我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用現(xiàn)狀及對其發(fā)展的思考

郝海金,陳召英,魯 博

(1.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048000;2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)

為了治理煤礦瓦斯,保障煤礦安全生產(chǎn),我國自1952年就開展了較為系統(tǒng)的煤礦瓦斯抽放工作,當(dāng)時主要方法是利用煤礦井下施工的鉆孔或巷道進(jìn)行瓦斯抽放[1];而煤層氣地面開發(fā)始于1989年,主要方法是利用地面抽采孔(井)抽采煤層氣,起初其主要目的是獲取煤層氣資源,實(shí)現(xiàn)商業(yè)利益,安全與環(huán)境效益是其副產(chǎn)品。

近些年,黨和政府對煤礦安全生產(chǎn)越來越重視,為徹底解決煤礦瓦斯災(zāi)害,保障煤炭工業(yè)的快速發(fā)展,國務(wù)院和有關(guān)部委采取了一系列有效措施。2002年國家礦安全監(jiān)察局和中國煤炭工業(yè)協(xié)會提出了“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”十二字瓦斯治理方針,2005年國家能源局在《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》中,提出“可保盡保、應(yīng)抽盡抽、先抽后采、煤氣共采”的瓦斯綜合治理戰(zhàn)略[2]。2006年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于加快煤層氣 (煤礦瓦斯) 抽采利用的若干意見》,第一次把瓦斯抽采和煤層氣開發(fā)統(tǒng)稱為煤層氣(煤礦瓦斯)抽采,并明確提出:加快煤層氣抽采利用是貫徹以人為本,落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,建設(shè)節(jié)約型社會的重要體現(xiàn)。必須堅(jiān)持先抽后采、治理與利用并舉的方針,采取各種鼓勵和扶持措施,防范煤礦瓦斯事故,充分利用能源資源,有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)通過強(qiáng)制推行煤礦井下瓦斯抽采、地面開發(fā),確實(shí)起到治理瓦斯的作用,因此,國家發(fā)展和改革委員會和國家能源局在制定煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十一五” “十二五”和 “十三五”規(guī)劃時,都將煤層氣(煤礦瓦斯)抽采作為煤礦瓦斯綜合治理的治本之策,并作為一條主線貫穿于整個規(guī)劃。

國家先后出臺了一系列加強(qiáng)煤礦瓦斯防治工作的政策措施,使得我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用水平得到了極大的提升,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量大幅度增長,對防范煤礦瓦斯事故和促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)也發(fā)揮了重要的保障作用,為緩解能源緊張局面和減少環(huán)境污染發(fā)揮了積極作用。2017年,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量177.66×108m3,其中地面煤層氣產(chǎn)量49.59×108m3,煤礦井下瓦斯抽采量128.07×108m3,全國煤礦共發(fā)生事故219起、死亡375人,同比減少30起、151人,分別下降12%和28.7%,煤礦安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。煤層氣(煤礦瓦斯)利用量92.88×108m3,其中地面煤層氣利用量43.96×108m3,煤礦井下瓦斯利用量48.92×108m3,相當(dāng)于減排二氧化碳1.4×108t。

雖然我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采取得了令人矚目的成就,但在“十一五”和“十二五”期間都沒能實(shí)現(xiàn)煤層氣(煤礦瓦斯)抽采規(guī)劃目標(biāo),而且根據(jù)目前煤層氣(煤礦瓦斯)抽采進(jìn)展情況,要實(shí)現(xiàn)煤層氣(煤礦瓦斯)抽采“十三五”規(guī)劃目標(biāo),難度也很大。同時,與美國、加拿大和澳大利亞等煤層氣開發(fā)技術(shù)比較先進(jìn)的國家相比,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采存在發(fā)展速度緩慢、地面單井產(chǎn)量低等問題。因此,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采該如何發(fā)展,發(fā)展前景到底如何,還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識,意見分歧較大。為此,通過分析我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采發(fā)展歷程和取得的成就,闡述發(fā)展過程中存在的困難和問題并提出相關(guān)解決建議。

1 我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采發(fā)展階段及特點(diǎn)

自煤層氣(煤礦瓦斯)實(shí)施抽采以來,抽采理論、技術(shù)與工藝不斷創(chuàng)新和完善,推動了我國煤礦安全生產(chǎn)水平持續(xù)提高。為了方便敘述和分析,以煤層氣成為獨(dú)立礦種及煤層氣地面開發(fā)商業(yè)化為時間節(jié)點(diǎn),在此把煤層氣(煤礦瓦斯)抽采發(fā)展歷程劃分為以下四個階段:

第一階段:井下瓦斯抽放形成和發(fā)展及地面開發(fā)探索階段(1950～1995年)。我國20世紀(jì)50年代,只有撫順、陽泉、天府等6個礦井抽放瓦斯,60年代又相繼在中梁山、焦作、淮南、包頭、松藻、峰峰等20多個礦井開展了煤礦井下瓦斯抽采工作[3-4],由此也帶動了煤礦瓦斯抽采技術(shù)的迅速形成和發(fā)展,由高透氣煤層瓦斯抽放、鄰近層卸壓瓦斯抽放逐漸發(fā)展到了低透氣煤層瓦斯強(qiáng)化抽采。70年代瓦斯抽放礦井個數(shù)猛增到80多個,80年代又增加到111個礦井,90年代抽采礦井個數(shù)達(dá)到133個[4],抽放礦井?dāng)?shù)時和抽采總量都穩(wěn)步增加(歷年瓦斯抽采量如圖1所示),由圖1 可知,1952年全國煤礦瓦斯抽放總量僅有0.66×108m3,到1995年,全國煤礦瓦斯抽放總量已達(dá)到了12.9×108m3,抽放量增加了12.3×108m3,增長了近19倍。同時煤礦瓦斯抽放量和煤炭產(chǎn)量有很好的正相關(guān)關(guān)系,表明瓦斯抽采對保證煤炭產(chǎn)量的提升起到了很好的促進(jìn)作用。

