(jìn)入工業(yè)示范階段，其主要處理方法是將甲烷氧化，可分為輔助燃料和主要燃料兩大方向，輔助燃料主要作為助燃空氣供應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃發(fā)動機(jī)；主要燃料應(yīng)用技術(shù)分兩種：一種是逆流式煤礦通風(fēng)甲烷熱氧化裝置, 一種是逆流式煤礦通風(fēng)甲烷催化氧化裝置。

3 結(jié)果與討論

3.1 新估算方法的應(yīng)用

本研究對焦作煤田6個煤礦2011年的甲烷排放量進(jìn)行了估算，相關(guān)參數(shù)見表3(MAIF取為4.44；預(yù)抽時間與預(yù)抽率之比為1.41，Wi、Wa、Wb取其均值)。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，結(jié)合新估算方法(式(1)、(5)和(7))，計算2011年六個礦井的甲烷排放量分別為22.62、26.04、23.77、25.45、5.84和8.16 Mm3，與實(shí)際甲烷排放量相關(guān)的誤差分別為12.11%、9.23%、5.77%、-5.20%、-8.75%和4.92%。與其他估算方法獲得的結(jié)果相比，本研究建立新估算方法誤差最小。

3.2 討論

本方法主要適用于煤與瓦斯突出礦井中低滲透、構(gòu)造性強(qiáng)的煤層，且在開采前應(yīng)進(jìn)行瓦斯預(yù)抽；本文計算的MAIF則主要針對瓦斯預(yù)抽后開采對煤層和巖層的影響范圍。另外，本研究MAIF計算中采用的甲烷含量值涉及了開采時煤層中的甲烷和殘存的甲烷含量，這更符合實(shí)際生產(chǎn)情況。雖然MAIF值以及預(yù)抽時間與預(yù)抽率之比對其他地質(zhì)條件、采礦方法和煤炭性質(zhì)不同的地區(qū)適用可能受限，但本估算模型的思想仍值得參考。

為減少測量工作，只要個體間的地質(zhì)條件、開采方法和煤炭性質(zhì)相似，采用新估算方法和本研究得到的系數(shù)近似估計其他煤田煤礦的CMM排放量理論上同樣具有可行性。此外，新方法涉及的大多數(shù)參數(shù)都很容易獲得；煤炭產(chǎn)量、煤層原始甲烷含量、開采初期的煤層甲烷含量和殘存甲烷含量基本都可從對外公布的中國煤炭工業(yè)年鑒和煤礦瓦斯地質(zhì)圖中收集。一般來講，煤礦每個預(yù)抽塊段的煤炭儲量都會提前上報給所屬的煤炭工業(yè)集團(tuán)。因此，工業(yè)部門可以直接獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，如果下屬煤礦只提供塊段編號，也很容易通過瓦斯地質(zhì)圖評估各塊段的煤炭儲量。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的抽放指標(biāo)[20]，總預(yù)抽時間可通過式(4)計算獲得。由于預(yù)抽是一個持續(xù)過程，直到采煤結(jié)束，因此每年的預(yù)抽時間可根據(jù)預(yù)抽開始時間獲得。雖然要獲得所新估算方法中所需的預(yù)抽相關(guān)基本評價參數(shù)并非難事，但這項(xiàng)工作仍然較為繁瑣(表5)。導(dǎo)致需要更多人力和物力投入到評估工作中，這是今后有待改進(jìn)之處。

表3 2011年焦作煤田六個礦井甲烷排放估算相關(guān)參數(shù)

表4 四種方法針對2011年焦作礦區(qū)六個礦井甲烷排放量計算結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)針對以往煤礦甲烷排放量估算方法不足，以及它們在具有低滲透、強(qiáng)構(gòu)造煤層的煤與瓦斯突出礦井中的不適用性，在分析井工煤礦實(shí)際甲烷排放特征的基礎(chǔ)上，提出了一種新的估算方法。本研究指出，甲烷預(yù)抽放量較大且與當(dāng)年煤炭產(chǎn)量并直接關(guān)系，這也是導(dǎo)致大多數(shù)估算方法精度較低的一個重要原因。研究還發(fā)現(xiàn)甲烷預(yù)抽時間與預(yù)抽率之間存在一個相對穩(wěn)定的比值1.41，并在此基礎(chǔ)上建立了甲烷預(yù)抽量計算模型。此外，特別引入了MAIF概念，通過比較年已采煤炭甲烷釋放量和實(shí)際開采過程中甲烷逸散量，計算演馬礦MAIF為4.44。

2)采用提出的新估算方法對焦作煤田六個礦井甲烷排放量進(jìn)行核算，其計算結(jié)果相較于其他方法誤差最小，僅為12.11%,9.23%,5.77%,-5.20%,-8.75%和4.92%，這表明新估算方法可更好地反映具有低滲透性、高甲烷含量、構(gòu)造變形大煤層地區(qū)甲烷排放的實(shí)際情況。