加快關閉煤礦煤層氣資源開發(fā)利用的思考與建議

任 輝，吳國強，寧樹正，賀小龍，劉亞然，朱士飛，喬軍偉，王福國，郭愛軍，王行軍，李海麗

(1.中國煤炭地質總局,北京 100038; 2.中國煤炭地質總局航測遙感局,西安 710199;3.中煤地質集團有限公司,北京 100040; 4.江蘇地質礦產設計研究院,江蘇徐州 221000;5.中國煤炭地質總局勘查研究總院,北京 100039)

0 前言

由于受到能源結構優(yōu)化調整、安全生產標準越來越高、生態(tài)環(huán)境保護等多種因素的影響，我國關閉煤礦數量持續(xù)增長，具有數量多、殘煤量大、煤層氣含量高的特點。據有關學者調查，目前的關閉礦井中煤層氣資源量達近5 000億m3[1]。雖然關閉煤礦中賦存著可觀的煤層氣資源，但是我國煤炭企業(yè)對關閉煤礦煤層氣資源勘探開發(fā)的經營意識淡薄，多數煤礦關閉后為確保其安全，通過預留通風孔，將井下釋放出的煤層氣直接排放到大氣或者燃燒，不僅造成環(huán)境污染，更造成清潔能源的浪費。

關閉煤礦煤層氣資源的高效勘探開發(fā)利用，不僅能夠減少清潔能源的浪費，變廢為寶，還能避免煤層氣對環(huán)境的污染；與此同時，為關閉煤礦企業(yè)提供了一條轉型可持續(xù)發(fā)展的道路，為關閉煤礦員工提供了再就業(yè)的機會。本文在對我國關閉煤礦煤層氣資源分布情況、關閉煤礦地質特征以及其開發(fā)利用現狀進行分析的基礎上，對其存在的問題進行闡述，并提出相關建議。

1 我國關閉煤礦分布及地質特征

1.1 我國高瓦斯關閉煤礦分布

據不完全統(tǒng)計，2005—2018年全國關閉煤礦井約1.5萬處，2014—2018年全國關閉煤礦井約7 600處，其中關閉煤礦井數較多的省份分別為重慶、湖南、黑龍江、貴州以及云南，其關閉煤礦井約占全國關閉煤礦井的47%。據袁亮院士相關研究項目指出，預計到2020年，我國關閉/關閉煤礦數量將達到12 000處，到2030年數量將到達15 000處[1-3]。

我國已關閉煤礦中約70%屬于高瓦斯礦井[4]。我國高瓦斯礦井的分布受含煤地層條件、區(qū)域地質構造控制作用明顯[5]。結合張子敏[5]、任輝[2]對我國煤層氣賦存規(guī)律的研究發(fā)現，關閉的高瓦斯礦井主要分布在重慶、湖南、貴州、云南、四川、山西、江西、安徽等地區(qū)，尤其以貴州、重慶以及湖南等地區(qū)關閉高瓦斯礦井最多(圖1)。

圖1 全國高瓦斯礦區(qū)及關閉煤礦示意圖(底圖據任輝，2018)Figure1 A schematic diagram of gassy coalmine areas and closed coalmines in China (after Ren Hui, 2018)

1.2 我國關閉煤礦地質特征

1.2.1 關閉煤礦地質條件分析

對于我國煤田地質條件，中國由匯聚的陸塊拼合而成，其碰撞拼合期次多，煤田遭受了多幕次、多方向的后期構造運動的強烈改造，致使我國煤田區(qū)域構造、地質條件復雜[6-7]。有關學者對于關閉礦井煤層氣(煤層氣)的分布范圍進行了界定：由主采煤層向上，到裂縫帶頂部界面止，縱向上以冒落帶邊界面和裂縫帶邊界面為邊界，從主采煤層向下到應力釋放邊界為止，橫向上以采動范圍為界[8]。因此我們可知關閉煤礦地質條件與未采動煤田存相較，發(fā)生了較大變化。整體上，我國煤層埋藏較深，構造煤發(fā)育，地應力高，不同地區(qū)煤田地質條件差異較大[6]，對于關閉煤礦井，由于受到采動的影響，煤儲層地應力發(fā)生變化，煤田地質條件差異化更加明顯。

