廢棄煤礦瓦斯開發利用技術與前景分析

劉文革張康順韓甲業桑逢云黃 嵐

（1.國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京 100029；2.陜西省煤層氣開發利用有限公司，陜西 710119）

廢棄煤礦瓦斯開發利用技術與前景分析

劉文革1張康順2韓甲業1桑逢云1黃 嵐1

（1.國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京 100029；2.陜西省煤層氣開發利用有限公司，陜西 710119）

受煤炭市場需求減少、能源結構調整、安全生產以及生態環境等因素的影響，大量煤礦關閉退出，這些關閉礦井富含大量可以開發利用廢棄煤礦瓦斯資源，對其進行開發利用具有安全、社會和環境多重效益。本文系統分析了英國、德國等發達國家廢棄煤礦瓦斯開發利用成果、成功案例，對廢棄煤礦瓦斯資源量評估方法、抽采利用關鍵技術和安全保障措施進行了深入研究。在此基礎上剖析了我國廢棄煤礦瓦斯資源潛力及開發前景，并結合實例論證了我國開展廢棄煤礦瓦斯資源開發的技術和經濟可行性。

廢棄煤礦瓦斯 開發利用 資源潛力

廢棄煤礦瓦斯是指因煤炭資源枯竭、不符合安全條件或其他政策技術原因，按國家相關規定程序而關閉的礦井中殘存在剩余煤層、圍巖及井下密閉空間吸附及游離態的甲烷資源。廢棄煤礦瓦斯開發利用，是煤礦即將關閉前，采取一定的封堵措施，利用原提升及回風井筒或在合適位置重新打地面抽采鉆孔的方式抽采殘存瓦斯資源過程，廢棄煤礦瓦斯抽采示意圖見圖1所示。

圖1 廢棄煤礦瓦斯開發示意圖

廢棄煤礦瓦斯其主要成分是甲烷，濃度通常一般在50%～70%，作為清潔能源可用于發電、供熱、民用和工業用燃氣等方面。開發廢棄煤礦瓦斯具有安全、社會、經濟和環境多重效益。第一能夠增加清潔能源供應，緩解老礦區能源供應緊張局面，推動礦區可持續發展；第二降低了井下密閉空間廢棄煤礦瓦斯儲存壓力，減少了高壓廢棄煤礦瓦斯從井筒或地表裂縫逸出，給周圍居民人身和財產安全帶來威脅的可能性；第三減少了瓦斯逸散排放，保護了礦區環境；第四為老礦區提供新的就業崗位，形成新的經濟增長點，有利于老礦區工業轉型及環境治理。

1 國外廢棄煤礦瓦斯開發利用現狀

煤炭曾經被認為是廉價易得的主體化石能源，但隨著近年來歐美等國對氣候變化和環境保護重視程度的提高，煤炭資源逐漸被清潔能源和可再生能源所代替，導致大量煤礦被關閉，其中包括為數不少的高瓦斯井工煤礦。為防治煤礦關閉后瓦斯事故，增加清潔能源供應，英美等國政府非常重視廢棄煤礦瓦斯開發利用，出臺了一系列優惠政策鼓勵企業開發利用廢棄煤礦瓦斯資源。

1.1 英國

英國煤炭開采歷史悠久，曾是全球重要的產煤大國。但隨著世界能源生產消費結構的變化、英國北海油田的開發，英國煤炭產量持續大幅下降。2015年英國政府關閉了最后一座井工煤礦（凱靈利煤礦）。

英國早在1954年就開始廢棄煤礦瓦斯開發利用研究，其開發利用技術處于世界領先地位。2014年英國廢棄煤礦總瓦斯涌出量9000萬m3，其中約7000萬m3被回收利用，有15個正在運行或在建的廢棄煤礦瓦斯發電項目，總裝機容量約52MW。

1.2 德國

德國二十世紀六十年代以來，受石油產業快速發展和環境保護等因素影響，德國煤礦開采業受到較大沖擊，大量井工煤礦關閉，從業人員從300萬人減少到5000人，2015年剩余的3個井工煤礦也被計劃于2018年之前全部關閉。

