澳大利亞煤礦瓦斯治理及利用

薛 生 謝 軍

（澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織，澳大利亞昆士蘭州，4069）

煤炭是澳大利亞主要的自然資源，在澳大利亞國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭在澳大利亞一次能源消費(fèi)構(gòu)成中占的比例最大，2009年達(dá)到42.3%，澳大利亞76%的電力燃料來自煤炭。澳大利亞是世界上第四大產(chǎn)煤國(guó)，2009年煤炭產(chǎn)量達(dá)到5.49億t，其中硬煤產(chǎn)量達(dá)到4.81億t，褐煤產(chǎn)量達(dá)到0.683億t。隨著澳大利亞能源消費(fèi)總量的不斷增加，其煤炭消費(fèi)總量也在增加，據(jù)預(yù)測(cè)，澳大利亞在2020年的煤炭產(chǎn)量將達(dá)到8.19億t。

瓦斯是與煤炭共生的。隨著礦井煤炭產(chǎn)量的增加，瓦斯涌出也必然增加，瓦斯治理的難度也將加大，但瓦斯同時(shí)又是一種清潔能源，澳大利亞煤礦將瓦斯治理與利用相結(jié)合，取得了良好的效果。本文將概要介紹澳大利亞煤礦的瓦斯賦存、涌出、抽采與利用等情況。

1 澳大利亞主要煤礦瓦斯賦存情況

截至2010年底，澳大利亞共有126個(gè)生產(chǎn)煤礦，其中露天礦84個(gè)，井工礦42對(duì)。井工礦產(chǎn)量約為1.1億t，約占煤炭總產(chǎn)量的20%。褐煤生產(chǎn)主要在維多利亞州和南澳大利亞州，全部是露天開采；硬煤生產(chǎn)主要在昆士蘭州和新南威爾士州，以露天礦為主，占硬煤總產(chǎn)量的75%左右。

露天礦主采煤層埋藏淺，瓦斯含量很小。井工礦主采煤層埋藏深度大約為200～400m，最深的為600m。煤層瓦斯含量不均，介于2～23m3／t。澳大利亞主要井工礦的瓦斯賦存情況見表1。

2 澳大利亞煤礦主要瓦斯治理技術(shù)

2.1 風(fēng)排瓦斯

通風(fēng)是最直接、最經(jīng)濟(jì)的瓦斯排放手段，對(duì)于中、低瓦斯礦井，澳大利亞主要采用風(fēng)量調(diào)節(jié)及選擇合理通風(fēng)方式的辦法來處理礦井瓦斯。例如，尤倫礦、莫蘭巴諾斯礦、奧克依等煤礦均采用“均采型”通風(fēng)，采煤工作面有2條巷道進(jìn)風(fēng)、1條巷道回風(fēng)，工作面的風(fēng)量在采煤時(shí)一般為5000m3／m in，檢修班工作時(shí)風(fēng)量減為3500m3／m in，2條進(jìn)風(fēng)巷之間留有厚度為40m的煤柱，每隔100m有1條聯(lián)絡(luò)巷，通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

表1 澳大利亞主要井工煤礦、主采煤層及其瓦斯含量

圖1 采煤通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

在工作面開采過程中，靠近工作面的一條進(jìn)風(fēng)巷道跨落，而另一條進(jìn)風(fēng)巷道將保留并作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷道。當(dāng)工作面跨采過聯(lián)絡(luò)巷后，該聯(lián)絡(luò)巷將被封閉，從而減少向采空區(qū)漏風(fēng)以防止煤炭自然發(fā)火，同時(shí)也減少了采空區(qū)瓦斯的泄漏。

2.2 地面鉆井抽放

對(duì)于高、中瓦斯礦井，澳大利亞普遍采用地面定向鉆井預(yù)抽瓦斯技術(shù)與地面大直徑采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)。地面定向鉆井預(yù)抽瓦斯技術(shù)用來減少煤層瓦斯含量，降低煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。地面定向鉆井預(yù)抽瓦斯的方式有多種，目前常用的一種如圖2所示。抽采孔在煤層內(nèi)的長(zhǎng)度一般為800～1200m，有時(shí)達(dá)到2000m以上。這種技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是有充分的瓦斯預(yù)抽時(shí)間，同時(shí)不影響井下采煤生產(chǎn)。大直徑采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)主要用來減少采空區(qū)瓦斯向采煤工作面涌出，地面開孔直徑一般為450mm，終孔直徑為250～300mm。

圖2 地面定向鉆井預(yù)抽瓦斯

3 澳大利亞煤礦瓦斯排放

煤礦瓦斯，特別是通風(fēng)瓦斯絕大部分直接排放到大氣中。2009年，澳大利亞煤礦瓦斯涌出量約為29M t（折合二氧化碳），約占全國(guó)溫室氣體總排量（550 M t（折合二氧化碳））的5%。其中廢棄煤礦瓦斯涌出量只有1.4M t（折合二氧化碳），約占澳大利亞煤礦溫室氣體總涌出量的5%。據(jù)估算，通風(fēng)排放瓦斯占煤礦涌出溫室氣體總量的64%。典型的高瓦斯礦井風(fēng)排瓦斯量將達(dá)到150～300m3／s。1990－2009年期間澳大利亞煤炭產(chǎn)量與煤礦瓦斯排放量見圖3。