圖1 1950—1995年歷年煤炭產(chǎn)量和瓦斯抽放量Fig.1 Coal production and gas extraction from 1950 to 1995

1975年,在遼寧撫順、山西陽泉、湖南冷水江等礦區(qū)試驗(yàn)地面直井開采煤層氣,但沒有取得理想結(jié)果,未能持續(xù)下來。1989年原能源部召開了第一次“開發(fā)煤層氣研討會”,開始掀起全面勘探開發(fā)煤層氣的熱潮[4]。這一時期主要特點(diǎn)是:1)煤層氣(煤礦瓦斯)還不是獨(dú)立的礦種。2)井下瓦斯抽放技術(shù)快速形成和發(fā)展,在高透氣煤層形成了順層密集長鉆孔本煤層抽放技術(shù);在鄰近層形成了穿層鉆孔、頂板走向長鉆孔和高抽巷抽放技術(shù);在低透氣煤層形成了以煤層注水、水力壓裂、水力割縫、大直徑鉆孔、網(wǎng)格式密集布孔等多種強(qiáng)化抽采技術(shù)。3)煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采處于探索階段。1992年聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署資助我國開展煤層氣開發(fā),啟動了“中國煤層氣資源開發(fā)”和“中國深層煤層氣資源勘探”項(xiàng)目[4]。

第二階段:井下瓦斯抽放加速發(fā)展和地面開發(fā)商業(yè)化啟動階段(1995～2005年)。20世紀(jì)90年代后期,我國煤炭市場低迷,煤礦企業(yè)經(jīng)營十分困難,多數(shù)煤與瓦斯突出礦井生產(chǎn)和安全投入嚴(yán)重不足,欠賬太多,貫徹“先抽后采”力度不夠,很難實(shí)現(xiàn)“抽、掘、采”協(xié)調(diào)發(fā)展[5]。煤礦的安全狀況引起了黨和政府的高度重視,為了改變這種不利局面,1997年煤炭工業(yè)部發(fā)布了《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》(煤安字[1997]第189號),并頒布了《煤礦瓦斯抽放技術(shù)規(guī)范》(煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T-1997,),規(guī)定凡符合抽放條件的礦井,必須建立瓦斯抽放系統(tǒng),開展瓦斯抽放工作。同時規(guī)定進(jìn)行瓦斯抽放的礦井必須把礦井瓦斯抽放納人到采掘工作面、采區(qū)、礦井設(shè)計(jì)中,投產(chǎn)驗(yàn)收時必須同時對瓦斯抽放工程驗(yàn)收,不合格不得投產(chǎn)。2000年設(shè)立國家煤礦安全監(jiān)察機(jī)構(gòu),建立垂直管理的煤礦安全監(jiān)察體系,加強(qiáng)了對煤礦安全生產(chǎn)工作的組織領(lǐng)導(dǎo)。2002年～2005年,國家又每年投入30億元,帶動企業(yè)和地方投資,對重點(diǎn)煤礦進(jìn)行瓦斯治理和安全技術(shù)改造。

由于政府積極引導(dǎo)和支持,煤礦瓦斯抽放迅速發(fā)展,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),1996年,我國有133座煤礦建立了井下抽放系統(tǒng)和地面輸配氣系統(tǒng),年抽采總量達(dá)6.3×108m3, 到2005年,我國有228座煤礦進(jìn)行瓦斯抽采,其中陽泉、淮南、撫順、松藻、盤江礦區(qū)為瓦斯抽放量最大的5個礦區(qū),全國抽采總量達(dá)到了23×108m3,抽采量有了較大幅度的增長[5],與1996年相比抽產(chǎn)量增加了16.7×108m3,增長了2.7倍(如圖2所示)。

圖2 1995—2005年歷年煤炭產(chǎn)量和瓦斯抽放量Fig.2 Coal production and gas extraction from 1995 to 2005

在加速發(fā)展井下瓦斯抽采的同時,也在積極探索煤層氣地面開發(fā)。1998年國土資源部與遼寧阜新市共同在阜新市劉家礦區(qū)開展了采前地面預(yù)抽煤層氣的試點(diǎn)工作。1998～2001年,在劉家區(qū)共施工了4口煤層氣參數(shù)及試驗(yàn)井,經(jīng)排采試驗(yàn),單井日產(chǎn)氣量最高達(dá)7 000 m3,平均3 000 m3左右,甲烷成分98%左右,表明該區(qū)具有良好的煤層氣開發(fā)前景[6]。2002年又施工了4口煤層氣生產(chǎn)井,形成了8口煤層氣小井網(wǎng)供氣格局,2003年正式向阜新市區(qū)供氣,平均每天供氣約2 000 m3,顯示了我國煤層氣資源開發(fā)利用巨大的前景,并開始引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù),由勘探開發(fā)、理論與技術(shù)研究發(fā)展階段,逐步向商業(yè)性開發(fā)發(fā)展。

盡管如此,由于瓦斯抽放設(shè)備發(fā)揮作用的滯后性,這十年間煤炭產(chǎn)量沒有增加太多,2000年前后煤炭產(chǎn)量還出現(xiàn)了下降,但煤炭原煤百萬噸死亡率仍居高不下,1999年煤礦百萬噸死亡率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的6.08(如圖3所示),全國僅僅生產(chǎn)了10.45億t煤炭,就有5 518名礦工因工死亡。

