我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用現狀及對其發展的思考

郝海金,陳召英,魯 博

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048000;2.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司,山西 晉城 048000)

為了治理煤礦瓦斯,保障煤礦安全生產,我國自1952年就開展了較為系統的煤礦瓦斯抽放工作,當時主要方法是利用煤礦井下施工的鉆孔或巷道進行瓦斯抽放[1];而煤層氣地面開發始于1989年,主要方法是利用地面抽采孔(井)抽采煤層氣,起初其主要目的是獲取煤層氣資源,實現商業利益,安全與環境效益是其副產品。

近些年,黨和政府對煤礦安全生產越來越重視,為徹底解決煤礦瓦斯災害,保障煤炭工業的快速發展,國務院和有關部委采取了一系列有效措施。2002年國家礦安全監察局和中國煤炭工業協會提出了“先抽后采、監測監控、以風定產”十二字瓦斯治理方針,2005年國家能源局在《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》中,提出“可保盡保、應抽盡抽、先抽后采、煤氣共采”的瓦斯綜合治理戰略[2]。2006年國務院辦公廳《關于加快煤層氣 (煤礦瓦斯) 抽采利用的若干意見》,第一次把瓦斯抽采和煤層氣開發統稱為煤層氣(煤礦瓦斯)抽采,并明確提出:加快煤層氣抽采利用是貫徹以人為本,落實科學發展觀,建設節約型社會的重要體現。必須堅持先抽后采、治理與利用并舉的方針,采取各種鼓勵和扶持措施,防范煤礦瓦斯事故,充分利用能源資源,有效保護生態環境。進一步強調通過強制推行煤礦井下瓦斯抽采、地面開發,確實起到治理瓦斯的作用,因此,國家發展和改革委員會和國家能源局在制定煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十一五” “十二五”和 “十三五”規劃時,都將煤層氣(煤礦瓦斯)抽采作為煤礦瓦斯綜合治理的治本之策,并作為一條主線貫穿于整個規劃。

國家先后出臺了一系列加強煤礦瓦斯防治工作的政策措施,使得我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用水平得到了極大的提升,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量大幅度增長,對防范煤礦瓦斯事故和促進煤礦安全生產也發揮了重要的保障作用,為緩解能源緊張局面和減少環境污染發揮了積極作用。2017年,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量177.66×108m3,其中地面煤層氣產量49.59×108m3,煤礦井下瓦斯抽采量128.07×108m3,全國煤礦共發生事故219起、死亡375人,同比減少30起、151人,分別下降12%和28.7%,煤礦安全生產形勢持續穩定好轉。煤層氣(煤礦瓦斯)利用量92.88×108m3,其中地面煤層氣利用量43.96×108m3,煤礦井下瓦斯利用量48.92×108m3,相當于減排二氧化碳1.4×108t。

雖然我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采取得了令人矚目的成就,但在“十一五”和“十二五”期間都沒能實現煤層氣(煤礦瓦斯)抽采規劃目標,而且根據目前煤層氣(煤礦瓦斯)抽采進展情況,要實現煤層氣(煤礦瓦斯)抽采“十三五”規劃目標,難度也很大。同時,與美國、加拿大和澳大利亞等煤層氣開發技術比較先進的國家相比,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采存在發展速度緩慢、地面單井產量低等問題。因此,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采該如何發展,發展前景到底如何,還沒有形成統一的認識,意見分歧較大。為此,通過分析我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采發展歷程和取得的成就,闡述發展過程中存在的困難和問題并提出相關解決建議。

1 我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采發展階段及特點

自煤層氣(煤礦瓦斯)實施抽采以來,抽采理論、技術與工藝不斷創新和完善,推動了我國煤礦安全生產水平持續提高。為了方便敘述和分析,以煤層氣成為獨立礦種及煤層氣地面開發商業化為時間節點,在此把煤層氣(煤礦瓦斯)抽采發展歷程劃分為以下四個階段:

第一階段:井下瓦斯抽放形成和發展及地面開發探索階段(1950～1995年)。我國20世紀50年代,只有撫順、陽泉、天府等6個礦井抽放瓦斯,60年代又相繼在中梁山、焦作、淮南、包頭、松藻、峰峰等20多個礦井開展了煤礦井下瓦斯抽采工作[3-4],由此也帶動了煤礦瓦斯抽采技術的迅速形成和發展,由高透氣煤層瓦斯抽放、鄰近層卸壓瓦斯抽放逐漸發展到了低透氣煤層瓦斯強化抽采。70年代瓦斯抽放礦井個數猛增到80多個,80年代又增加到111個礦井,90年代抽采礦井個數達到133個[4],抽放礦井數時和抽采總量都穩步增加(歷年瓦斯抽采量如圖1所示),由圖1 可知,1952年全國煤礦瓦斯抽放總量僅有0.66×108m3,到1995年,全國煤礦瓦斯抽放總量已達到了12.9×108m3,抽放量增加了12.3×108m3,增長了近19倍。同時煤礦瓦斯抽放量和煤炭產量有很好的正相關關系,表明瓦斯抽采對保證煤炭產量的提升起到了很好的促進作用。

