任 輝，吳國強(qiáng)，寧樹正，賀小龍，劉亞然，朱士飛，喬軍偉，王福國，郭愛軍，王行軍，李海麗

(1.中國煤炭地質(zhì)總局,北京 100038; 2.中國煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局,西安 710199;3.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司,北京 100040; 4.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院,江蘇徐州 221000;5.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院,北京 100039)

0 前言

由于受到能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)越來越高、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多種因素的影響，我國關(guān)閉煤礦數(shù)量持續(xù)增長，具有數(shù)量多、殘煤量大、煤層氣含量高的特點(diǎn)。據(jù)有關(guān)學(xué)者調(diào)查，目前的關(guān)閉礦井中煤層氣資源量達(dá)近5 000億m3[1]。雖然關(guān)閉煤礦中賦存著可觀的煤層氣資源，但是我國煤炭企業(yè)對(duì)關(guān)閉煤礦煤層氣資源勘探開發(fā)的經(jīng)營意識(shí)淡薄，多數(shù)煤礦關(guān)閉后為確保其安全，通過預(yù)留通風(fēng)孔，將井下釋放出的煤層氣直接排放到大氣或者燃燒，不僅造成環(huán)境污染，更造成清潔能源的浪費(fèi)。

關(guān)閉煤礦煤層氣資源的高效勘探開發(fā)利用，不僅能夠減少清潔能源的浪費(fèi)，變廢為寶，還能避免煤層氣對(duì)環(huán)境的污染；與此同時(shí)，為關(guān)閉煤礦企業(yè)提供了一條轉(zhuǎn)型可持續(xù)發(fā)展的道路，為關(guān)閉煤礦員工提供了再就業(yè)的機(jī)會(huì)。本文在對(duì)我國關(guān)閉煤礦煤層氣資源分布情況、關(guān)閉煤礦地質(zhì)特征以及其開發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其存在的問題進(jìn)行闡述，并提出相關(guān)建議。

1 我國關(guān)閉煤礦分布及地質(zhì)特征

1.1 我國高瓦斯關(guān)閉煤礦分布

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2005—2018年全國關(guān)閉煤礦井約1.5萬處，2014—2018年全國關(guān)閉煤礦井約7 600處，其中關(guān)閉煤礦井?dāng)?shù)較多的省份分別為重慶、湖南、黑龍江、貴州以及云南，其關(guān)閉煤礦井約占全國關(guān)閉煤礦井的47%。據(jù)袁亮院士相關(guān)研究項(xiàng)目指出，預(yù)計(jì)到2020年，我國關(guān)閉/關(guān)閉煤礦數(shù)量將達(dá)到12 000處，到2030年數(shù)量將到達(dá)15 000處[1-3]。

我國已關(guān)閉煤礦中約70%屬于高瓦斯礦井[4]。我國高瓦斯礦井的分布受含煤地層條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制作用明顯[5]。結(jié)合張子敏[5]、任輝[2]對(duì)我國煤層氣賦存規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉的高瓦斯礦井主要分布在重慶、湖南、貴州、云南、四川、山西、江西、安徽等地區(qū)，尤其以貴州、重慶以及湖南等地區(qū)關(guān)閉高瓦斯礦井最多(圖1)。

圖1 全國高瓦斯礦區(qū)及關(guān)閉煤礦示意圖(底圖據(jù)任輝，2018)Figure1 A schematic diagram of gassy coalmine areas and closed coalmines in China (after Ren Hui, 2018)

1.2 我國關(guān)閉煤礦地質(zhì)特征

1.2.1 關(guān)閉煤礦地質(zhì)條件分析

對(duì)于我國煤田地質(zhì)條件，中國由匯聚的陸塊拼合而成，其碰撞拼合期次多，煤田遭受了多幕次、多方向的后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈改造，致使我國煤田區(qū)域構(gòu)造、地質(zhì)條件復(fù)雜[6-7]。有關(guān)學(xué)者對(duì)于關(guān)閉礦井煤層氣(煤層氣)的分布范圍進(jìn)行了界定：由主采煤層向上，到裂縫帶頂部界面止，縱向上以冒落帶邊界面和裂縫帶邊界面為邊界，從主采煤層向下到應(yīng)力釋放邊界為止，橫向上以采動(dòng)范圍為界[8]。因此我們可知關(guān)閉煤礦地質(zhì)條件與未采動(dòng)煤田存相較，發(fā)生了較大變化。整體上，我國煤層埋藏較深，構(gòu)造煤發(fā)育，地應(yīng)力高，不同地區(qū)煤田地質(zhì)條件差異較大[6]，對(duì)于關(guān)閉煤礦井，由于受到采動(dòng)的影響，煤儲(chǔ)層地應(yīng)力發(fā)生變化，煤田地質(zhì)條件差異化更加明顯。