目前，德國擁有17個廢棄煤礦瓦斯抽采利用項目，瓦斯發電裝機容量185MW，瓦斯年抽采量2.5億m3，抽采濃度為15%～70%，年發電量10億kWh。

1.3 美國

美國是世界上廢棄煤礦瓦斯抽采利用商業化最成功的國家，也是世界上首個將廢棄煤礦瓦斯排放量計算在溫室氣體排放總量內的國家。根據《2013美國溫室氣體排放清單》數據，2011年美國共建設38個廢棄煤礦開展瓦斯抽采利用項目，利用的煤礦瓦斯總量約1.6億m3，其中近60%的項目分布在伊利諾斯州的煤炭盆地中。

2 主要關鍵技術

2.1 廢棄煤礦蓋層封蓋能力評價方法

廢棄煤礦采動影響區資源量評估及后續開發時，需要滿足兩個基本條件。

（1）氣體封存條件，即穩定區內的瓦斯氣體不會發生很大程度上的散逸，能夠較好的保存下來；

（2）空隙聯通條件，即區域上部的含水層中的水體不能大量穿過蓋層進入煤層氣儲層空間，從而使孔隙被封閉。而滿足這兩個條件，需要區域上覆巖層對于含水層的封蓋能力需要滿足“最低有效封蓋厚度”要求，計算公式如下：

式中，i—儲層空間與含水層之間的第i層蓋層；θi—巖層封閉能力調整系數；Hi—蓋層原始厚度，m；γ—斷層傾角，°；∑M—煤層開采厚度，m；c—開采分層數量。Hi＝θi*H，H為上覆巖層不同巖層厚度。泥質巖類的是煤層氣儲層的最佳封閉層，將泥巖的封蓋能力系數視為1，將統計層段內其它的常見巖性巖層厚度與泥巖進行統計矯正，即通過將其他巖層本身的厚度乘以其封閉能力調整系數的方法，把各個巖性的巖層都轉化為等效厚度。

2.2 資源量評估方法

由于廢棄煤礦瓦斯抽采利用是對殘存在關閉煤礦中瓦斯資源二次開采過程，資源量估算困難，影響因素多、不確定性大，國內外學者對廢棄礦井煤層氣的資源評價方法及其相關理論進行了多年的探索和研究。目前廢棄煤礦瓦斯地質儲量估算方法包括物質平衡法和資源構成法兩種，廢棄煤礦瓦斯可采儲量估算方法包括物質守恒法和基于流體力學模型的儲層模擬法。資源構成法進行廢棄煤礦瓦斯資源量評估結果較為準確，為目前國內外普遍采用的方法。但此方法所需數據通常需要進行大量先導性試驗方可獲得，增加了項目前期投入。

資源構成法的原理為根據廢棄煤礦中瓦斯賦存狀態，廢棄煤礦瓦斯資源總量為游離態的瓦斯量和吸附態的瓦斯量之和，計算公式如下：

式中：Qy1為采空區內的游離態瓦斯資源量，V為采空區體積，gy1為采空區甲烷濃度。

殘余遺煤中的吸附態瓦斯資源量可通過如下公式計算：

式中：Qmt為整個受采動影響范圍中的吸附態瓦斯資源量，Ti為整個受采動影響范圍中的第i煤層的遺煤量，Di第i煤層的瓦斯排放百分比，整個受采動影響范圍中的第i煤層可解析瓦斯含量，在一定的壓力下不可解析的瓦斯含量。

基于資源構成法算得的地質儲量，假設在廢棄煤礦瓦斯抽采結束時受擾動區域內的氣壓統一降低到某一負壓值條件下，可抽采的吸附態瓦斯資源量和游離態瓦斯資源量之和即為可抽采廢棄煤礦瓦斯資源量。受擾動區域內各煤層中的吸附態可采儲量資源量為：

式中：Qmt為整個受擾動區域內可采出的瓦斯資源量，Ti為整個受擾動區域內第i煤層的煤炭資源量，為整個受擾動區域內第i煤層可解析瓦斯瓦斯含量，為整個受擾動區域內第i煤層在一定抽采負壓條件殘存的瓦斯含量。

廢棄煤礦瓦斯抽采前礦井采空區內的游離態瓦斯在整個抽采過程中不斷地被外界侵入空氣稀釋，當采空區內瓦斯濃度低于一定的限值后瓦斯抽采開始變得不經濟，此時廢棄煤礦瓦斯抽采結束。則采空區內的游離態瓦斯的可采儲量為：

