提高煤层气利用率促进低碳经济发展

　　摘要：低碳经济是可持续发展的需要，是世界发展的趋势，煤层气作为一种新的能源，有着非常广阔的前景。本文分析了煤层气的开采现状，探讨了我国煤层气开采利用率低的问题，并分析了其相关因素，以更好的开发利用煤层气资源，打造低碳经济。
　　关键词：煤层气；利用率；低碳经济；瓦斯
　　随着气候的变暖，经济发展的方式势必随着转变。低碳经济，为全世界所提倡。经济的发展使能源的需求越来越大，传统的石油、煤炭在使用中产生了大量的CO2，使全球温室效应越来越严重，世界各国都在寻求新的如风能等没有污染的新型能源，随着煤炭开采深度的不断加大，煤层瓦斯的涌出量也在加大，这对煤炭的安全开采是个新的挑战。传统的瓦斯防治方法就是直接将瓦斯排放到大气中，更加增加了温室效应的严重性，也污染了环境。
　　煤层气是二十年在世界上崛起的新型能源，俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4，因产地不同含有少量不同浓度的其他气体。作为一种洁净的能源，各国都在开发利用，由于气候的变暖，它的利用越来越重要，2007年6月，我国正式发布了《中国应对气候变化国家方案》，发展低碳经济。
　　CH4是一种有强烈温室效应的温室气体，按同等重量气体计算，其温室效应是CO2的23倍，是排在CO2之后的第二位主要温室气体。甲烷在大气中的寿命周期比CO2短，约12年，减少CH4排放量在近期对减缓大气变暖有重要意义，而且减排成本比CO2低得多。同时，它又是一种能源。回收利用甲烷不仅能够减少温室气体的排放，同时还可以提供一种可靠的、经济的清洁能源。因此，甲烷的减排是目前全球气候变化行动计划中最重要的、最经济的举措之一。
　　一、煤层气开采现状
　　1.1世界煤层气开采
　　北美洲以及澳洲国家在煤层气开采技术方面走在了世界的前列，煤层气是成煤过程中生成的以吸附或游离状态赋存于煤层的自储式天然气。世界煤层气总资源量为（100～260）×1012m3，约为常规天然气资源量的50％，其中俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚五国合计煤层气总资源量为（90～250）×1012m3，占世界煤层气总资源量的90％。目前，美国、加拿大、澳大利亚三国煤层气开发已形成工业化规模，2007年煤层气产量分别达到了496×108m3、100×108m3和29×108m3。
　　1.2我国煤层气的开发利用现状
　　我国的煤层气储存非常丰富。据有关资料，埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36万亿m3，其中1000m以浅、1000～1500m和1500～2000m的煤层气地质资源量，分别占全国煤层气资源地质总量的38.8%、28.8%和32.4%。可采资源总量约10万亿m3。煤层气在我国是新兴的能源，可开发潜力巨大。过去，我国煤矿主要是直接排放到大气中。我国煤炭产量全球第一，今年预计将达到33亿吨。同时，产生的矿井瓦斯排放量也是全球第一。
　　瓦斯抽采量的递增是由于我国煤炭开采量的递增所引起的。随着开采深度的增加，瓦斯的赋存量也在增加，同时由于我国煤炭监管体系的日渐完善，煤层气抽采技术的不断改进，煤炭通风安全设施的投入加大等相关因素，煤层气抽采取得了可喜的成绩。与此同时，我国煤层气的利用率却呈现下降趋势。