從煤儲(chǔ)層特征上看，我國煤儲(chǔ)層具有滲透率較低、含氣飽和度較低、儲(chǔ)層壓力較低的特點(diǎn)，即使在同一地區(qū)，煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性表現(xiàn)較為明顯，煤層氣富集條件亦存在較大差異[9]，而關(guān)閉煤礦井由于受到采動(dòng)的影響，煤層應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，殘煤及上下鄰近煤巖層裂隙增多，煤儲(chǔ)層滲透率增加，含氣量發(fā)生規(guī)律性變化。

1.2.2 關(guān)閉煤礦煤層氣賦存特征分析

關(guān)閉煤礦由于受采動(dòng)影響，煤層氣的賦存、運(yùn)移與富集均發(fā)生一定規(guī)律性的變化。關(guān)閉煤礦中煤層氣主要賦存狀態(tài)有三種：吸附態(tài)、游離態(tài)以及水溶氣；主要賦存位置為：采空區(qū)、主采煤層殘煤中、應(yīng)力釋放的鄰近煤層以及鄰近煤巖層裂隙帶中[10-12]。從開始建井，煤層收到擾動(dòng)，壓力平衡遭受破壞而發(fā)生變化，煤儲(chǔ)層中吸附態(tài)甲烷發(fā)生解吸變?yōu)橛坞x態(tài)并發(fā)生運(yùn)移，主要運(yùn)移至采煤工作面或者巷道。整體上，從采煤工作面向上、下兩個(gè)方向，吸附態(tài)氣體含量增加，游離氣含量減少。生產(chǎn)礦井關(guān)閉后，由于采煤時(shí)引起的巖層移動(dòng)及采動(dòng)裂隙發(fā)育，導(dǎo)致巷道及采空區(qū)中所積聚的煤層氣會(huì)發(fā)生不同程度的運(yùn)移及富集。與此同時(shí)，煤礦關(guān)閉后，礦井水的疏排工作亦停止，導(dǎo)致礦井水位回彈，形成井下封堵后，部分氣體以吸附或溶解態(tài)賦存[11]。

目前，我國絕大部分礦井關(guān)閉后，處于全封閉、通風(fēng)或淹井的狀態(tài)，礦井中賦存的煤層氣特征亦存在差異。對(duì)于全封閉的煤礦井，有利于煤層氣的保存，便于后期關(guān)閉煤礦煤層氣的抽采；而處于通風(fēng)狀態(tài)的礦井，部分煤層氣通過通風(fēng)孔排放到大氣中，井下煤層氣處于不斷運(yùn)移的狀態(tài)；處于淹井狀態(tài)的關(guān)閉礦井，不利于煤層氣的高效開采。而整體上，無論處于哪種狀態(tài)的關(guān)閉礦井，均可能發(fā)生次生災(zāi)害，如煤層氣泄漏、溫室效應(yīng)、地下水污染等[6,11]。因此，關(guān)閉礦井煤層氣的高效開發(fā)利用，具有重要的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

2 關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

隨著煤層氣(煤層氣)基礎(chǔ)研究及抽采技術(shù)不斷取得突破，我國煤礦煤層氣抽采利用近幾年迅速發(fā)展，在2016年我國煤層氣抽采總量達(dá)170億m3，其中井下煤層氣抽采量達(dá)123億m3。依據(jù)“十三五”規(guī)劃，2020年，煤層氣(煤礦煤層氣)抽采量達(dá)到240億m3，其中地面煤層氣產(chǎn)量100億m3，利用率90%以上；煤礦煤層氣抽采140億m3，利用率50%以上。但是目前我國煤礦煤層氣抽采主要集中于未開采或在生產(chǎn)礦井。

