加快关闭煤矿煤层气资源开发利用的思考与建议

2018-12-27吴国强宁树正贺小龙刘亚然朱士飞乔军伟王福国郭爱军王行军李海丽

中国煤炭地质 2018年11期

任辉，吴国强，宁树正，贺小龙，刘亚然，朱士飞，乔军伟，王福国，郭爱军，王行军，李海丽

(1.中国煤炭地质总局,北京 100038; 2.中国煤炭地质总局航测遥感局,西安 710199;3.中煤地质集团有限公司,北京 100040; 4.江苏地质矿产设计研究院,江苏徐州 221000;5.中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京 100039)

0 前言

由于受到能源结构优化调整、安全生产标准越来越高、生态环境保护等多种因素的影响，我国关闭煤矿数量持续增长，具有数量多、残煤量大、煤层气含量高的特点。据有关学者调查，目前的关闭矿井中煤层气资源量达近5 000亿m3[1]。虽然关闭煤矿中赋存着可观的煤层气资源，但是我国煤炭企业对关闭煤矿煤层气资源勘探开发的经营意识淡薄，多数煤矿关闭后为确保其安全，通过预留通风孔，将井下释放出的煤层气直接排放到大气或者燃烧，不仅造成环境污染，更造成清洁能源的浪费。

关闭煤矿煤层气资源的高效勘探开发利用，不仅能够减少清洁能源的浪费，变废为宝，还能避免煤层气对环境的污染；与此同时，为关闭煤矿企业提供了一条转型可持续发展的道路，为关闭煤矿员工提供了再就业的机会。本文在对我国关闭煤矿煤层气资源分布情况、关闭煤矿地质特征以及其开发利用现状进行分析的基础上，对其存在的问题进行阐述，并提出相关建议。

1 我国关闭煤矿分布及地质特征

1.1 我国高瓦斯关闭煤矿分布

据不完全统计，2005—2018年全国关闭煤矿井约1.5万处，2014—2018年全国关闭煤矿井约7 600处，其中关闭煤矿井数较多的省份分别为重庆、湖南、黑龙江、贵州以及云南，其关闭煤矿井约占全国关闭煤矿井的47%。据袁亮院士相关研究项目指出，预计到2020年，我国关闭/关闭煤矿数量将达到12 000处，到2030年数量将到达15 000处[1-3]。

我国已关闭煤矿中约70%属于高瓦斯矿井[4]。我国高瓦斯矿井的分布受含煤地层条件、区域地质构造控制作用明显[5]。结合张子敏[5]、任辉[2]对我国煤层气赋存规律的研究发现，关闭的高瓦斯矿井主要分布在重庆、湖南、贵州、云南、四川、山西、江西、安徽等地区，尤其以贵州、重庆以及湖南等地区关闭高瓦斯矿井最多(图1)。

图1 全国高瓦斯矿区及关闭煤矿示意图(底图据任辉，2018)Figure1 A schematic diagram of gassy coalmine areas and closed coalmines in China (after Ren Hui, 2018)

1.2 我国关闭煤矿地质特征

1.2.1 关闭煤矿地质条件分析

对于我国煤田地质条件，中国由汇聚的陆块拼合而成，其碰撞拼合期次多，煤田遭受了多幕次、多方向的后期构造运动的强烈改造，致使我国煤田区域构造、地质条件复杂[6-7]。有关学者对于关闭矿井煤层气(煤层气)的分布范围进行了界定：由主采煤层向上，到裂缝带顶部界面止，纵向上以冒落带边界面和裂缝带边界面为边界，从主采煤层向下到应力释放边界为止，横向上以采动范围为界[8]。因此我们可知关闭煤矿地质条件与未采动煤田存相较，发生了较大变化。整体上，我国煤层埋藏较深，构造煤发育，地应力高，不同地区煤田地质条件差异较大[6]，对于关闭煤矿井，由于受到采动的影响，煤储层地应力发生变化，煤田地质条件差异化更加明显。

从煤储层特征上看，我国煤储层具有渗透率较低、含气饱和度较低、储层压力较低的特点，即使在同一地区，煤储层非均质性表现较为明显，煤层气富集条件亦存在较大差异[9]，而关闭煤矿井由于受到采动的影响，煤层应力场发生变化，残煤及上下邻近煤岩层裂隙增多，煤储层渗透率增加，含气量发生规律性变化。