圖1 1950—1995年歷年煤炭產量和瓦斯抽放量Fig.1 Coal production and gas extraction from 1950 to 1995

1975年,在遼寧撫順、山西陽泉、湖南冷水江等礦區試驗地面直井開采煤層氣,但沒有取得理想結果,未能持續下來。1989年原能源部召開了第一次“開發煤層氣研討會”,開始掀起全面勘探開發煤層氣的熱潮[4]。這一時期主要特點是:1)煤層氣(煤礦瓦斯)還不是獨立的礦種。2)井下瓦斯抽放技術快速形成和發展,在高透氣煤層形成了順層密集長鉆孔本煤層抽放技術;在鄰近層形成了穿層鉆孔、頂板走向長鉆孔和高抽巷抽放技術;在低透氣煤層形成了以煤層注水、水力壓裂、水力割縫、大直徑鉆孔、網格式密集布孔等多種強化抽采技術。3)煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采處于探索階段。1992年聯合國開發計劃署資助我國開展煤層氣開發,啟動了“中國煤層氣資源開發”和“中國深層煤層氣資源勘探”項目[4]。

第二階段:井下瓦斯抽放加速發展和地面開發商業化啟動階段(1995～2005年)。20世紀90年代后期,我國煤炭市場低迷,煤礦企業經營十分困難,多數煤與瓦斯突出礦井生產和安全投入嚴重不足,欠賬太多,貫徹“先抽后采”力度不夠,很難實現“抽、掘、采”協調發展[5]。煤礦的安全狀況引起了黨和政府的高度重視,為了改變這種不利局面,1997年煤炭工業部發布了《礦井瓦斯抽放管理規范》(煤安字[1997]第189號),并頒布了《煤礦瓦斯抽放技術規范》(煤炭行業標準MT/T-1997,),規定凡符合抽放條件的礦井,必須建立瓦斯抽放系統,開展瓦斯抽放工作。同時規定進行瓦斯抽放的礦井必須把礦井瓦斯抽放納人到采掘工作面、采區、礦井設計中,投產驗收時必須同時對瓦斯抽放工程驗收,不合格不得投產。2000年設立國家煤礦安全監察機構,建立垂直管理的煤礦安全監察體系,加強了對煤礦安全生產工作的組織領導。2002年～2005年,國家又每年投入30億元,帶動企業和地方投資,對重點煤礦進行瓦斯治理和安全技術改造。

由于政府積極引導和支持,煤礦瓦斯抽放迅速發展,據不完全統計,1996年,我國有133座煤礦建立了井下抽放系統和地面輸配氣系統,年抽采總量達6.3×108m3, 到2005年,我國有228座煤礦進行瓦斯抽采,其中陽泉、淮南、撫順、松藻、盤江礦區為瓦斯抽放量最大的5個礦區,全國抽采總量達到了23×108m3,抽采量有了較大幅度的增長[5],與1996年相比抽產量增加了16.7×108m3,增長了2.7倍(如圖2所示)。

圖2 1995—2005年歷年煤炭產量和瓦斯抽放量Fig.2 Coal production and gas extraction from 1995 to 2005

在加速發展井下瓦斯抽采的同時,也在積極探索煤層氣地面開發。1998年國土資源部與遼寧阜新市共同在阜新市劉家礦區開展了采前地面預抽煤層氣的試點工作。1998～2001年,在劉家區共施工了4口煤層氣參數及試驗井,經排采試驗,單井日產氣量最高達7 000 m3,平均3 000 m3左右,甲烷成分98%左右,表明該區具有良好的煤層氣開發前景[6]。2002年又施工了4口煤層氣生產井,形成了8口煤層氣小井網供氣格局,2003年正式向阜新市區供氣,平均每天供氣約2 000 m3,顯示了我國煤層氣資源開發利用巨大的前景,并開始引進國外先進技術,由勘探開發、理論與技術研究發展階段,逐步向商業性開發發展。

