一种煤矿甲烷排放量创新估算方法研究——以演马矿为例

李成浩， 毋亚文， 姬中民， 王海超

(1.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100； 2.焦作师范高等专科学校理工学院，河南焦作 454000；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000； 4.新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830046)

0 引言

甲烷既是一种清洁能源，同时也是一种强烈的温室气体(GHG)[1-5]。根据IPCC第四次评估报告， 100年周期内，其全球变暖潜能值(GWP)是二氧化碳的25倍，排放量占全球人为温室气体排放量的14.3%[6]。甲烷通常被认为是仅次于二氧化碳的第二大辐射强迫气体，对臭氧层水平具有显著影响[7-8]。

2009年中国已成为世界最大的能源消费国，而煤炭仍然在中国能源供应中占主导地位[9-11]。中国的煤炭产量以每年10%的速度增长，从2000年的12.99亿t到2020年的38.50亿t，且其中95%的煤炭产量来自井工煤矿[12-13]。然而，由于中国煤炭埋藏较深且等级较高，相比露天煤矿，井工煤矿释放的甲烷量更大。据统计，中国煤矿每年向大气排放约190亿m3的CH4，居世界首位，约占中国工业甲烷排放总量的1/3[14-15]。

为了系统地评估甲烷排放对全球气候变化的影响，IPCC推荐使用排放因子(EFs)作为煤矿甲烷(CMM)排放估算基础，并提供了三种方法。第1级、第2级和第3级，三种方法精确度逐级提高。第1级和第2级方法要求各国使用EFs来核算国家或含煤盆地层面的CMM排放。然而，由于中国各地区地质条件复杂，储层类型多样，煤层气开采方法不同，这两种方法无法准确估计CMM的实际排放量。第3级方法需要测量全国各地每个矿井的实际甲烷抽放量和通风甲烷(VAM)量。该方法精度较高，但实施难度较大[16]。Ju等(2016)[17]通过对7个典型煤矿数据的回归分析，利用开采影响系数对淮北-淮南和晋城煤田的甲烷排放量进行了估算，结果符合度较高。尽管如此，这种方法适用范围可能受限，统计演马矿2006—2013年甲烷排放与煤炭产量，两者之间并未表现出较好的相关性。这表明煤炭产量不是决定甲烷排放的唯一因素，需考虑其他控制因素(如CMM排放特征、受干扰煤、岩层的范围、甲烷含量和地质条件)。此外，Ju等(2016)[17]计算开采影响系数时，采用的甲烷含量是煤层原始甲烷含量，这与实际生产情况不相符。Wang等(2015)[18]设计了一种与IPCC方法相结合的强度系数法，获得全国排放强度系数约为9.176。虽然该方法可以在一定程度上评估中国的CMM排放，但中国煤矿甲烷赋存规律与甲烷排放关系极为复杂，即使在同一省份，在地质条件上亦可能存在较大差异。因此，仅靠一个排放强度系数很难反映中国CMM实际排放量。

本文重点研究具有低渗透率、强构造变形煤层的瓦斯突出矿井。首先，全面梳理CMM排放特征，将甲烷排放分为甲烷预抽放和开采过程中甲烷释放两部分。在此基础上，提出了井工煤矿甲烷排放估算新方法。以演马矿为例，建立了甲烷预抽量估算模型，同时对MAIF进行了分析计算。此外，结合矿井地质条件，对排放预测指标予以了探讨。最后结合焦作煤田6个煤矿实际排放情况对新估算方法的准确性和合理性给予了验证。

