我国报废煤矿瓦斯抽采利用现状及潜力

韩甲业

(国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京 100029)

随着我国煤炭产量的快速增长以及煤矿整顿关闭攻坚战的推进，全国煤矿数量由最多时的8万多处减少到目前的1.3万处左右，大量中小型煤矿以及资源枯竭的重点煤矿被关闭。在这些关闭的报废煤矿中，富集着大量具有开发利用价值的瓦斯气体。当前美国、英国等发达国家报废煤矿瓦斯开发利用已获得成功，我国应借鉴国外己有的成功范例结合国内煤炭开采和煤层气赋存条件，大力开展报废煤矿瓦斯抽采利用。

1 国外报废煤矿瓦斯抽采利用现状

当前，报废煤矿瓦斯抽采与利用项目在美国、英国和德国等国家取得了较大发展，部分矿区成功实现了商业开发，有效的解决了能源短缺和瓦斯通过岩石裂缝泄露到大气中带来的温室气体排放问题。

1.1 美国报废煤矿瓦斯抽采利用现状

美国是世界上报废煤矿瓦斯抽采利用商业化最成功的国家，也是世界上首个把报废煤矿瓦斯排放计算在温室气体排放总量的国家。根据《2013美国温室气体排放清单》数据，2011年美国报废煤矿瓦斯 (折纯甲烷，下同)涌出量为4.8亿m3，其中38个报废煤矿开展煤矿瓦斯抽采利用项目，回收和利用的煤矿瓦斯量为1.6亿m3，其余3.2亿m3的煤矿瓦斯被直接排放到大气中，折合二氧化碳为480万t当量。在美国各大煤炭盆地中，伊利诺斯州煤炭盆地最适于开展报废煤矿瓦斯的抽采利用项目，目前美国近60%的报废煤矿瓦斯回收项目都位于该盆地。

相关统计资料表明，自1972年美国476个曾经每天瓦斯涌出量超过10万立方英尺的瓦斯煤矿被关闭，其中1994至1996年的3年间，约有70个瓦斯煤矿被关闭，1996年美国报废煤矿瓦斯涌出量达到峰值，纯甲烷涌出量约为6.1亿m3。早在2004年，美国环保局就出版了报废煤矿甲烷排放的方法学清单，详细介绍了美国预测报废煤矿甲烷排放的技术方法，其中还列出400个富集瓦斯资源的报废煤矿清单。2006年，美国环保局开发的报废煤矿甲烷排放预测方法被包含在政府间气候变化专门委员会 (IPCC)排放清单指南中。

1.2 英国报废煤矿瓦斯抽采利用现状

1980年以来，英国煤炭产量迅速降低，2007年煤炭产量曾经下降到1630万t。但是，由于欧洲天然气价格走高，英国煤炭生产在2008年发生逆转，2008年煤炭产量上升到1740万t，2010年煤炭产量达到1780万t。由于英国煤矿1995年大量关闭，直接排放到大气中的报废煤矿瓦斯排放量也在1995年达到顶峰，达到1.3亿m3。随后几年至2000年，由于约有104个报废煤矿完全被地下水淹没，报废煤矿的瓦斯涌出量迅速降低。

根据英国煤炭管理局统计，截止2010年，英国拥有生产矿井52个，报废煤矿的数量超过900个，这些报废煤矿分布在32个主要煤田。2010年，英国报废煤矿涌出的煤矿瓦斯约为6800万m3，其中约4600万m3的煤矿瓦斯被回收利用。当前英国运行的报废煤矿瓦斯综合利用项目基本上都位于英格兰地区，综合利用形式主要为发电，2010年装机容量约50MW。英报废煤矿瓦斯抽采方式大体有两种，一种为没有充填的报废煤矿或平硐抽采瓦斯，另一种为向报废煤矿采空区或井下卸压地区打大直径地面钻孔抽采瓦斯。