盡管如此,由于瓦斯抽放設備發揮作用的滯后性,這十年間煤炭產量沒有增加太多,2000年前后煤炭產量還出現了下降,但煤炭原煤百萬噸死亡率仍居高不下,1999年煤礦百萬噸死亡率達到了創紀錄的6.08(如圖3所示),全國僅僅生產了10.45億t煤炭,就有5 518名礦工因工死亡。

圖3 1995—2016年歷年煤炭產量和百萬噸死亡率Fig.3 Coal production and death rate per million tons from 1995 to 2017

這一時期特點為:

1)煤層氣(煤礦瓦斯)已成為獨立的礦種。1996年修改礦產資源法,1998年國務院頒布 《礦產資源勘查區塊登記管理辦法》、《礦產資源開采登記管理辦法》,把煤層氣列為國務院地質礦產主管部門管理的34個礦種之一。2)煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術主要成果是創立和發展了卸壓抽采模式(“淮南模式”),針對多煤層和軟煤層地地質條件,創立了不同距離保護層(解放層)卸壓的煤與瓦斯共采模式及其配套工藝技術,推動了多煤層、構造煤發育地區高瓦斯礦井抽采技術難題的解決,標志著井下瓦斯抽采技術已進入綜合抽采和立體抽采階段,促進了瓦斯抽采技術的快速發展[7-9]。3)2003年遼寧阜新市劉家區煤層氣地面小井網試驗成功,標志著我國煤層氣地面抽采從開發試驗階段轉入商業化生產啟動階段。

第三階段:井下規模化抽采和地面抽采商業化階段(2005～2017年)。2006年6月,國務院辦公廳下發了《于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》。確定了加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用,必須堅持“先采氣、后采煤”的方針和對煤炭、煤層氣綜合勘查、評價和儲量認定的原則。2007年,財政部 國家稅務總局《關于加快煤層氣抽采有關稅收政策問題的通知》從稅收政策方面鼓勵煤層氣抽采。2008年國務院安全生產委員辦公室下發了“關于進一步加強煤礦瓦斯治理工作的指導意見”明確提出“強化多措并舉、應抽盡抽、可保盡保、抽采平衡的技術措施,確保抽采達標”要求煤礦經抽采瓦斯后,采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回風流瓦斯含量要達到《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026—2006) 的要求,這些政策的出臺極大促進了煤層氣(煤礦瓦斯)抽采。

2015年,全國大中型高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井均按要求建立了瓦斯抽采系統,煤礦瓦斯抽采礦井數已達1 800多座,分區域建設了80個煤礦瓦斯治理示范礦井,建成了30個年抽采量達到億立方米級的煤礦,山西、貴州、安徽、河南、重慶等5省(市)煤礦瓦斯年抽采量超過5×108m3,煤礦瓦斯抽采利用量逐年大幅度上升。2015年,煤礦瓦斯抽采量136×108m3,比2005年增加了115×108m3,提高了6倍多。2005年之前,我國地面煤層氣鉆井數量僅為307口,2010～2012年平均每年新增鉆井數量在3 000 口以上。2013年減少到1 500口,2014年減少到1 200口,至2015年全國新鉆煤層氣井11 300余口,新增煤層氣探明地質儲量3 504億 m3。

這一時期主要特點是:1)在煤層氣(煤礦瓦斯)抽采方面,創立了三區聯動的煤層氣(煤礦瓦斯)立體遞進抽采模式“晉城模式”),使地面抽采與煤礦井下瓦斯治理有機結合,實現了單一厚煤層大面積精準高效低成本規模化抽采。以松藻礦區為代表,開展了松軟突出煤層鉆進及煤礦井下了水力壓裂增透抽采為主的技術示范,形成“三區配套三超前增透抽采”煤與煤層氣協調開發模式[10-13](“松藻模式”)。隨著井下規模化抽采和地面商業化開發步伐的加大,抽采總量快速增加(如圖4所示),由圖4可知,2007年至2013年,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采采量出現了爆發式增長,由23億提高到156億,增加了近7倍。2)煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采初具規模。建成沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣煤層氣地面開發產業化基地,實現抽采量快速增長。2005年煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采量不足×108m3,到了2015年已上升到44×108m3,煤層氣地面開發初具規模。3)煤礦安全形勢明顯好轉。由上圖3可以看出,盡管這十年煤炭產量快速增加,但煤礦原煤百萬噸死亡率得到本質性的大幅度降低,從2001年的5.07降到2010年的0.8,2015年降到了0.157,煤礦安全形勢取得了根本好轉。這種驚人的成效充分體現了煤層氣(煤礦瓦斯)開發具有的重大價值,即不僅是獲得了潔凈能源,更重要的是保障了煤礦的安全高效生產。