1.2.2 关闭煤矿煤层气赋存特征分析

关闭煤矿由于受采动影响，煤层气的赋存、运移与富集均发生一定规律性的变化。关闭煤矿中煤层气主要赋存状态有三种：吸附态、游离态以及水溶气；主要赋存位置为：采空区、主采煤层残煤中、应力释放的邻近煤层以及邻近煤岩层裂隙带中[10-12]。从开始建井，煤层收到扰动，压力平衡遭受破坏而发生变化，煤储层中吸附态甲烷发生解吸变为游离态并发生运移，主要运移至采煤工作面或者巷道。整体上，从采煤工作面向上、下两个方向，吸附态气体含量增加，游离气含量减少。生产矿井关闭后，由于采煤时引起的岩层移动及采动裂隙发育，导致巷道及采空区中所积聚的煤层气会发生不同程度的运移及富集。与此同时，煤矿关闭后，矿井水的疏排工作亦停止，导致矿井水位回弹，形成井下封堵后，部分气体以吸附或溶解态赋存[11]。

目前，我国绝大部分矿井关闭后，处于全封闭、通风或淹井的状态，矿井中赋存的煤层气特征亦存在差异。对于全封闭的煤矿井，有利于煤层气的保存，便于后期关闭煤矿煤层气的抽采；而处于通风状态的矿井，部分煤层气通过通风孔排放到大气中，井下煤层气处于不断运移的状态；处于淹井状态的关闭矿井，不利于煤层气的高效开采。而整体上，无论处于哪种状态的关闭矿井，均可能发生次生灾害，如煤层气泄漏、温室效应、地下水污染等[6,11]。因此，关闭矿井煤层气的高效开发利用，具有重要的经济、环境效益。

2 关闭煤矿煤层气开发利用现状

随着煤层气(煤层气)基础研究及抽采技术不断取得突破，我国煤矿煤层气抽采利用近几年迅速发展，在2016年我国煤层气抽采总量达170亿m3，其中井下煤层气抽采量达123亿m3。依据“十三五”规划，2020年，煤层气(煤矿煤层气)抽采量达到240亿m3，其中地面煤层气产量100亿m3，利用率90%以上；煤矿煤层气抽采140亿m3，利用率50%以上。但是目前我国煤矿煤层气抽采主要集中于未开采或在生产矿井。

随着我国经济发展进入新常态，能源结构不断优化调整，煤炭行业产能不断大规模退出，我国矿井关闭数量持续增加，为避免关闭煤矿中煤层气(煤层气)的浪费，其有效开发利用势在必行。目前我国关闭矿井煤层气(煤层气)资源开发、利用尚处于实验阶段，对关闭煤矿煤层气进行抽采并加以利用，变废为宝，是煤炭行业当前的重要发展方向。

“十五”期间，国内进行了“关闭煤矿煤层气开发利用有利地区优选”项目攻关；中国煤炭科工集团西安研究院承担了“关闭煤矿煤层气地面抽放与利用先导性试验技术研究”科技攻关项目，以铜川矿务局王家河关闭矿井为试验基地，初步建立了一套适合报废矿井的煤层气资源预测方法，提出了一套报废矿井煤层气开发技术工艺，为报废矿井煤层气“低成本、高效益、产业化”开采提供了技术支撑[12]。近几年亦开展了国际合作项目：中英《中国报废矿井煤层气抽采与利用》合作项目，对82个矿务局关闭煤矿的相关数据进行了分析研究；中美《中国报废煤矿甲烷排放》项目，对沁水煤田44个关闭煤矿煤层气排放量进行评估。

近几年，我国部分地区进行了关闭煤矿煤层气抽采实验，例如：山西晋城煤业集团已施工10口报废煤矿地面井(截至2013年)，其中7口井成功产气，每口井平均日产气量可达到2 000 m3，煤层气浓度约90%[2,13-15]。初步显现了晋城矿区关闭煤矿煤层气开发的潜力，对我国关闭煤矿煤层气勘探开发具有重要意义。山西蓝焰煤层气集团有限公司牵头承担的2014年度山西煤基(煤层气)重点科技攻关项目“关闭煤矿采空区地面煤层气抽采技术研究及示范”。该项目已实施27口关闭煤矿采空区煤层气井建设，15口井完成设备安装运行，单井日均产量1 155 m3，截至2016年底累计抽采利用约1 700万m3煤层气。与此同时，2016年内蒙古乌兰煤矿关停后，通过多次尝试、攻关，探索出利用地面卸压钻孔煤层气抽采的新途径。截止至2017年，采空区井接入负压抽采系统的有效产气井18口，每天产气量4万m3(纯量)[16]。

3 存在的问题

3.1 关闭煤矿煤层气抽采技术及模式适配性差

目前，我国多借鉴国外理论及成果开展我国关闭煤矿煤层气理论研究及勘探开发指导工作，但由于国内外煤田地质、煤层气地质条件存在明显差异，我国煤层气(煤层气)赋存地质条件复杂，不同地区差异明显，使得国外研究成果难以直接指导国内关闭煤矿的煤层气勘探开发工作，使得缺乏与我国地质条件相适配的煤层气抽采技术与模式，致使我国关闭煤矿煤层气勘探开发难度大。如何根据我国不同地质条件、不同矿井情况研发适应不同区域不同状况的抽采技术是一个迫切需要解决的问题。

