煤层气与瓦斯抽采

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1、煤层气与瓦斯抽采贵州大学教授刘维舟林东煤业发展有限责任公司南山煤矿毛祖彬摘要：煤矿瓦斯是煤矿安全生产的天敌，它不仅会导致煤矿作业人员窒息， 损害人类身心健康，同时它还能引发煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸、造成矿毁 人亡；同时瓦斯还是地球大气的主要污染源。因此有效治理瓦斯，以瓦斯作为资 源，实现煤与瓦斯共采，达到消突目的，并充分利用瓦斯，降低其对大气污染， 是摆在当今世界煤炭开采业的一个主要课题，下面就煤层气综合利用；煤层气抽 采；煤与瓦斯共采及矿井瓦斯抽采系统等方面作简要阐述。关键词：煤层气综合利用；瓦斯抽采技术；煤与瓦斯共采；瓦斯抽采系统在成煤地过程中有两个成气阶段，即生化作用和煤化作用均生成

2、大量的以甲烷为主要成分气体，大部分逸散在空中，剩下的赋存在煤 层孔隙中，或运移积聚与储存于地质构造中，形成瓦斯包（煤层气） CBM，它们统称煤层气（浓度95%98%）；在煤矿生产过程中煤层 气从煤层中或围岩中逸散到生产空间与空气混合形成煤矿瓦斯（浓度 1%80%），纯甲烷热值37618KJ/m3，是新型的洁净能源，又是优质 化工原料，它是我国21世纪的重要接替能源之一。1、煤层气（煤矿瓦斯）及其综合利用1.1、煤层气资源煤层是多孔隙介质，具有强吸附能力，在成煤过程中可生成 300400 m3/t的煤层气。煤层是煤层气的生成层，同时又是煤层气的 储集层，它是典型的自生自储式气藏。我国煤层气藏深2

3、000m以浅的煤层气地质资源量36.81T m3,煤 层气地质资源量大于1 T m3的大型含气盆地（群）有鄂尔多斯、沁水、 准噶尔、滇东黔西、二连、吐哈、塔里木、天山和海拉尔盆地计9个， 占全国煤层气资源的84.13%，是我国煤层气资源分布的主体，其中， 滇东黔西地质资源3.47 T m3，可采储量1.29 T m3。国际能源机构（IEA）资料显示，世界上有74个国家蕴藏着丰 富的可供开采利用的煤层气，煤层气可采储量1.29 T m3占全国总量 的22%，仅次于山西。贵州不仅煤层气资源数量大，而且品位好，甲 烷含量高，甲烷含量为78m3/t的富甲烷聚积区，集中于六盘水、毕节， 占全省煤层气总量

4、的94%，具有良好的开发前景。目前，世界主要产煤国家都十分重视开发煤层气。深孔抽采瓦斯常规技术，同时也是控制矿井瓦斯事故的有效措 施。美国利用现有技术每天煤层气产量60M m3；澳大利亚2005年产 量达3000 M m3；英国煤层气开发重点已转入地面开发；俄国主要 采用采前预抽和采空区封闭抽采两种方式抽采煤层气；德国主要采用 井下长孔抽采技术。煤层气开发推动煤层气利用，煤层气开发推动了 煤层气利用市场的发展，如澳大利亚BHP公司一共装了 94台煤层气 发电机组，每台发电能力100kw。我国早在20世纪50年代就开始了煤矿瓦斯井下抽采。近几年煤 矿瓦斯抽采利用发展飞速。2008年我国煤层气抽采

5、量达到5.67G m3, 是1994年的10倍，其中山西、辽宁、安徽、河南、贵州等瓦斯抽采 量超过200 M m3，我国煤层气垂直钻井技术比较成熟，如山西晋城 无烟煤矿业集团在地面开发技术上取得重大成功，拥有煤层气井1453 口，2008年产气量376 M m3，占全国煤层气的75%，该技术具有效 率高、钻井周期短、施工成本低、对储气层伤害少等特点。1.2、煤层气开发前景（1）、煤层气开发效益能源效益：煤层气是一种洁净、方便、廉价能源，是高热值的非 常规天然气，还是优质化工原料。综合考虑热值和热效率，250 m3 煤层气相当于一吨标煤的热值，而产生的CO2仅为燃煤的1/2,而且 无渣、无尘、不