圖4 2005—2017年歷年煤炭產量和瓦斯抽放量Fig.4 Coal production and gas extraction from 2006 to 2015

第四階段:煤與煤層氣協調開發穩步推進,地面開發處于蓄勢爆發階段(2017年至今)。

經過二十多年的發展,我國煤炭開采與煤層氣資源開發逐步由煤炭與煤層氣獨立開發向真正意義上的先采氣、后采煤、采氣采煤一體化的煤與煤層氣協調開發方向發展,已初步形成了以“淮南模式”“晉城模式”和“松藻模式”三種方式為代表的煤與煤層氣協調開發基本模式,進入“十三五”以后,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采主要是三種模式的改進完善和推廣。

為了減少污染物排放、改善空氣質量,2016年國家實施了“煤改氣”“油改氣”等天然氣替代項目,受此影響,2016年煤炭產量略有下降,2017年又略有回升(如圖3所示),但仍沒有達到2013年的產量。同時,煤礦井下瓦斯抽采總量也略有波動,但波動幅度不大,同時煤層氣地面抽采量仍穩步增長。

雖然我國煤層氣(煤礦瓦斯)產業已進入規模開發階段,但在煤層氣基礎地質理論、富集高產主控因素、資源潛力及勘探方向等方面仍然存在諸多難題,其直接后果是導致投資 熱情下降, 2015～2017年平均每年新增鉆井數量僅為幾百口(如圖5所示)。

圖5 1999—2017年煤層氣地面鉆井數量分布Fig.5 Coalbed methane ground drilling quantity distribution from 1999 to 2017

2006年,我國煤層氣探明儲量約1 000×108m3,2010～2012年平均每年新增探明儲量約1 300×108m3,之后,新增探明儲量急劇下降。據不完全統計,截止到2017年底,我國煤層氣探明儲量約7 118×108m3,僅占預測資源量的1.9%。

這一時期特點為:1)煤炭安全形勢持續向好,2016年和2017年煤炭原煤百萬噸死亡率分別為0.156和0.106,處于歷史最好水平。2)煤礦區煤與煤層氣協調開發、一體化開發模式已基本形成,也逐漸被人們所認可,目前正處于推廣應用和適應性改造完善階段;煤炭產量相對穩定或略有下降,但隨著井上下立體規模化抽采的穩步推進,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量相對穩定或略有上升。3)地面開發井數已達17 000多口,數量已具規模,但是單井產量低,地面抽采仍處于蓄勢期爆發時期,急需地面開發理論與技術地革命性突破。

2 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術取得的主要成果

1)基本明確了全國的煤層瓦斯資源、儲存、分布特征,煤層氣基礎地質理論研究方面取得較大進展,而且在煤層氣選區評價、勘探關鍵技術、單井排采工藝、地面集輸等方面積累了豐富經驗。

2)建立了煤與煤層氣協調開發模式。經過近十幾年的研究和探索,我國已形成煤層氣與煤炭協調開發的三種典型模式:其一,三區聯動井上下整體抽采煤層氣開發模式及技術體系,主要以晉城礦區為代表;其二,保護層卸壓井上下立體抽采煤層氣開發模式及技術體系,主要以兩淮礦區為代表;其三,三區配套超前增透抽采煤層氣開發模式及技術體系,主要以松藻礦區為代表。

3)形成了一批適宜我國煤層氣(煤礦瓦斯)資源條件的關鍵抽采技術。

①井下瓦斯抽采:由本煤層所采發展到鄰近層抽采、再發展到利用采煤過程中巖層移動對瓦斯的卸壓作用的保護層卸壓以及近幾年發展起來的三區聯動井上下立體抽采,形成了采前、采中和采后的系統瓦斯抽采技術體系。②初步形成適宜于我國煤層氣(煤礦瓦斯)特點的高階煤煤層氣勘探開發技術系列,對我國煤層氣產業的發展起到了重要的技術支撐作用。以提高單井產量為目標的新技術試驗取得初步突破,包括U型井分段壓裂技術、雙臺階水平井技術、頂板梳狀水平井技術等，形成了以活性水、大排量、中砂比為核心的煤層氣井水力壓裂技術體系。基于煤層氣壓力傳播及區域降壓基本原理、以實現保護儲層和獲得理想產量為目標、總結出了適宜于我國煤層氣特點的“穩定、連續、長期”排采的技術工藝體系。初步形成適宜于煤層氣低壓、多井、復雜地形條件的地面集輸技術體系。③形成了鄂爾多斯盆地東緣煤層氣地面開發產業化基地和沁水盆地煤層氣產業化基地,基本實現了規模化、商業化、產業化開發,表明我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發潛力巨大、前景良好。