1 地质背景

焦作煤田地处河南省焦作市东北部，位于华北板块、太行山隆起带南段由近南北向向东西方向弧形转折部位，同时也是太行山造山带向南华北构造带过渡的地带。凤凰岭断层以北，主要发育北东和北北东向构造，是焦作矿区的一个分界断层。演马庄矿位于焦作煤田中部，具体构造位置位于九里山、凤凰岭和方庄断层形成三角形断块中部，地层走向NE，倾向SE，倾角5°～15°，为单斜构造，区域构造以断裂为主，褶曲不甚发育，构造纲要如图1所示。2005年，该矿核定生产能力为100万t，工作面采用走向长臂式倾斜分层采煤法，全部陷落法管理顶板。主要开采煤层为二1煤层，煤层埋深为149.0～525.6m，平均煤厚6.68m。煤层渗透率较低，为(0.002～0.49)×10-3μm2，绝对瓦斯涌出量为26.05～46.93m3/min，相对瓦斯涌出量为20.40～28.18m3/t，本矿属于典型的煤与甲烷突出矿井。

图1 演马矿构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Yanma coalmine

2 煤矿甲烷排放估算新方法

2.1 井工煤矿甲烷排放特征

准确核算井工煤矿甲烷排放量，首先要弄清甲烷的主要排放源与排放途径。根据煤层甲烷赋存规律，井工煤矿甲烷的排放源归根结底来自于煤炭开采过程中本煤层及周围煤岩层甲烷的逸散(图2)，煤矿开采过程中，煤的原始应力状态和孔裂隙性质发生改变，采动产生压降，使得气体解吸，经过扩散、渗流等运移途径逸散。这些逸散的甲烷一部分通过井下抽放系统排出，一部分则通过矿井通风系统排出，其余的则仍然滞留在井下空间(主要为采空区)内。

焦作煤田(区域煤层渗透率低、瓦斯含量高、构造变形强烈)经历了印支、燕山和喜马拉雅三次主要构造运动，煤层遭受了不同程度破坏，从而也使得区域形成了各种类型的构造变形煤。区域煤层渗透系数较低，仅为0.2～0.457 m2/(MPa2·d)，采用地面钻采或水力压裂效果均不理想，更为适宜进行井下瓦斯抽放[19]。二1煤层顶底板为致密粉砂岩，具有良好的瓦斯封闭条件，瓦斯含量最高可达42 m3/t，瓦斯压力最高可达2.08MPa。必须进行瓦斯预抽放[20]。

图2 井工煤矿甲烷排放示意图Figure 2 Schematic diagram of underground coalminemethane emission

本区以底板(顶板)穿层钻孔预抽瓦斯为主要方法，当瓦斯压力(含量)低于瓦斯突出的临界值时，可在此煤层范围内进行煤巷掘进。为了减少掘进过程中瓦斯排放，在巷道两侧从钻场向煤体推进方向钻抽放孔，待管道安装和封堵后进行瓦斯排放，该过程被称为边掘边抽，期间也会产生少量的煤。工作面形成后，还需要进行开采中的瓦斯抽放，在采煤过程中，煤层释放出的大部分瓦斯则主要由U型通风系统排空。针对回风流和工作面上隅的瓦斯含量超过阈值的问题，主要通过布置在裂隙带的高位抽放孔进行抽放。整个瓦斯排放过程中，瓦斯预抽和通风瓦斯的量最大，占据主导地位；其余则属于辅助抽放，量相对较少。此外，值得注意的是，在实际的煤炭生产活动中，瓦斯预抽量并未涉入。

绝大多数学者将地下煤矿的甲烷排放作为一个整体进行研究，而后根据提供的煤炭产量和相关排放因子进行后续估算[15, 17-18, 21-22]。然而，该方法可能并不完善(图3)，甲烷排放量和煤炭产量之间的相关关系似乎并不明确。造成这种现象的主要原因是忽视了甲烷预抽量的贡献(表1)，演马矿甲烷预抽量非常大，占甲烷总排放量33%～51%，而甲烷预抽量与矿井年煤炭产量并无直接关系。为了保证生产过程的安全运行，煤矿甲烷预抽放一般在开采前已经进行了较长时间，且许多块段煤层甲烷预抽放可能是同时进行的。这些工作往往与当年的开采活动并没有直接联系[23]。本研究根据甲烷释放是否涉及煤矿当年实际产量，将甲烷排放活动分为两部分(甲烷预抽放和开采过程中甲烷逸散)展开调查研究。

