“双碳”目标下煤矿瓦斯治理与利用

2021-12-17胡晓兰宋伟彭传圣李博蒋礼宏肖朝晖洪克岩

综合智慧能源 2021年12期

胡晓兰，宋伟，彭传圣，李博，蒋礼宏，肖朝晖，洪克岩

（中国华电集团清洁能源有限公司，北京 100160）

0 引言

煤矿瓦斯主要成分为甲烷，具有可燃、无色无味等特点。空气中氧气体积分数达到10%时，瓦斯体积分数为5%～16%会发生爆炸。在煤矿生产中，瓦斯遇到火源，容易发生爆炸，瓦斯体积分数超过40%会致人中毒窒息［1］，严重危害人身安全。为处理瓦斯含量超标而采取先抽后采的安全技术措施，往往会影响煤矿生产效率，提高生产成本；简单粗放的瓦斯抽采排放，造成了资源浪费，甚至会对环境造成破坏［2-3］。

多年来，研究人员一直在探索煤与瓦斯共采、深部煤层或特定结构煤的瓦斯治理理论与技术应用研究［4-7］，煤矿企业积极实践，应用新理论技术成果取得了相应成效［8-9］，这正改变着我国煤矿生产安全状态［10］。但前人在煤矿瓦斯治理与实现煤矿降碳目标方面的研究相对较少。本文在“双碳”目标背景下，在综合煤矿瓦斯抽采治理技术的基础上，结合当前瓦斯治理现状和已有应用实例，分析治理过程的降碳贡献与效果，总结当前煤矿瓦斯治理措施，对煤矿瓦斯治理与优化提出可行的建议与对策。

1 瓦斯治理概况及降碳效果分析

“双碳”目标的提出对煤矿企业的生产经营带来较大压力。例如，山西、陕西、内蒙古、山东等地区煤炭年产量小于500 万t 的煤企或小型煤矿目前大多关停［11］。煤矿企业是国家的供能供碳大户，如何实现2030年前的碳达峰目标，满足企业绿色发展要求，推动煤炭企业转型，实现高效、安全、低碳的运营目标，是当前煤矿企业面临的重要任务之一。其中，瓦斯治理与利用是煤矿转型发展的重要突破口，如何优化煤矿瓦斯治理方案，系统优化瓦斯治理技术，是煤矿企业未来发展需要面对的重要问题。

1.1 全国煤矿瓦斯抽采治理概况

在国家供给侧结构性改革影响下，煤矿产地主要集中在晋、蒙、陕等省份，另外冀、豫、皖、鲁、黔等地区也有一定规模的产量［12-14］。近年来，全国煤矿瓦斯（煤层气）抽采量大幅度上升，自2005 年的23.00 亿m3已提高到2018 年的184 亿m3（井下抽采瓦斯气129.00 亿m3，地面煤层气产量54.13 亿m3），其中瓦斯利用量53.09 亿m3［15］。山西、陕西及安徽等省在煤层气抽采和瓦斯治理利用上走在全国前列，其中，山西和陕西煤矿瓦斯以地面抽采煤层气利用为主，安徽淮南煤矿则重视瓦斯治理，采取地面与井下联合抽采治理［16-18］；内蒙古地区煤矿多为露天矿，目前瓦斯治理除了提前地面预抽外，主要用于预防煤矿着火［19］；河北冀中能源就所属梧桐矿正开展先导试验瓦斯抽采利用及低碳经营路径［20］；四川、山东和陇东等地相继推进瓦斯利用，四川2017 年1—11 月全省煤矿瓦斯抽采量3.12 亿m3，瓦斯利用量1.74 亿m3［21-23］，其他地区煤矿瓦斯治理和利用正逐渐引起重视、开始启动项目或逐步走入正轨［24-26］。

1.2 煤层瓦斯降碳效果分析

煤层瓦斯甲烷温室效应是等量二氧化碳的21～28 倍［27-29］。1 万m3甲烷燃烧100%利用后比甲烷直接排入大气碳排放量减少125.22 t（以21 倍计算）［30-32］，可降低89%的温室效应。例如，2020 年山西煤层气（地面钻井抽采瓦斯）产量81.46 亿m3，占全国煤层气总产量的85%，相当于全国煤矿瓦斯少排放95.84 亿m3、减排12 亿t 二氧化碳。若全国煤矿瓦斯气进行瓦斯治理和抽采利用，煤矿瓦斯地质储量约1.18 万亿m3，理想状态下全部采出100%燃烧利用可减碳148万亿t，相当于2020年中国总能耗排放的1.48倍［33-34］（2020年我国二氧化碳排放达99亿t）。由此可见，煤矿瓦斯治理及利用对于“双碳”目标的实现意义重大。