3 存在的主要問題

3.1 認識存在偏差,對煤層氣地面開發期望值過高

關于煤層氣地面開發技術的引進和發展,至少在以下兩方面存在不足:一是對美國煤層氣產業快速發展背景認識不全面。看到了美國煤層氣產量快速提升的現象,沒有認識到美國在這之前用了將近20多年的時間,投入了大量的人力和物力全面研究煤層氣開發理論與技術,僅在20世紀80年代,美國政府為開展煤層氣研究投入大量人力物力開展煤層氣開發研究工作,投到天然氣研究所的研發經費就高達4億多美元，并且是在理論和開發技術上都取得突破后才開始大規模產業化開發。二是對我國煤層氣資源復雜性、難采性認識欠缺。與美國相比,盡管我國煤層氣資源量很大,但構造煤、低滲以及深部、低階煤煤層氣資源量占到70%～80%,抽采難度大。正是認識上的欠缺,思想準備不充分,又急于求成,導致在制定“十一五”“十二五”煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用規劃時,目標定的太高,只完成了30%～40%(見表1),因此，國家制定“十三五”規劃時,能源局對地面煤層氣抽采量目標降低了37.5%,對地面煤層氣和煤礦(井下)瓦斯利用率各降低了10%。據2017年完成的情況看,要實現該目標依然有很大困難。

表1 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采規劃與實際完成情況

3.2 煤層氣地面開發上重工程實踐,輕研發投入

盡管1952年美國就成功地進行了140 m以淺煤層地面垂直井抽放瓦斯試驗,獲得1 100 m3/d的單井產量;1971年在黑勇士盆地又進行了五點式井網試驗,單井產量達2 800 m3/d[14],但美國并沒有立即進行大規模工業化開采,而是投入了大量人力物力開展理論和技術研究,據不完全統計,至九十年代初美國政府投入煤層氣勘探經費達60億美元。

經過十多年不斷研究,直到1988年,美國才在煤層氣地面開發理論與技術上取得了重大突破,形成并完善了煤層氣開發的“解吸——擴散——滲流”理論、中階煤生儲能力和成藏優勢及井間干擾理論,并以此為基礎,形成了“排水——降壓——采氣” 煤層氣生產流程,才開始在圣胡安和黑勇士盆地投入工業化試驗開發。在此期間,美國共施工了各類煤層氣井644口,進行勘探和試驗性開發,1988年煤層氣產量為11×108m3[15]。

1990年我國正式引進地面開發技術,實施煤層氣地面開發,2003年煤層氣地面抽采量僅為0.3×108m3,而到了2009年,煤層氣地面抽采量已達10.5×108m3。如果僅僅從煤層氣產量發展速度上來看,我國比美國發展的還要快,還要好。但值得注意的是,美國1988年煤層氣產量為11×108m3時,煤層氣生產井井數為644口;而2009年我國煤層氣地面抽采量為10.5×108m3時,煤層氣生產井井數達3 200口,是美國井數的5倍。

經歷了二十多年的發展,我國已初步建成了沁水盆地及鄂爾多斯盆地東緣量大產業發展基地,全國主要的勘探投資也集中在這兩大盆地。我國地面煤層氣井數量達17 000口,但地面煤層氣抽采量不足44億 m3,與美國1999年14 000口生產井約354億 m3產量相比,我國單井平均產氣量明顯偏低。究其原因，最重要的是我國在煤層氣地面開發方面重工程,輕研發,前期投入不足、勘探程度低、基礎研究工作不到位,照搬照抄國外勘探開發理論方法或工藝,技術缺乏適應性與針對性,煤層氣地面大規模勘探開發之前缺乏預研究和試驗,除了國家科技支撐計劃“煤礦瓦斯、火災與頂板重大災害防治關鍵技術研究”、“973”計劃、“預防煤礦瓦斯動力災害防治關鍵技術研究” 、“九五”國家重點科技攻關項目“新集礦區淺層煤層氣示范開發成套工藝技術及專用裝備研究”等少數研究項目,國家和企事業單位在煤層氣地面開發方面的科研投入嚴重不足,基本是參照國外技術,邊干邊研究,在沒有適合我國地質條件的煤層氣地面開發理論和技術的情況下,倉促實施大規模商業化開發,結果煤層氣地面開發效果遠低于預期效果。

