試談湖南煤層氣資源的開發(fā)與利用

□文 / 王林 趙鐵橋 劉燁華 湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院

引言

煤層氣系指腐植型有機(jī)物在成煤過程中所形成的天然氣的總和，其主要成份是甲烷，是天然氣的一個重要類型。在現(xiàn)行煤礦規(guī)范用詞中稱之為瓦斯，是一種有害氣體。

據(jù)計算，1kg纖維素在變成煙煤的過程中能生成69.1kg甲烷氣體，生成1t無煙煤可產(chǎn)生360～400m3瓦斯，據(jù)測定，現(xiàn)今煤層中含瓦斯量，一般不超過60m3/t。也就是說，成煤過程生成的瓦斯，大部分都已轉(zhuǎn)移到圍巖（可能形成氣床）或大氣中去了。

我國煤炭儲量豐富，煤層瓦斯儲量也是豐富的。據(jù)預(yù)測，我國煤層瓦斯儲量約為319216×108m3，以1000m3瓦斯相當(dāng)1t標(biāo)準(zhǔn)煤計算，則全國煤田瓦斯約合319×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。若每年消耗1000×108m3瓦斯，僅煤層瓦斯就可開采319年。因此，煤層氣開發(fā)利用具有良好的前景。

煤層氣對煤礦開采而言是一種有害氣體。若治理不當(dāng)，會造成井下人員瓦斯窒息、瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出傷亡事故。事實上，在煤礦開采過程中，瓦斯事故所發(fā)生的次數(shù)和死亡人數(shù)所占的比重僅次于頂板事故。而且瓦斯事故更多的是造成煤礦井下作業(yè)人員群死群傷。據(jù)統(tǒng)計，僅2000年我國煤礦共發(fā)生一次死亡3～9人事故367起，死亡1694人，其中，瓦斯事故267起，死亡1281人，占事故起數(shù)的72.75%，死亡人數(shù)的75.62%；發(fā)生一次死亡10人及其以上的事故75起，死亡1398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1319人，占事故起數(shù)的92.00%，死亡人數(shù)的94.35%。自2000年至今，全國煤礦瓦斯事故不斷，一次死亡上100人的事故發(fā)生8起。由此可見，減少和控制煤礦事故發(fā)生的重點是減少和控制瓦斯事故的發(fā)生，要達(dá)到控制瓦斯事故的目的是堅持科學(xué)治理煤礦瓦斯。

煤礦開采，有大量的瓦斯從煤層和圍巖涌入井巷中，然后被風(fēng)流稀釋并排放至大氣中，有資料表明，我國每年約有56×108m3～194×108m3瓦斯被排放到大氣中，占世界煤礦瓦斯排放量的三分之一。由于大量的瓦斯排至大氣中，一方面會造成大氣污染，另一方面會增加大氣的溫室效應(yīng)，破壞我們賴以生存的大氣層。

如此看來，在能源資源緊缺、能源需求量大的我國加強(qiáng)煤層氣資源的勘察和開發(fā)利用，不僅在資源的開發(fā)利用方面，而且在煤礦災(zāi)害防治和大氣環(huán)境的保護(hù)與治理方面都具有重大的戰(zhàn)略意義。

湖南煤層氣資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀

1、煤層氣資源儲量

從全省煤炭資源的蘊藏情況看，總體來說，不算豐富。據(jù)相關(guān)報導(dǎo)，到2010年底，已探明儲量41×108t，保有儲量31.3×108t 。預(yù)測遠(yuǎn)景儲量達(dá)45.14×108t。兩項共計76.44×108t。據(jù)目前勘測資料，全省14個地（州）市、自治區(qū)，除岳陽外，其余13個地（州）市、自治區(qū)都有煤炭資源分布。煤炭資源比較豐富的地區(qū)有婁底、郴州、衡陽、邵陽和株洲。煤層氣是與煤層共生的，因而煤層氣資源亦主要分布在煤炭資源相對豐富的婁底、郴州、邵陽和衡陽地區(qū)。煤層氣資源儲量，除保有煤炭資源儲量所擁有的煤層氣資源儲量外，尚可從遠(yuǎn)景儲量中獲得一定數(shù)量的煤層氣資源儲量。