2 煤矿现有瓦斯治理措施

煤层或围岩中吸附的瓦斯受应力和压力影响，解吸后会涌出到采煤工作面、采空区隅角及相对负压空间。瓦斯治理核心是降低所在空间瓦斯体积分数。煤矿企业积极进行瓦斯治理，目前应用最广泛、成本较低的措施是井下机械通风和瓦斯抽采稀释瓦斯体积分数，达到井下安全生产标准。瓦斯作为可燃、相对洁净的能源，抽采后提纯利用是有效治理的方法之一。不同的煤矿瓦斯浓度、开发时期、工作区域，采用的瓦斯治理方式存在差别。

2.1 中高瓦斯治理

2.1.1 中高瓦斯概念与来源

高瓦斯矿井是指在一段时间测定中，相对瓦斯涌出量＞10 m3/t，或绝对瓦斯涌出量＞40 m3/min 的矿井［35］。煤矿瓦斯2 年测评一次，多数高瓦斯矿在治理一段时间后会低于这个标准，但仍属于中高瓦斯矿井范围。

瓦斯主要聚集在生产区的工作面和隅角。工作面瓦斯来源于：（1）本煤层割煤时应力释放，瓦斯负压解吸；（2）围岩和邻近层由于层间压裂释放，瓦斯解吸涌向负压区；（3）岩壁遗煤瓦斯解吸。隅角瓦斯成因：（1）由于采空区瓦斯下行通风，风压和风流的影响导致瓦斯存于下部；（2）采空区内应力变化，裂隙作为通道，瓦斯沿裂缝不断向工作面隅角运移。

2.1.2 中高瓦斯煤矿治理实例

马兰煤矿12504工作面治理前的瓦斯涌出量为25.73 m3/min，经过瓦斯抽采，工作面瓦斯降幅达22.70%，瓦斯平均体积分数由0.80% 下降到0.68%，上隅角瓦斯降幅38.60%，瓦斯平均体积分数由1.40%下降到0.86%［36］。徐州夹河煤高瓦斯矿7446综采面，针对隅角回风埋设专管抽采隅角和采空区瓦斯，回风流中瓦斯体积分数由0.8%～1.2%下降到0.5%～0.7%，上隅角瓦斯体积分数由2.0%～5.0%下降到0.6%～0.8%，抽采瓦斯量由日产0.15万t 上升到0.26 万t［37］。霍州煤电集团李雅庄高瓦斯煤矿2-616 工作面治理前绝对瓦斯涌出量为25 m3/min，相对瓦斯涌出量6.609 m3/t，经过井下瓦斯抽采，上隅角瓦斯平均体积分数由0.6%下降到0.4%［38］。徐州夹河煤矿2441 综采面，针对上隅角利用锯末、灰渣充填严实截堵，风障导风稀释隅角，工作面合理配风和高位钻孔瓦斯抽放，绝对瓦斯涌出量由3.5～4.5 m3/min下降到2.5 m3/min，瓦斯平均体积分数由2.0%～3.0%下降至0.6%～0.7%［39］。

2.2 低瓦斯治理

2.2.1 低瓦斯概念与来源

矿井中瓦斯相对涌出量≤10 m3/t，绝对瓦斯涌出量≤40 m3/min 为低瓦斯煤矿。瓦斯主要来源为本煤层、邻近层和采空区遗煤等，瓦斯富集层向外释放速度和含量相对高瓦斯矿较低。中低瓦斯煤矿瓦斯治理在浅层和初期会针对工作面采用机械抽采和通风，在深层和综采面瓦斯危险系数增加的情况下，治理力度和管理措施将相应增加。