3.3 重資源開發,輕安全和環境

早在2005年國家能源局組織編制《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》時,就認為保證煤礦安全生產對煤層氣發展是非常重要的,把發展煤層氣產業的理念由最初的“資源、安全與環境”調整為“安全、資源與環境”,事實上,隨著我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用水平不斷提高,對防范煤礦瓦斯事故和促進煤礦安全生產發揮了重要保障作用。2010年與2005年相比,煤礦瓦斯事故數量、死亡人數分別下降65%和71.3%。2015年,全國煤礦發生瓦斯事故45起、死亡171人,分別比2010年下降69.0%、72.6%,重大瓦斯事故數量、死亡人數分別比2010年下降66.7%、68.9%。但在實際煤層氣(煤礦瓦斯)抽采工作中,存在重資源開發,輕安全和環保現象,主要表現在:

1)在煤層氣(煤礦瓦斯)勘探開發時,仍然沿用常規天然氣的方式,注重所謂有利區塊、甜點區的選取與開發,而不是根據煤礦采掘銜接和回采的需要安排煤層氣(煤礦瓦斯)勘探開發,沒有真正考慮未來煤礦開采的安全問題,無論是區塊優選還是開發技術方案都沒有真正體現所謂的安全與環境,安全與環境僅僅是一種副產品。

2)大量的人力和物力投入到了深部煤層氣(煤礦瓦斯)開發研究之中,而對正在開采的淺部松軟煤層煤層氣抽采重視不夠。由于我國新一輪煤層氣資源評價(以煤層埋深2 000 m以淺為評價對象)結果表明[16],1 000 m以淺煤層氣地質資源量為14.3×1012m3,占38.9%,埋深1 000 m～2 000 m為22.5×1012m3,占61.1%,深部煤層氣資源量大,大量研究人員和勘探開發人員都投身于深部煤層氣(煤礦瓦斯)勘探開發研究之中,而對目前急需解決的松軟煤層煤層氣抽采難題重視不夠。實際上,目前我國煤礦開采深度只有少部分礦井達到了千米深度。千米深井主要集中在山東、河南、安徽及江蘇等華東地區,該地區深井占到全國的80.85%,而其它地區短時間內不會開采千米以深,特別是2 000 m以深的煤層,比如晉陜內蒙古、新疆、冀豫皖和云貴川渝等四個地區,煤層氣資源豐富地區,占全國煤層氣資源的95%,短時期內煤礦開采深度超過1 000 m的可能性不大。例如,山西省2014年還規定“山西新建大中型礦井開采深度(第一水平)原則上不應超過1 000 m,改擴建大中型礦井開采深度原則上不應超過1 200 m”。

3)投入大量精力進行廢棄礦井煤層氣抽采。有專家對我國廢棄礦井煤賦存煤層氣資源作了估算[17],認為總量在1 132.7×108m3～2 187.2×108m3之間,普遍認為廢棄煤礦瓦斯資源量巨大,有近萬億立方米,極具開發價值,且具有多重效益,意義重大,因此,廢棄煤礦瓦斯抽采比較火熱,多地開展了廢棄礦井抽采瓦斯試驗。事實上,無論廢棄礦井煤層氣抽采效益多好,已與煤礦安全生產無關,純粹是一種資源開發行為。

3.4 利用形式單一,利用率低

雖然我國煤礦瓦斯利用起步早,從20世紀50年代開始瓦斯抽采時就開始利用,而且黨和政府一直鼓勵多渠道利用瓦斯,但從1995以來井下抽采瓦斯利用率呈下降趨勢(如圖6所示)。

圖6 1995年—2017年中國煤礦井下瓦斯利用率變化趨勢Fig.6 Gas utilization trend in China from 1995 to 2017

2017年全國煤層氣(煤礦瓦斯)井下抽采量177.66×108 m3,比1995年增長了2 100%,但瓦斯利用率由1995年為75%下降至2017年的38.2%。煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采時甲烷濃度高,利用率相對較高,2017年煤層氣地面抽采利用率約為88.6%。僅2017年就有84.79×108m3抽采的煤層氣(煤礦瓦斯)資源無法利用,這部分氣體大部分排入大氣中,既浪費了資源,又污染了環境。

晉城市是全國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采和利用最好的城市之一[18],已建立比較完善的瓦斯抽采、輸送、加工、運輸、民用燃氣、工業燃料、瓦斯發電等一條龍商業化開發利用體系,輸送管道全長506 km,年輸氣能力近100×108m3,瓦斯發電廠39座,總裝機容量503 MW,有煤層氣液化項目8個,總液化量3.77×108m3,運營CNG加氣站45個,煤層氣居民用戶40.5萬戶,工商用戶2 067戶。即使具備如此較完善的輸送、利用體系,其利用率現狀也不容樂觀。作為晉城市最大的煤炭和煤層氣生產單位,晉煤集團2017年井下抽采量為14.2×108m3,,地面抽采量為14.3×108m3,利用量分別為7.9×108m3和10.9×108m3, 其利用率也只有56%和76%,仍有9.7×108m3煤層氣排空。