圖3 1995—2016年歷年煤炭產(chǎn)量和百萬噸死亡率Fig.3 Coal production and death rate per million tons from 1995 to 2017

這一時期特點(diǎn)為:

1)煤層氣(煤礦瓦斯)已成為獨(dú)立的礦種。1996年修改礦產(chǎn)資源法,1998年國務(wù)院頒布 《礦產(chǎn)資源勘查區(qū)塊登記管理辦法》、《礦產(chǎn)資源開采登記管理辦法》,把煤層氣列為國務(wù)院地質(zhì)礦產(chǎn)主管部門管理的34個礦種之一。2)煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)主要成果是創(chuàng)立和發(fā)展了卸壓抽采模式(“淮南模式”),針對多煤層和軟煤層地地質(zhì)條件,創(chuàng)立了不同距離保護(hù)層(解放層)卸壓的煤與瓦斯共采模式及其配套工藝技術(shù),推動了多煤層、構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)高瓦斯礦井抽采技術(shù)難題的解決,標(biāo)志著井下瓦斯抽采技術(shù)已進(jìn)入綜合抽采和立體抽采階段,促進(jìn)了瓦斯抽采技術(shù)的快速發(fā)展[7-9]。3)2003年遼寧阜新市劉家區(qū)煤層氣地面小井網(wǎng)試驗(yàn)成功,標(biāo)志著我國煤層氣地面抽采從開發(fā)試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)入商業(yè)化生產(chǎn)啟動階段。

第三階段:井下規(guī)?；椴珊偷孛娉椴缮虡I(yè)化階段(2005～2017年)。2006年6月,國務(wù)院辦公廳下發(fā)了《于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》。確定了加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用,必須堅(jiān)持“先采氣、后采煤”的方針和對煤炭、煤層氣綜合勘查、評價和儲量認(rèn)定的原則。2007年,財政部 國家稅務(wù)總局《關(guān)于加快煤層氣抽采有關(guān)稅收政策問題的通知》從稅收政策方面鼓勵煤層氣抽采。2008年國務(wù)院安全生產(chǎn)委員辦公室下發(fā)了“關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦瓦斯治理工作的指導(dǎo)意見”明確提出“強(qiáng)化多措并舉、應(yīng)抽盡抽、可保盡保、抽采平衡的技術(shù)措施,確保抽采達(dá)標(biāo)”要求煤礦經(jīng)抽采瓦斯后,采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回風(fēng)流瓦斯含量要達(dá)到《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026—2006) 的要求,這些政策的出臺極大促進(jìn)了煤層氣(煤礦瓦斯)抽采。

2015年,全國大中型高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井均按要求建立了瓦斯抽采系統(tǒng),煤礦瓦斯抽采礦井?dāng)?shù)已達(dá)1 800多座,分區(qū)域建設(shè)了80個煤礦瓦斯治理示范礦井,建成了30個年抽采量達(dá)到億立方米級的煤礦,山西、貴州、安徽、河南、重慶等5省(市)煤礦瓦斯年抽采量超過5×108m3,煤礦瓦斯抽采利用量逐年大幅度上升。2015年,煤礦瓦斯抽采量136×108m3,比2005年增加了115×108m3,提高了6倍多。2005年之前,我國地面煤層氣鉆井?dāng)?shù)量僅為307口,2010～2012年平均每年新增鉆井?dāng)?shù)量在3 000 口以上。2013年減少到1 500口,2014年減少到1 200口,至2015年全國新鉆煤層氣井11 300余口,新增煤層氣探明地質(zhì)儲量3 504億 m3。

這一時期主要特點(diǎn)是:1)在煤層氣(煤礦瓦斯)抽采方面,創(chuàng)立了三區(qū)聯(lián)動的煤層氣(煤礦瓦斯)立體遞進(jìn)抽采模式“晉城模式”),使地面抽采與煤礦井下瓦斯治理有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了單一厚煤層大面積精準(zhǔn)高效低成本規(guī)?；椴?。以松藻礦區(qū)為代表,開展了松軟突出煤層鉆進(jìn)及煤礦井下了水力壓裂增透抽采為主的技術(shù)示范,形成“三區(qū)配套三超前增透抽采”煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式[10-13](“松藻模式”)。隨著井下規(guī)?；椴珊偷孛嫔虡I(yè)化開發(fā)步伐的加大,抽采總量快速增加(如圖4所示),由圖4可知,2007年至2013年,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采采量出現(xiàn)了爆發(fā)式增長,由23億提高到156億,增加了近7倍。2)煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采初具規(guī)模。建成沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣煤層氣地面開發(fā)產(chǎn)業(yè)化基地,實(shí)現(xiàn)抽采量快速增長。2005年煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采量不足×108m3,到了2015年已上升到44×108m3,煤層氣地面開發(fā)初具規(guī)模。3)煤礦安全形勢明顯好轉(zhuǎn)。由上圖3可以看出,盡管這十年煤炭產(chǎn)量快速增加,但煤礦原煤百萬噸死亡率得到本質(zhì)性的大幅度降低,從2001年的5.07降到2010年的0.8,2015年降到了0.157,煤礦安全形勢取得了根本好轉(zhuǎn)。這種驚人的成效充分體現(xiàn)了煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)具有的重大價值,即不僅是獲得了潔凈能源,更重要的是保障了煤礦的安全高效生產(chǎn)。