圖3 澳大利亞煤炭產(chǎn)量與煤礦瓦斯涌出量

澳大利亞的煤炭產(chǎn)量從1990年的2.41億t增加到2009年的5.11億t，增加了112%。而瓦斯涌出量只增加了65%。同一時(shí)期，每產(chǎn)1000t煤炭，瓦斯涌出量從67t（折合二氧化碳）下降為56t（折合二氧化碳），減少了16.5%。減少的主要原因是：增加的煤炭產(chǎn)量主要來自開采瓦斯含量小的煤層資源，同時(shí)在高瓦斯礦井發(fā)展瓦斯抽采與利用技術(shù)。目前大約有15對(duì)井工礦井實(shí)施瓦斯抽采。

4 澳大利亞煤礦瓦斯利用

澳大利亞政府對(duì)環(huán)境保護(hù)非常重視，在技術(shù)和資金上支持和鼓勵(lì)煤炭企業(yè)減少瓦斯排放。目前有17個(gè)煤礦瓦斯減排項(xiàng)目，分布在15個(gè)煤礦。其中10個(gè)煤礦為井工煤礦，5個(gè)為廢棄煤礦。在這17個(gè)項(xiàng)目中，9個(gè)項(xiàng)目用來發(fā)電，7個(gè)項(xiàng)目通過燃燒瓦斯減排，還有1個(gè)項(xiàng)目直接把抽采的高濃度瓦斯并入輸氣管道利用。

澳大利亞目前利用煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組的總量為215MW，并入了國(guó)家電網(wǎng)，瓦斯排放量減少了6.5Mt（折合二氧化碳）。最大的煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組位于BHP BilLion公司擁有的鄰近悉尼的Appin和Tower煤礦，該發(fā)電機(jī)組從1996年開始運(yùn)行，由94個(gè)1 MW的Caterpillar 3516 LE型發(fā)電機(jī)組組成，瓦斯排放量每年減少了2 Mt（折合二氧化碳）。其他主要煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組包括：昆士蘭中部莫蘭巴諾斯煤礦，利用抽采瓦斯的45MW發(fā)電機(jī)組；昆士蘭中部哲曼克里克煤礦，利用抽采瓦斯的32 MW發(fā)電機(jī)組；昆士蘭中部奧克依諾斯煤礦，利用抽采瓦斯的20MW發(fā)電機(jī)組；新南威爾士中部格林尼斯溪克里克煤礦，利用抽采瓦斯的10MW發(fā)電機(jī)組；新南威爾士東部西活拉煤礦，利用風(fēng)排瓦斯的6 MW發(fā)電機(jī)組；新南威爾士東部泰莫煤礦，利用抽采瓦斯的7 MW發(fā)電機(jī)組；新南威爾士東部廢棄的泰若巴（Teralba）煤礦，利用采空區(qū)瓦斯的4MW發(fā)電機(jī)組。

應(yīng)當(dāng)指出的是，目前所有在澳大利亞的煤礦瓦斯減排項(xiàng)目都得到了澳大利亞政府的經(jīng)濟(jì)資助或政策上的支持。

5 澳大利亞煤礦瓦斯展望

澳大利亞煤炭工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)到2020年，澳大利亞煤炭產(chǎn)量將達(dá)到8.19億t，其中井工煤礦產(chǎn)量將達(dá)到1.97億t。煤礦瓦斯涌出量將達(dá)到47M t（折合二氧化碳），其中：井工礦井瓦斯涌出量為34 M t（折合二氧化碳），露天礦井瓦斯涌出量為12 M t（折合二氧化碳）。與現(xiàn)在相比，煤礦瓦斯涌出量將增加25%。

為了鼓勵(lì)支持煤礦瓦斯利用與減排，澳大利亞政府推出了一系列的計(jì)劃，例如溫室氣體減排計(jì)劃（G GA P），2011年7月10日公布的清潔能源未來計(jì)劃（C E F P l a n），以及將于2012年7月開始實(shí)行的碳稅等。目前G GA P已經(jīng)提供了近5000萬澳元資助煤礦瓦斯發(fā)電，碳稅的實(shí)施將從經(jīng)濟(jì)上回報(bào)煤礦瓦斯的利用。同時(shí)澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)通過其屬下的科研基金多年來一直支持開發(fā)、實(shí)施煤礦瓦斯抽采、回收、利用等方面的技術(shù)。2006年，澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)宣布建立“澳世紀(jì)煤炭基金”用于煤炭行業(yè)溫室氣體減排技術(shù)研究與示范。據(jù)預(yù)測(cè)，未來10年，單個(gè)煤礦瓦斯發(fā)電量將在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上翻一番。

［1］ AustraLian Coal Year Book［M］.Brisbane：Australi a’s Mining Services，2011

［2］ Ken Cram.AustraLi a’s long wall mines review［J］.AustraLian Long wall magazine，2011（3）

［3］ Leal M.，Beamish B，Claassen C.analysis of ethane emission trends from active goaf seals at Mandalong mine［A］／／Underground Coal Operator s’COnference［C］.The University of Wollongong，2011

［4］ Black D.，Aziz N.Impact of coal properties and operational factors on mine gas drainage［A］／／Underground Coal Operators’COnference［C］.The University of Wollongong，2010