煤层气综合利用现状与实践

＊周营振 张小宁 王李平 杨飞 刘乐

（陕西彬长大佛寺矿业有限公司 陕西 713500）

煤层气综合利用是一个包含社会效益、经济效益、环境效益和安全效益的综合项目，是煤矿多元化发展的重要途径。通过总结分析煤层气相关文献可知，罗申国[1]分析我国煤层气利用现状，探讨不同浓度瓦斯的利用方法和存在问题，并提出整改意见。徐云飞[2]研究了李阳煤业瓦斯抽采以及综合开发利用途径，分析利用瓦斯带来的各方面效益并提出有效意见。闫亮[3]研究了马兰煤矿瓦斯涌出情况，分析抽采方式以及矿井发电利用情况。崔中桐[4]以新田煤矿为背景，以节能减排为目标开发智能矿山、瓦斯高效综合利用发电以及回收利用燃气通过余热锅炉供暖。张丽民[5]研究与余吾煤业瓦斯综合利用现状，通过乏风氧化、瓦斯发电、瓦斯抽采等利用方式每年创造巨大的环境和经济效益。曹帅[6]研究了彬长矿区文家坡煤矿的瓦斯综合利用现状，分析了工作面边抽边采、邻近层、定向钻孔和采空区瓦斯抽采结合，瓦斯综合利用包括地面预抽、低浓度瓦斯发电和乏风发电的方法，多种利用方式在彬长成功实行。煤层气利用现状是体积分数30%以上的高瓦斯用于提纯供应民用和工业用气，体积分数8%～30%用于内燃机发电，且技术比较成熟，8%以下瓦斯与空气混合至1%～1.2%通过乏风氧化蓄热。

目前煤层气利用存在问题有瓦斯抽采效率不高，商业化利用率低，仅应用于供应燃气、瓦斯发电、汽车燃料等，化工主要用于合成氨、合成油等。开发期望过高，一次性投资成本大，煤矿瓦斯量持续减少，且低浓度瓦斯利用率较低。本文通过研究彬长大佛寺矿瓦斯抽采和综合利用方式，分析现状总结经验，为进一步扩大瓦斯综合利用事业提供经验。

1.实验分析

(1)地质分析

彬长煤田瓦斯赋存量高，根据钻孔瓦斯含量统计及实际揭露情况：地下水活动滞怠，延安组裂隙承压含水岩组赋水性弱，所以地下水活动对该处煤层瓦斯的影响较小；煤层顶板多为泥岩，炭质泥岩，底板多为铝土泥岩，厚度较大且整体性好，对瓦斯保存有利；煤层稳定，结构简单，煤质呈黑色，块状，半暗型，玻璃光泽，阶梯状断口，视密度为1.39t/m3，局部含有1～2层夹矸，厚度0.1～0.3m；整个煤田所在区域断层、褶曲等构造相对较少，整体地质环境对煤层瓦斯的保存有利；煤层瓦斯含量与煤层厚度、埋深具有一定的正相关性，即随着煤层厚度、埋深的增大，煤层瓦斯含量缓慢增大，彬长煤田埋深在600～900m左右，属埋深较深煤层。经煤质化验，煤层瓦斯赋存量较高，具备开采价值。

(2)煤质分析

大佛寺主采煤层4#煤层都是低热变质烟煤层，为不粘煤层31号，煤质分析见表1。

表1 煤质分析

(3)瓦斯吸附解吸

①瓦斯吸附

图1 4#煤等温吸附曲线

结合表1可知煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低。因而随着煤基质水分的增加，兰氏体积呈减小趋势，而灰分对甲烷气体没有吸附效应，因此灰分含量的增加，必然会导致兰氏体积的减少。

②瓦斯解吸

由图2可知残余气含量为零或者非常低，甲烷气体几乎得到解吸，损失气体含量较大，用直接法计算的损失气含量明显偏低。根据排采数据分析，实际损失气量最高可达30%以上。

图2 4#煤样解吸速率

(4)煤层渗透性

①裂隙特征

表2 裂隙特征

表3 渗透率特征

4#煤层裂隙宽度较大，平均10～38μm，密度一般3～5条/10cm，渗透性较好。

②渗透率

可知4#煤层渗透率为3.06～5.73mD，主煤层渗透率较大，渗透性较好。

2.煤层气抽采

(1)我国煤层气抽采

由图3可知我国煤层气抽采量波动范围较小，整体利用率有小幅度上升，但是相比于发达国家利用率较低，抽采量较高但是利用量和利用率有待提高。

图3 2010—2018年煤层气抽采、利用统计

(2)大佛寺煤层气抽采

表4 煤层气抽采

大佛寺煤矿含煤层气资源面积75.42km2，总资源量25.23×108m3，可采资源量为18.92×108m3，资源丰富度为0.33×108m3/km2。2022年23口井目前以直井为主，辅以多分支水平井和U型分支水平井，其中多分支水平井产量最高，结合采前预抽、区域预抽、掘前预抽、高位定向钻孔、和顶板释放孔，2022年煤层气抽采大约为4563万m3，通过与天然气公司和发电厂合作，满足民用燃料的同时实现经济价值。