從煤儲層特征上看，我國煤儲層具有滲透率較低、含氣飽和度較低、儲層壓力較低的特點，即使在同一地區(qū)，煤儲層非均質性表現較為明顯，煤層氣富集條件亦存在較大差異[9]，而關閉煤礦井由于受到采動的影響，煤層應力場發(fā)生變化，殘煤及上下鄰近煤巖層裂隙增多，煤儲層滲透率增加，含氣量發(fā)生規(guī)律性變化。

1.2.2 關閉煤礦煤層氣賦存特征分析

關閉煤礦由于受采動影響，煤層氣的賦存、運移與富集均發(fā)生一定規(guī)律性的變化。關閉煤礦中煤層氣主要賦存狀態(tài)有三種：吸附態(tài)、游離態(tài)以及水溶氣；主要賦存位置為：采空區(qū)、主采煤層殘煤中、應力釋放的鄰近煤層以及鄰近煤巖層裂隙帶中[10-12]。從開始建井，煤層收到擾動，壓力平衡遭受破壞而發(fā)生變化，煤儲層中吸附態(tài)甲烷發(fā)生解吸變?yōu)橛坞x態(tài)并發(fā)生運移，主要運移至采煤工作面或者巷道。整體上，從采煤工作面向上、下兩個方向，吸附態(tài)氣體含量增加，游離氣含量減少。生產礦井關閉后，由于采煤時引起的巖層移動及采動裂隙發(fā)育，導致巷道及采空區(qū)中所積聚的煤層氣會發(fā)生不同程度的運移及富集。與此同時，煤礦關閉后，礦井水的疏排工作亦停止，導致礦井水位回彈，形成井下封堵后，部分氣體以吸附或溶解態(tài)賦存[11]。

目前，我國絕大部分礦井關閉后，處于全封閉、通風或淹井的狀態(tài)，礦井中賦存的煤層氣特征亦存在差異。對于全封閉的煤礦井，有利于煤層氣的保存，便于后期關閉煤礦煤層氣的抽采；而處于通風狀態(tài)的礦井，部分煤層氣通過通風孔排放到大氣中，井下煤層氣處于不斷運移的狀態(tài)；處于淹井狀態(tài)的關閉礦井，不利于煤層氣的高效開采。而整體上，無論處于哪種狀態(tài)的關閉礦井，均可能發(fā)生次生災害，如煤層氣泄漏、溫室效應、地下水污染等[6,11]。因此，關閉礦井煤層氣的高效開發(fā)利用，具有重要的經濟、環(huán)境效益。

2 關閉煤礦煤層氣開發(fā)利用現狀

隨著煤層氣(煤層氣)基礎研究及抽采技術不斷取得突破，我國煤礦煤層氣抽采利用近幾年迅速發(fā)展，在2016年我國煤層氣抽采總量達170億m3，其中井下煤層氣抽采量達123億m3。依據“十三五”規(guī)劃，2020年，煤層氣(煤礦煤層氣)抽采量達到240億m3，其中地面煤層氣產量100億m3，利用率90%以上；煤礦煤層氣抽采140億m3，利用率50%以上。但是目前我國煤礦煤層氣抽采主要集中于未開采或在生產礦井。

隨著我國經濟發(fā)展進入新常態(tài)，能源結構不斷優(yōu)化調整，煤炭行業(yè)產能不斷大規(guī)模退出，我國礦井關閉數量持續(xù)增加，為避免關閉煤礦中煤層氣(煤層氣)的浪費，其有效開發(fā)利用勢在必行。目前我國關閉礦井煤層氣(煤層氣)資源開發(fā)、利用尚處于實驗階段，對關閉煤礦煤層氣進行抽采并加以利用，變廢為寶，是煤炭行業(yè)當前的重要發(fā)展方向。

“十五”期間，國內進行了“關閉煤礦煤層氣開發(fā)利用有利地區(qū)優(yōu)選”項目攻關；中國煤炭科工集團西安研究院承擔了“關閉煤礦煤層氣地面抽放與利用先導性試驗技術研究”科技攻關項目，以銅川礦務局王家河關閉礦井為試驗基地，初步建立了一套適合報廢礦井的煤層氣資源預測方法，提出了一套報廢礦井煤層氣開發(fā)技術工藝，為報廢礦井煤層氣“低成本、高效益、產業(yè)化”開采提供了技術支撐[12]。近幾年亦開展了國際合作項目：中英《中國報廢礦井煤層氣抽采與利用》合作項目，對82個礦務局關閉煤礦的相關數據進行了分析研究；中美《中國報廢煤礦甲烷排放》項目，對沁水煤田44個關閉煤礦煤層氣排放量進行評估。

