我國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀及潛力

韓甲業(yè)

(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029)

隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)以及煤礦整頓關(guān)閉攻堅(jiān)戰(zhàn)的推進(jìn)，全國(guó)煤礦數(shù)量由最多時(shí)的8萬(wàn)多處減少到目前的1.3萬(wàn)處左右，大量中小型煤礦以及資源枯竭的重點(diǎn)煤礦被關(guān)閉。在這些關(guān)閉的報(bào)廢煤礦中，富集著大量具有開發(fā)利用價(jià)值的瓦斯氣體。當(dāng)前美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家報(bào)廢煤礦瓦斯開發(fā)利用已獲得成功，我國(guó)應(yīng)借鑒國(guó)外己有的成功范例結(jié)合國(guó)內(nèi)煤炭開采和煤層氣賦存條件，大力開展報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用。

1 國(guó)外報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀

當(dāng)前，報(bào)廢煤礦瓦斯抽采與利用項(xiàng)目在美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家取得了較大發(fā)展，部分礦區(qū)成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)，有效的解決了能源短缺和瓦斯通過(guò)巖石裂縫泄露到大氣中帶來(lái)的溫室氣體排放問(wèn)題。

1.1 美國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀

美國(guó)是世界上報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用商業(yè)化最成功的國(guó)家，也是世界上首個(gè)把報(bào)廢煤礦瓦斯排放計(jì)算在溫室氣體排放總量的國(guó)家。根據(jù)《2013美國(guó)溫室氣體排放清單》數(shù)據(jù)，2011年美國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯 (折純甲烷，下同)涌出量為4.8億m3，其中38個(gè)報(bào)廢煤礦開展煤礦瓦斯抽采利用項(xiàng)目，回收和利用的煤礦瓦斯量為1.6億m3，其余3.2億m3的煤礦瓦斯被直接排放到大氣中，折合二氧化碳為480萬(wàn)t當(dāng)量。在美國(guó)各大煤炭盆地中，伊利諾斯州煤炭盆地最適于開展報(bào)廢煤礦瓦斯的抽采利用項(xiàng)目，目前美國(guó)近60%的報(bào)廢煤礦瓦斯回收項(xiàng)目都位于該盆地。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，自1972年美國(guó)476個(gè)曾經(jīng)每天瓦斯涌出量超過(guò)10萬(wàn)立方英尺的瓦斯煤礦被關(guān)閉，其中1994至1996年的3年間，約有70個(gè)瓦斯煤礦被關(guān)閉，1996年美國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯涌出量達(dá)到峰值，純甲烷涌出量約為6.1億m3。早在2004年，美國(guó)環(huán)保局就出版了報(bào)廢煤礦甲烷排放的方法學(xué)清單，詳細(xì)介紹了美國(guó)預(yù)測(cè)報(bào)廢煤礦甲烷排放的技術(shù)方法，其中還列出400個(gè)富集瓦斯資源的報(bào)廢煤礦清單。2006年，美國(guó)環(huán)保局開發(fā)的報(bào)廢煤礦甲烷排放預(yù)測(cè)方法被包含在政府間氣候變化專門委員會(huì) (IPCC)排放清單指南中。

1.2 英國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀

1980年以來(lái)，英國(guó)煤炭產(chǎn)量迅速降低，2007年煤炭產(chǎn)量曾經(jīng)下降到1630萬(wàn)t。但是，由于歐洲天然氣價(jià)格走高，英國(guó)煤炭生產(chǎn)在2008年發(fā)生逆轉(zhuǎn)，2008年煤炭產(chǎn)量上升到1740萬(wàn)t，2010年煤炭產(chǎn)量達(dá)到1780萬(wàn)t。由于英國(guó)煤礦1995年大量關(guān)閉，直接排放到大氣中的報(bào)廢煤礦瓦斯排放量也在1995年達(dá)到頂峰，達(dá)到1.3億m3。隨后幾年至2000年，由于約有104個(gè)報(bào)廢煤礦完全被地下水淹沒(méi)，報(bào)廢煤礦的瓦斯涌出量迅速降低。

根據(jù)英國(guó)煤炭管理局統(tǒng)計(jì)，截止2010年，英國(guó)擁有生產(chǎn)礦井52個(gè)，報(bào)廢煤礦的數(shù)量超過(guò)900個(gè)，這些報(bào)廢煤礦分布在32個(gè)主要煤田。2010年，英國(guó)報(bào)廢煤礦涌出的煤礦瓦斯約為6800萬(wàn)m3，其中約4600萬(wàn)m3的煤礦瓦斯被回收利用。當(dāng)前英國(guó)運(yùn)行的報(bào)廢煤礦瓦斯綜合利用項(xiàng)目基本上都位于英格蘭地區(qū)，綜合利用形式主要為發(fā)電，2010年裝機(jī)容量約50MW。英報(bào)廢煤礦瓦斯抽采方式大體有兩種，一種為沒(méi)有充填的報(bào)廢煤礦或平硐抽采瓦斯，另一種為向報(bào)廢煤礦采空區(qū)或井下卸壓地區(qū)打大直徑地面鉆孔抽采瓦斯。