關(guān)于湖南煤層氣資源儲量，有這樣幾組數(shù)據(jù)：一是《湖南省煤礦瓦斯治理與利用“十一五”后三年規(guī)劃》（2008～2010）中提出的“湖南全省1500m以淺主要含煤盆地中煤層瓦斯儲量約5000×108m3，其中可采煤層煤層氣資源約為1200×108m3。”第二組數(shù)據(jù)是《湖南煤炭資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與對策》中提出的湖南煤層氣地質(zhì)資源量和可采儲量分別為780.80×108m3（區(qū)域煤炭資源儲量與煤層氣資源豐度0.30×108m3/km2的乘積）和325.94×108m3?，F(xiàn)根據(jù)湖南現(xiàn)有煤礦（井）中瓦斯礦井、高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井(煤層)分別所占有的煤炭資源儲量（保有儲量和預(yù)測遠(yuǎn)景儲量共計76.44×108t）和歷年來科研、生產(chǎn)單位在煤礦實測的原始煤層瓦斯含量對全省煤層氣資源儲量作出估算。全省現(xiàn)有煤礦（井）956個，其中瓦斯礦井557個，高瓦斯礦井146個，煤與瓦斯突出礦井253個。在全省保有煤炭資源儲量中，瓦斯礦井煤炭資源儲量以保有儲量的40%計算，合30.58×108t，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤炭資源儲量以保有儲量的60%計算,合45.86×108t。據(jù)煤層瓦斯參數(shù)測定，瓦斯礦井煤層瓦斯風(fēng)化帶以下煤層瓦斯含量一般為3m3/t～5m3/t，取其上限值5m3/t作為瓦斯礦井煤層氣資源儲量的計算基數(shù)，計算出瓦斯礦井煤層氣資源儲量為152.90×108m3；高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井煤層瓦斯風(fēng)化帶以下煤層瓦斯含量下限值和上限值在6m3/t～37.24m3/t。此外，筆者據(jù)有關(guān)資料綜合國內(nèi)外10組118個瓦斯含量數(shù)據(jù)求其平均值為13.01m3/t。考慮到湖南煤礦煤與瓦斯突出礦井較多，另據(jù)《湖南煤層氣地質(zhì)特征及遠(yuǎn)景評價》提供，洪山殿礦區(qū)Ⅰ煤層平均含氣量達(dá)18.48m3/t、Ⅳ煤層平均含氣量達(dá)24.10m3/t；斗笠山礦區(qū)主采的Ⅱ煤層平均含氣量17.91m3/t；冷水江礦區(qū)主采Ⅲ、Ⅴ煤層，煤層含氣量平均16.64m3/t。綜合上述資料，此處取全省高瓦斯和煤與瓦突出礦井保有煤炭資源儲量的煤層瓦斯含量平均值為16m3/t，作為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤層氣資源儲量的計算基數(shù)，計算出高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤層氣資源儲量為733.76×108m3。即全省煤層氣資源儲量總計為886.66×108m3（其資源儲量計算深度為1500m以淺）。比較以上三組數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為，第一組數(shù)據(jù)過于樂觀，第二組數(shù)據(jù)和第三組數(shù)據(jù)比較接近，相對客觀些，可以此作為全省煤層氣資源儲量的依據(jù)。

2、煤層氣開發(fā)利用情況

上世紀(jì)60年代至90年代，湖南煤礦先后在原白沙礦務(wù)局紅衛(wèi)煤礦的坦家沖和里王廟礦井、原漣邵礦務(wù)局洪山殿煤礦蛇形山井、原婁底地區(qū)資江煤礦、原衡陽地區(qū)常寧紅旗煤礦、原邵陽地區(qū)肖家沖煤礦、原漣邵礦務(wù)局洪山殿煤礦彭家沖井、原漣邵礦務(wù)局利民煤礦利民井和利北井等十多個礦井建立了地面（永久）瓦斯抽采（放）系統(tǒng)。90年代后期到本世紀(jì)頭5年，因煤礦災(zāi)害治理的需要，特別是從2001年在全國煤礦開展安全治理整頓并隨著此項活動的不斷深化，湖南多數(shù)煤與瓦斯突出礦井相繼建立了地面或井下移動式瓦斯抽采（放）系統(tǒng)。

2009年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國家煤礦安全監(jiān)察局頒布《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，第14條中規(guī)定：突出礦井必須建立建立滿足防突工作要求的地面瓦斯抽采系統(tǒng)。2011年5月，國辦發(fā)〔2011〕26號《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)展和改革委員會、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦瓦斯防治工作若干意見的通知》中規(guī)定：高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，要做到先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)。凡應(yīng)建未建瓦斯抽采系統(tǒng)或抽采未達(dá)標(biāo)的礦井，要停產(chǎn)整頓，經(jīng)驗收達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后方可恢復(fù)生產(chǎn)。在建的煤與瓦斯突出礦井揭露煤層前，應(yīng)建地面抽采系統(tǒng)的高瓦斯礦井進(jìn)入采區(qū)施工前，要建成地面瓦斯抽采系統(tǒng)并投入使用。這些規(guī)定有效地促進(jìn)了煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)的建設(shè)和煤礦瓦斯抽采工作。到2012年4月份，全省已建立瓦斯抽采利用系統(tǒng)287套。自2007年在湘煤集團(tuán)所屬洪山殿礦業(yè)公司蛇形山煤礦建立第一臺瓦斯發(fā)電機(jī)組以來，到2013年底，全省建成瓦斯發(fā)電站30個，年抽采瓦斯量2.2×108m3，年利用瓦斯1.35×108m3，利用率高達(dá)60%以上，其全部用于坑口瓦斯發(fā)電，年發(fā)電量超過1億千瓦時。

目前，湖南煤層氣采出方式主要以煤炭開采過程從煤（巖）通過自然排放至采掘空間經(jīng)風(fēng)流排至地面大氣中。據(jù)資料報導(dǎo)，2012年全省年產(chǎn)原煤約0.8×108t，煤礦排放瓦斯約7.8×108m3。其次是通過井下向煤層或采空區(qū)打鉆孔抽采（放）瓦斯。2013年全省共抽采瓦斯量2.2×108m3。

