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煤炭资源枯竭矿区煤层气的开发与利用

2018-10-19 9:19:01 来源:中国矿业报社 作者:毕彩芹 单衍胜

煤层气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,俗称“瓦斯”。煤层气在盖层封闭、地层压力、水动力等地质条件作用下,被保存在煤层及其相邻地层内,一旦煤层被打开或压力降低,煤层气就会逸散出来。

煤层气是一种清洁能源,燃烧后几乎不产生任何废气,可用于工业、化工、发电和居民生活燃料。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天然气消费需求,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。

目前,对煤层气的开发利用主要有两个主体:一是煤炭生产企业出于煤矿安全的考虑,通过地面或井下抽采的方式,实现采煤采气一体化,达到煤矿区煤层气抽采利用的目的;二是专业煤层气公司通过勘探选区寻找到有利区块,进行地面大规模勘探开发,获得经济利益。煤炭生产企业侧重于采煤范围内的煤层气抽采,煤层气公司侧重于采煤区外的煤层气抽采。

煤炭是不可再生资源,随着开采年限的增长,煤矿的可采资源会逐渐减少,如果一个矿井的保有储量不足矿井储量的20%,或者按正常开采速度开采年限不足5年,我们可称之为资源枯竭矿井;如果煤矿区内资源枯竭矿井达到60%,我们可以称该矿区为资源枯竭矿区。尽管煤炭资源枯竭矿区在现有经济技术条件下可开采的煤炭资源减少,但在这些矿区的深部、外围、采空区和保留煤柱还残留着大量煤炭资源和数量极为可观的煤层气资源。

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,煤层气资源开发潜力巨大,预计到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。由于生产矿井部分残煤中气体尚未完全解吸,因此采动影响范围内临近煤层赋存大量气体,我国残煤赋存煤层气资源总量在1132.7立方米~2187.2亿立方米之间。

资源枯竭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,它们统称为煤炭资源枯竭矿区的“三区”。

三个区域内的煤层气开发技术不尽相同,但都有一个共同的目的,那就是人为创造一个气体排出的通道,以便于煤层气的排采。在原位区,先通过在地面钻井的方式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可达90%以上。

在规划采煤区未采煤之前,可以通过地面钻孔、井下钻孔或两者兼用的方式抽取煤层气。在采煤过程中,采动区的煤层裂隙会逐渐形成、拓展,更有利于煤层气的抽采。由于采动区受通风因素影响,采出的煤层气甲烷浓度平均为30%左右。

煤炭资源被采出后形成采空区,被封闭后形成密闭空间,煤层气不断从残留的煤中逸散出来并在采空区内聚集。几年后,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。采空区煤层气根据封闭时间与抽采时间不同,瓦斯浓度变化幅度较大。

甲烷浓度不同的煤层气用途不同。通过对煤层气的提纯或混配,可以输出不同浓度需求的煤层气,经过压缩、液化可以车辆运输或管道输送至工厂或居民家中。不同甲烷浓度的煤层气分别可作为优质民用燃料、发电燃料、工业燃料、化工原料、液化煤层气原料等。

矿区煤层气不需要提纯或浓缩就可以直接作为发电厂的燃料,不同型号的煤层气发电机设备可以利用不同浓度的煤层气;民用煤层气要求甲烷含量不低于30%;甲烷浓度高于30%的中高浓度煤层气也可作为工业燃料,代替工业煤气、天然气、液化石油气或燃煤;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,可作为辅助燃料助燃;甲烷浓度高于90%的煤层气可为CNG汽车供气;高浓度煤层气可作为化工原料生产一系列化工产品,如煤层气制甲醇、甲醛等;浓度为40%~90%的煤层气可生产炭黑;30%及以上浓度的煤层气可作为制氢或合成氨原料。

据统计,目前我国煤层气抽采总量达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。

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,不断加强煤矿区综合勘查,提升资源综合利用效率。

随着我国对清洁能源日益增长的需求和对煤层气产业发展的重视,煤炭资源枯竭区煤层气开发将有广阔的前景,也将为矿竭城衰的煤炭城市探寻资源、产业转型提供方向和新的经济增长点。□

(作者单位:自然资源部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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