造成這樣狀況的主要原因有:一是利用難度大,首先煤礦抽采出的煤層氣大部分為低濃度瓦斯,不能進行遠距離輸送,用戶僅限于礦區附近,難以形成規模效益；二是各煤礦抽采規模小而分散,不便于利用;三是濃度經常變化,成分復雜,導致利用困難,同時也無法與高濃度煤層氣混輸混用；四是利用形式單一,煤礦瓦斯利用主要集中在民用、發電、工業燃料及化工原料等方面。

4 對策及建議

4.1 對抽采重要性和難度保持清醒認識

盡管煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用,對保障煤礦安全生產、增加清潔能源供應、減少溫室氣體排放和保護生態環境具有重大的意義,但是要清醒認識到我國煤層氣開發的難度,要達到理想目標還有很長的路要走。

1)我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采采難度大。煤層氣資源具有成煤條件多樣、地質條件復雜、成煤時代多期,煤階跨度大、煤變質作用疊加、非均質性強、滲透率低等特點,因此我國煤層氣地面開發的難度要遠大于常規油氣和國外煤層氣開發。

2)高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井必須抽采煤層氣(煤礦瓦斯)。按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》辦法規定:煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井必須建立地面固定抽采瓦斯系統;應當進行瓦斯抽采的煤層必須先抽采瓦斯,抽采效果達到標準要求后方可安排采掘作業; 煤礦瓦斯抽采應當堅持“應抽盡抽、多措并舉、抽掘采平衡”的原則。

3)我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采和利用還需持續研究和實踐。盡管我國煤層氣(煤礦瓦斯)取得了很大的進步,但要看到開采的效率低下。井下瓦斯抽采方面,因抽采效率低,不得不利用底板巖巷進行穿層抽采、千米長鉆孔進行順層鉆孔抽采,致使部分礦井每立方瓦斯的抽采成本達到了10元以上,大大增加了煤炭開采成本。煤層氣地面開發方面,到目前已施工了17 000多口地面抽采井,而年抽采量也只有50×108m3,低產井多,經濟效益差,嚴重影響了煤層氣開發熱情。

4.2 采煤采氣一體化開發是煤礦區煤層氣抽采必由之路

由于煤層氣資源與煤炭資源屬于典型的同源同體的共伴生礦產,因此煤礦區煤層氣開發與煤炭開采有著密不可分的內在關聯。正確對待采煤采氣協調開采問題,貫徹執行國家提出的“先抽后建、先抽后采、應抽盡抽”要求,堅持采煤采氣一體化、地面與井下抽采相結合,才能通過瓦斯抽采與利用,解放生產力,保護生命,保護資源,保護環境[19]。

1)煤炭開采不再將瓦斯抽采作為專項措施,煤層氣地面開發也不再作為單純的可燃烴類氣體資源的開發,而是將瓦斯抽采和煤層氣開發視為煤礦安全生產體系的重要組成部分。

2)煤層氣抽采與煤炭開采一體化部署,將煤層氣抽采計劃納入到礦區和礦井的生產接替安排之中,將抽、掘、采配套進行生產計劃及銜接安排,根據預抽時間、地質條件決定預抽方式,依據預抽效果、采煤工作面布置以及采掘進度確定不同瓦斯含量區域的抽掘采接替方案。

3)實現煤層氣抽采與煤炭開采一體化,可為煤層氣(煤礦瓦斯)抽采持續發展提供資金支持。為了保障煤礦生產安全,企業每年都要投入了大量的人力和物力,按照《企業安全生產費用提取和使用管理辦法》(2012年),煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井、高瓦斯礦井的原煤單位產量提取的安全費用為30元。根據國家能源局煤炭司2012年3月關于瓦斯防治能力評估有關精神,瓦斯防治費用不低于煤礦提取的安全費用總額的50%單列,煤礦這部分投入可為煤層氣(煤礦瓦斯)抽采提供資金支持。

