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煤矿“三区”煤层气的开发与利用

2020-12-24 8:03:45 来源:中国矿业报 作者:毕彩芹

煤层气俗称“瓦斯”,是以甲烷为主要成分的烃类气体,是煤的伴生矿产资源,属非常规天然气。它是一种清洁能源,燃烧后几乎不产生任何废气;也是一种温室气体,据国际气候变化委员会(IPCC)调查显示,人为资源中甲烷是全球气候变化的第二大参与者,煤矿是排放甲烷气的主要来源之一,约占全球甲烷排放量的8%~10%;同时,它的存在也是煤矿安全生产的隐患,因为煤层气在空气中浓度达到5%~16%时,遇明火就会爆炸。煤层气的开发利用可有效缓解日益增长的清洁能源消费需求,也是节能减排、改善大气环境、保障煤矿安全生产的重要举措。

煤矿区煤层气资源根据赋存位置可分为原位区、采动区和采空区。原位区是指未开采区域或完全未受采动干扰区域,包括煤矿外围和深部以及未被开采的煤层;采动区是指开采影响区域,包括煤炭开采正在进行的区域及已布置好巷道准备进行开采的采场应力影响区域(也叫规划采煤区);采空区是指煤炭开采完成后形成的采空区域。它们统称为煤矿“三区”。

原位区煤层气采用地面井排采方式进行开发利用。地面钻井形成一个沟通地面与煤层的通道,在井筒内用高压向煤层内注入液体,如目前普遍采用的水力压裂,使煤层产生连通的裂隙,排水后地层压力下降,煤层气便源源不断地从煤层中解吸,并通过裂隙和井筒与地层水一起排出。原位区采出的煤层气甲烷浓度通常达90%以上。

采动区煤层气采用地面井抽采、井下钻孔混合抽采或两者兼用的方式进行开发利用。通常,采煤工作面因采动卸压使得本煤层、围岩及上下临近煤层中的瓦斯大量释放,是造成煤矿瓦斯安全事故的主要原因,也是煤矿瓦斯排放的主要来源。采动区地面井抽采技术既有利于煤层气抽采利用,也可大大减轻煤炭生产区的瓦斯安全压力。由于受通风因素影响,采动区地面井采出的煤层气甲烷浓度最高可达90%以上,最低为25%,平均为50%左右;井下钻孔混合抽排瓦斯的甲烷浓度一般为3%~25%,通常低于15%。

采空区煤层气采用地面井抽采方式进行开发利用。采煤工作面煤炭资源被采出后形成采空区,被封闭后形成封闭采空区(即废弃矿井)。采空区残煤多,煤层气不断从残留的煤中溢散出来并在采空区内及采空区上方的围岩裂隙中聚集,因此,采空区内煤层气资源量可观,开发利用既可实现资源二次开发利用,又可消除安全隐患,降低大气污染。在采空区上方通过地面钻井,沟通采空区顶面的裂隙,即可用瓦斯泵抽出其中的煤层气。采空区相当于一个自然的地下瓦斯储气罐,随着地面抽采,采空区中的甲烷浓度会降低,当甲烷浓度降低到可抽采最低值时即停止抽采等待恢复,待井下采空区残煤解吸出的煤层气运移聚集达到抽采甲烷浓度,又可继续复抽。因此,采空区井一般采用间歇式抽采,采空区井群开发可为采空区瓦斯利用提供丰富可持续的气源。采空区抽采煤层气甲烷浓度一般为20%~60%,平均30%左右。

甲烷浓度不同的煤层气用途不同,煤矿采动区、采空区煤层气用途广泛。首先,甲烷浓度大于8%的矿区煤层气不需要提纯或浓缩就可以直接供给不同型号的煤层气发电机发电,解决矿区用电问题;其次,甲烷浓度高于30%的中高浓度煤层气作为民用煤层气,可直接改善当地人民生活,作为工业燃料,可代替工业煤气、天然气、液化石油气或燃煤,作为化工原料,可生产甲醇、甲醛、炭黑、制氢或合成氨原料等近百种产品,涉及国民经济的许多领域;甲烷浓度高于90%的煤层气可为CNG汽车供气;即使是甲烷浓度小于1%的极低浓度煤层气(也称为“乏风”、煤矿风排瓦斯)也可作为辅助燃料助燃。

据统计,目前我国煤层气抽采总量达到180亿立方米以上,瓦斯发电装机容量达193万千瓦,居民用户超过127万户,煤层气燃料汽车8万余辆。“十二五”期间,全国累计利用煤层气(煤矿瓦斯)340亿立方米,相当于节约标准煤4080万吨,减排二氧化碳5.1亿吨。

我国煤层气资源丰富,评价2000米以浅煤层气地质资源量为29.8万亿立方米,位居世界第三位。我国是产煤大国,高瓦斯矿井多,煤矿采动区煤层气资源丰富,全国58个瓦斯(严重)突出煤矿区,44个构造煤发育且为煤层群开采,具备卸压煤层气地面井抽采条件;研究估算22个重点矿区资源量约为4100亿立方米。我国关闭及衰老矿井数量大、煤矿采空区面积大、井下残煤多,煤矿采空区煤层气资源开发潜力巨大,预计至2020年,我国国有煤矿因资源枯竭关闭报废矿井将近千个,且绝大多数为中高瓦斯矿井,采空区残煤赋存煤层气资源总量约为1132.7亿~2187.2亿立方米。

根据规划,我国将持续推动煤矿区煤层气地面开发,加大煤矿区煤层气资源回收利用力度,开展煤层气地面预抽,推进煤矿采动区、采空区瓦斯地面抽采,不断加强煤矿区煤层气综合勘查、提升资源综合利用效率。随着公众对绿色低碳生活的重视、我国对清洁能源日益增长的需求,煤层气产业发展方兴未艾,煤矿“三区”煤层气开发利用将有广阔的前景。

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

网站编辑:宫莉

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