3.煤层气瓦斯发电

(1)瓦斯利用途径

由图4可知高浓度瓦斯≥80%占比最少，其可直接应用于汽车、工业、民用燃料；中高浓度瓦斯（30%≤CH4体积分数＜80%）应用范围广，可以发电或者提纯后压缩作为汽车燃料；低浓度瓦斯（8%≤CH4体积分数＜30%）可应用于发电利用；超低浓度瓦斯（CH4体积分数＜8%）通过乏风蓄热氧化发电技术、瓦斯直燃技术进行利用。

图4 瓦斯体积分数占比

(2)低浓度瓦斯发电

①大佛寺煤矿一期、二期瓦斯发电

瓦斯发电至今累计发电7.5亿度，销毁利用瓦斯纯量3.6亿Nm3，累计减排CO2当量360万吨，节约标煤20万吨，有效减少了环境污染，降低温室气体排放。在2022年低浓度一期发电总量为3400万度，低浓度二期年发电总量1587万度，低浓度黄陵发电厂全年累计发电量为3900万度。

②大佛寺煤矿通风瓦斯（乏风）氧化发电

发电公司将1#、2#风井0.2%～0.75%和抽采体积分数低于8%的瓦斯混合气体输送到氧化装置掺混点，自动混合为0.9%～1.0%，供氧化装置氧化反应，产生蒸汽推动汽轮发电机发电，实现低浓度瓦斯回收利用，项目年发电3200万度，年减排CO2当量约56万吨。

③大佛寺煤矿低浓度瓦斯直燃技术发电

计划将瓦斯直燃项目7%～8%瓦斯直接输送至直燃装置进行燃烧，燃烧均匀且强度高达2500kW/m2。该技术设计了独特的点火和燃烧器，迷宫式的温度场，保障低浓度瓦斯安全点燃、稳定燃烧，确保系统安全稳定运行。该项目建设规模为4MW，每年实际销毁低浓度瓦斯73.6万m3，减排CO2当量约1.45万吨，每天供应热水145t满足员工洗浴。

(3)低浓度瓦斯发电烟气余热利用

烟气开发项目通过24台燃气机组产生的烟气余热 建设4×2.4t/h+3×2t/h余热锅炉，将产生2.45MPa、400°、15.6t/h过热蒸汽，送至4.5MW汽轮发电机组用于发电，同时利用烟气余热可为大佛寺煤矿4000余职工提供生活和洗浴用水，每年节省标煤5363t，为节能减排做出贡献。

4.煤层气开采利用存在问题及建议措施

(1)存在问题

①煤层气开发期望过高，注意力集中于工程实践，资金投入与产出不成正比。

②低浓度瓦斯利用技术有待提高，特别是瓦斯直燃技术和乏风瓦斯发电技术不成熟，目前发电和供热成本较高。

③高浓度瓦斯打井开采和发电成本高，政府补贴不稳定，且煤层气提纯主要用于民用和发电，工业利用途径少。

④项目立项与审批手续复杂，周期较长，极大延误了煤层气开发与利用项目进度。

(2)措施建议

①对煤层气开采保持清醒认识，注重实验研究与工程实践结合，避免无效投入。

②坚持煤层气开发“四个统一”原则，由国家企业统一标准化开采建设，严格执行“先抽后采”政策方针，将采煤采气一体化、井下和地面抽采充分结合。

③针对煤层气“三低现象”，坚持理论与技术创新，将低浓度瓦斯应用技术进一步推进，加大科研投入与关键技术研发力度。

④加强政府的扶持力度，稳定发电和抽采补贴，促进企业发展，扩宽煤层气利用渠道，简化项目的行政审批手续，加快项目建设。

5.结论

彬长矿业煤层气综合利用应因地适宜，地面开采就地利用、余气外输，实现高浓度煤层气商业化。低浓度通过发电利用，鼓励煤矿自产自用，余电并网销售，自给自足的前途下创造效益，将超低浓度瓦斯进行回收利用，选择氧化后再供热、瓦斯直燃技术等方式利用。煤层气综合利用不仅符合当下清洁能源的政策，而且提高煤矿安全生产的同时为企业带来新的经济增长点，实现资源、环境和社会效益最大化。