图3 2006—2013年焦作矿区两个矿井(演马和九里山)甲烷排放量与煤炭产量Figure 3 Methane emissions and coal outputs from two Jiaozuomining area coalmines (Yanma and Jiulishan) during 2006～2013

表1 2006—2013年演马矿甲烷预抽量

1)甲烷预抽放。对于煤层开采前甲烷逸散，主要来自煤层预抽，一般认为采前甲烷预抽主要目的是达到规定的瓦斯含量安全值，以减少或有效消除瓦斯突出危险性[24]。世界各地煤田的甲烷储层条件及煤质不尽相同，也形成了不同的甲烷预抽技术，由于中国绝大部分地区煤层透气性较低，且煤层原生结构完整性较差，不适宜进行地面钻采，因此在煤层开采之前，直接采用煤矿井下预抽，从而尽可能降低煤层中的甲烷含量和压力，减少矿井甲烷涌出量和巷道甲烷浓度。

2)煤层开采过程中的甲烷逸散。煤层开采过程中甲烷的逸散主要通过三个途径(图2)。

开采期间边采边抽。本研究中，所有与采煤活动有关的甲烷抽放统归为边采边抽，主要包括掘进过程中的抽放、采空区高位钻孔抽放以及工作面煤层随采抽放。掘进过程中抽放作为工作面煤层甲烷抽放的策略之一，目的是利用掘进巷道两侧破坏区渗透系数大幅度提高时，将回采钻孔布置在煤体卸压范围内的技术原理，降低煤层甲烷含量和掘进过程中的甲烷逸散量[25]。

顶板高位水平钻孔布置在甲烷积聚区，目的是促使甲烷在抽放负压作用下，沿工作面开采活动影响产生的张裂隙，进入抽放钻孔或巷道，而后排放到回风巷或通过甲烷抽放管道直接排放到地面。在没有预抽或预抽时间不足情况下，采场钻孔在采煤开始后仍有甲烷抽出，则视为煤层开采中的边采边抽。大多数矿井在煤层甲烷含量达到安全生产标准后，仍然进行抽放，直至煤层开采完毕。

通风甲烷。为保证生产安全，煤层开采时需通入大量空气以稀释矿井甲烷，使甲烷浓度降低，然后排入大气，这种被抽排到大气中甲烷含量低于1%的混合气体被称为煤矿乏风或VAM[25]。

封存在采空区的甲烷，随着煤层的开采，顶板不断垮落并重新压实，逸散的甲烷部分被封存在采空空间内，虽然作为煤层开采过程中甲烷逸散的一部分，但由于其并未参与实际甲烷的排放，这里不作核算计量。

2.2 井工煤矿甲烷排放量核算方法

通过前述对井工煤矿甲烷排放情况分析，可基于甲烷预抽和开采过程中甲烷逸散两部分提出甲烷排放估算方法。甲烷预抽量由于其特殊的排放特征，单独计算；开采过程中甲烷逸散量的估算则同时需要VAM和开采时的甲烷排放量数据。众所周知，中国煤矿众多，且有些地方是禁止进入的，导致许多预期的测量数据量不容易获得，推广应用可能存在困难。因此，这里将开采过程中甲烷逸散作为一个整体来研究(图2)，建立新的估算模型如下：

Qm=Q1+Q2-Q3

(1)

式中：Qm为井工煤矿甲烷总逸散量，Mm3/a；Q1为甲烷预抽量，Mm3/a；Q2为开采过程中甲烷逸散量，Mm3/a；Q3为井工煤矿甲烷利用量，Mm3/a。

各分量具体计算如下。

1)井工煤矿甲烷预抽量。中国高瓦斯煤矿生产经验表明，有效的甲烷抽放对提高煤矿生产安全和效率具有十分重要的作用[26]。结合我国煤层的实际特点，大多数煤层都经历了强烈的构造运动，破坏了煤层原始结构，煤已变得结构复杂，更软和高度不透气。因此，采取甲烷预抽放十分必要。当通过现场解吸和实验室试验测得煤层残余瓦斯含量小于8m3/t时，表明瓦斯突出危险消除，方可进行采掘作业。