1.3 德國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀

由于煤炭開采成本、進(jìn)口天然氣以及環(huán)境保護(hù)的影響，自上世紀(jì)八十年代中期以來(lái)，德國(guó)關(guān)閉大量煤礦，德國(guó)煤炭產(chǎn)量也由1985年的5.22億t銳減到2012年的1.96億t。由于關(guān)閉煤礦很多，加上煤礦瓦斯抽采利用既可增加清潔能源供應(yīng)還可實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排，德國(guó)政府高度重視抽采報(bào)廢煤礦賦存的煤礦瓦斯。2001年，由于德國(guó)將煤礦瓦斯納入《可再生能源法》，保證為期20年的固定退稅率，在此優(yōu)惠政策的推動(dòng)下，德國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯開發(fā)利用得到快速發(fā)展。截止2010年底，德國(guó)至少有36個(gè)報(bào)廢煤礦瓦斯綜合利用項(xiàng)目在運(yùn)行中，其中大部分綜合利用項(xiàng)目是瓦斯發(fā)電和熱電聯(lián)供，裝機(jī)容量約175MW。

2 我國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀

2005年以來(lái)，隨著國(guó)家一系列優(yōu)惠激勵(lì)政策的出臺(tái)，我國(guó)煤礦瓦斯抽采利用出現(xiàn)跨越式發(fā)展，2012年煤礦瓦斯抽采量達(dá)到114億m3，是2005年煤礦瓦斯抽采量的5倍。但是目前我國(guó)煤礦瓦斯抽采利用主要集中在生產(chǎn)礦井，真正意義上的報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用項(xiàng)目尚為空白，報(bào)廢煤礦的瓦斯開發(fā)研究也只是處于起步階段。

在美國(guó)環(huán)保局支持下，美國(guó)紅寶石峽谷公司、美國(guó)科羅拉多大學(xué)和英國(guó)CAMCO公司于2010年聯(lián)合開展了《中國(guó)報(bào)廢煤礦甲烷排放》項(xiàng)目研究。本項(xiàng)目重點(diǎn)預(yù)測(cè)了山西省沁水煤田44個(gè)報(bào)廢煤礦的甲烷排放量，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。為了進(jìn)一步促進(jìn)中國(guó)報(bào)廢煤礦甲烷項(xiàng)目的確認(rèn)和開發(fā)，本項(xiàng)目通過(guò)提供透明、系統(tǒng)、支持性的信息，以及預(yù)測(cè)報(bào)廢煤礦甲烷排放的方法學(xué)，為中國(guó)其他省份和地區(qū)展開類似項(xiàng)目提供了范例。另外，為了幫助項(xiàng)目開發(fā)商識(shí)別潛在的報(bào)廢煤礦甲烷排放項(xiàng)目所在位置，該項(xiàng)目采用地理信息系統(tǒng) (GIS)來(lái)打造了一個(gè)互動(dòng)的在線數(shù)據(jù)庫(kù)。

2000年底，在英國(guó)貿(mào)工部資助下，英國(guó)諾丁漢大學(xué)、華杜公司、煤炭信息研究院以及其他幾家國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)等多家單位聯(lián)合開展了《中國(guó)報(bào)廢礦井瓦斯抽放與利用》項(xiàng)目。項(xiàng)目的目的是研究分析中國(guó)報(bào)廢礦井瓦斯抽放與利用前景，促進(jìn)我國(guó)報(bào)廢礦井瓦斯開發(fā)與利用，促進(jìn)中英兩國(guó)技術(shù)合作。該項(xiàng)目共搜集調(diào)查了中國(guó)82個(gè)礦務(wù)局報(bào)廢礦井的數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯來(lái)源及賦存狀態(tài)、報(bào)廢煤礦瓦斯資源計(jì)算辦法及主要參數(shù)的確定以及影響報(bào)廢煤礦瓦斯抽采與利用的技術(shù)因素和綜合利用技術(shù)都進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。

另外，國(guó)內(nèi)的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院西安分院和河南理工大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)，近些年也開展了有關(guān)報(bào)廢煤礦瓦斯來(lái)源分析、資源量評(píng)估方法、采空區(qū)地下水動(dòng)力模式、主要參數(shù)確定方法等基礎(chǔ)研究，為下一步我國(guó)大規(guī)模開發(fā)報(bào)廢煤礦瓦斯資源打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 我國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用可行性技術(shù)方案

美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)外報(bào)廢煤礦瓦斯抽采與開發(fā)利用成功的經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)類似條件下報(bào)廢煤礦瓦斯開發(fā)與利用提供了借鑒。

