废弃煤矿瓦斯开发利用技术与前景分析

刘文革张康顺韩甲业桑逢云黄 岚

（1.国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京 100029；2.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 710119）

废弃煤矿瓦斯开发利用技术与前景分析

刘文革1张康顺2韩甲业1桑逢云1黄 岚1

（1.国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京 100029；2.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 710119）

受煤炭市场需求减少、能源结构调整、安全生产以及生态环境等因素的影响，大量煤矿关闭退出，这些关闭矿井富含大量可以开发利用废弃煤矿瓦斯资源，对其进行开发利用具有安全、社会和环境多重效益。本文系统分析了英国、德国等发达国家废弃煤矿瓦斯开发利用成果、成功案例，对废弃煤矿瓦斯资源量评估方法、抽采利用关键技术和安全保障措施进行了深入研究。在此基础上剖析了我国废弃煤矿瓦斯资源潜力及开发前景，并结合实例论证了我国开展废弃煤矿瓦斯资源开发的技术和经济可行性。

废弃煤矿瓦斯 开发利用 资源潜力

废弃煤矿瓦斯是指因煤炭资源枯竭、不符合安全条件或其他政策技术原因，按国家相关规定程序而关闭的矿井中残存在剩余煤层、围岩及井下密闭空间吸附及游离态的甲烷资源。废弃煤矿瓦斯开发利用，是煤矿即将关闭前，采取一定的封堵措施，利用原提升及回风井筒或在合适位置重新打地面抽采钻孔的方式抽采残存瓦斯资源过程，废弃煤矿瓦斯抽采示意图见图1所示。

图1 废弃煤矿瓦斯开发示意图

废弃煤矿瓦斯其主要成分是甲烷，浓度通常一般在50%～70%，作为清洁能源可用于发电、供热、民用和工业用燃气等方面。开发废弃煤矿瓦斯具有安全、社会、经济和环境多重效益。第一能够增加清洁能源供应，缓解老矿区能源供应紧张局面，推动矿区可持续发展；第二降低了井下密闭空间废弃煤矿瓦斯储存压力，减少了高压废弃煤矿瓦斯从井筒或地表裂缝逸出，给周围居民人身和财产安全带来威胁的可能性；第三减少了瓦斯逸散排放，保护了矿区环境；第四为老矿区提供新的就业岗位，形成新的经济增长点，有利于老矿区工业转型及环境治理。

1 国外废弃煤矿瓦斯开发利用现状

煤炭曾经被认为是廉价易得的主体化石能源，但随着近年来欧美等国对气候变化和环境保护重视程度的提高，煤炭资源逐渐被清洁能源和可再生能源所代替，导致大量煤矿被关闭，其中包括为数不少的高瓦斯井工煤矿。为防治煤矿关闭后瓦斯事故，增加清洁能源供应，英美等国政府非常重视废弃煤矿瓦斯开发利用，出台了一系列优惠政策鼓励企业开发利用废弃煤矿瓦斯资源。

1.1 英国

英国煤炭开采历史悠久，曾是全球重要的产煤大国。但随着世界能源生产消费结构的变化、英国北海油田的开发，英国煤炭产量持续大幅下降。2015年英国政府关闭了最后一座井工煤矿（凯灵利煤矿）。

英国早在1954年就开始废弃煤矿瓦斯开发利用研究，其开发利用技术处于世界领先地位。2014年英国废弃煤矿总瓦斯涌出量9000万m3，其中约7000万m3被回收利用，有15个正在运行或在建的废弃煤矿瓦斯发电项目，总装机容量约52MW。

1.2 德国

德国二十世纪六十年代以来，受石油产业快速发展和环境保护等因素影响，德国煤矿开采业受到较大冲击，大量井工煤矿关闭，从业人员从300万人减少到5000人，2015年剩余的3个井工煤矿也被计划于2018年之前全部关闭。

目前，德国拥有17个废弃煤矿瓦斯抽采利用项目，瓦斯发电装机容量185MW，瓦斯年抽采量2.5亿m3，抽采浓度为15%～70%，年发电量10亿kWh。

1.3 美国

美国是世界上废弃煤矿瓦斯抽采利用商业化最成功的国家，也是世界上首个将废弃煤矿瓦斯排放量计算在温室气体排放总量内的国家。根据《2013美国温室气体排放清单》数据，2011年美国共建设38个废弃煤矿开展瓦斯抽采利用项目，利用的煤矿瓦斯总量约1.6亿m3，其中近60%的项目分布在伊利诺斯州的煤炭盆地中。

2 主要关键技术

2.1 废弃煤矿盖层封盖能力评价方法

废弃煤矿采动影响区资源量评估及后续开发时，需要满足两个基本条件。

（1）气体封存条件，即稳定区内的瓦斯气体不会发生很大程度上的散逸，能够较好的保存下来；

（2）空隙联通条件，即区域上部的含水层中的水体不能大量穿过盖层进入煤层气储层空间，从而使孔隙被封闭。而满足这两个条件，需要区域上覆岩层对于含水层的封盖能力需要满足“最低有效封盖厚度”要求，计算公式如下：

