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    煤礦“三區”煤層氣的開發與利用

    2020-12-24 8:03:45 來源:中國礦業報 作者:畢彩芹

    煤層氣俗稱“瓦斯”,是以甲烷為主要成分的烴類氣體,是煤的伴生礦產資源,屬非常規天然氣。它是一種清潔能源,燃燒后幾乎不產生任何廢氣;也是一種溫室氣體,據國際氣候變化委員會(IPCC)調查顯示,人為資源中甲烷是全球氣候變化的第二大參與者,煤礦是排放甲烷氣的主要來源之一,約占全球甲烷排放量的8%~10%;同時,它的存在也是煤礦安全生產的隱患,因為煤層氣在空氣中濃度達到5%~16%時,遇明火就會爆炸。煤層氣的開發利用可有效緩解日益增長的清潔能源消費需求,也是節能減排、改善大氣環境、保障煤礦安全生產的重要舉措。

    煤礦區煤層氣資源根據賦存位置可分為原位區、采動區和采空區。原位區是指未開采區域或完全未受采動干擾區域,包括煤礦外圍和深部以及未被開采的煤層;采動區是指開采影響區域,包括煤炭開采正在進行的區域及已布置好巷道準備進行開采的采場應力影響區域(也叫規劃采煤區);采空區是指煤炭開采完成后形成的采空區域。它們統稱為煤礦“三區”。

    原位區煤層氣采用地面井排采方式進行開發利用。地面鉆井形成一個溝通地面與煤層的通道,在井筒內用高壓向煤層內注入液體,如目前普遍采用的水力壓裂,使煤層產生連通的裂隙,排水后地層壓力下降,煤層氣便源源不斷地從煤層中解吸,并通過裂隙和井筒與地層水一起排出。原位區采出的煤層氣甲烷濃度通常達90%以上。

    采動區煤層氣采用地面井抽采、井下鉆孔混合抽采或兩者兼用的方式進行開發利用。通常,采煤工作面因采動卸壓使得本煤層、圍巖及上下臨近煤層中的瓦斯大量釋放,是造成煤礦瓦斯安全事故的主要原因,也是煤礦瓦斯排放的主要來源。采動區地面井抽采技術既有利于煤層氣抽采利用,也可大大減輕煤炭生產區的瓦斯安全壓力。由于受通風因素影響,采動區地面井采出的煤層氣甲烷濃度最高可達90%以上,最低為25%,平均為50%左右;井下鉆孔混合抽排瓦斯的甲烷濃度一般為3%~25%,通常低于15%。

    采空區煤層氣采用地面井抽采方式進行開發利用。采煤工作面煤炭資源被采出后形成采空區,被封閉后形成封閉采空區(即廢棄礦井)。采空區殘煤多,煤層氣不斷從殘留的煤中溢散出來并在采空區內及采空區上方的圍巖裂隙中聚集,因此,采空區內煤層氣資源量可觀,開發利用既可實現資源二次開發利用,又可消除安全隱患,降低大氣污染。在采空區上方通過地面鉆井,溝通采空區頂面的裂隙,即可用瓦斯泵抽出其中的煤層氣。采空區相當于一個自然的地下瓦斯儲氣罐,隨著地面抽采,采空區中的甲烷濃度會降低,當甲烷濃度降低到可抽采最低值時即停止抽采等待恢復,待井下采空區殘煤解吸出的煤層氣運移聚集達到抽采甲烷濃度,又可繼續復抽。因此,采空區井一般采用間歇式抽采,采空區井群開發可為采空區瓦斯利用提供豐富可持續的氣源。采空區抽采煤層氣甲烷濃度一般為20%~60%,平均30%左右。

    甲烷濃度不同的煤層氣用途不同,煤礦采動區、采空區煤層氣用途廣泛。首先,甲烷濃度大于8%的礦區煤層氣不需要提純或濃縮就可以直接供給不同型號的煤層氣發電機發電,解決礦區用電問題;其次,甲烷濃度高于30%的中高濃度煤層氣作為民用煤層氣,可直接改善當地人民生活,作為工業燃料,可代替工業煤氣、天然氣、液化石油氣或燃煤,作為化工原料,可生產甲醇、甲醛、炭黑、制氫或合成氨原料等近百種產品,涉及國民經濟的許多領域;甲烷濃度高于90%的煤層氣可為CNG汽車供氣;即使是甲烷濃度小于1%的極低濃度煤層氣(也稱為“乏風”、煤礦風排瓦斯)也可作為輔助燃料助燃。

    據統計,目前我國煤層氣抽采總量達到180億立方米以上,瓦斯發電裝機容量達193萬千瓦,居民用戶超過127萬戶,煤層氣燃料汽車8萬余輛。“十二五”期間,全國累計利用煤層氣(煤礦瓦斯)340億立方米,相當于節約標準煤4080萬噸,減排二氧化碳5.1億噸。

    我國煤層氣資源豐富,評價2000米以淺煤層氣地質資源量為29.8萬億立方米,位居世界第三位。我國是產煤大國,高瓦斯礦井多,煤礦采動區煤層氣資源豐富,全國58個瓦斯(嚴重)突出煤礦區,44個構造煤發育且為煤層群開采,具備卸壓煤層氣地面井抽采條件;研究估算22個重點礦區資源量約為4100億立方米。我國關閉及衰老礦井數量大、煤礦采空區面積大、井下殘煤多,煤礦采空區煤層氣資源開發潛力巨大,預計至2020年,我國國有煤礦因資源枯竭關閉報廢礦井將近千個,且絕大多數為中高瓦斯礦井,采空區殘煤賦存煤層氣資源總量約為1132.7億~2187.2億立方米。

    根據規劃,我國將持續推動煤礦區煤層氣地面開發,加大煤礦區煤層氣資源回收利用力度,開展煤層氣地面預抽,推進煤礦采動區、采空區瓦斯地面抽采,不斷加強煤礦區煤層氣綜合勘查、提升資源綜合利用效率。隨著公眾對綠色低碳生活的重視、我國對清潔能源日益增長的需求,煤層氣產業發展方興未艾,煤礦“三區”煤層氣開發利用將有廣闊的前景。

    (作者單位:中國地質調查局油氣資源調查中心)

    網站編輯:宮莉

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