2.2.2 低瓦斯煤矿治理实例

山西三元煤业2305综放面，绝对瓦斯涌出量为12.66 m3/min，相对瓦斯涌出量为2.86 m3/t，采用顶板千米定向钻孔抽采1 个月，瓦斯体积分数由0.85%下降到0.48%［40］。冀中能源股份公司葛泉矿1623 工作面，治理前回风隅角瓦斯平均体积分数为0.65%，回风巷瓦斯平均体积分数为0.60%，采空区瓦斯体积分数＞2.00%，通过增加通风量，采用珍珠岩袋充填截堵，埋设风筒负压抽采，运输巷瓦斯体积分数不超过0.32%，隅角瓦斯体积分数不超过0.42%，风筒瓦斯体积分数不超过2.30%，回风巷体积分数不超过0.26%［41］。正利煤矿14-1102 孤岛工作面，原煤瓦斯涌出量1.98～2.07 m3/t，绝对瓦斯涌出量为4.79 m3/min，通过采空区瓦斯抽采，合理配风、堵漏和高位裂隙带钻孔抽采等措施，瓦斯体积分数不超过0.25%［42］（见表1）。

表1 煤矿瓦斯治理实例措施及效果一览Tab.1 Controlling measurements of coal mine methane and their effects

2.3 瓦斯治理措施小结

中高瓦斯矿瓦斯绝对涌出量较高，危险系数较大，瓦斯地面抽采从根本上防范瓦斯事故确保煤矿安全，缩短煤矿瓦斯抽采及通风达标再生产工期，提高煤矿单位生产效率。在规划区进行地面钻孔预抽采，可以有效降低在生产时的瓦斯绝对涌出量；生产区工作面根据不同煤矿地质条件和企业规划生产量，多采用增加工作面通风空间的措施，一面多巷生产，地上采用斜井，矿下铺设多管路进行同时抽采；采空区隅角增加铺管抽出瓦斯。低瓦斯煤矿，采煤工作面较浅矿井，规划区基本不做处理，开采区进行机械通风和瓦斯抽采，在采空区或者工作面隅角进行铺管抽采达到安全范围即可生产。采煤工作面较深矿井，随埋深加大，瓦斯浓度和地温升高产生风险增高，部分煤矿在规划区进行预抽采，采煤工作面及隅角会根据生产情况。加通风量和抽采机器数量，确保安全生产（见表2）。

表2 瓦斯治理措施Tab.2 Methane controlling measurements

3 瓦斯治理存在的问题

3.1 目前瓦斯治理效果无统一评价标准

上述实例中7 个煤矿瓦斯治理现状表明：现阶段煤矿进行瓦斯治理达到浓度安全标准、满足正常生产运行即可。实际上，各煤矿因煤层特征、地质因素等差异，瓦斯治理技术方案上有自身特点，各煤矿对管理和成本的控制程度不一，瓦斯治理力度和效果不尽相同［43］，煤矿瓦斯治理效果目前无统一评价标准，各煤矿只是针对瓦斯治理前后产生相对瓦斯浓度、瓦斯压力下降，事故发生率降低等几个方面进行评价瓦斯治理的效果［44-45］。

3.2 煤矿瓦斯低碳治理的动力不足

煤矿瓦斯问题治理至今，煤层气产业获得了较快发展，近3 年我国新增煤层气产量14.4 亿m3［46］，相当于减排1 803 万t 二氧化碳，成为低碳时代清洁能源的潜在力量，更是实现“双碳”目标的关键能源［47］。“双碳”目标之前煤矿企业的瓦斯治理只辅助于安全生产。

（1）政策层面。目前，煤矿瓦斯治理与利用和煤炭开发尚没有统一规划。针对煤层气与煤炭资源矿业权交叉问题［48］，政策虽然支持采煤采气一体化，煤矿企业仍可自主决策自采自用煤层气项目。但基于矿业权交叉问题的固有观念，以及地面抽采基本由煤层气公司来实施的惯性思维，煤矿企业煤层瓦斯治理方案的出发点大多仅局限在煤炭开发上，而很少统一规划煤层瓦斯治理与利用的协调发展［49］。

（2）经济层面。当前，煤矿企业对加大瓦斯治理产生的综合效益认识不够。煤炭生产利润高、投资回收快，时间和成本投入上优于煤层瓦斯的抽采利用［50-51］。“双碳”目标确立之前，煤矿进行瓦斯治理只是满足安全生产需要，以井下机械通风和抽采为主，未最大限度减少和降低煤矿瓦斯体积分数，同时抽采的瓦斯多以排放或火炬燃烧为主，未对瓦斯治理或利用再投入成本。但在“双碳”目标提出之后，国家倡导在各行业、各领域贯彻绿色发展理念，必然会对煤矿企业生产的诸多环节带来较大影响，尤其会产生与减碳工作相关的利润增长点。例如，在碳交易市场，若参考前人研究成果，按16 750元/万m3瓦斯计，煤矿企业可通过瓦斯提纯利用，实现1 万m3瓦斯减少16 750 元的碳交易费用从而得到1 757.5元的收益［32］。同时，加大瓦斯抽采力度，实现瓦斯绝对安全采掘，煤矿生产效率可大幅度提高，也会显著降低生产成本。