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整，煤炭行業(yè)產(chǎn)能不斷大規(guī)模退出，我國礦井關(guān)閉數(shù)量持續(xù)增加，為避免關(guān)閉煤礦中煤層氣(煤層氣)的浪費(fèi)，其有效開發(fā)利用勢(shì)在必行。目前我國關(guān)閉礦井煤層氣(煤層氣)資源開發(fā)、利用尚處于實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)關(guān)閉煤礦煤層氣進(jìn)行抽采并加以利用，變廢為寶，是煤炭行業(yè)當(dāng)前的重要發(fā)展方向。

“十五”期間，國內(nèi)進(jìn)行了“關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)利用有利地區(qū)優(yōu)選”項(xiàng)目攻關(guān)；中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院承擔(dān)了“關(guān)閉煤礦煤層氣地面抽放與利用先導(dǎo)性試驗(yàn)技術(shù)研究”科技攻關(guān)項(xiàng)目，以銅川礦務(wù)局王家河關(guān)閉礦井為試驗(yàn)基地，初步建立了一套適合報(bào)廢礦井的煤層氣資源預(yù)測(cè)方法，提出了一套報(bào)廢礦井煤層氣開發(fā)技術(shù)工藝，為報(bào)廢礦井煤層氣“低成本、高效益、產(chǎn)業(yè)化”開采提供了技術(shù)支撐[12]。近幾年亦開展了國際合作項(xiàng)目：中英《中國報(bào)廢礦井煤層氣抽采與利用》合作項(xiàng)目，對(duì)82個(gè)礦務(wù)局關(guān)閉煤礦的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究；中美《中國報(bào)廢煤礦甲烷排放》項(xiàng)目，對(duì)沁水煤田44個(gè)關(guān)閉煤礦煤層氣排放量進(jìn)行評(píng)估。

近幾年，我國部分地區(qū)進(jìn)行了關(guān)閉煤礦煤層氣抽采實(shí)驗(yàn)，例如：山西晉城煤業(yè)集團(tuán)已施工10口報(bào)廢煤礦地面井(截至2013年)，其中7口井成功產(chǎn)氣，每口井平均日產(chǎn)氣量可達(dá)到2 000 m3，煤層氣濃度約90%[2,13-15]。初步顯現(xiàn)了晉城礦區(qū)關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)的潛力，對(duì)我國關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)具有重要意義。山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限公司牽頭承擔(dān)的2014年度山西煤基(煤層氣)重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“關(guān)閉煤礦采空區(qū)地面煤層氣抽采技術(shù)研究及示范”。該項(xiàng)目已實(shí)施27口關(guān)閉煤礦采空區(qū)煤層氣井建設(shè)，15口井完成設(shè)備安裝運(yùn)行，單井日均產(chǎn)量1 155 m3，截至2016年底累計(jì)抽采利用約1 700萬m3煤層氣。與此同時(shí)，2016年內(nèi)蒙古烏蘭煤礦關(guān)停后，通過多次嘗試、攻關(guān)，探索出利用地面卸壓鉆孔煤層氣抽采的新途徑。截止至2017年，采空區(qū)井接入負(fù)壓抽采系統(tǒng)的有效產(chǎn)氣井18口，每天產(chǎn)氣量4萬m3(純量)[16]。

3 存在的問題

3.1 關(guān)閉煤礦煤層氣抽采技術(shù)及模式適配性差

目前，我國多借鑒國外理論及成果開展我國關(guān)閉煤礦煤層氣理論研究及勘探開發(fā)指導(dǎo)工作，但由于國內(nèi)外煤田地質(zhì)、煤層氣地質(zhì)條件存在明顯差異，我國煤層氣(煤層氣)賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，不同地區(qū)差異明顯，使得國外研究成果難以直接指導(dǎo)國內(nèi)關(guān)閉煤礦的煤層氣勘探開發(fā)工作，使得缺乏與我國地質(zhì)條件相適配的煤層氣抽采技術(shù)與模式，致使我國關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)難度大。如何根據(jù)我國不同地質(zhì)條件、不同礦井情況研發(fā)適應(yīng)不同區(qū)域不同狀況的抽采技術(shù)是一個(gè)迫切需要解決的問題。