3.2 基础研究薄弱

我国关闭煤矿煤层气勘探开发工作尚处于初级阶段，基础研究工作尚不系统，对于关闭矿井煤层气形成、分布、运移及富集规律需要深入研究，对关闭煤矿煤层气的有利区优选及其勘探开发利用更需要加强基础性研究。

与此同时，关闭煤矿煤层气资源开发潜力评价指标和评价方法急需形成，对关闭煤矿煤层气资源量估算量存在很大偏差，影响到关闭煤矿煤层气资源开发进程。由于我国煤田地质条件复杂，不同地区、不同矿井存在明显差异，对关闭煤矿煤层气资源开发潜力评价指标和评价方法的建立增加了困难。

青年学生逐渐形成了更加独立的思维和对时事政治的敏感度，对于坚定而明确的理想信念要进一步加强。小样本调研显示，在入党动机方面，说不清的占16.8%，周围人入党自己不入不太好占4.47%；小样本调研同时显示，在对党的了解程度方面，完全不了解的占5.22%。我们认为，没有远大理想信念指导的人生，倘若加上青年学生盲目地"独立"思考，创新创业容易使青年学生误入歧途或走很多弯路，会更多关注个人利益而忽视对国家、社会利益的关注。

此外，我国关闭煤矿井封盖层条件(能力)评价体系尚未建立，影响了我国关闭煤矿煤层气勘探开发。

3.3 矿井封闭质量不确定

我国矿井关闭工作开展较早，持续时间较长，关闭煤矿井数量大，但缺乏具体的煤矿关闭技术标准和要求，使得关闭矿井质量不确定性大。尤其关闭时间较长的矿井，由于其开采情况复杂，可能存在裂隙、地质构造与地面沟通，甚至存在采空区塌陷等情况，造成煤层气浓度降低以及煤层气回收抽采难度增大。

3.4 矿井水无相应处理措施

由于我国缺乏具体的煤矿关闭技术标准和要求，关闭后无相应排水措施，导致很多矿井被淹没，暂时无法进行进一步的资源利用。缺乏相关技术支持。理论和技术研究还在初期，没有成功的案例经验。

3.5 企业开发利用成本高，积极性不高

目前，在生产矿井煤层气抽采以确保安全生产为主要目的，将抽放的煤层气作为清洁能源进行经营成本高、市场生产力不足。而煤矿关闭后，煤矿煤层气抽采也相应停止，加之关闭煤矿煤层气抽采利用的技术难度亦大，导致企业缺乏开展这类项目的积极性和主动性。与此同时，部分规模较小的关闭煤矿井勘探开发煤层气资源不具备经济可行性。因此，使得煤矿关闭后，一些地区通过预留的通风孔将煤层气自然排放或燃烧，造成清洁能源浪费和环境污染问题。

4 思考与建议

4.1 加强科技攻关

(1)进一步加强科技投入。我国关闭煤矿煤层气开发利用处于初级阶段，无论是基础研究工作，还是与我国地质条件相适配的煤层气抽采技术与模式的研究工作，均应系统开展，为我国关闭煤矿煤层气勘探开发的进行建立理论基础。

(3)加强制定国家关闭煤矿资源开发利用全过程与实施节点技术标准和要求。关闭煤矿的实施标准是否合格，对于后期煤层气的勘探与开发利用起着至关重要的作用，建议制定国家关闭煤矿资源开发利用全过程与实施节点技术标准和要求，确保关闭煤矿的质量，建立相应排水措施和煤层气监测等措施。

4.2 建立关闭煤矿井闭坑监测制度

针对关闭煤矿建设安全监管部门，释放煤层气量进行检测，例如煤层气浓度、煤层气每天的排出量，对后期关闭煤矿煤层气资源量评价及其勘探开发提供基础数据。

4.3 建立一批关闭煤矿煤层气开发利用示范基地

鼓励煤炭企业和专业的煤层气开发公司在全国煤层气相关领域利用不同的专业模式建立一批示范基地，并在国家和省级层面建设一批关闭煤矿煤层气开发利用研究中心，加快全过程研发力度，不断完善开发利用的技术标准和能力。

4.4 完善开发利用的政策保障机制

对于关闭煤矿煤层气抽采，尽管符合国家优惠及补贴的条件，但与常规井下煤层气抽放及原位煤层气开发相比，其投入产出比仍偏高，因此需要国家政策进一步加大关闭矿井煤层气开发利用补贴力度，出台相应的优惠价格、税收、财政补贴等相关政策，并在进行关闭矿井煤层气抽放时，鼓励多方寻求合作，争取更多的投资公司、煤矿企业、环保企业用多种专业模式投入到关闭矿井煤层气开发中来。从而，通过相关产业政策支持与鼓励，促进关闭矿井煤层气资源化规模开发进程。