圖4 2005—2017年歷年煤炭產(chǎn)量和瓦斯抽放量Fig.4 Coal production and gas extraction from 2006 to 2015

第四階段:煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)穩(wěn)步推進(jìn),地面開發(fā)處于蓄勢爆發(fā)階段(2017年至今)。

經(jīng)過二十多年的發(fā)展,我國煤炭開采與煤層氣資源開發(fā)逐步由煤炭與煤層氣獨(dú)立開發(fā)向真正意義上的先采氣、后采煤、采氣采煤一體化的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)方向發(fā)展,已初步形成了以“淮南模式”“晉城模式”和“松藻模式”三種方式為代表的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)基本模式,進(jìn)入“十三五”以后,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采主要是三種模式的改進(jìn)完善和推廣。

為了減少污染物排放、改善空氣質(zhì)量,2016年國家實(shí)施了“煤改氣”“油改氣”等天然氣替代項(xiàng)目,受此影響,2016年煤炭產(chǎn)量略有下降,2017年又略有回升(如圖3所示),但仍沒有達(dá)到2013年的產(chǎn)量。同時,煤礦井下瓦斯抽采總量也略有波動,但波動幅度不大,同時煤層氣地面抽采量仍穩(wěn)步增長。

雖然我國煤層氣(煤礦瓦斯)產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段,但在煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)理論、富集高產(chǎn)主控因素、資源潛力及勘探方向等方面仍然存在諸多難題,其直接后果是導(dǎo)致投資 熱情下降, 2015～2017年平均每年新增鉆井?dāng)?shù)量僅為幾百口(如圖5所示)。

圖5 1999—2017年煤層氣地面鉆井?dāng)?shù)量分布Fig.5 Coalbed methane ground drilling quantity distribution from 1999 to 2017

2006年,我國煤層氣探明儲量約1 000×108m3,2010～2012年平均每年新增探明儲量約1 300×108m3,之后,新增探明儲量急劇下降。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止到2017年底,我國煤層氣探明儲量約7 118×108m3,僅占預(yù)測資源量的1.9%。

這一時期特點(diǎn)為:1)煤炭安全形勢持續(xù)向好,2016年和2017年煤炭原煤百萬噸死亡率分別為0.156和0.106,處于歷史最好水平。2)煤礦區(qū)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)、一體化開發(fā)模式已基本形成,也逐漸被人們所認(rèn)可,目前正處于推廣應(yīng)用和適應(yīng)性改造完善階段;煤炭產(chǎn)量相對穩(wěn)定或略有下降,但隨著井上下立體規(guī)?；椴傻姆€(wěn)步推進(jìn),煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量相對穩(wěn)定或略有上升。3)地面開發(fā)井?dāng)?shù)已達(dá)17 000多口,數(shù)量已具規(guī)模,但是單井產(chǎn)量低,地面抽采仍處于蓄勢期爆發(fā)時期,急需地面開發(fā)理論與技術(shù)地革命性突破。

2 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采技術(shù)取得的主要成果

1)基本明確了全國的煤層瓦斯資源、儲存、分布特征,煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)理論研究方面取得較大進(jìn)展,而且在煤層氣選區(qū)評價、勘探關(guān)鍵技術(shù)、單井排采工藝、地面集輸?shù)确矫娣e累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

2)建立了煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式。經(jīng)過近十幾年的研究和探索,我國已形成煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的三種典型模式:其一,三區(qū)聯(lián)動井上下整體抽采煤層氣開發(fā)模式及技術(shù)體系,主要以晉城礦區(qū)為代表;其二,保護(hù)層卸壓井上下立體抽采煤層氣開發(fā)模式及技術(shù)體系,主要以兩淮礦區(qū)為代表;其三,三區(qū)配套超前增透抽采煤層氣開發(fā)模式及技術(shù)體系,主要以松藻礦區(qū)為代表。

3)形成了一批適宜我國煤層氣(煤礦瓦斯)資源條件的關(guān)鍵抽采技術(shù)。

①井下瓦斯抽采:由本煤層所采發(fā)展到鄰近層抽采、再發(fā)展到利用采煤過程中巖層移動對瓦斯的卸壓作用的保護(hù)層卸壓以及近幾年發(fā)展起來的三區(qū)聯(lián)動井上下立體抽采,形成了采前、采中和采后的系統(tǒng)瓦斯抽采技術(shù)體系。②初步形成適宜于我國煤層氣(煤礦瓦斯)特點(diǎn)的高階煤煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)系列,對我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了重要的技術(shù)支撐作用。以提高單井產(chǎn)量為目標(biāo)的新技術(shù)試驗(yàn)取得初步突破,包括U型井分段壓裂技術(shù)、雙臺階水平井技術(shù)、頂板梳狀水平井技術(shù)等，形成了以活性水、大排量、中砂比為核心的煤層氣井水力壓裂技術(shù)體系?；诿簩託鈮毫鞑ゼ皡^(qū)域降壓基本原理、以實(shí)現(xiàn)保護(hù)儲層和獲得理想產(chǎn)量為目標(biāo)、總結(jié)出了適宜于我國煤層氣特點(diǎn)的“穩(wěn)定、連續(xù)、長期”排采的技術(shù)工藝體系。初步形成適宜于煤層氣低壓、多井、復(fù)雜地形條件的地面集輸技術(shù)體系。③形成了鄂爾多斯盆地東緣煤層氣地面開發(fā)產(chǎn)業(yè)化基地和沁水盆地煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地,基本實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?、商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化開發(fā),表明我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)潛力巨大、前景良好。