（3）技术层面。现阶段，煤矿瓦斯治理大多采用单一的井下抽采技术，综合治理与利用技术尚不成熟。“双碳”目标之前，煤矿瓦斯治理基本集中在技术装备研发、特殊煤层钻探改进或抽采方案优化等方面［52-54］。地下和地面结合抽采治理方式仅存在于示范区［55-56］或部分煤矿的先导性试验阶段［57-59］。二氧化碳驱替煤层瓦斯研究也处于试验研究阶段［60-61］。

总体看，目前瓦斯治理的整体架构与现状与“双碳”目标的要求，尚存在契合度不足的情况，这或许会影响企业未来的良性发展，亟须加强研究。

4 未来瓦斯治理工作的建议

瓦斯治理对于煤矿企业主要作用在于保证煤炭安全生产，实现高效开采。截至目前，不少煤矿开始尝试瓦斯抽采后利用［62］，但在再利用方面总体效果不佳［63］。

基于瓦斯的资源性和污染性的双重属性，煤矿企业应该借助目前“双碳”目标下的政策机遇，构建源头设计—过程控制—分区实施—末端治理—市场开发的煤矿瓦斯治理新模式。

（1）源头设计。煤矿企业须积极布局以达成低碳生产的瓦斯治理的目标。在“煤矿安全生产—瓦斯抽采—瓦斯利用”的全过程生产经营链条中，始终秉承绿色低碳发展理念，按照《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》的总体要求，制定瓦斯抽采排放与瓦斯利用总体进度与计划。根据各煤矿企业历年来瓦斯排放量，分类、分级、分年度制定允许煤矿企业还可抽采排放的最大瓦斯量，并按照各煤矿企业营业收入或利润制定出达成“碳中和”目标的瓦斯利用短期、中期和长期规划路线图。

（2）过程控制。煤矿企业应以信息化技术为支撑，加强数字化转型工作，实现对治理过程的有效控制。目前国内瓦斯治理与利用工作整体处于起步阶段，在减碳控碳方面基础相对薄弱。企业可以考虑构建瓦斯治理与利用的信息化管理平台，及时监测和掌握各煤矿瓦斯涌出量、抽采排放量、利用率等数据，形成瓦斯治理与利用的数据湖并进行数理统计分析。在关注安全生产信息的基础上，强化对于瓦斯排放的实时优化管理，力争实现瓦斯抽采利用最大化与降碳减排最优化的有机统一，满足煤矿企业实现行业双碳目标的基本要求。

（3）分区实施。煤矿企业应针对不同瓦斯治理场景，分别设计不同技术路线，实施治理。对于正在开采生产区，只适合地下瓦斯治理，应改进瓦斯抽采设备，提高瓦斯抽采量，同步优化直接抽采后的提纯利用；对于适合进行地面地下立体化瓦斯治理工作区，应深化地质研究，积极应用国内示范试验区的先进经验［64］，探索各煤矿自身瓦斯治理立体化瓦斯抽采方案；对于煤矿接替规划区，应根据瓦斯资源情况和地质背景，采用煤层气开发利用先进技术，进行瓦斯地面抽采治理。总之，应根据瓦斯资源量做好分区治理规划，毕竟瓦斯资源量的分布与减碳方案的设计密切相关。

（4）末端治理。煤矿企业应强化末端治理技术应用，重视生产过程中资源的循环利用问题，重视回收瓦斯再利用的价值属性。例如，瓦斯抽采后的提纯、散逸瓦斯的捕获与收集、散逸瓦斯收集后的转化与利用等等，皆是真正意义上的低碳瓦斯治理设计。另外，瓦斯治理过程使用的原材料、设备的回收利用问题，也应受到更多关注。

（5）市场开发。瓦斯低碳治理问题解决，除去政策扶持、技术进步之外，还需考虑市场机制建设。煤矿企业，应超前布局“产销”市场，打通瓦斯抽采提纯后的自用供热、发电、余热发电、管道销售、碳市场交易等市场环节，并考虑探索瓦斯提纯气体综合利用的商业模式，不断激发资本市场参与的热情，真正使得瓦斯低碳治理工作与国家绿色低碳产业进行深度融合，打造煤矿企业绿色供应链体系［65-66］。