　　二、影响煤层气利用率的因素
　　现在的瓦斯抽放系统是能够满足煤矿开采安全需求的。但从煤层气的利用来看，其开采技术的应用对于抽采量的多少影响重大，所以改变抽放的相关方法显得十分重要。抽放技术的选择要与瓦斯的抽采量相协调，瓦斯抽采量的调整目的如下：提高抽放系统获取甲烷的比例，而不是将甲烷排放到矿井通风气体中；优化提前抽放和采空区抽放的甲烷比例以满足煤矿开采和瓦斯利用的需求；优化抽采系统，减少甲烷供应的不稳定波动。
　　2.1矿井下抽放
　　在操作过程中有时很难平衡影响瓦斯流动的所有因素，很难收集到变量瓦斯的详细数据，所有的瓦斯一般被收集到相同的管道，所以很难定义随时间变化的影响量。地下抽放受许多重要因素的影响，但在多数情况下掌控已存瓦斯的含量和流速需要相关技术的革新，但这并没有作为一个完整的体系加以阐述。
　　2.1.1抽放目的
　　钻孔的设计模式需要对由煤矿开采过程中煤缝的渗透性、瓦斯成分、地质变化、变形所引起的煤体渗透性变化有深入的了解，煤缝中的瓦斯特性决定着钻孔的布局以及有效瓦斯抽放的流程，在断裂带区域，钻孔的设置点必须不断调整以适应断裂区域的变化。
　　2.1.2钻孔
　　这些钻孔用来抽采煤层中的瓦斯。这些原态瓦斯随开采的进行，煤层渗透发生变化使瓦斯产生流动，抽放的设计、钻孔的定位决定着瓦斯的抽放效率。钻井技术与实践在最近几年取得了飞速发展，当定点钻井监测技术使用时，钻孔将更加精准。旋转式钻孔更加难以控制，主要应用于短孔和非关键位置的钻探。另外，封孔质量对本煤层抽采煤层气影响很大，膨胀水泥封孔技术十分有效，比聚氨酯封孔瓦斯流量提高3～4倍，瓦斯浓度提高5倍左右，这对于瓦斯的抽采以及提高瓦斯的利用率具有十分重要的影响。
　　2.1.3管道
　　瓦斯通过抽吸提取，瓦斯的流动主要由管道的设计来控制，而管道的设计必须能够确保从煤矿中的钻孔中最大化地抽取瓦斯，在钻孔处需要有效地实施负压抽放。管道的系统能力必须符合预期的流量以优化输送甲烷的含量和流量。空气渗透到管道中稀释了瓦斯的供应量，通过对管道系统进行系统化维护以及对钻孔的连接性和钻孔设施安装气密性的加强，能够减少空气的深入和甲烷的流出。已经开发了相关安全装置在煤矿发生事故的时候关闭管道系统。
　　2.1.4监测
　　现在的相关设施已经能够实现实时监测瓦斯的含量和流量，并且能够监测整个系统。这种监测装置对于系统化管理瓦斯的含量和流量是十分有必要的，一个简单的装置就是当瓦斯的浓度低于特定量的时候，设置的钻孔开关就会关闭。
　　2.2从地面进行抽放
　　从地面钻孔进行提前抽放与煤矿开采无直接联系的煤层气商业化生产有本质的联系。回收的甲烷具有高纯度，每个钻孔的甲烷量遵循典型的循环规律。地面提前钻孔抽放并不常见。在煤矿大多数表面抽放是采空区抽放，最初的目的是为了防止瓦斯从采空区进入工作面。采空区瓦斯的来源是多方面的，最主要的来源是从煤缝隙释放到采空区而没有被完全抽采滞留在采空区。在一些矿井中大量的瓦斯来源于巷道变形破坏了上层和下层的缝隙，致使瓦斯大量释溢通过矿井可渗透区域到达采空区。现在的综采区和以前的综采区作为瓦斯储蓄两者之间存在一定联系，影响采空区甲烷排放的因素包括：