3 存在的主要問題

3.1 認(rèn)識存在偏差,對煤層氣地面開發(fā)期望值過高

關(guān)于煤層氣地面開發(fā)技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展,至少在以下兩方面存在不足:一是對美國煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展背景認(rèn)識不全面。看到了美國煤層氣產(chǎn)量快速提升的現(xiàn)象,沒有認(rèn)識到美國在這之前用了將近20多年的時間,投入了大量的人力和物力全面研究煤層氣開發(fā)理論與技術(shù),僅在20世紀(jì)80年代,美國政府為開展煤層氣研究投入大量人力物力開展煤層氣開發(fā)研究工作,投到天然氣研究所的研發(fā)經(jīng)費(fèi)就高達(dá)4億多美元，并且是在理論和開發(fā)技術(shù)上都取得突破后才開始大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。二是對我國煤層氣資源復(fù)雜性、難采性認(rèn)識欠缺。與美國相比,盡管我國煤層氣資源量很大,但構(gòu)造煤、低滲以及深部、低階煤煤層氣資源量占到70%～80%,抽采難度大。正是認(rèn)識上的欠缺,思想準(zhǔn)備不充分,又急于求成,導(dǎo)致在制定“十一五”“十二五”煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用規(guī)劃時,目標(biāo)定的太高,只完成了30%～40%(見表1),因此，國家制定“十三五”規(guī)劃時,能源局對地面煤層氣抽采量目標(biāo)降低了37.5%,對地面煤層氣和煤礦(井下)瓦斯利用率各降低了10%。據(jù)2017年完成的情況看,要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)依然有很大困難。

表1 煤層氣(煤礦瓦斯)抽采規(guī)劃與實(shí)際完成情況

3.2 煤層氣地面開發(fā)上重工程實(shí)踐,輕研發(fā)投入

盡管1952年美國就成功地進(jìn)行了140 m以淺煤層地面垂直井抽放瓦斯試驗(yàn),獲得1 100 m3/d的單井產(chǎn)量;1971年在黑勇士盆地又進(jìn)行了五點(diǎn)式井網(wǎng)試驗(yàn),單井產(chǎn)量達(dá)2 800 m3/d[14],但美國并沒有立即進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化開采,而是投入了大量人力物力開展理論和技術(shù)研究,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),至九十年代初美國政府投入煤層氣勘探經(jīng)費(fèi)達(dá)60億美元。

經(jīng)過十多年不斷研究,直到1988年,美國才在煤層氣地面開發(fā)理論與技術(shù)上取得了重大突破,形成并完善了煤層氣開發(fā)的“解吸——擴(kuò)散——滲流”理論、中階煤生儲能力和成藏優(yōu)勢及井間干擾理論,并以此為基礎(chǔ),形成了“排水——降壓——采氣” 煤層氣生產(chǎn)流程,才開始在圣胡安和黑勇士盆地投入工業(yè)化試驗(yàn)開發(fā)。在此期間,美國共施工了各類煤層氣井644口,進(jìn)行勘探和試驗(yàn)性開發(fā),1988年煤層氣產(chǎn)量為11×108m3[15]。

1990年我國正式引進(jìn)地面開發(fā)技術(shù),實(shí)施煤層氣地面開發(fā),2003年煤層氣地面抽采量僅為0.3×108m3,而到了2009年,煤層氣地面抽采量已達(dá)10.5×108m3。如果僅僅從煤層氣產(chǎn)量發(fā)展速度上來看,我國比美國發(fā)展的還要快,還要好。但值得注意的是,美國1988年煤層氣產(chǎn)量為11×108m3時,煤層氣生產(chǎn)井井?dāng)?shù)為644口;而2009年我國煤層氣地面抽采量為10.5×108m3時,煤層氣生產(chǎn)井井?dāng)?shù)達(dá)3 200口,是美國井?dāng)?shù)的5倍。

經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展,我國已初步建成了沁水盆地及鄂爾多斯盆地東緣量大產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地,全國主要的勘探投資也集中在這兩大盆地。我國地面煤層氣井?dāng)?shù)量達(dá)17 000口,但地面煤層氣抽采量不足44億 m3,與美國1999年14 000口生產(chǎn)井約354億 m3產(chǎn)量相比,我國單井平均產(chǎn)氣量明顯偏低。究其原因，最重要的是我國在煤層氣地面開發(fā)方面重工程,輕研發(fā),前期投入不足、勘探程度低、基礎(chǔ)研究工作不到位,照搬照抄國外勘探開發(fā)理論方法或工藝,技術(shù)缺乏適應(yīng)性與針對性,煤層氣地面大規(guī)?？碧介_發(fā)之前缺乏預(yù)研究和試驗(yàn),除了國家科技支撐計(jì)劃“煤礦瓦斯、火災(zāi)與頂板重大災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)研究”、“973”計(jì)劃、“預(yù)防煤礦瓦斯動力災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)研究” 、“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“新集礦區(qū)淺層煤層氣示范開發(fā)成套工藝技術(shù)及專用裝備研究”等少數(shù)研究項(xiàng)目,國家和企事業(yè)單位在煤層氣地面開發(fā)方面的科研投入嚴(yán)重不足,基本是參照國外技術(shù),邊干邊研究,在沒有適合我國地質(zhì)條件的煤層氣地面開發(fā)理論和技術(shù)的情況下,倉促實(shí)施大規(guī)模商業(yè)化開發(fā),結(jié)果煤層氣地面開發(fā)效果遠(yuǎn)低于預(yù)期效果。