式中，i—储层空间与含水层之间的第i层盖层；θi—岩层封闭能力调整系数；Hi—盖层原始厚度，m；γ—断层倾角，°；∑M—煤层开采厚度，m；c—开采分层数量。Hi＝θi*H，H为上覆岩层不同岩层厚度。泥质岩类的是煤层气储层的最佳封闭层，将泥岩的封盖能力系数视为1，将统计层段内其它的常见岩性岩层厚度与泥岩进行统计矫正，即通过将其他岩层本身的厚度乘以其封闭能力调整系数的方法，把各个岩性的岩层都转化为等效厚度。

2.2 资源量评估方法

由于废弃煤矿瓦斯抽采利用是对残存在关闭煤矿中瓦斯资源二次开采过程，资源量估算困难，影响因素多、不确定性大，国内外学者对废弃矿井煤层气的资源评价方法及其相关理论进行了多年的探索和研究。目前废弃煤矿瓦斯地质储量估算方法包括物质平衡法和资源构成法两种，废弃煤矿瓦斯可采储量估算方法包括物质守恒法和基于流体力学模型的储层模拟法。资源构成法进行废弃煤矿瓦斯资源量评估结果较为准确，为目前国内外普遍采用的方法。但此方法所需数据通常需要进行大量先导性试验方可获得，增加了项目前期投入。

资源构成法的原理为根据废弃煤矿中瓦斯赋存状态，废弃煤矿瓦斯资源总量为游离态的瓦斯量和吸附态的瓦斯量之和，计算公式如下：

式中：Qy1为采空区内的游离态瓦斯资源量，V为采空区体积，gy1为采空区甲烷浓度。

残余遗煤中的吸附态瓦斯资源量可通过如下公式计算：

式中：Qmt为整个受采动影响范围中的吸附态瓦斯资源量，Ti为整个受采动影响范围中的第i煤层的遗煤量，Di第i煤层的瓦斯排放百分比，整个受采动影响范围中的第i煤层可解析瓦斯含量，在一定的压力下不可解析的瓦斯含量。

基于资源构成法算得的地质储量，假设在废弃煤矿瓦斯抽采结束时受扰动区域内的气压统一降低到某一负压值条件下，可抽采的吸附态瓦斯资源量和游离态瓦斯资源量之和即为可抽采废弃煤矿瓦斯资源量。受扰动区域内各煤层中的吸附态可采储量资源量为：

式中：Qmt为整个受扰动区域内可采出的瓦斯资源量，Ti为整个受扰动区域内第i煤层的煤炭资源量，为整个受扰动区域内第i煤层可解析瓦斯瓦斯含量，为整个受扰动区域内第i煤层在一定抽采负压条件残存的瓦斯含量。

废弃煤矿瓦斯抽采前矿井采空区内的游离态瓦斯在整个抽采过程中不断地被外界侵入空气稀释，当采空区内瓦斯浓度低于一定的限值后瓦斯抽采开始变得不经济，此时废弃煤矿瓦斯抽采结束。则采空区内的游离态瓦斯的可采储量为：

式中：Qy为废弃煤矿瓦斯抽采前采空区游离态瓦斯的可采资源量，V为采空区体积，gy1为废弃煤矿瓦斯抽采前采空区甲烷浓度，gy2为废弃煤矿瓦斯抽采终止时采空区甲烷浓度。

2.3 开发利用技术

废弃煤矿瓦斯开发利用是对残存剩余煤矿瓦斯的二次开采过程，与常规天然气和原始煤层气开发技术不同，需要制定具有针对性的开发方案和相应的安全监控保障措施。

2.3.1 开发利用工程技术

为节省投资，充分利用现有设施，英国和德国废弃煤矿瓦斯抽采使用以井筒抽采法为主、地面抽采法为辅的联合抽采方式。为保证瓦斯气源质量，煤矿关闭后，需采用混凝土对废弃煤矿井筒进行密封，对塌陷区裂缝进行填堵，避免空气通过裂隙进入井下密闭空间，造成剩余煤炭资源缓慢氧化。并在煤矿关闭前，在井筒预先埋设连通采空区和巷道的管路，拆除采空区密闭墙，以便后期废弃煤矿瓦斯抽采。根据矿井报废前的煤炭开采规划，预测矿井涌水量和矿井被淹没时间，制定矿井水抽排方案，妥善处理淹井问题。

2.3.2 安全监测技术

随着废弃煤矿瓦斯抽采的进行，当瓦斯解吸量小于瓦抽采量，井下密闭空间压力降低时，一方面造成瓦斯浓度降低，降低了抽采瓦斯质量，另一方面空气通过井筒、地表裂缝进入到井下空间，空气中的氧气与残余煤炭资源发生缓慢氧化反应，导致抽采气体中一氧化碳浓度升高，引起井下残余煤炭资源自燃。因此需要合理制定瓦斯抽采制度，安装实时在线监测系统，对废弃煤矿瓦斯抽采浓度、压力和一氧化碳浓度进行实在在线监测系统，根据监测数据及时调整瓦斯抽采浓度和流量，保证安全高效的持续抽采废弃煤矿瓦斯资源。