近幾年，我國部分地區(qū)進行了關閉煤礦煤層氣抽采實驗，例如：山西晉城煤業(yè)集團已施工10口報廢煤礦地面井(截至2013年)，其中7口井成功產氣，每口井平均日產氣量可達到2 000 m3，煤層氣濃度約90%[2,13-15]。初步顯現了晉城礦區(qū)關閉煤礦煤層氣開發(fā)的潛力，對我國關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)具有重要意義。山西藍焰煤層氣集團有限公司牽頭承擔的2014年度山西煤基(煤層氣)重點科技攻關項目“關閉煤礦采空區(qū)地面煤層氣抽采技術研究及示范”。該項目已實施27口關閉煤礦采空區(qū)煤層氣井建設，15口井完成設備安裝運行，單井日均產量1 155 m3，截至2016年底累計抽采利用約1 700萬m3煤層氣。與此同時，2016年內蒙古烏蘭煤礦關停后，通過多次嘗試、攻關，探索出利用地面卸壓鉆孔煤層氣抽采的新途徑。截止至2017年，采空區(qū)井接入負壓抽采系統(tǒng)的有效產氣井18口，每天產氣量4萬m3(純量)[16]。

3 存在的問題

3.1 關閉煤礦煤層氣抽采技術及模式適配性差

目前，我國多借鑒國外理論及成果開展我國關閉煤礦煤層氣理論研究及勘探開發(fā)指導工作，但由于國內外煤田地質、煤層氣地質條件存在明顯差異，我國煤層氣(煤層氣)賦存地質條件復雜，不同地區(qū)差異明顯，使得國外研究成果難以直接指導國內關閉煤礦的煤層氣勘探開發(fā)工作，使得缺乏與我國地質條件相適配的煤層氣抽采技術與模式，致使我國關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)難度大。如何根據我國不同地質條件、不同礦井情況研發(fā)適應不同區(qū)域不同狀況的抽采技術是一個迫切需要解決的問題。

3.2 基礎研究薄弱

我國關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)工作尚處于初級階段，基礎研究工作尚不系統(tǒng)，對于關閉礦井煤層氣形成、分布、運移及富集規(guī)律需要深入研究，對關閉煤礦煤層氣的有利區(qū)優(yōu)選及其勘探開發(fā)利用更需要加強基礎性研究。

與此同時，關閉煤礦煤層氣資源開發(fā)潛力評價指標和評價方法急需形成，對關閉煤礦煤層氣資源量估算量存在很大偏差，影響到關閉煤礦煤層氣資源開發(fā)進程。由于我國煤田地質條件復雜，不同地區(qū)、不同礦井存在明顯差異，對關閉煤礦煤層氣資源開發(fā)潛力評價指標和評價方法的建立增加了困難。

青年學生逐漸形成了更加獨立的思維和對時事政治的敏感度，對于堅定而明確的理想信念要進一步加強。小樣本調研顯示，在入黨動機方面，說不清的占16.8%，周圍人入黨自己不入不太好占4.47%；小樣本調研同時顯示，在對黨的了解程度方面，完全不了解的占5.22%。我們認為，沒有遠大理想信念指導的人生，倘若加上青年學生盲目地"獨立"思考，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)容易使青年學生誤入歧途或走很多彎路，會更多關注個人利益而忽視對國家、社會利益的關注。

此外，我國關閉煤礦井封蓋層條件(能力)評價體系尚未建立，影響了我國關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)。

3.3 礦井封閉質量不確定

我國礦井關閉工作開展較早，持續(xù)時間較長，關閉煤礦井數量大，但缺乏具體的煤礦關閉技術標準和要求，使得關閉礦井質量不確定性大。尤其關閉時間較長的礦井，由于其開采情況復雜，可能存在裂隙、地質構造與地面溝通，甚至存在采空區(qū)塌陷等情況，造成煤層氣濃度降低以及煤層氣回收抽采難度增大。

3.4 礦井水無相應處理措施

由于我國缺乏具體的煤礦關閉技術標準和要求，關閉后無相應排水措施，導致很多礦井被淹沒，暫時無法進行進一步的資源利用。缺乏相關技術支持。理論和技術研究還在初期，沒有成功的案例經驗。