式中：Qy為廢棄煤礦瓦斯抽采前采空區游離態瓦斯的可采資源量，V為采空區體積，gy1為廢棄煤礦瓦斯抽采前采空區甲烷濃度，gy2為廢棄煤礦瓦斯抽采終止時采空區甲烷濃度。

2.3 開發利用技術

廢棄煤礦瓦斯開發利用是對殘存剩余煤礦瓦斯的二次開采過程，與常規天然氣和原始煤層氣開發技術不同，需要制定具有針對性的開發方案和相應的安全監控保障措施。

2.3.1 開發利用工程技術

為節省投資，充分利用現有設施，英國和德國廢棄煤礦瓦斯抽采使用以井筒抽采法為主、地面抽采法為輔的聯合抽采方式。為保證瓦斯氣源質量，煤礦關閉后，需采用混凝土對廢棄煤礦井筒進行密封，對塌陷區裂縫進行填堵，避免空氣通過裂隙進入井下密閉空間，造成剩余煤炭資源緩慢氧化。并在煤礦關閉前，在井筒預先埋設連通采空區和巷道的管路，拆除采空區密閉墻，以便后期廢棄煤礦瓦斯抽采。根據礦井報廢前的煤炭開采規劃，預測礦井涌水量和礦井被淹沒時間，制定礦井水抽排方案，妥善處理淹井問題。

2.3.2 安全監測技術

隨著廢棄煤礦瓦斯抽采的進行，當瓦斯解吸量小于瓦抽采量，井下密閉空間壓力降低時，一方面造成瓦斯濃度降低，降低了抽采瓦斯質量，另一方面空氣通過井筒、地表裂縫進入到井下空間，空氣中的氧氣與殘余煤炭資源發生緩慢氧化反應，導致抽采氣體中一氧化碳濃度升高，引起井下殘余煤炭資源自燃。因此需要合理制定瓦斯抽采制度，安裝實時在線監測系統，對廢棄煤礦瓦斯抽采濃度、壓力和一氧化碳濃度進行實在在線監測系統，根據監測數據及時調整瓦斯抽采濃度和流量，保證安全高效的持續抽采廢棄煤礦瓦斯資源。

3 我國廢棄煤礦瓦斯開發利用前景

3.1 報廢煤礦數量

煤炭是我國的主體能源，全國煤礦數量眾多，且以井工礦為主，占95%左右，受能源結構調整、煤炭需求減少、安全生產以及生態環境等因素的影響，大量煤礦關閉退出。這些關閉礦井大部分是高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井，上下臨近煤層、煤柱和井下采空區富含大量可以開發利用廢棄煤礦瓦斯資源。據統計2000～2015年全國累計關閉煤礦1.8萬余處。關閉煤礦主要位于在山西、湖南、貴州、四川、云南、黑龍江、重慶、河北、遼寧和陜西省10個省（市），這些省份將成為下一步廢棄煤礦瓦斯開發的重點省份。

3.2 報廢煤礦瓦斯資源量

根據中國煤炭工業年鑒統計，1949～2012年我國井工開采方式下累計殘煤資源量為582.7億t，據此推測中國廢棄礦井煤層氣儲量可達萬億立方米量級，資源量豐富，開發潛力大。

4 應用實例

陳家山煤礦是陜煤銅川礦業公司下轄煤礦，位于陜西省銅川市西北方向，井田走向長約5.5km，寬約3.7km，面積16.0589km2，總體呈南北向展布、西南收斂的不規則多邊形，原始表內煤炭地質儲量17590.0萬t，主采4－2煤，為防止礦井底鼓造成地板突水，采用人工鋪假底方式進行分層開采。

4.1 蓋層封蓋能力評價

這一區域的主要含水層為洛河組砂巖，而4－2煤層之上的性質良好隔水層為宜君組礫巖的上半部分，宜君礫巖之上的地層受采動影響所造成的下沉變形程度很小并明顯小于其下地層可推測出宜君礫巖層為主關鍵層，且其上部也是較好的隔水層。

在陳家山各采空區上方，并無影響重大的斷層出現，因此在此處不考慮斷層對于封閉性的影響。根據有效封蓋厚度計算公式可得采空區上覆蓋層的有效封蓋厚度為59.2m。不同工作面最大裂隙帶高度為30.5m，其有效封蓋高度均可滿足瓦斯資源量評估及開發的適用條件。

