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《中國煤化工》
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廢棄礦井煤層氣抽采技術獲一等獎
作者: | 來源:《中國石油和化工產業觀察》雜志 | 時間:2021-10-25

在近日揭曉的2020年度山西省科學技術獎勵名單中,由晉能控股山西科學技術研究院有限公司煤與煤層氣共采國家重點實驗室(以下簡稱實驗室)、中國礦業大學(北京)等單位聯合完成的廢棄礦井采空區地面煤層氣抽采技術研究及示范項目獲得科技進步一等獎獲。該技術有望使我國千億廢棄煤層氣資源得到釋放。

煤層氣俗稱瓦斯,是與煤伴生共生的氣體資源,指儲存在煤層中的烴類氣體,以甲烷為主要成分,屬于非常規天然氣。它的熱值與天然氣相當,高于通用煤1~4倍,可以與天然氣混輸混用且燃燒后幾乎不產生任何廢氣,是上好的工業、化工、發電和居民生活燃料,也是近十幾年來在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。然而,當煤層氣的空氣濃度達到5%~16%時,遇明火就會爆炸。若直接排放到大氣中,其溫室效應約為二氧化碳的21倍,對生態環境破壞性極強。

“在我國,煤礦關了,大量煤層氣資源卻殘存井下。若不能妥善處置,極易引發次生災害,影響周邊生產生活安全。”中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院教授孟召平表示。

記者了解到,“十二五”“十三五”期間,全國分別累計淘汰落后煤礦7100處、5500處左右,到2030年,這一數值將達1.5萬處。由此,廢棄的煤層氣近5000億立方米。對比去年,我國天然氣表觀消費量3280億立方米、對外依存度已超40%。廢棄礦井煤層氣資源若能充分利用,將極大彌補用氣缺口。然而,多位業內人士向記者證實,直至目前,寶貴資源仍未得到有效開發。受制于種種約束,即便在長期開展抽采試驗的地區,能夠保持穩定產量的高產井數量也不多。

以煤炭大省山西為例。實驗室執行副主任李國富介紹,全省具備開發利用價值的煤炭采空區面積約2052平方公里,預測殘余煤層氣資源量約726億立方米。“這些煤層氣資源相對分散,單位面積內資源蘊藏量較低。一些廢棄礦井歷史地質資料不完整,不少采空區邊界與現有煤炭礦業權范圍交錯,集中連片開發、持續穩定利用面臨諸多不確定性。許多資源遲遲未能實現有效利用。”

山西面臨的問題,亦是廢棄礦井煤層氣開發利用的共性難題。據中國工程院院士袁亮表示,我國煤層氣利用主要依賴正在開采礦井的瓦斯抽排系統。真正意義上的廢棄礦井資源綜合治理、產業化尚屬空白,長期停留在基礎理論研究和先導性工業試驗階段。

那么,實驗室是如何破解這個產業難題的?李國富給出了3步。

第一步,建立模型,摸清資源情況。要抽采廢棄礦井采空區煤層氣,首先要弄清采空區煤層氣的富集情況。為此,實驗室人員研發了廢棄礦井采空區煤層氣資源評估模型及方法。具體而言,研究人員在煤體吸附性能研究基礎上,對發育不同煤體結構煤礦采空區的吸附氣資源量進行了計算;在對煤體開采覆巖變形破壞規律研究基礎上,分別建立了采空區冒落帶和裂隙帶內巖體孔隙體積模型;結合煤層氣資源分布特征,考慮廢棄礦井采空區積水情況,建立了采空區積水量計算和含水飽和度計算模型。基于這些研究,實驗室對山西沁水盆地南部晉圣永安宏泰、岳城、寺河、成莊等典型煤礦采空區煤層氣資源量進行了測算。結果表明,該區域廢棄煤礦采空區煤層氣資源豐富,具有較好的開發利用潛力。

第二步,地面抽采,打破時空限制。煤層氣主要成分甲烷的密度比空氣低。當甲烷從煤層中解析出來后,會往高處走并沿著孔隙聚集到采空區上方的某個區域。以往,煤礦多是從井下抽采煤層氣,但受到時間、空間限制,一般不能打到最優的層位。為此,實驗室人員利用自主研制的三維滲流模擬試驗系統,開展了采空區氣流空間分布特征研究,將采空區氣流空間劃分為富集區、過渡區和無流區;利用數值模擬方法,揭示了典型井位負壓抽采條件下的煤層氣滲流特征和不同井位的氣流場、速度場和高速流動區分布特征,找到了地面鉆井抽采的最佳井位和層位。

找到了最佳井位與層位,就要往目標區域鉆井。但受采煤影響,采空區上部的巖體比較松散不利于鉆井。針對這一情況,實驗室研發了包括多結點集約化注漿加固、孔底復合封堵破碎巖體、小導孔注漿加固、煤層底板隔水層薄弱區帶修補等在內的成套鉆井技術。“當鉆到有裂隙的巖層時,我們先打個小孔,注入水泥漿,加固破碎巖體,然后就可以正常鉆進了。”李國富說。

第三步,分級處理,獲取綜合效益。實驗室根據不同情況提出了3種處理利用方式:一是摻混高濃度的煤層氣,使其達到安全標準,然后通過管道輸送;二是通過自主研發的野外分布式撬裝抽采提純系統,提純煤層氣后再利用;三是利用研發的雙燃料分布式發電技術,通過煤層氣轉化為電,直接供當地使用。

李國富介紹道,截至目前,實驗室已在晉城、西山、陽泉等地施工完鉆采空區煤層氣抽采井100多口,單井日產量最高可達8000立方米,抽采甲烷濃度平均保持在50%以上,最高達到99%。其用途主要包括中高濃度煤層氣增壓集輸、低濃度煤層氣提純、低濃度煤層氣分布式發電等。

“這些技術預計可在部分開發條件較好的礦區率先推廣,諸如礦區遺留煤層氣資源量較多、礦井原始資料較為準確詳實、煤層和采空區自燃風險較低,以及靠近終端用戶便于銷售的區域。對部分開發利用潛力較好的礦井,建議在關閉前就對抽采工作進行布局,提前做好井下煤層氣后續集中抽采的技術和工程準備,為能抽盡抽打好基礎。”李國富表示

從事該項技術研發的實驗室成員認為,“十四五”期間,我國煤礦數量將進一步壓縮。實現資源和資產二次回報,不僅能減少浪費,提高去產能礦井能源資源開發利用效率,也是踐行雙碳目標的重要舉措。

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