3.2 基礎(chǔ)研究薄弱

我國關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)工作尚處于初級(jí)階段，基礎(chǔ)研究工作尚不系統(tǒng)，對(duì)于關(guān)閉礦井煤層氣形成、分布、運(yùn)移及富集規(guī)律需要深入研究，對(duì)關(guān)閉煤礦煤層氣的有利區(qū)優(yōu)選及其勘探開發(fā)利用更需要加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究。

與此同時(shí)，關(guān)閉煤礦煤層氣資源開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法急需形成，對(duì)關(guān)閉煤礦煤層氣資源量估算量存在很大偏差，影響到關(guān)閉煤礦煤層氣資源開發(fā)進(jìn)程。由于我國煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，不同地區(qū)、不同礦井存在明顯差異，對(duì)關(guān)閉煤礦煤層氣資源開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的建立增加了困難。

青年學(xué)生逐漸形成了更加獨(dú)立的思維和對(duì)時(shí)事政治的敏感度，對(duì)于堅(jiān)定而明確的理想信念要進(jìn)一步加強(qiáng)。小樣本調(diào)研顯示，在入黨動(dòng)機(jī)方面，說不清的占16.8%，周圍人入黨自己不入不太好占4.47%；小樣本調(diào)研同時(shí)顯示，在對(duì)黨的了解程度方面，完全不了解的占5.22%。我們認(rèn)為，沒有遠(yuǎn)大理想信念指導(dǎo)的人生，倘若加上青年學(xué)生盲目地"獨(dú)立"思考，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)容易使青年學(xué)生誤入歧途或走很多彎路，會(huì)更多關(guān)注個(gè)人利益而忽視對(duì)國家、社會(huì)利益的關(guān)注。

此外，我國關(guān)閉煤礦井封蓋層條件(能力)評(píng)價(jià)體系尚未建立，影響了我國關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)。

3.3 礦井封閉質(zhì)量不確定

我國礦井關(guān)閉工作開展較早，持續(xù)時(shí)間較長，關(guān)閉煤礦井?dāng)?shù)量大，但缺乏具體的煤礦關(guān)閉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，使得關(guān)閉礦井質(zhì)量不確定性大。尤其關(guān)閉時(shí)間較長的礦井，由于其開采情況復(fù)雜，可能存在裂隙、地質(zhì)構(gòu)造與地面溝通，甚至存在采空區(qū)塌陷等情況，造成煤層氣濃度降低以及煤層氣回收抽采難度增大。

3.4 礦井水無相應(yīng)處理措施

由于我國缺乏具體的煤礦關(guān)閉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，關(guān)閉后無相應(yīng)排水措施，導(dǎo)致很多礦井被淹沒，暫時(shí)無法進(jìn)行進(jìn)一步的資源利用。缺乏相關(guān)技術(shù)支持。理論和技術(shù)研究還在初期，沒有成功的案例經(jīng)驗(yàn)。

3.5 企業(yè)開發(fā)利用成本高，積極性不高

目前，在生產(chǎn)礦井煤層氣抽采以確保安全生產(chǎn)為主要目的，將抽放的煤層氣作為清潔能源進(jìn)行經(jīng)營成本高、市場(chǎng)生產(chǎn)力不足。而煤礦關(guān)閉后，煤礦煤層氣抽采也相應(yīng)停止，加之關(guān)閉煤礦煤層氣抽采利用的技術(shù)難度亦大，導(dǎo)致企業(yè)缺乏開展這類項(xiàng)目的積極性和主動(dòng)性。與此同時(shí)，部分規(guī)模較小的關(guān)閉煤礦井勘探開發(fā)煤層氣資源不具備經(jīng)濟(jì)可行性。因此，使得煤礦關(guān)閉后，一些地區(qū)通過預(yù)留的通風(fēng)孔將煤層氣自然排放或燃燒，造成清潔能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。

4 思考與建議

4.1 加強(qiáng)科技攻關(guān)

(1)進(jìn)一步加強(qiáng)科技投入。我國關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)利用處于初級(jí)階段，無論是基礎(chǔ)研究工作，還是與我國地質(zhì)條件相適配的煤層氣抽采技術(shù)與模式的研究工作，均應(yīng)系統(tǒng)開展，為我國關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)的進(jìn)行建立理論基礎(chǔ)。