在整个煤矿甲烷排放过程中，煤层甲烷预抽排放的贡献也较大，在总排放量中占据着十分重要的位置，但由于其一般于开采前较长时间已经开始预抽，与当年实际开采煤炭产量并无直接相关联系，因此须单独进行核算。为探究煤层预抽甲烷量的计量模型，本文对演马矿2006—2010年六个不同块段(图4)甲烷预抽量和预抽时间进行了统计，并通过累计抽放总量与该块段甲烷储量对比计算了预抽率，获得各块段预抽时间与预抽率关系如图5所示。

图4 2006—2010年演马矿五个不同预抽块段分布Figure 4 Yanma coalmine 5 different predrainage blocksdistribution during 2006～2010

图5中显示各块段预抽率(P)与预抽时间(t)呈正相关关系，预抽率随预抽时间的增加而升高，且各块段变化趋势曲线间距非常接近。因此，可以假设函数：

P=f(t)

(2)

从图6中可以看出，函数P与时间t接近于直线关系，那么函数P=f(t)可简化为如下形式：

P=γ×t

(3)

式中：γ为预抽率与预抽时间的比值，将式(3)变形可得到：

(4)

式中：P1和P2为最终预抽率和初始预抽率；t1和t2为最终预抽时间和初始预抽时间，月。

根据图5中的数据并结合式(4)，计算五个不同块段预抽率和预抽时间比值分别为1.24、1.08、1.37、1.71和1.65，这些数值非常接近。虽然存在一些波动，但考虑到煤矿预抽钻孔布置的差异、密封性以及人工操作造成的误差，这些波动处于正常范围内。求得各比值的平均值为1.41，可作为同一矿区其他矿井的推荐参考值。

图5 演马矿五个块段预抽率与预抽时间的关系Figure 5 Relationship between predrainage rate andpredrainage time in Yanma coalmine 5 blocks

结合式(1)和(4)，可推得甲烷预抽量核算模型如下：

(5)

式中：n为预抽块段的数量；Pi为块段i的年甲烷预抽率；qi为块段i的煤层甲烷储量，m3；ti为块段i的年甲烷预抽时间，月；Wi为块段i的煤层原始甲烷含量，m3/t；mi为块段i的煤炭储量，t。

对于少数矿井不进行采前预抽，而是直接采取边采边抽的方式进行生产，则采前预抽量的计算可以省略。

2)开采过程中的甲烷逸散量(MRDM)。随着回采工作面向前推进，邻近煤、岩层受采动影响，孔裂隙结构及渗透性也会发生变化，同时释放部分甲烷。因此，煤层开采过程中逸散的甲烷除了已开采煤层释放的甲烷还应包括受采动影响周围煤、岩层逸散的甲烷。一般来说，已开采煤层释放的甲烷量较易测定，只需获得煤炭产量及甲烷含量数据即可求出，而周围煤岩层由于受本煤层采动影响，内部孔裂隙结构一直处于变化之中，其中甲烷赋存和运移规律变得极为复杂，受采动影响的煤岩层范围很难确定，释放的甲烷量也不易直接测定，因此需要寻找一个有效地解决方法。