3.3 重資源開發(fā),輕安全和環(huán)境

早在2005年國家能源局組織編制《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》時,就認(rèn)為保證煤礦安全生產(chǎn)對煤層氣發(fā)展是非常重要的,把發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)的理念由最初的“資源、安全與環(huán)境”調(diào)整為“安全、資源與環(huán)境”,事實(shí)上,隨著我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用水平不斷提高,對防范煤礦瓦斯事故和促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要保障作用。2010年與2005年相比,煤礦瓦斯事故數(shù)量、死亡人數(shù)分別下降65%和71.3%。2015年,全國煤礦發(fā)生瓦斯事故45起、死亡171人,分別比2010年下降69.0%、72.6%,重大瓦斯事故數(shù)量、死亡人數(shù)分別比2010年下降66.7%、68.9%。但在實(shí)際煤層氣(煤礦瓦斯)抽采工作中,存在重資源開發(fā),輕安全和環(huán)?，F(xiàn)象,主要表現(xiàn)在:

1)在煤層氣(煤礦瓦斯)勘探開發(fā)時,仍然沿用常規(guī)天然氣的方式,注重所謂有利區(qū)塊、甜點(diǎn)區(qū)的選取與開發(fā),而不是根據(jù)煤礦采掘銜接和回采的需要安排煤層氣(煤礦瓦斯)勘探開發(fā),沒有真正考慮未來煤礦開采的安全問題,無論是區(qū)塊優(yōu)選還是開發(fā)技術(shù)方案都沒有真正體現(xiàn)所謂的安全與環(huán)境,安全與環(huán)境僅僅是一種副產(chǎn)品。

2)大量的人力和物力投入到了深部煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)研究之中,而對正在開采的淺部松軟煤層煤層氣抽采重視不夠。由于我國新一輪煤層氣資源評價(以煤層埋深2 000 m以淺為評價對象)結(jié)果表明[16],1 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為14.3×1012m3,占38.9%,埋深1 000 m～2 000 m為22.5×1012m3,占61.1%,深部煤層氣資源量大,大量研究人員和勘探開發(fā)人員都投身于深部煤層氣(煤礦瓦斯)勘探開發(fā)研究之中,而對目前急需解決的松軟煤層煤層氣抽采難題重視不夠。實(shí)際上,目前我國煤礦開采深度只有少部分礦井達(dá)到了千米深度。千米深井主要集中在山東、河南、安徽及江蘇等華東地區(qū),該地區(qū)深井占到全國的80.85%,而其它地區(qū)短時間內(nèi)不會開采千米以深,特別是2 000 m以深的煤層,比如晉陜內(nèi)蒙古、新疆、冀豫皖和云貴川渝等四個地區(qū),煤層氣資源豐富地區(qū),占全國煤層氣資源的95%,短時期內(nèi)煤礦開采深度超過1 000 m的可能性不大。例如,山西省2014年還規(guī)定“山西新建大中型礦井開采深度(第一水平)原則上不應(yīng)超過1 000 m,改擴(kuò)建大中型礦井開采深度原則上不應(yīng)超過1 200 m”。

3)投入大量精力進(jìn)行廢棄礦井煤層氣抽采。有專家對我國廢棄礦井煤賦存煤層氣資源作了估算[17],認(rèn)為總量在1 132.7×108m3～2 187.2×108m3之間,普遍認(rèn)為廢棄煤礦瓦斯資源量巨大,有近萬億立方米,極具開發(fā)價值,且具有多重效益,意義重大,因此,廢棄煤礦瓦斯抽采比較火熱,多地開展了廢棄礦井抽采瓦斯試驗(yàn)。事實(shí)上,無論廢棄礦井煤層氣抽采效益多好,已與煤礦安全生產(chǎn)無關(guān),純粹是一種資源開發(fā)行為。

3.4 利用形式單一,利用率低

雖然我國煤礦瓦斯利用起步早,從20世紀(jì)50年代開始瓦斯抽采時就開始利用,而且黨和政府一直鼓勵多渠道利用瓦斯,但從1995以來井下抽采瓦斯利用率呈下降趨勢(如圖6所示)。

圖6 1995年—2017年中國煤礦井下瓦斯利用率變化趨勢Fig.6 Gas utilization trend in China from 1995 to 2017

2017年全國煤層氣(煤礦瓦斯)井下抽采量177.66×108 m3,比1995年增長了2 100%,但瓦斯利用率由1995年為75%下降至2017年的38.2%。煤層氣(煤礦瓦斯)地面抽采時甲烷濃度高,利用率相對較高,2017年煤層氣地面抽采利用率約為88.6%。僅2017年就有84.79×108m3抽采的煤層氣(煤礦瓦斯)資源無法利用,這部分氣體大部分排入大氣中,既浪費(fèi)了資源,又污染了環(huán)境。

晉城市是全國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采和利用最好的城市之一[18],已建立比較完善的瓦斯抽采、輸送、加工、運(yùn)輸、民用燃?xì)?、工業(yè)燃料、瓦斯發(fā)電等一條龍商業(yè)化開發(fā)利用體系,輸送管道全長506 km,年輸氣能力近100×108m3,瓦斯發(fā)電廠39座,總裝機(jī)容量503 MW,有煤層氣液化項(xiàng)目8個,總液化量3.77×108m3,運(yùn)營CNG加氣站45個,煤層氣居民用戶40.5萬戶,工商用戶2 067戶。即使具備如此較完善的輸送、利用體系,其利用率現(xiàn)狀也不容樂觀。作為晉城市最大的煤炭和煤層氣生產(chǎn)單位,晉煤集團(tuán)2017年井下抽采量為14.2×108m3,,地面抽采量為14.3×108m3,利用量分別為7.9×108m3和10.9×108m3, 其利用率也只有56%和76%,仍有9.7×108m3煤層氣排空。

