山西省煤矿甲烷排放量与利用量精细测算

刘 虹 赵美琳 赵 康 张 瑞 马庭林薛文林 侯志华 张清源 张孝义

1. 中国矿业大学（北京）管理学院 2. 中国宏观经济研究院能源研究所 3. 山西今日智库能源有限公司

0 引言

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体[1]。2021年8月9日，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告第一工作组报告特别强调了全球甲烷减排的重要性[2]，“十四五”规划首次将甲烷排放写入五年规划，提出“加大甲烷、氢氟碳化物、全氟化碳等其他温室气体控制力度”[3]。我国煤炭行业的甲烷排放量巨大，其中井工开采是煤炭开采活动中最大的甲烷排放源，其甲烷排放量约占煤矿甲烷排放总量的83%[4]。因此，有必要对井工开采过程中的甲烷排放量进行定量研究。

据国家能源局统计，山西省是我国主要的煤炭生产区域之一，近 70 年以来煤炭总产量高达 200×108t[5]，在这一过程中，大量赋存在煤层中的甲烷排放到大气中。因此，进行山西省煤矿的甲烷排放量与利用量精细化测算对深入开展我国煤炭行业的甲烷排放研究具有代表性意义[6]。为此，笔者基于山西省2019年煤矿甲烷排放源的各矿区企业实测数据，对井工开采过程中甲烷排放量进行初步测算，以期为建立完整的煤矿甲烷排放量清单提供理论方法和实践经验。

1 研究思路及方法

1.1 研究思路

原煤产量法是计算煤矿甲烷排放量相对准确且合理有效的方法，通常利用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》（以下简称《指南》）推荐的煤炭开采过程中的甲烷排放因子和实际测量的国家或区域煤炭产量数据，来测算某个国家或地区的甲烷排放量[7-8]。然而相关研究显示[9]，由于矿井类型和数量的差异，以及乏风中低浓度甲烷（体积分数通常不超过0.75%）利用率较低[10]，通常被直接排放到大气中[11-12]，且煤体的变形程度会影响煤层中甲烷的释放和运移[13-16]，《指南》提供的甲烷排放因子参考值在我国煤炭产业实际研究、使用的过程中精度不够[17]。

为提高甲烷排放定量计算的准确性，笔者采用原煤产量法作为煤矿甲烷排放量的计算方法，并结合实测调查和典型样本推演，通过原煤产量和煤矿监测数据测算不同类型煤矿的甲烷涌出因子[18]，采用吨煤的甲烷涌出量与利用量的差值即净排放量计算得到甲烷排放因子，更真实地反映煤矿开采过程中甲烷的排放强度，最后基于甲烷净排放量和区域面积计算各区域的甲烷地理排放强度，精准细化测算山西省域内煤矿甲烷气体排放量的情况。

1.2 区域煤矿甲烷排放量与利用量计算方法

1.2.1 甲烷涌出因子和排放因子

研究定义的甲烷涌出因子与《指南》定义的井工煤矿开采过程中的甲烷排放因子概念一致，即吨煤生产过程中甲烷的平均排放量[19]。根据矿井的原煤年产量和甲烷涌出量加权计算煤矿的甲烷涌出因子：

式中ΔXi表示X区域第i类型矿井的甲烷涌出因子，m3/t；X表示山西省的11个行政区域；i表示高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井、低瓦斯矿井等3种矿井类型；j表示第i类型矿井中的某一矿井；mi表示第i类型矿井的数量；QTij表示样本中第i类型矿井中的第j个矿井的甲烷涌出量，m3；Mij为样本中第i类型矿井中的第j个矿井的原煤年产量，t。

研究定义的甲烷排放因子是指甲烷涌出量减去利用量后的甲烷净排放量与原煤产量的比值。基于煤矿开采过程中瓦斯动态监测数据，计算各区域不同类型矿井的甲烷排放因子：

式中ΔNXi表示X区域第i类型矿井的甲烷排放因子，m3/t；rij为样本中第i类型矿井中的第j个矿井的甲烷利用率。然后基于不同类型煤矿的甲烷排放因子和不同类型矿井的数量占比（统计样本中矿井类型占比），计算各区域甲烷排放因子：