1.3 德国报废煤矿瓦斯抽采利用现状

由于煤炭开采成本、进口天然气以及环境保护的影响，自上世纪八十年代中期以来，德国关闭大量煤矿，德国煤炭产量也由1985年的5.22亿t锐减到2012年的1.96亿t。由于关闭煤矿很多，加上煤矿瓦斯抽采利用既可增加清洁能源供应还可实现温室气体减排，德国政府高度重视抽采报废煤矿赋存的煤矿瓦斯。2001年，由于德国将煤矿瓦斯纳入《可再生能源法》，保证为期20年的固定退税率，在此优惠政策的推动下，德国报废煤矿瓦斯开发利用得到快速发展。截止2010年底，德国至少有36个报废煤矿瓦斯综合利用项目在运行中，其中大部分综合利用项目是瓦斯发电和热电联供，装机容量约175MW。

2 我国报废煤矿瓦斯抽采利用现状

2005年以来，随着国家一系列优惠激励政策的出台，我国煤矿瓦斯抽采利用出现跨越式发展，2012年煤矿瓦斯抽采量达到114亿m3，是2005年煤矿瓦斯抽采量的5倍。但是目前我国煤矿瓦斯抽采利用主要集中在生产矿井，真正意义上的报废煤矿瓦斯抽采利用项目尚为空白，报废煤矿的瓦斯开发研究也只是处于起步阶段。

在美国环保局支持下，美国红宝石峡谷公司、美国科罗拉多大学和英国CAMCO公司于2010年联合开展了《中国报废煤矿甲烷排放》项目研究。本项目重点预测了山西省沁水煤田44个报废煤矿的甲烷排放量，并对其进行系统研究。为了进一步促进中国报废煤矿甲烷项目的确认和开发，本项目通过提供透明、系统、支持性的信息，以及预测报废煤矿甲烷排放的方法学，为中国其他省份和地区展开类似项目提供了范例。另外，为了帮助项目开发商识别潜在的报废煤矿甲烷排放项目所在位置，该项目采用地理信息系统 (GIS)来打造了一个互动的在线数据库。

2000年底，在英国贸工部资助下，英国诺丁汉大学、华杜公司、煤炭信息研究院以及其他几家国内研究机构等多家单位联合开展了《中国报废矿井瓦斯抽放与利用》项目。项目的目的是研究分析中国报废矿井瓦斯抽放与利用前景，促进我国报废矿井瓦斯开发与利用，促进中英两国技术合作。该项目共搜集调查了中国82个矿务局报废矿井的数据，对我国报废煤矿瓦斯来源及赋存状态、报废煤矿瓦斯资源计算办法及主要参数的确定以及影响报废煤矿瓦斯抽采与利用的技术因素和综合利用技术都进行了系统的分析和研究。

另外，国内的中国矿业大学、煤炭科学研究总院西安分院和河南理工大学等多家研究机构，近些年也开展了有关报废煤矿瓦斯来源分析、资源量评估方法、采空区地下水动力模式、主要参数确定方法等基础研究，为下一步我国大规模开发报废煤矿瓦斯资源打下了坚实的理论基础。

3 我国报废煤矿瓦斯抽采利用可行性技术方案

美国、英国和德国等国外报废煤矿瓦斯抽采与开发利用成功的经验，为我国类似条件下报废煤矿瓦斯开发与利用提供了借鉴。

3.1 报废矿井煤矿瓦斯抽采技术方案

影响报废煤矿瓦斯抽采利用的因素主要包括煤矿废弃的时间、煤层瓦斯含量、煤的吸附特性、煤层中甲烷的流动能力、煤矿涌水量、通风系统位置、煤矿的密封性能等。与常规煤矿瓦斯抽采或地面煤层气开发技术相比，开发报废煤矿瓦斯的优势有:(1)可利用原有的矿井井筒进行抽放，降低生产成本;(2)受开采过程的影响，煤层和围岩将产生大量裂隙，渗透性提高，有利于瓦斯的抽放。当然，开发报废煤矿瓦斯也有其不利的一面:受开采的影响，加上废弃后经历多年的变化，煤矿的井下水文条件、储层特征、资源量等都处于一个动态的变化过程，如何克服这些不利因素，确定合理的抽放技术，是报废矿井煤矿瓦斯开发的关键。