6、产生SO2等有害气体。安全效益：我国煤矿瓦斯地质条件复杂，以高瓦斯和突出矿井居 多，每年瓦斯事故死亡人数占煤矿死亡总人数的比例较大，瓦斯事故 仍然是煤矿的第一杀手，煤矿重特大事故绝大部分是瓦斯事故。煤矿 抽采煤层气，减少瓦斯涌出量是防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的 根本措施。环境效益：采取技术先进经济合理方法，将煤层中的瓦斯抽采出 来加以利用。一是减少对环境污染（瓦斯是温室气体，污染是CO2 的21倍）；二是降低煤层中的瓦斯含量，从根本上清除矿井瓦斯灾害 和隐患；三是获得廉价的能源供应。因此开发煤层气，可将保护环境、 防治矿井瓦斯灾害和优质能源供应三方面有机结合起来，取得一举三 得的效果。这一

7、方针已在美国、澳大利亚等国家获得成功，并取得明 显的经济效益，同时已形成了一个新的工业门类一一煤气工业。（2）、煤层气开发的影响因素煤层气开发受地质条件、储存条件、资源和开发规模条件、经济 地理和市场条件等多种因素制约。贵州煤层气资源丰富。由于印度板块的挤压、太平洋板块向西的 俯冲，贵州所以的西南地台现代地应力集中。在地质历史上自印支运 动以来，华南浅海中构造变形岩浆活动十分强烈，西南地区有规模的 玄武岩喷发，成为滇东、黔西、黔北陆生植物十分发育，高大茂密， 郁郁成林，呈现大面积森林沼泽，在地壳平稳下沉条件下，形成具有 开发价值的煤层。燕山运动对煤系和盖层进行改造，使之含气性多地 变化较大，六

8、盘水、织纳普、荔波含气量大于10 m3/t，黔西北含气量 大于810 m3/t，黔北含气量大于68 m3/t，使黔西、黔北聚气区成为 有利开发的地区。煤层气是一个新兴行业，气价管网、距用户距离等 因素制约其开发，对地面开发煤层气而言，需要较大的规模，才能实 现气田的稳定生产，才能提高经济效益和社会效益。1.3、煤层气的综合利用（1）、民用和工业燃气煤层气不含量煤炭干馏物质，不需庞大的净化装置进行净化处 理，不腐蚀、不堵塞输气设备和管道，是极好的民用燃气；做为工业 燃料气，替代煤炭和天燃气是优质、清洁、价廉的能源，作为工业锅 炉、陶瓷生产和氧化铝焙烧的工业燃料。煤层气（煤矿瓦斯）民用条件： 、要

9、有充分的资源保证，可抽储量必须在设计年抽出量（开发 量）20倍以上。 、要具备现实的开发能力，开发的气源能长期稳定（至少20 年），且具有大于最小经济规模所需要的开发量（3 m3/min）纯量。 、城市煤层储备系统：储气罐、城市煤气输配系统、调压站、 用户装置。（2）、煤层气（煤矿瓦斯）发电煤层气（煤矿瓦斯）发电是一项多效益型煤层气（煤矿瓦斯）利 用项目，能有效地将矿区抽采的煤层气（煤矿瓦斯）变为电能，方便 地输送到各地。煤层气（煤矿瓦斯）发电设备简单，运输可靠，已成系列。煤层 气发电机组效率可达80%以上，1/kwh电力耗气量在0.210.3 m3 之间，如晋城发电厂120.42Mw年发电量

10、840Mkwh，年耗煤层气 178Mm3 （0.21 m3/kwh）。煤层气（煤矿瓦斯）发电机组可以直接使 用从矿井抽采的高浓度（过30%）煤层气，有利于建设坑口电站。 煤层气发电可以使用直接燃用煤层气的往复式发电机、燃气轮机，也 可用煤层气作为锅炉燃料，利用蒸汽透平发电。煤层气一般不含或少 含硫化物，用以发电不会造成烟气污染，这对贵州酸雨地区更具有环 保效益。电力输送比燃气输送简单易行，远离城市且开发量大幅度提 高矿区建设煤层气发电站是较好的选择。煤层气民用，系统发电机组 是有效的调峰手段，对于冬夏两季用气峰谷差异很大的地区，建设煤 层气发电站，有效地利用夏季低谷期富余气量。燃气内燃机是一种

11、经过实践检验的非常成熟设备（燃气内燃机组+蒸汽轮机发电机组）启 动时间短、燃气供气压力低、对燃气浓度适应范围宽，灵活地适应煤 层气浓度波动情况。（3）、煤层气利用新技术 、煤层气（煤矿瓦斯）液化（LNG）煤层气经净化提纯后（脱碳、脱硫、脱汞和脱水后），在一定温 度压力下，从气态变为液态的工艺。煤层气液化后体积将缩小到 1/600，大大降低运输成本。煤层气液化可分为：地面煤层气液化 （CBM）和煤矿瓦斯（CMM）液化。煤矿瓦斯一般浓度较低且含有氧气，若直接加压液化会引起爆 炸，采用深冷精馏方法，把含氧煤矿瓦斯分离和液化在低温下同步完 成，提纯制得液化煤层气。该方法可把浓度为35%50%矿井瓦斯提