煤層氣資源開發(fā)利用工作方向

湖南煤層氣開發(fā)利用應(yīng)綜合考慮災(zāi)害治理，能源開發(fā)利用和環(huán)境治理。湖南煤層開采技術(shù)條件差，屬全國煤礦開采的重災(zāi)區(qū)，尤以瓦斯災(zāi)害為重。近十年，湖南煤礦瓦斯事故次數(shù)和死亡人數(shù)分別占全省煤礦事故總次數(shù)和總?cè)藬?shù)的18.89%和33.41%。因此，抽采（放）瓦斯首先必須突出災(zāi)害防治這個重點。

就煤層氣開發(fā)利用而言，首先是需要找準(zhǔn)目標(biāo)。湖南可采煤層厚度以中厚煤層為主，單位含煤面積煤層瓦斯儲量小。瓦斯礦井因煤層瓦斯含量小，抽采成本高，效果差，在開發(fā)利用煤層氣資源時暫可不予考慮。為此，應(yīng)將煤層氣開發(fā)利用放在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井煤層氣的抽采（放）。全省煤礦每年向大氣中排放瓦斯約7.8×108m3，將對大氣產(chǎn)生一定的污染和破壞，影響人居環(huán)境。就此問題，在全國而言，是一個帶有普遍性的問題。解決這一問題，需要通過兩個途徑來解決，一是加大煤層氣抽采和利用量。二是依靠科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過分離集氣等技術(shù)將礦井風(fēng)排出來的混合氣體中的煤層氣（瓦斯）收集并予以利用。目前，還只有依靠加大煤層氣抽采量來緩解這一問題。

煤層氣資源開發(fā)利用工作面臨的任務(wù)

1、資源勘測

全省煤層氣資源儲量、可采量將隨著煤層氣資源勘測工作的拓展與深化而增大。很明顯，煤層氣資源儲量的勘測主要與煤炭資源儲量的勘測相伴而行。近年來，隨著湖南煤田地質(zhì)勘探工作的開展，獲得了數(shù)以億噸的煤炭資源儲量，與此同時，相應(yīng)地也新增了煤層氣資源儲量。

2、資源開采

煤層氣資源開采主要依靠抽采的方法進(jìn)行。煤層氣抽采方法主要有從地面向煤（巖）層或采空區(qū)打鉆孔抽采和在井下向煤（巖）層或采空區(qū)打鉆孔抽采。從湖南的實際實際看，在目前技術(shù)條件下煤層氣地面抽采很難形成規(guī)模，尚難展現(xiàn)出好的前景。故湖南煤層氣抽采主要依靠在井下向煤（巖）層或采空區(qū)打鉆孔進(jìn)行。從目前的情況看，井下鉆孔抽采瓦斯已形成一定范圍和規(guī)模，抽采量已達(dá)2×108m3。但湖南煤層多為低透氣性煤層，從抽采難易程度上而言多屬難或較難抽采煤層。就這一類煤層的瓦斯抽采而言，技術(shù)上還存在諸多問題。因而抽采效果尚不看好，抽采成本很高。解決這類問題尚需政府在政策上的支持，應(yīng)通過加大投入，主要解決技術(shù)和工藝方面的問題，其次是抽采設(shè)備設(shè)施上的問題。此外，還應(yīng)從沖減成本上給煤礦企業(yè)或煤層氣開采專業(yè)公司予以支持。

3、資源利用

煤層氣有較為廣泛的用途，作為一種能源，可以用作居民家庭燃料、工業(yè)發(fā)電和汽車動力燃料等；作為一種化工原料，可以用來生產(chǎn)甲醇、甲醛、乙酸、甲基氧化物、甲胺、尿素、炭黑一系列重要化工產(chǎn)品。因此，開發(fā)和利用煤層瓦斯，可化害為利，變廢為寶。目前，湖南煤層氣抽采出來的煤層氣主要是用來發(fā)電。從湖南煤層氣利用的發(fā)展趨勢看，今后也將如此。因為用于坑口發(fā)電較為簡便靈活，應(yīng)該成為一種可取的方向。

煤層氣資源開發(fā)利用前景預(yù)測

據(jù)以上計算，全省煤層氣資源儲量為886.66×108m3。綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的考慮，可以確定以高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井（煤層）煤層氣資源儲量作為可開發(fā)利用資源量，即733.76×108m3。以抽采率30%～40%計算，可采天然氣資源儲量約200×108m3～300×108m3。目前資源儲量計算深度為1500m以淺，隨著煤田地質(zhì)勘探范圍和深度（-1500m以下）的增大，煤炭資源儲量和煤層氣資源儲量均有可能增加。

結(jié)語

湖南天然石化能源缺少，屬典型的缺煤少氣無油省份。能源的自然資源與地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展對能源的需求很不匹配。因此，我們必須重視并珍惜區(qū)內(nèi)一切可利用的天然能源資源，對其進(jìn)行科學(xué)合理的勘測、規(guī)劃、開發(fā)和利用。煤層氣也不例外。