表2 2006—2011年演马矿已采煤炭甲烷逸散量与开采过程中实际甲烷逸散量

表2为2006—2011年演马矿已采原煤甲烷释放量和实际MRDM数据。显然，当年实际开采过程中的甲烷逸散量远大于已采原煤释放的甲烷量，这说明煤层开采过程中受采动影响周围煤、岩层甲烷释放量是巨大的，且占据着主导地位。根据采煤强度大小不同，其扰动范围应该也是成比例的，因此，可借鉴该思想进行估算。比较表2中各年已采原煤甲烷逸散量和实际开采过程中甲烷逸散量，发现它们之间确实存在一系列非常接近的比值，分别为4.31、4.32、4.57、4.75、4.00和4.69，基本维持为4.00～4.75，表现出了很强的规律性，尽管有所波动，但考虑到采煤过程中许多不可预测的因素(劳动力、设备和地质条件的差异)，误差在可接受范围内。求其算术平均值为4.44，可用于反映受采动影响周围煤、岩层甲烷逸散情况，这里把它称为采动影响因子(MAIF)，具体计算公式如下：

(6)

式中：Qy为实际甲烷逸散量，m3/a；Qz为产出原煤甲烷逸散量，m3/a；Qa为边采边抽甲烷量，m3/a；Qb为VAM排放量，m3/a；M为原煤产量，t；Wa为开采时煤层甲烷含量(矿井如无甲烷预抽，为煤层原始甲烷含量)，m3/t；Wb为已采原煤甲烷残存量，m3/t。

Ju等(2016)[17]计算的开采影响系数为1.3～2.0，低于MAIF值。这主要是由于其在计算开采影响系数时，没有将甲烷预抽量与矿井甲烷总逸散量分开，且其在计算开采影响系数时采用的是原始甲烷含量，这可能缺乏足够的说服力，因为在实际开采过程中，煤层中的甲烷已提前被预抽。因此，采用这个系数反映来中国的采矿活动所影响的范围可能较为牵强。

由于演马矿地处焦作矿区中部，具有焦作煤田典型地质特征，其大地构造背景与周围其他矿井相同，煤层的开采方式与甲烷赋存规律也基本一致，因此可将演马矿的采动影响因子推广到整个矿区。建立煤炭开采过程中甲烷逸散量核算模型如下：

Q2=MAIF×M×(Wa-Wb)

(7)

当Wa不能作为一个测量值获得时，也可通过结合式(8)计算获得：

Wa=(1-γ×ti)×Wi

(8)

3)煤矿甲烷利用量。根据释放途径的不同，煤矿甲烷的排放可分为通风甲烷(乏风)和抽放甲烷两种。其中通风甲烷的甲烷含量极低，一般为0.2%～0.6%，作为温室气体的一个主要排放源，煤矿生产过程中约70%的甲烷排放皆来源于此，但却难以作为能源加以利用[15]；抽放的甲烷按浓度可划分为高浓度甲烷(甲烷含量≥30%)和低浓度甲烷(甲烷含量<30%)，但后者利用率较低。2015年中国煤层气(煤矿甲烷)抽采总量为180亿m3，其中井下甲烷抽采量达136亿m3，而利用量却仅为48亿m3。大量的甲烷排放到大气中，不仅对环境产生严重威胁，也是对能源的极大浪费。因此，合理利用煤矿甲烷具有节能和环保的双重意义。

甲烷在大气中的停留时间只有10a左右，而CO2的驻留周期大约是120a，抓住甲烷驻留周期相对较短的特点，减少甲烷排放比控制CO2排放更快并且更为有效地缓解气候变化, 且易收到立竿见影的效果[17]。目前，中国针对抽放甲烷的利用主要集中在发电、民用燃气、以及汽车燃料等方面，社会效益也较为明显。其中较大的发电项目有山西大宁煤矿瓦斯发电厂(装机容量35MW，德国道依茨-MWM公司TCG2032V16型内燃发电机组)和瑞新能源端氏瓦斯发电厂(装机容量45MW，美国卡特彼勒公司生产的G3520C型燃气发电机组)，本文涉及的演马矿也配备了国产胜动低浓度燃气发电机组。另外，中国对于通风甲烷的回收和利用也十分关注，相关研究已有十几年的历史，部分VAM处理技术已进入工业示范阶段，其主要处理方法是将甲烷氧化，可分为辅助燃料和主要燃料两大方向，辅助燃料主要作为助燃空气供应燃气轮机和内燃发动机；主要燃料应用技术分两种：一种是逆流式煤矿通风甲烷热氧化装置, 一种是逆流式煤矿通风甲烷催化氧化装置。