3.5 企業(yè)開發(fā)利用成本高，積極性不高

目前，在生產礦井煤層氣抽采以確保安全生產為主要目的，將抽放的煤層氣作為清潔能源進行經營成本高、市場生產力不足。而煤礦關閉后，煤礦煤層氣抽采也相應停止，加之關閉煤礦煤層氣抽采利用的技術難度亦大，導致企業(yè)缺乏開展這類項目的積極性和主動性。與此同時，部分規(guī)模較小的關閉煤礦井勘探開發(fā)煤層氣資源不具備經濟可行性。因此，使得煤礦關閉后，一些地區(qū)通過預留的通風孔將煤層氣自然排放或燃燒，造成清潔能源浪費和環(huán)境污染問題。

4 思考與建議

4.1 加強科技攻關

(1)進一步加強科技投入。我國關閉煤礦煤層氣開發(fā)利用處于初級階段，無論是基礎研究工作，還是與我國地質條件相適配的煤層氣抽采技術與模式的研究工作，均應系統(tǒng)開展，為我國關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)的進行建立理論基礎。

(3)加強制定國家關閉煤礦資源開發(fā)利用全過程與實施節(jié)點技術標準和要求。關閉煤礦的實施標準是否合格，對于后期煤層氣的勘探與開發(fā)利用起著至關重要的作用，建議制定國家關閉煤礦資源開發(fā)利用全過程與實施節(jié)點技術標準和要求，確保關閉煤礦的質量，建立相應排水措施和煤層氣監(jiān)測等措施。

4.2 建立關閉煤礦井閉坑監(jiān)測制度

針對關閉煤礦建設安全監(jiān)管部門，釋放煤層氣量進行檢測，例如煤層氣濃度、煤層氣每天的排出量，對后期關閉煤礦煤層氣資源量評價及其勘探開發(fā)提供基礎數據。

4.3 建立一批關閉煤礦煤層氣開發(fā)利用示范基地

鼓勵煤炭企業(yè)和專業(yè)的煤層氣開發(fā)公司在全國煤層氣相關領域利用不同的專業(yè)模式建立一批示范基地，并在國家和省級層面建設一批關閉煤礦煤層氣開發(fā)利用研究中心，加快全過程研發(fā)力度，不斷完善開發(fā)利用的技術標準和能力。

4.4 完善開發(fā)利用的政策保障機制

對于關閉煤礦煤層氣抽采，盡管符合國家優(yōu)惠及補貼的條件，但與常規(guī)井下煤層氣抽放及原位煤層氣開發(fā)相比，其投入產出比仍偏高，因此需要國家政策進一步加大關閉礦井煤層氣開發(fā)利用補貼力度，出臺相應的優(yōu)惠價格、稅收、財政補貼等相關政策，并在進行關閉礦井煤層氣抽放時，鼓勵多方尋求合作，爭取更多的投資公司、煤礦企業(yè)、環(huán)保企業(yè)用多種專業(yè)模式投入到關閉礦井煤層氣開發(fā)中來。從而，通過相關產業(yè)政策支持與鼓勵，促進關閉礦井煤層氣資源化規(guī)模開發(fā)進程。

5 結論

(1)受到多種因素的影響，我國關閉煤礦數量持續(xù)增長，整體上具有數量多、殘煤量大、煤層氣含量高的特點，其中關閉的高煤層氣礦井主要分布在重慶、湖南、貴州、云南、四川、山西、江西、安徽等地區(qū)，尤其以貴州、重慶以及湖南等地區(qū)關閉高煤層氣礦井最多。

(2)我國煤田區(qū)域構造、地質條件復雜，煤儲層具有煤儲層滲透率較低、含氣飽和度較低、儲層壓力較低的特點，對于關閉煤礦井，由于受到采動的影響，煤儲層地應力發(fā)生變化，煤田地質條件差異化更加明顯，殘煤及上下鄰近煤巖層裂隙增多，煤儲層滲透率增加。

(3)關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)利用是大勢所趨，雖然我國開展了一些關閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)的科技攻關及其抽采工作，但是我國關閉煤礦煤層氣資源開發(fā)利用的研究起步較晚，存在關閉煤礦煤層氣抽采技術及模式適配性差、基礎研究薄弱、礦井封閉質量不確定、礦井水無相應處理措施以及企業(yè)缺乏經營意識，積極性不高等問題。

(4)建議系統(tǒng)開展關閉煤礦煤層氣資源評價及其相關研究和勘探開發(fā)工作，通過加強科技攻關、建立關閉煤礦井閉坑監(jiān)測制度、研究并實施相應關閉煤礦產業(yè)發(fā)展政策等多方面工作，來確保我國關閉煤礦煤層氣資源的有效開發(fā)。