12、 纯液化为浓度为99.8%的LNG。由北京国能时代公司研发的煤矿瓦斯 液化装置，于2007年8月完成工业化试验，目前正在山西左权县建 设年产0.22Mt的LNG的煤矿瓦斯液化项目。（4）、煤层气（煤矿瓦斯）用于化工原料煤层气（煤矿瓦斯）用作化工原料主要是生产合成氨、甲醇、乙 炔、氯甲烷、二硫化碳等下游加工产品，主导产品是合成氨和甲醇。 煤层气（煤矿瓦斯）可作为生产合成氨和尿素的一种经济原料。我国 是农业大国，化肥需求量大。为改善环境和提高效益，在煤层气（煤 矿瓦斯）产区附近建设合成氨一尿素装置是相对合理的。尿素造粒采 用品种造粒法生产大颗粒尿素，可提高尿素肥效。甲烷转化为化工产品，一是直接法：

13、通过氧化耦合和热耦合直接把甲烷转化为液态烃；二是间接法：先把CH4转化为CO和H2,再 利用CO和H2的混合物转化为其它化学产品。间接法工艺相当简单， 已得到工业运用。以煤矿瓦斯为原料制备甲醇合成气的惯用流程如下：水蒸汽脱S后的典吐自热转化X卜热转化小废叫聘叩加珏S晔co+co国加压H加水E2 V废去锅炉去甲醇合成CMM气制甲醇合成气流程图(5) 、低浓度瓦斯的输送和发电利用由于没有被有效利用，绝大部分低浓度瓦斯直接排放大气，既浪费大量清洁能源(2.0X109m3)，又污染环境。我国煤矿的瓦斯输送设备都是按照30%浓度设计的，煤矿抽采的 低浓度瓦斯(30%)，不能直接输送利用。如何安全高效地利

14、用低 浓度瓦斯进行发电必须解决两方面的问题： 、防爆问题，即采用何种技术措施来保证安全； 、机组对瓦斯的适应性问题，即采用何种技术保证机组适应低 浓度瓦斯的特点并能高效运行。为了使抽采的瓦斯得到利用，必须尽快进行低瓦斯浓度瓦斯安全 输送技术开发与装备研制。淮南矿业(集团)有限责任公司和山东胜 利油田胜动机械有限责任公司联合开发了煤矿低浓度瓦斯细水雾输 送及安全发电技术研究，已取得突破。气水二相流低浓度瓦斯输送系 统工作原理：使瓦斯在水流环绕下沿输送管道向前连续流动，低浓度 瓦斯完全处于环形水流包围之中，并且沿输送方向每隔3050m以柱 状水团隔断气流形成端面水封，低浓度瓦斯在环形水流及端面水封

15、中 形成间歇性柱塞气流，一直输送到瓦斯发电机组，从而实现低浓度瓦 斯的安全输送。胜动集团低浓度瓦斯输送及发电技术原理：胜动集团“煤矿瓦斯细水雾输送技术及瓦斯发电机组”成功解决 了两个制约低浓度瓦斯发电的瓶颈问题： 、由于低浓度瓦斯不断变化且处于爆炸界限范围内，细水雾阻 止瓦斯在输送过程中产生火焰和和火焰一旦产生后的灭火机制、瓦斯 与水雾分离脱水技术，利用“冷壁淬熄”现象，研制了金属波纹带瓦 斯管道阻火器，利用雷达水位监测水位，保证阻火器可靠工作。 、为了适应瓦斯浓度时刻变化的特性，研究了瓦斯与空气二次 混合控制技术，设计了电控燃气混合器，实现了空燃比自动调节，使 发电机无条件地适应瓦斯浓度不断

16、变化的特点。还研制了瓦斯发电机 增压器匹配技术及增压方式，形成了低浓度瓦斯发电工艺，该工艺流 程采用瓦斯与空气先混合后增压，调低空燃比，配合预燃室技术，在 局部形成点火能量相对优势，放大点火能量，提高了甲烷燃烧速度， 降低了发动机负荷，提升了功率。水城大湾煤矿使用了该项技术，瓦 斯浓度达到8%以上即可发电。（6）、通风瓦斯（VAM）利用我国矿井开采中瓦斯的70%是通风排出的，回风中一般含有0.5%1%的甲烷，排出的纯甲烷在（1015） G m3左右，与西气东输 的12G m3天然气相当。好比每年有（1015） Mt原油或（2030） Mt的标准煤炭被白白浪费掉。一个高瓦斯矿区年产百万吨煤炭矿井， 每分钟通过通风瓦斯排出纯甲烷在 2530 m3，每年排出的纯甲烷（1