3 结果与讨论

3.1 新估算方法的应用

本研究对焦作煤田6个煤矿2011年的甲烷排放量进行了估算，相关参数见表3(MAIF取为4.44；预抽时间与预抽率之比为1.41，Wi、Wa、Wb取其均值)。

根据表4中的数据，结合新估算方法(式(1)、(5)和(7))，计算2011年六个矿井的甲烷排放量分别为22.62、26.04、23.77、25.45、5.84和8.16 Mm3，与实际甲烷排放量相关的误差分别为12.11%、9.23%、5.77%、-5.20%、-8.75%和4.92%。与其他估算方法获得的结果相比，本研究建立新估算方法误差最小。

3.2 讨论

本方法主要适用于煤与瓦斯突出矿井中低渗透、构造性强的煤层，且在开采前应进行瓦斯预抽；本文计算的MAIF则主要针对瓦斯预抽后开采对煤层和岩层的影响范围。另外，本研究MAIF计算中采用的甲烷含量值涉及了开采时煤层中的甲烷和残存的甲烷含量，这更符合实际生产情况。虽然MAIF值以及预抽时间与预抽率之比对其他地质条件、采矿方法和煤炭性质不同的地区适用可能受限，但本估算模型的思想仍值得参考。

为减少测量工作，只要个体间的地质条件、开采方法和煤炭性质相似，采用新估算方法和本研究得到的系数近似估计其他煤田煤矿的CMM排放量理论上同样具有可行性。此外，新方法涉及的大多数参数都很容易获得；煤炭产量、煤层原始甲烷含量、开采初期的煤层甲烷含量和残存甲烷含量基本都可从对外公布的中国煤炭工业年鉴和煤矿瓦斯地质图中收集。一般来讲，煤矿每个预抽块段的煤炭储量都会提前上报给所属的煤炭工业集团。因此，工业部门可以直接获取相关数据，如果下属煤矿只提供块段编号，也很容易通过瓦斯地质图评估各块段的煤炭储量。根据《煤矿安全规程》规定的抽放指标[20]，总预抽时间可通过式(4)计算获得。由于预抽是一个持续过程，直到采煤结束，因此每年的预抽时间可根据预抽开始时间获得。虽然要获得所新估算方法中所需的预抽相关基本评价参数并非难事，但这项工作仍然较为繁琐(表5)。导致需要更多人力和物力投入到评估工作中，这是今后有待改进之处。

表3 2011年焦作煤田六个矿井甲烷排放估算相关参数

表4 四种方法针对2011年焦作矿区六个矿井甲烷排放量计算结果比较

4 结论

1)针对以往煤矿甲烷排放量估算方法不足，以及它们在具有低渗透、强构造煤层的煤与瓦斯突出矿井中的不适用性，在分析井工煤矿实际甲烷排放特征的基础上，提出了一种新的估算方法。本研究指出，甲烷预抽放量较大且与当年煤炭产量并直接关系，这也是导致大多数估算方法精度较低的一个重要原因。研究还发现甲烷预抽时间与预抽率之间存在一个相对稳定的比值1.41，并在此基础上建立了甲烷预抽量计算模型。此外，特别引入了MAIF概念，通过比较年已采煤炭甲烷释放量和实际开采过程中甲烷逸散量，计算演马矿MAIF为4.44。

2)采用提出的新估算方法对焦作煤田六个矿井甲烷排放量进行核算，其计算结果相较于其他方法误差最小，仅为12.11%,9.23%,5.77%,-5.20%,-8.75%和4.92%，这表明新估算方法可更好地反映具有低渗透性、高甲烷含量、构造变形大煤层地区甲烷排放的实际情况。