3.1 報(bào)廢礦井煤礦瓦斯抽采技術(shù)方案

影響報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用的因素主要包括煤礦廢棄的時(shí)間、煤層瓦斯含量、煤的吸附特性、煤層中甲烷的流動(dòng)能力、煤礦涌水量、通風(fēng)系統(tǒng)位置、煤礦的密封性能等。與常規(guī)煤礦瓦斯抽采或地面煤層氣開發(fā)技術(shù)相比，開發(fā)報(bào)廢煤礦瓦斯的優(yōu)勢(shì)有:(1)可利用原有的礦井井筒進(jìn)行抽放，降低生產(chǎn)成本;(2)受開采過(guò)程的影響，煤層和圍巖將產(chǎn)生大量裂隙，滲透性提高，有利于瓦斯的抽放。當(dāng)然，開發(fā)報(bào)廢煤礦瓦斯也有其不利的一面:受開采的影響，加上廢棄后經(jīng)歷多年的變化，煤礦的井下水文條件、儲(chǔ)層特征、資源量等都處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，如何克服這些不利因素，確定合理的抽放技術(shù)，是報(bào)廢礦井煤礦瓦斯開發(fā)的關(guān)鍵。

根據(jù)國(guó)外的生產(chǎn)實(shí)踐，廢礦井煤礦瓦斯抽采按照礦井井口是否回填分為井下煤礦瓦斯抽采和地面鉆井煤礦瓦斯抽采兩種方式。

(1)井下煤礦瓦斯抽采

對(duì)于井口未回填的報(bào)廢礦井，抽放管路通過(guò)報(bào)廢煤礦原有的豎井或斜井進(jìn)入工作面，采取負(fù)壓抽放的方式抽采采空區(qū)、卸壓煤 (巖)層和未開采煤層的瓦斯。

(2)地面鉆井煤礦瓦斯抽采

對(duì)于井口已經(jīng)回填的報(bào)廢礦井，采取向采空區(qū)或井下卸壓區(qū)打地面井抽取煤礦瓦斯的方法。在報(bào)廢礦井井田范圍內(nèi)，根據(jù)以前的煤礦開采布置圖，選取合適的位置，采用定向鉆孔技術(shù)，從地面向井下打垂直井，保證鉆孔與目標(biāo)位置一直。

3.2 報(bào)廢礦井煤礦瓦斯利用技術(shù)方案

報(bào)廢礦井抽采出的煤礦瓦斯?jié)舛缺容^高，通?？梢赃_(dá)到60%～80%，和常規(guī)意義的煤層氣一樣，報(bào)廢煤礦瓦斯可用于發(fā)電、供熱、民用燃?xì)狻⒐I(yè)用燃?xì)獾确矫?。針?duì)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采的特點(diǎn)，比較成熟的煤礦瓦斯利用方式主要是在井口進(jìn)行發(fā)電或管道輸送用于民用、工業(yè)燃料。

(1)煤礦瓦斯發(fā)電

采用大功率高參數(shù)的煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組把報(bào)廢礦井瓦斯轉(zhuǎn)換成電力，變輸氣為輸電。比較成熟的大功率機(jī)組包括美國(guó)卡特彼勒煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組、奧地利顏巴赫煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組和德國(guó)道依茨煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組，以及國(guó)內(nèi)額定功率較小但適應(yīng)范圍較廣的山東勝動(dòng)煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組。

(2)用作工業(yè)燃料或附近居民生活用氣

若附近有居民，可把從報(bào)廢礦井抽采出的煤礦瓦斯通過(guò)中低壓管網(wǎng)直接民用;若附近有磚廠、陶瓷廠等企業(yè)，報(bào)廢礦井瓦斯可用來(lái)作為燒制瓷磚或陶瓷的工業(yè)染料。

4 結(jié)論與建議

(1)報(bào)廢煤礦瓦斯開發(fā)利用既可以變廢為寶、增加清潔能源供應(yīng)，增加就業(yè)崗位，還可以減少溫室氣體排放，是一項(xiàng)利國(guó)利民的“環(huán)保綠色”工程。隨著我國(guó)煤炭開采強(qiáng)度的持續(xù)加大，以及東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份煤炭資源的日益枯竭，報(bào)廢煤礦的數(shù)量將會(huì)越來(lái)越多，報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用在我國(guó)具有巨大的潛力。

(2)當(dāng)前，我國(guó)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用研究和生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)展緩慢的主要包括以下幾方面原因:缺乏國(guó)外報(bào)廢煤礦瓦斯生產(chǎn)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，報(bào)廢煤礦殘存瓦斯資源量預(yù)測(cè)、瓦斯涌出規(guī)律研究以及選區(qū)評(píng)價(jià)等核心技術(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)突破，報(bào)廢煤礦以及報(bào)廢煤礦中瓦斯資源的所有權(quán)尚不清晰等。

(3)為了借鑒美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)家在規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)惠鼓勵(lì)政策等方面給予優(yōu)惠支持:①盡快制定出臺(tái)煤礦礦井報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)或管理規(guī)定，對(duì)于高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，規(guī)定在礦井報(bào)廢后的兩年內(nèi)必須進(jìn)行瓦斯抽采;②加大報(bào)廢煤礦瓦斯抽采利用的補(bǔ)貼力度，提高相關(guān)企業(yè)的積極性;③明確報(bào)廢煤礦殘存的煤礦瓦斯資源礦權(quán)歸屬及獲得方式;④進(jìn)一步加大國(guó)際合作，學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外先進(jìn)的報(bào)廢煤礦資源量預(yù)測(cè)、選區(qū)評(píng)價(jià)和瓦斯開采方式優(yōu)選等先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

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