　　（1）采掘和诱导渗透性。采空区的钻孔的设置必须保证穿透采空区的渗透区，并且能够确保采空区的瓦斯排放进钻孔中。但是很难知道在开采工作时会发生什么，实验表明采空区的边缘具有较高的渗透性，采空区的中心区域瓦斯更为聚集，因而负载也最大。渗透性的负载和释放并不对称，会被相邻的综采所破坏。采掘采用单排放钻孔或多排放钻孔需要占用空间，排空采空区本质上都会对采空区域产生影响。
　　（2）采空区钻井的补充设计。钻孔的深度或终止深度对于混合瓦斯气的抽取至关重要。采空区内各种不同的气体从一定程度上讲可以通过气体密度区别开来，气体密度大的在下面，密度小的在上面，相关气体可以在井底的不同水平找到。
　　（3）采空区瓦斯流动的动态性。采空区的瓦斯要么来源于煤炭释放，要么来源于综采面的煤矿通风。不合适的钻孔可能使气体形成负压流向采空区，稀释了抽取的煤层气。远离综采面的钻孔可能引起更多的瓦斯从煤隙流向排气孔，但这并不能减少或控制煤层气流向工作面。通风压力、钻孔的吸力以及煤层气的气体压力相互作用影响采空区的瓦斯流动。
　　（4）计算机模拟技术应用。不同计算流体力学的模型已经应用到了采空区的瓦斯流动，流体力学模型技术的开发用以预测瓦斯的开采、采空区钻孔的位置设计以及需要达到的吸收压力的效果。到目前为止，这些技术已经被应用到采空区瓦斯到工作面流动的管理，在瓦斯开采过程中确定提取气体的性质同样有效。
　　2.3控制甲烷供应流量的稳定性
　　所有甲烷气流浮动最主要是由于煤炭中瓦斯分布、煤矿开采活动、所采用的混合排放以及其他外部因素所决定。由于引起波动的因素有很多，所以需要逐一确定哪些可以作为影响甲烷供应的条件以满足特定需求，有些引起变化的原因可以解决，但是许多是煤矿开采方法或自然条件所固有的。影响浮动的主要因素如下：
　　（1）采煤和采矿周期。采煤过程和远距离相关煤层的释放增加了瓦斯流量。在煤矿开采前，瓦斯流动量处于最小状态。通过综采过程瓦斯开始释放，然后逐渐下降。在日循环中，瓦斯在煤炭开采的最活跃时段产生量大，开采量小或不开采时瓦斯量减少。
　　（2）瓦斯成分的变化。在一个单一的综采区域煤隙间瓦斯的成分以及种类存在很大的变化。如果采煤区域转变到一个新的工作面，同时此工作面释放的瓦斯与前工作面不同，那么开采过程将会产生巨大不同，被成功地应用到煤矿的某一区域的瓦斯控制技术将有可能不再适用。
　　（3）抽放效果。抽放系统的有效性取决于抽放钻孔是否安置在设计位置以及抽放点的正确预测。甲烷抽放网点的设计与操控由地质条件和采矿方法的变化所影响。一个细心的抽放工程师把他的抽放系统调整一下就会对抽放系统的效果产生巨大影响。如果抽放钻孔和其标地存在误差，那么瓦斯流量不可避免地会减少。
　　（4）压力影响。瓦斯流量对压力的变化特别敏感，这是由于昼夜温差的变化、偶尔的特殊气候引起的。虽然其中的一些因素会对瓦斯流量产生影响，但通过完善通风和抽放系统可以弥补这些因素产生的影响。
　　三、结语
　　煤层气作为清洁发展机制（CDM）主要关注的能源。发展煤层气的高效利用等技术，节能减排，减少温室效应，打造低碳经济，是改善全球大气环境的一个迫切任务，我国煤层气资源丰富，西北地区的含量高，开采条件好，适用于大规模的开发利用。因此，解决开发在煤层气利用过程中各环节的技术问题，对我国的能源利用，世界的环保又重要的意义，从根本上解决好制约煤层气发展的问题，真正做到高效利用，打造低碳经济。
　　参考文献：
　　[1]翟成.我国煤矿井下煤层气抽采利用现状及问题[J].2008（7）
　　[2]郑乃国.瓦斯抽放及技术研究［J.煤炭技术，2008（6）