4.2 廢棄煤礦資源量評價

采用資源構成法，對陳家山廢棄煤礦瓦斯資源進行評價。陳家山報廢煤礦瓦斯資源除小部分呈游離態儲存于采空區及臨近的圍巖孔隙中外，大部分賦存于殘余以及受采動影響的臨近煤層中，由于游離態瓦斯占比較小，此次計算忽略不計。資源構成法吸附態態瓦斯資源量技術如下：

陳家山報廢煤礦瓦斯主要存在4－2煤層中，因其i取值為1；目前剩余煤礦為1498.78萬t；瓦斯的排出比例，與工作面間的距離成正比，由于陳家山的下分層與開采煤層為同一煤層，瓦斯排出比例取60%；陳家山煤礦剩余煤炭資源所處的壓力取0.103MPa，4－2煤層瓦斯含量為2.7m3／t，則根據Langmuir方程，在0.103MPa下，剩余煤層中的不可解吸氣量為為0.274m3／t；為原始瓦斯含量減去不可解析量，為2.427m3／t。由此各采空區中的報廢煤礦瓦斯地質資源量約為1.86× 107m3。取0.0389MPa作為低負壓對抽采效果進行推算。在0.0389MPa負壓下，抽采后煤層的不可解吸瓦斯含量為0.1045m3／t。將報廢煤礦瓦斯評估的地質資源量中最終抽采負壓下的不可解吸瓦斯含量扣除，則可得預計的可抽采報廢煤礦瓦斯資源量1.71×107m3。

4.3 經濟分析

廢棄煤礦瓦斯開發利用項目建設投資900萬元，運營成本70萬元／年，項目收益主要為瓦斯發電銷售收入，年發電量約為891萬kWh，累計可發電量約為5120.6萬kWh，可實現年發電收入534.6萬元，累計3072.4萬元。煤層氣開發利用國家補貼0.2元／m3，陜西省政府補貼0.1元／m3計算，共可獲補貼512.1萬元。項目年利潤581.6萬元，具有良好的經濟效益。

［1］ 郭慶勇，張瑞新.廢棄礦井瓦斯抽放與利用現狀及發展趨勢［J］.礦業安全與環保，2003，30（6）：23－26.

［2］ 崔永君.廢棄礦井瓦斯值得關注的煤層氣資源［J］.中國煤層氣，2005，2（3）：27－31.

［3］ 韓甲業.我國廢棄煤礦瓦斯抽采利用現狀及潛力［J］.中國煤層氣，2013，10（4）：23－25

［4］ 孟鵬飛.廢棄礦井資源二次利用的研究［J］.中國礦業，2011，20（7）：62－65.

［5］ 韓保山.廢棄礦井煤層氣資源開發潛力評價方法研究［R］.西安：煤炭科學研究總院西安分院，2003：20－33.

［6］ 孟召平，師修昌，劉珊珊，等.廢棄煤礦采空區煤層氣資源評價模型及應用［J］.煤炭學報，2016，41（3）：537－544.

（責任編輯 劉 馨）

Technology and Prospect Analysis of AMM Development and Utilization

LIUWenge1，ZHANG Kangshun2，HAN Jiaye1，SANG Fengyun1，HUANG Lan1
（1.China Coal Information Institute，Beijing 100029；2.Shaanxi Coalbed Methane Development Co.，Ltd.，Shaanxi710119）

Affected by such factors as falling coalmarket demand，energy structural adjustment，work safety and ecologically environmental restriction，a huge amount of coal mines were closed and abandoned.Those abandoned coalmines are enriched with methane，which is of development and utilization value withmultiple benefits from the aspects of safety，society and environment.The paper analyzes the achievements and successful cases of AMM development and utilization in developed countries such as the UK and Germany，and further researches has been proposed on evaluation methods of AMM resources，key technologies of AMM drainage and utilization and safety and guaranteemeasures.Based on the previous studies，it analyzes the potential and development prospect of AMM resources in China，and demonstrates the technical and economic feasibility of AMM development in China.

AMM；development and utilization；resources potential

國家自然科學基金項目（51374083）

劉文革，男，教授級高級工程師，長期從事煤層氣、安全生產、煤炭行業領域理論政策研究和安全技術研發工作。