造成這樣狀況的主要原因有:一是利用難度大,首先煤礦抽采出的煤層氣大部分為低濃度瓦斯,不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送,用戶僅限于礦區(qū)附近,難以形成規(guī)模效益；二是各煤礦抽采規(guī)模小而分散,不便于利用;三是濃度經(jīng)常變化,成分復(fù)雜,導(dǎo)致利用困難,同時也無法與高濃度煤層氣混輸混用；四是利用形式單一,煤礦瓦斯利用主要集中在民用、發(fā)電、工業(yè)燃料及化工原料等方面。

4 對策及建議

4.1 對抽采重要性和難度保持清醒認(rèn)識

盡管煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用,對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重大的意義,但是要清醒認(rèn)識到我國煤層氣開發(fā)的難度,要達(dá)到理想目標(biāo)還有很長的路要走。

1)我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采采難度大。煤層氣資源具有成煤條件多樣、地質(zhì)條件復(fù)雜、成煤時代多期,煤階跨度大、煤變質(zhì)作用疊加、非均質(zhì)性強(qiáng)、滲透率低等特點(diǎn),因此我國煤層氣地面開發(fā)的難度要遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣和國外煤層氣開發(fā)。

2)高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井必須抽采煤層氣(煤礦瓦斯)。按照《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》辦法規(guī)定:煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井必須建立地面固定抽采瓦斯系統(tǒng);應(yīng)當(dāng)進(jìn)行瓦斯抽采的煤層必須先抽采瓦斯,抽采效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后方可安排采掘作業(yè); 煤礦瓦斯抽采應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“應(yīng)抽盡抽、多措并舉、抽掘采平衡”的原則。

3)我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采和利用還需持續(xù)研究和實(shí)踐。盡管我國煤層氣(煤礦瓦斯)取得了很大的進(jìn)步,但要看到開采的效率低下。井下瓦斯抽采方面,因抽采效率低,不得不利用底板巖巷進(jìn)行穿層抽采、千米長鉆孔進(jìn)行順層鉆孔抽采,致使部分礦井每立方瓦斯的抽采成本達(dá)到了10元以上,大大增加了煤炭開采成本。煤層氣地面開發(fā)方面,到目前已施工了17 000多口地面抽采井,而年抽采量也只有50×108m3,低產(chǎn)井多,經(jīng)濟(jì)效益差,嚴(yán)重影響了煤層氣開發(fā)熱情。

4.2 采煤采氣一體化開發(fā)是煤礦區(qū)煤層氣抽采必由之路

由于煤層氣資源與煤炭資源屬于典型的同源同體的共伴生礦產(chǎn),因此煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)與煤炭開采有著密不可分的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。正確對待采煤采氣協(xié)調(diào)開采問題,貫徹執(zhí)行國家提出的“先抽后建、先抽后采、應(yīng)抽盡抽”要求,堅(jiān)持采煤采氣一體化、地面與井下抽采相結(jié)合,才能通過瓦斯抽采與利用,解放生產(chǎn)力,保護(hù)生命,保護(hù)資源,保護(hù)環(huán)境[19]。

1)煤炭開采不再將瓦斯抽采作為專項(xiàng)措施,煤層氣地面開發(fā)也不再作為單純的可燃烴類氣體資源的開發(fā),而是將瓦斯抽采和煤層氣開發(fā)視為煤礦安全生產(chǎn)體系的重要組成部分。

2)煤層氣抽采與煤炭開采一體化部署,將煤層氣抽采計(jì)劃納入到礦區(qū)和礦井的生產(chǎn)接替安排之中,將抽、掘、采配套進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃及銜接安排,根據(jù)預(yù)抽時間、地質(zhì)條件決定預(yù)抽方式,依據(jù)預(yù)抽效果、采煤工作面布置以及采掘進(jìn)度確定不同瓦斯含量區(qū)域的抽掘采接替方案。

3)實(shí)現(xiàn)煤層氣抽采與煤炭開采一體化,可為煤層氣(煤礦瓦斯)抽采持續(xù)發(fā)展提供資金支持。為了保障煤礦生產(chǎn)安全,企業(yè)每年都要投入了大量的人力和物力,按照《企業(yè)安全生產(chǎn)費(fèi)用提取和使用管理辦法》(2012年),煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井、高瓦斯礦井的原煤單位產(chǎn)量提取的安全費(fèi)用為30元。根據(jù)國家能源局煤炭司2012年3月關(guān)于瓦斯防治能力評估有關(guān)精神,瓦斯防治費(fèi)用不低于煤礦提取的安全費(fèi)用總額的50%單列,煤礦這部分投入可為煤層氣(煤礦瓦斯)抽采提供資金支持。

4) 實(shí)現(xiàn)煤層氣抽采與煤炭開采一體化,要改變目前地面抽采井經(jīng)濟(jì)性評價方法。目前由于本煤層抽難度大,部分煤礦被迫采用板巖巷進(jìn)行穿層鉆孔瓦斯抽采,致使煤礦井下瓦斯抽采成本高,且采掘銜接交替容易失調(diào)。如果這些煤礦可以進(jìn)行煤層氣地面抽采,那么在評價地面抽采經(jīng)濟(jì)效益時,就不應(yīng)簡單地用煤層氣產(chǎn)資源產(chǎn)生的效益來評價煤層氣抽采的經(jīng)濟(jì)性,而是要與井下瓦斯抽采成本來對比,只要地面煤層氣抽采成本低于井下瓦斯抽采成本,地面抽采就應(yīng)該認(rèn)為是合理和經(jīng)濟(jì)的。堅(jiān)持地面和井下相結(jié)合的煤與煤層氣共采模式,充分利用煤炭開采對煤儲層的卸壓增透作用,構(gòu)建采煤采氣一體化格局,實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯事故數(shù)量和死亡人數(shù)均大幅下降,爭取少傷亡或零傷亡,最終實(shí)現(xiàn)“安全——資源——環(huán)?！钡木G色發(fā)展模式。