式中ΔNX表示X区域的甲烷排放因子，m3/t；PXi表示样本中X区域的i类型煤矿的数量占比。

1.2.2 甲烷涌出量和净排放量

基于测算的甲烷涌出因子和原煤年产量数据，计算山西省各行政区域不同类型矿井的甲烷年涌出量：

式中QTXi表示X区域第i类型矿井的甲烷年涌出量，m3；MXi表示X区域第i类型矿井原煤年产量，t。

甲烷净排放量是指逃逸到大气中的甲烷排放量，基于样本数据中测算的甲烷排放因子和原煤年产量数据，计算山西省各行政区域不同类型矿井的甲烷年净排放量：

式中QNXi表示X区域第i类型矿井的甲烷年净排放量，m3。

1.2.3 甲烷回收利用量

基于测算的各行政区域的煤矿甲烷年涌出量和甲烷年净排放量数据，计算各行政区域的煤矿甲烷年利用量：

式中UX表示X区域的甲烷年利用量，m3。同时计算2019 年各行政区域的甲烷利用率 ：

式中RX表示X区域的甲烷利用率。

1.2.4 甲烷地理排放强度

甲烷地理排放强度用区域煤矿甲烷年净排放量（换算为质量单位）和所在地区面积的比值表示,计算公式如下：

式中QIX表示X区域的甲烷地理排放强度，t/km2；ρCH4表示标况下甲烷的密度，0.716 kg/m3。SX表示X区域面积，km2。

2 研究样本

本次研究选取了2019年山西省不同行政区域178座不同类型矿井作为样本，按照各矿井所属行政区域统计矿井类型及原煤年产量，其中高瓦斯矿井数量为143处，煤与瓦斯突出矿井数量为29处，低瓦斯矿井数量为6处。同时，根据煤矿开采过程中的瓦斯动态监测数据，计算样本区域不同类型矿井的甲烷涌出量（表1）。

表1 2019年山西省统计样本矿井类型、原煤产量及甲烷涌出量数据汇总表

3 实证结果与分析

3.1 甲烷涌出因子和排放因子

根据公式（1）和（2）分别计算各区域不同类型矿井的甲烷涌出因子和甲烷排放因子，对于缺失的少量监测数据，需要根据行政区域的地理位置关系建立平衡方程，运用LINGO软件求解未知量，结果如表2所示。

表2计算结果表明，山西省各区域不同类型矿井的甲烷涌出因子和排放因子差别较大。煤与瓦斯突出矿井的甲烷涌出因子介于0.73～45.47 m3/t，甲烷排放因子介于0.73～17.51 m3/t；高瓦斯矿井的涌出因子介于1.08～31.57 m3/t，甲烷排放因子介于0.96～14.46 m3/t；低瓦斯矿井的甲烷涌出因子和排放因子均小于10 m3/t，甲烷涌出因子介于0.13 ～ 8.48 m3/t，甲烷排放因子介于 0.13 ～ 6.29 m3/t。计算结果同时也表现出：煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井的原煤产量对甲烷涌出量的影响较大；低瓦斯矿井的原煤产量对甲烷涌出量影响较小[18]。

基于不同类型矿井的甲烷排放因子测算结果和样本中不同类型煤矿的数量占比，根据公式（3）求得各行政区域甲烷排放因子，同时求出山西省甲烷排放因子为5.08 m3/t。总体来看，山西省甲烷排放因子高值区主要集中分布在中部（太原市、阳泉市、晋中市、吕梁市、临汾市）和东南部（长治市和晋城市）；低值区主要分布在北部（大同市、忻州市、朔州市）和西南部（运城市）。

3.2 煤矿甲烷排放量和利用量

3.2.1 甲烷涌出量和净排放量

根据山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局在2020年3月份公布的山西省煤矿全名单，收集整理山西省不同类型矿井的生产能力数据，汇总求得山西省2019 年全部煤矿的生产能力为 12.629 5×108t。通过查阅《山西省统计年鉴》，获得山西省2019年原煤总产量数据为 9.879 5×108t，原煤产量和生产能力的比值为0.782 3。基于样本数据，测算出山西省2019年各行政区域不同类型矿井原煤产量（表3）。

表3 2019年山西省各区域不同类型矿井原煤产量表 单位：104 t

基于测算的甲烷涌出因子和原煤产量数据，根据公式（4）和公式（5）分别计算山西省2019年各行政区域不同类型矿井的甲烷涌出量和甲烷净排放量（表4）。

表4 2019年山西省各区域不同类型矿井甲烷涌出量和净排放量表 单位：108 m3

汇总求得2019年山西省所有类型矿井甲烷涌出总量约 63.91×108m3，甲烷净排放量约 40.39×108m3。高瓦斯矿井的甲烷涌出总量约28.06×108m3，甲烷净排放量约16.68×108m3；煤与瓦斯突出矿井的甲烷涌出总量约17.64×108m3，甲烷净排放量约为8.08×108m3；低瓦斯矿井的甲烷涌出总量约18.21×108m3，甲烷净排放量约 15.63×108m3。根据计算可知，2019年晋城市、晋中市、吕梁市煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井的甲烷涌出量均较高。究其原因，一是由于煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井的数量较多；二是由于开采煤层的煤阶较高，甲烷吸附量大[20]；三是由于原煤产量高。长治市和阳泉市低瓦斯矿井甲烷涌出量大，而煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井涌出量相对较小，可能与强烈的构造作用导致煤体破碎有关[21-22]。