(3)加強(qiáng)制定國家關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用全過程與實(shí)施節(jié)點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。關(guān)閉煤礦的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)是否合格，對(duì)于后期煤層氣的勘探與開發(fā)利用起著至關(guān)重要的作用，建議制定國家關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用全過程與實(shí)施節(jié)點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，確保關(guān)閉煤礦的質(zhì)量，建立相應(yīng)排水措施和煤層氣監(jiān)測(cè)等措施。

4.2 建立關(guān)閉煤礦井閉坑監(jiān)測(cè)制度

針對(duì)關(guān)閉煤礦建設(shè)安全監(jiān)管部門，釋放煤層氣量進(jìn)行檢測(cè)，例如煤層氣濃度、煤層氣每天的排出量，對(duì)后期關(guān)閉煤礦煤層氣資源量評(píng)價(jià)及其勘探開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.3 建立一批關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)利用示范基地

鼓勵(lì)煤炭企業(yè)和專業(yè)的煤層氣開發(fā)公司在全國煤層氣相關(guān)領(lǐng)域利用不同的專業(yè)模式建立一批示范基地，并在國家和省級(jí)層面建設(shè)一批關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)利用研究中心，加快全過程研發(fā)力度，不斷完善開發(fā)利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和能力。

4.4 完善開發(fā)利用的政策保障機(jī)制

對(duì)于關(guān)閉煤礦煤層氣抽采，盡管符合國家優(yōu)惠及補(bǔ)貼的條件，但與常規(guī)井下煤層氣抽放及原位煤層氣開發(fā)相比，其投入產(chǎn)出比仍偏高，因此需要國家政策進(jìn)一步加大關(guān)閉礦井煤層氣開發(fā)利用補(bǔ)貼力度，出臺(tái)相應(yīng)的優(yōu)惠價(jià)格、稅收、財(cái)政補(bǔ)貼等相關(guān)政策，并在進(jìn)行關(guān)閉礦井煤層氣抽放時(shí)，鼓勵(lì)多方尋求合作，爭(zhēng)取更多的投資公司、煤礦企業(yè)、環(huán)保企業(yè)用多種專業(yè)模式投入到關(guān)閉礦井煤層氣開發(fā)中來。從而，通過相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策支持與鼓勵(lì)，促進(jìn)關(guān)閉礦井煤層氣資源化規(guī)模開發(fā)進(jìn)程。

5 結(jié)論

(1)受到多種因素的影響，我國關(guān)閉煤礦數(shù)量持續(xù)增長，整體上具有數(shù)量多、殘煤量大、煤層氣含量高的特點(diǎn)，其中關(guān)閉的高煤層氣礦井主要分布在重慶、湖南、貴州、云南、四川、山西、江西、安徽等地區(qū)，尤其以貴州、重慶以及湖南等地區(qū)關(guān)閉高煤層氣礦井最多。

(2)我國煤田區(qū)域構(gòu)造、地質(zhì)條件復(fù)雜，煤儲(chǔ)層具有煤儲(chǔ)層滲透率較低、含氣飽和度較低、儲(chǔ)層壓力較低的特點(diǎn)，對(duì)于關(guān)閉煤礦井，由于受到采動(dòng)的影響，煤儲(chǔ)層地應(yīng)力發(fā)生變化，煤田地質(zhì)條件差異化更加明顯，殘煤及上下鄰近煤巖層裂隙增多，煤儲(chǔ)層滲透率增加。

(3)關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)利用是大勢(shì)所趨，雖然我國開展了一些關(guān)閉煤礦煤層氣勘探開發(fā)的科技攻關(guān)及其抽采工作，但是我國關(guān)閉煤礦煤層氣資源開發(fā)利用的研究起步較晚，存在關(guān)閉煤礦煤層氣抽采技術(shù)及模式適配性差、基礎(chǔ)研究薄弱、礦井封閉質(zhì)量不確定、礦井水無相應(yīng)處理措施以及企業(yè)缺乏經(jīng)營意識(shí)，積極性不高等問題。

(4)建議系統(tǒng)開展關(guān)閉煤礦煤層氣資源評(píng)價(jià)及其相關(guān)研究和勘探開發(fā)工作，通過加強(qiáng)科技攻關(guān)、建立關(guān)閉煤礦井閉坑監(jiān)測(cè)制度、研究并實(shí)施相應(yīng)關(guān)閉煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等多方面工作，來確保我國關(guān)閉煤礦煤層氣資源的有效開發(fā)。