4) 實現煤層氣抽采與煤炭開采一體化,要改變目前地面抽采井經濟性評價方法。目前由于本煤層抽難度大,部分煤礦被迫采用板巖巷進行穿層鉆孔瓦斯抽采,致使煤礦井下瓦斯抽采成本高,且采掘銜接交替容易失調。如果這些煤礦可以進行煤層氣地面抽采,那么在評價地面抽采經濟效益時,就不應簡單地用煤層氣產資源產生的效益來評價煤層氣抽采的經濟性,而是要與井下瓦斯抽采成本來對比,只要地面煤層氣抽采成本低于井下瓦斯抽采成本,地面抽采就應該認為是合理和經濟的。堅持地面和井下相結合的煤與煤層氣共采模式,充分利用煤炭開采對煤儲層的卸壓增透作用,構建采煤采氣一體化格局,實現煤礦瓦斯事故數量和死亡人數均大幅下降,爭取少傷亡或零傷亡,最終實現“安全——資源——環保”的綠色發展模式。

4.3 理論與技術創新是突破發展瓶頸的關鍵

馬克思主義認為:理論與實踐存在辯證關系,實踐是理論的基礎,是檢驗理論真理性的標準;理論來源于實踐并隨著實踐的發展而發展,理論的價值主要在于理論對實踐具有巨大的指導作用。但是只有實踐是不能自然而然地形成理論的,如果沒有系統的研究和分析,即使實踐再多,實踐的時間再長,也不能提出任何新的概念和新的觀點,更不能提出系統的新理論,因此,我國煤層氣(煤礦瓦斯)地面開發要實現高效開發,不重視理論對實踐重大的指導作用,沒有理論和技術的突破,是不可能實現的。

我國煤層氣資源存在低壓、低滲、低飽和的“三低”現象以及具有地質變動的特殊性,而針對這些特點的勘探、生產技術和工藝都沒有取得突破性進展,因此制約了我國煤層氣產業的發展。應重視煤層氣資源與常規油氣或其它非常規油氣資源的區別,增加規模開發前的投資比重,從基礎地質研究做起,根據不同的地質條件探索不同的理論和工藝技術體系,設置合理可行的規劃目標,積極攻關但又不能急于求成,時刻保持清醒認識,堅持腳踏實地,最終形成具有中國特色的煤層氣科技體系。

由于煤層氣資源賦存條件復雜,開發技術要求高,區域適配性差，沁水盆地成熟的開發技術難以適應其他地區的地質條件;已開發區域仍存在開發成本高、單井產量低等，礦井下抽采面臨的松軟低滲透煤層抽采鉆孔鉆進困難和抽采效果差等重大技術問題,因此急需在煤層氣的存機理、吸附機制、儲層改造、排采等方面有理論與技術創新,實現我國煤層氣開發理論及技術的突破是實現煤層氣持續發展的關鍵。進一步加大對煤層氣(煤礦瓦斯)基礎理論研究和關鍵技術及裝備研發的支持力度。到目前為止,還沒有煤層氣地面開發系列標準,煤層氣開發利用標準體系急待建立健全,勘探、鉆井、固井、壓裂、開采等標準內容需要完善。

4.4 高效利用是保證,堅持以用促抽

抽采出來的煤層氣(煤礦瓦斯),只有得到利用,才能體現出資源效益和環保效益,否則,大量低濃度瓦斯稀釋后排空,浪費了資源、污染了環境。因此,必須加大煤層氣(煤礦瓦斯)高效利用技術的研發,提高其利用率,最終實現全部利用。

1)加強管網及配套設施建設,研發低濃度煤層氣(煤礦瓦斯)安全儲運關鍵技術,實現低成本輸送和利用。2)開展低濃度瓦斯提純和固體燃料電池發電等關鍵技術的研發。3)對于因煤層氣抽采量少,無法利用的礦井,政府應鼓勵企業投資建設煤層氣集中利用設施,把附近多個煤礦抽采的煤層氣進行收集、處理和利用。4)政府應加大對抽采煤層氣利用率的考核,不僅要鼓勵抽采利用,而且對利用率低企業采取必要措施,使其加大煤層氣利用率。

5 前景展望

煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用,極大地促進了煤礦的安全生產,同時提供了清潔能源并保護了環境,是一舉多得的事情,是推動煤炭工業安全發展、節約發展、清潔發展,實現可持續發展的戰略舉措。相信隨著國家和社會各界對煤層氣(煤礦瓦斯)抽采的重視,法律政策制度的完善,科研資金投入的不斷加大,采煤采氣一體模式的進一步推廣,抽采理論、技術和工藝革命性創新,一定能突破制約煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用快速發展的瓶頸,使其產生質的飛躍,進入快速發展新階段,為我國煤炭安全高效開采和煤炭工業健康發展做出貢獻。