4.3 理論與技術(shù)創(chuàng)新是突破發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵

馬克思主義認(rèn)為:理論與實(shí)踐存在辯證關(guān)系,實(shí)踐是理論的基礎(chǔ),是檢驗(yàn)理論真理性的標(biāo)準(zhǔn);理論來源于實(shí)踐并隨著實(shí)踐的發(fā)展而發(fā)展,理論的價值主要在于理論對實(shí)踐具有巨大的指導(dǎo)作用。但是只有實(shí)踐是不能自然而然地形成理論的,如果沒有系統(tǒng)的研究和分析,即使實(shí)踐再多,實(shí)踐的時間再長,也不能提出任何新的概念和新的觀點(diǎn),更不能提出系統(tǒng)的新理論,因此,我國煤層氣(煤礦瓦斯)地面開發(fā)要實(shí)現(xiàn)高效開發(fā),不重視理論對實(shí)踐重大的指導(dǎo)作用,沒有理論和技術(shù)的突破,是不可能實(shí)現(xiàn)的。

我國煤層氣資源存在低壓、低滲、低飽和的“三低”現(xiàn)象以及具有地質(zhì)變動的特殊性,而針對這些特點(diǎn)的勘探、生產(chǎn)技術(shù)和工藝都沒有取得突破性進(jìn)展,因此制約了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。應(yīng)重視煤層氣資源與常規(guī)油氣或其它非常規(guī)油氣資源的區(qū)別,增加規(guī)模開發(fā)前的投資比重,從基礎(chǔ)地質(zhì)研究做起,根據(jù)不同的地質(zhì)條件探索不同的理論和工藝技術(shù)體系,設(shè)置合理可行的規(guī)劃目標(biāo),積極攻關(guān)但又不能急于求成,時刻保持清醒認(rèn)識,堅(jiān)持腳踏實(shí)地,最終形成具有中國特色的煤層氣科技體系。

由于煤層氣資源賦存條件復(fù)雜,開發(fā)技術(shù)要求高,區(qū)域適配性差，沁水盆地成熟的開發(fā)技術(shù)難以適應(yīng)其他地區(qū)的地質(zhì)條件;已開發(fā)區(qū)域仍存在開發(fā)成本高、單井產(chǎn)量低等，礦井下抽采面臨的松軟低滲透煤層抽采鉆孔鉆進(jìn)困難和抽采效果差等重大技術(shù)問題,因此急需在煤層氣的存機(jī)理、吸附機(jī)制、儲層改造、排采等方面有理論與技術(shù)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)我國煤層氣開發(fā)理論及技術(shù)的突破是實(shí)現(xiàn)煤層氣持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。進(jìn)一步加大對煤層氣(煤礦瓦斯)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)的支持力度。到目前為止,還沒有煤層氣地面開發(fā)系列標(biāo)準(zhǔn),煤層氣開發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)體系急待建立健全,勘探、鉆井、固井、壓裂、開采等標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容需要完善。

4.4 高效利用是保證,堅(jiān)持以用促抽

抽采出來的煤層氣(煤礦瓦斯),只有得到利用,才能體現(xiàn)出資源效益和環(huán)保效益,否則,大量低濃度瓦斯稀釋后排空,浪費(fèi)了資源、污染了環(huán)境。因此,必須加大煤層氣(煤礦瓦斯)高效利用技術(shù)的研發(fā),提高其利用率,最終實(shí)現(xiàn)全部利用。

1)加強(qiáng)管網(wǎng)及配套設(shè)施建設(shè),研發(fā)低濃度煤層氣(煤礦瓦斯)安全儲運(yùn)關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)低成本輸送和利用。2)開展低濃度瓦斯提純和固體燃料電池發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。3)對于因煤層氣抽采量少,無法利用的礦井,政府應(yīng)鼓勵企業(yè)投資建設(shè)煤層氣集中利用設(shè)施,把附近多個煤礦抽采的煤層氣進(jìn)行收集、處理和利用。4)政府應(yīng)加大對抽采煤層氣利用率的考核,不僅要鼓勵抽采利用,而且對利用率低企業(yè)采取必要措施,使其加大煤層氣利用率。

5 前景展望

煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用,極大地促進(jìn)了煤礦的安全生產(chǎn),同時提供了清潔能源并保護(hù)了環(huán)境,是一舉多得的事情,是推動煤炭工業(yè)安全發(fā)展、節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。相信隨著國家和社會各界對煤層氣(煤礦瓦斯)抽采的重視,法律政策制度的完善,科研資金投入的不斷加大,采煤采氣一體模式的進(jìn)一步推廣,抽采理論、技術(shù)和工藝革命性創(chuàng)新,一定能突破制約煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用快速發(fā)展的瓶頸,使其產(chǎn)生質(zhì)的飛躍,進(jìn)入快速發(fā)展新階段,為我國煤炭安全高效開采和煤炭工業(yè)健康發(fā)展做出貢獻(xiàn)。