根据国外的生产实践，废矿井煤矿瓦斯抽采按照矿井井口是否回填分为井下煤矿瓦斯抽采和地面钻井煤矿瓦斯抽采两种方式。

(1)井下煤矿瓦斯抽采

对于井口未回填的报废矿井，抽放管路通过报废煤矿原有的竖井或斜井进入工作面，采取负压抽放的方式抽采采空区、卸压煤 (岩)层和未开采煤层的瓦斯。

(2)地面钻井煤矿瓦斯抽采

对于井口已经回填的报废矿井，采取向采空区或井下卸压区打地面井抽取煤矿瓦斯的方法。在报废矿井井田范围内，根据以前的煤矿开采布置图，选取合适的位置，采用定向钻孔技术，从地面向井下打垂直井，保证钻孔与目标位置一直。

3.2 报废矿井煤矿瓦斯利用技术方案

报废矿井抽采出的煤矿瓦斯浓度比较高，通常可以达到60%～80%，和常规意义的煤层气一样，报废煤矿瓦斯可用于发电、供热、民用燃气、工业用燃气等方面。针对报废煤矿瓦斯抽采的特点，比较成熟的煤矿瓦斯利用方式主要是在井口进行发电或管道输送用于民用、工业燃料。

(1)煤矿瓦斯发电

采用大功率高参数的煤矿瓦斯发电机组把报废矿井瓦斯转换成电力，变输气为输电。比较成熟的大功率机组包括美国卡特彼勒煤矿瓦斯发电机组、奥地利颜巴赫煤矿瓦斯发电机组和德国道依茨煤矿瓦斯发电机组，以及国内额定功率较小但适应范围较广的山东胜动煤矿瓦斯发电机组。

(2)用作工业燃料或附近居民生活用气

若附近有居民，可把从报废矿井抽采出的煤矿瓦斯通过中低压管网直接民用;若附近有砖厂、陶瓷厂等企业，报废矿井瓦斯可用来作为烧制瓷砖或陶瓷的工业染料。

4 结论与建议

(1)报废煤矿瓦斯开发利用既可以变废为宝、增加清洁能源供应，增加就业岗位，还可以减少温室气体排放，是一项利国利民的“环保绿色”工程。随着我国煤炭开采强度的持续加大，以及东部经济发达省份煤炭资源的日益枯竭，报废煤矿的数量将会越来越多，报废煤矿瓦斯抽采利用在我国具有巨大的潜力。

(2)当前，我国报废煤矿瓦斯抽采利用研究和生产实践进展缓慢的主要包括以下几方面原因:缺乏国外报废煤矿瓦斯生产的先进经验，报废煤矿残存瓦斯资源量预测、瓦斯涌出规律研究以及选区评价等核心技术没有实现突破，报废煤矿以及报废煤矿中瓦斯资源的所有权尚不清晰等。

(3)为了借鉴美国、英国和德国等国外先进经验，促进国内报废煤矿瓦斯抽采利用产业发展，国家在规章标准、优惠鼓励政策等方面给予优惠支持:①尽快制定出台煤矿矿井报废标准或管理规定，对于高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，规定在矿井报废后的两年内必须进行瓦斯抽采;②加大报废煤矿瓦斯抽采利用的补贴力度，提高相关企业的积极性;③明确报废煤矿残存的煤矿瓦斯资源矿权归属及获得方式;④进一步加大国际合作，学习借鉴国外先进的报废煤矿资源量预测、选区评价和瓦斯开采方式优选等先进经验。

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