3 我国废弃煤矿瓦斯开发利用前景

3.1 报废煤矿数量

煤炭是我国的主体能源，全国煤矿数量众多，且以井工矿为主，占95%左右，受能源结构调整、煤炭需求减少、安全生产以及生态环境等因素的影响，大量煤矿关闭退出。这些关闭矿井大部分是高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井，上下临近煤层、煤柱和井下采空区富含大量可以开发利用废弃煤矿瓦斯资源。据统计2000～2015年全国累计关闭煤矿1.8万余处。关闭煤矿主要位于在山西、湖南、贵州、四川、云南、黑龙江、重庆、河北、辽宁和陕西省10个省（市），这些省份将成为下一步废弃煤矿瓦斯开发的重点省份。

3.2 报废煤矿瓦斯资源量

根据中国煤炭工业年鉴统计，1949～2012年我国井工开采方式下累计残煤资源量为582.7亿t，据此推测中国废弃矿井煤层气储量可达万亿立方米量级，资源量丰富，开发潜力大。

4 应用实例

陈家山煤矿是陕煤铜川矿业公司下辖煤矿，位于陕西省铜川市西北方向，井田走向长约5.5km，宽约3.7km，面积16.0589km2，总体呈南北向展布、西南收敛的不规则多边形，原始表内煤炭地质储量17590.0万t，主采4－2煤，为防止矿井底鼓造成地板突水，采用人工铺假底方式进行分层开采。

4.1 盖层封盖能力评价

这一区域的主要含水层为洛河组砂岩，而4－2煤层之上的性质良好隔水层为宜君组砾岩的上半部分，宜君砾岩之上的地层受采动影响所造成的下沉变形程度很小并明显小于其下地层可推测出宜君砾岩层为主关键层，且其上部也是较好的隔水层。

在陈家山各采空区上方，并无影响重大的断层出现，因此在此处不考虑断层对于封闭性的影响。根据有效封盖厚度计算公式可得采空区上覆盖层的有效封盖厚度为59.2m。不同工作面最大裂隙带高度为30.5m，其有效封盖高度均可满足瓦斯资源量评估及开发的适用条件。

4.2 废弃煤矿资源量评价

采用资源构成法，对陈家山废弃煤矿瓦斯资源进行评价。陈家山报废煤矿瓦斯资源除小部分呈游离态储存于采空区及临近的围岩孔隙中外，大部分赋存于残余以及受采动影响的临近煤层中，由于游离态瓦斯占比较小，此次计算忽略不计。资源构成法吸附态态瓦斯资源量技术如下：

陈家山报废煤矿瓦斯主要存在4－2煤层中，因其i取值为1；目前剩余煤矿为1498.78万t；瓦斯的排出比例，与工作面间的距离成正比，由于陈家山的下分层与开采煤层为同一煤层，瓦斯排出比例取60%；陈家山煤矿剩余煤炭资源所处的压力取0.103MPa，4－2煤层瓦斯含量为2.7m3／t，则根据Langmuir方程，在0.103MPa下，剩余煤层中的不可解吸气量为为0.274m3／t；为原始瓦斯含量减去不可解析量，为2.427m3／t。由此各采空区中的报废煤矿瓦斯地质资源量约为1.86× 107m3。取0.0389MPa作为低负压对抽采效果进行推算。在0.0389MPa负压下，抽采后煤层的不可解吸瓦斯含量为0.1045m3／t。将报废煤矿瓦斯评估的地质资源量中最终抽采负压下的不可解吸瓦斯含量扣除，则可得预计的可抽采报废煤矿瓦斯资源量1.71×107m3。

4.3 经济分析

废弃煤矿瓦斯开发利用项目建设投资900万元，运营成本70万元／年，项目收益主要为瓦斯发电销售收入，年发电量约为891万kWh，累计可发电量约为5120.6万kWh，可实现年发电收入534.6万元，累计3072.4万元。煤层气开发利用国家补贴0.2元／m3，陕西省政府补贴0.1元／m3计算，共可获补贴512.1万元。项目年利润581.6万元，具有良好的经济效益。

［1］ 郭庆勇，张瑞新.废弃矿井瓦斯抽放与利用现状及发展趋势［J］.矿业安全与环保，2003，30（6）：23－26.

［2］ 崔永君.废弃矿井瓦斯值得关注的煤层气资源［J］.中国煤层气，2005，2（3）：27－31.

［3］ 韩甲业.我国废弃煤矿瓦斯抽采利用现状及潜力［J］.中国煤层气，2013，10（4）：23－25

［4］ 孟鹏飞.废弃矿井资源二次利用的研究［J］.中国矿业，2011，20（7）：62－65.

［5］ 韩保山.废弃矿井煤层气资源开发潜力评价方法研究［R］.西安：煤炭科学研究总院西安分院，2003：20－33.

［6］ 孟召平，师修昌，刘珊珊，等.废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用［J］.煤炭学报，2016，41（3）：537－544.

（责任编辑 刘 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

国家自然科学基金项目（51374083）

刘文革，男，教授级高级工程师，长期从事煤层气、安全生产、煤炭行业领域理论政策研究和安全技术研发工作。