3.2.2 甲烷利用量

煤层气是重要的清洁能源，甲烷是煤层气的主要成分。据国际能源机构的统计，煤矿甲烷排放主要来源于井工开采，占比约为83%。根据国家温室气体清单数据可知，2019年中国煤炭开采导致的甲烷排放量约2 000×104t[23]，有效回收和利用煤炭开采过程中排放的甲烷对缓解温室效应至关重要。基于甲烷涌出量和净排放量的测算结果（表4），根据公式（5）和公式（6）计算甲烷利用量和利用率，测算甲烷利用量结果如表5所示。2019年山西省各区域的甲烷利用率较高，平均利用率为36.78%，其中阳泉市利用率最高，约48.28%；晋中市、晋城市、忻州市、吕梁市的甲烷利用率均高于平均利用率水平，并且部分地区的煤矿甲烷抽采利用率超过80%。不同类型矿井的甲烷利用率差异较大，煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井的甲烷利用率较高，分别为54.18%和40.53%。

表5 2019年山西省各区域不同类型矿井甲烷利用量及利用率表

3.3 甲烷地理排放强度

甲烷地理排放强度可用来判别甲烷排放对所在地区大气环境污染的影响程度，基于煤矿甲烷净排放量测算结果（表4），与标况下甲烷密度（0.716 kg/m3）相乘得到质量级甲烷净排放量，根据公式（8）求得各行政区域甲烷排放强度，测算结果如表6所示。

表6 2019年山西省各区域煤矿甲烷地理排放强度表

甲烷地理排放强度高值区主要集中分布在中部以东区域（太原市、阳泉市和晋中市）和东南部（长治市和晋城市），主要原因是这五个城市地处沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘两个高突瓦斯区内，区域煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井分布密集，煤层对甲烷的吸附能力强，甲烷含量普遍偏高[22]。相比区域甲烷排放因子分布，高值区并未包括中部以西区域（吕梁市、临汾市），是因为这两个城市的区域面积较大导致计算结果偏低。甲烷地理排放强度和甲烷排放因子低值区相吻合，主要分布在北部（大同市、忻州市、朔州市）和西南部（运城市）。

4 结论与建议

以山西省典型矿井为研究对象，采用原煤产量法和矿井实测法，基于2019年煤矿开采过程中瓦斯动态监测数据，首次精细化测算了不同类型矿井的甲烷涌出因子、甲烷排放因子和甲烷地理排放强度，编制了省域内详细的甲烷排放清单。主要结论如下：

1）山西省不同类型矿井的甲烷涌出因子存在较大差异，煤与瓦斯突出矿井甲烷涌出因子介于0.73～ 45.47 m3/t，高瓦斯矿井介于 1.08～ 31.57 m3/t，低瓦斯矿井介于0.13～8.48 m3/t。不同类型矿井的甲烷排放因子也存在较大差异，山西省矿井的甲烷排放因子介于0.13～17.51 m3/t，煤与瓦斯突出矿井最大，高瓦斯矿井次之，低瓦斯矿井最小。山西省矿井的甲烷涌出因子范围（0.13～45.47 m3/t）与《指南》给出的参考值（10～25 m3/t）偏差较大，表明甲烷涌出因子具有非均质性，编制详细的区域甲烷排放清单是必要的。

2）山西省2019年甲烷涌出量、净排放量和利用量分别为 63.91×108m3、40.39×108m3、23.50×108m3，甲烷利用率为36.78%。且不同类型矿井的甲烷利用率差异较大，煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井的甲烷利用率较高，分别为54.18%和40.53%。

3）山西省不同行政区域甲烷排放强度差异巨大，甲烷排放强度高值区集中分布在中部和东南部，是由于城市地处沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘两个高突瓦斯区内，区域煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井分布密集所致，煤层对甲烷的吸附能力强，甲烷含量普遍偏高。

基于上述结论，针对山西省煤矿开采过程中甲烷减排和利用提出如下建议：

1）部署煤矿甲烷排放量管控的顶层设计势在必行。建议制定符合国情的煤矿甲烷排放量管控制度，将甲烷排放量控制纳入国家气候目标。以《生态环境监测规划纲要（2020—2035年）》总体布局为依托，编制温室气体排放清单，构建我国甲烷排放监测体系。

2）进一步加强煤矿煤层气与井下瓦斯协同开采，根据煤层物性特征、开采规划等因素，协同发展井下瓦斯抽采和地面煤层气开采工艺，降低矿区煤层中甲烷排放的绝对含量。针对不同类型矿井甲烷浓度差异采用不同的利用途径以实现甲烷高效利用，甲烷浓度超过30%可直接用于发电、民用、瓦斯锅炉等；浓度介于8%～30%之间，可考虑提纯至30%。

3）由于乏风中低浓度甲烷难以单独利用，建议深入开展富集和纯化工艺的研究，拓宽低浓度甲烷绿色利用阈值。浓度低于8%的甲烷可与高浓度甲烷混合后进行利用，积极提高煤矿甲烷利用率，实现煤矿低碳绿色开采。