胡曉蘭，宋偉，彭傳圣，李博，蔣禮宏，肖朝暉，洪克巖

（中國華電集團(tuán)清潔能源有限公司，北京 100160）

0 引言

煤礦瓦斯主要成分為甲烷，具有可燃、無色無味等特點(diǎn)?？諝庵醒鯕怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為5%～16%會發(fā)生爆炸。在煤礦生產(chǎn)中，瓦斯遇到火源，容易發(fā)生爆炸，瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過40%會致人中毒窒息［1］，嚴(yán)重危害人身安全。為處理瓦斯含量超標(biāo)而采取先抽后采的安全技術(shù)措施，往往會影響煤礦生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)成本；簡單粗放的瓦斯抽采排放，造成了資源浪費(fèi)，甚至?xí)Νh(huán)境造成破壞［2-3］。

多年來，研究人員一直在探索煤與瓦斯共采、深部煤層或特定結(jié)構(gòu)煤的瓦斯治理理論與技術(shù)應(yīng)用研究［4-7］，煤礦企業(yè)積極實(shí)踐，應(yīng)用新理論技術(shù)成果取得了相應(yīng)成效［8-9］，這正改變著我國煤礦生產(chǎn)安全狀態(tài)［10］。但前人在煤礦瓦斯治理與實(shí)現(xiàn)煤礦降碳目標(biāo)方面的研究相對較少。本文在“雙碳”目標(biāo)背景下，在綜合煤礦瓦斯抽采治理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前瓦斯治理現(xiàn)狀和已有應(yīng)用實(shí)例，分析治理過程的降碳貢獻(xiàn)與效果，總結(jié)當(dāng)前煤礦瓦斯治理措施，對煤礦瓦斯治理與優(yōu)化提出可行的建議與對策。

1 瓦斯治理概況及降碳效果分析

“雙碳”目標(biāo)的提出對煤礦企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營帶來較大壓力。例如，山西、陜西、內(nèi)蒙古、山東等地區(qū)煤炭年產(chǎn)量小于500 萬t 的煤企或小型煤礦目前大多關(guān)停［11］。煤礦企業(yè)是國家的供能供碳大戶，如何實(shí)現(xiàn)2030年前的碳達(dá)峰目標(biāo)，滿足企業(yè)綠色發(fā)展要求，推動煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)高效、安全、低碳的運(yùn)營目標(biāo)，是當(dāng)前煤礦企業(yè)面臨的重要任務(wù)之一。其中，瓦斯治理與利用是煤礦轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要突破口，如何優(yōu)化煤礦瓦斯治理方案，系統(tǒng)優(yōu)化瓦斯治理技術(shù)，是煤礦企業(yè)未來發(fā)展需要面對的重要問題。

1.1 全國煤礦瓦斯抽采治理概況

在國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革影響下，煤礦產(chǎn)地主要集中在晉、蒙、陜等省份，另外冀、豫、皖、魯、黔等地區(qū)也有一定規(guī)模的產(chǎn)量［12-14］。近年來，全國煤礦瓦斯（煤層氣）抽采量大幅度上升，自2005 年的23.00 億m3已提高到2018 年的184 億m3（井下抽采瓦斯氣129.00 億m3，地面煤層氣產(chǎn)量54.13 億m3），其中瓦斯利用量53.09 億m3［15］。山西、陜西及安徽等省在煤層氣抽采和瓦斯治理利用上走在全國前列，其中，山西和陜西煤礦瓦斯以地面抽采煤層氣利用為主，安徽淮南煤礦則重視瓦斯治理，采取地面與井下聯(lián)合抽采治理［16-18］；內(nèi)蒙古地區(qū)煤礦多為露天礦，目前瓦斯治理除了提前地面預(yù)抽外，主要用于預(yù)防煤礦著火［19］；河北冀中能源就所屬梧桐礦正開展先導(dǎo)試驗(yàn)瓦斯抽采利用及低碳經(jīng)營路徑［20］；四川、山東和隴東等地相繼推進(jìn)瓦斯利用，四川2017 年1—11 月全省煤礦瓦斯抽采量3.12 億m3，瓦斯利用量1.74 億m3［21-23］，其他地區(qū)煤礦瓦斯治理和利用正逐漸引起重視、開始啟動項(xiàng)目或逐步走入正軌［24-26］。

1.2 煤層瓦斯降碳效果分析

煤層瓦斯甲烷溫室效應(yīng)是等量二氧化碳的21～28 倍［27-29］。1 萬m3甲烷燃燒100%利用后比甲烷直接排入大氣碳排放量減少125.22 t（以21 倍計(jì)算）［30-32］，可降低89%的溫室效應(yīng)。例如，2020 年山西煤層氣（地面鉆井抽采瓦斯）產(chǎn)量81.46 億m3，占全國煤層氣總產(chǎn)量的85%，相當(dāng)于全國煤礦瓦斯少排放95.84 億m3、減排12 億t 二氧化碳。若全國煤礦瓦斯氣進(jìn)行瓦斯治理和抽采利用，煤礦瓦斯地質(zhì)儲量約1.18 萬億m3，理想狀態(tài)下全部采出100%燃燒利用可減碳148萬億t，相當(dāng)于2020年中國總能耗排放的1.48倍［33-34］（2020年我國二氧化碳排放達(dá)99億t）。由此可見，煤礦瓦斯治理及利用對于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)意義重大。

2 煤礦現(xiàn)有瓦斯治理措施

煤層或圍巖中吸附的瓦斯受應(yīng)力和壓力影響，解吸后會涌出到采煤工作面、采空區(qū)隅角及相對負(fù)壓空間。瓦斯治理核心是降低所在空間瓦斯體積分?jǐn)?shù)。煤礦企業(yè)積極進(jìn)行瓦斯治理，目前應(yīng)用最廣泛、成本較低的措施是井下機(jī)械通風(fēng)和瓦斯抽采稀釋瓦斯體積分?jǐn)?shù)，達(dá)到井下安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。瓦斯作為可燃、相對潔凈的能源，抽采后提純利用是有效治理的方法之一。不同的煤礦瓦斯?jié)舛?、開發(fā)時期、工作區(qū)域，采用的瓦斯治理方式存在差別。

2.1 中高瓦斯治理

2.1.1 中高瓦斯概念與來源

高瓦斯礦井是指在一段時間測定中，相對瓦斯涌出量＞10 m3/t，或絕對瓦斯涌出量＞40 m3/min 的礦井［35］。煤礦瓦斯2 年測評一次，多數(shù)高瓦斯礦在治理一段時間后會低于這個標(biāo)準(zhǔn)，但仍屬于中高瓦斯礦井范圍。

瓦斯主要聚集在生產(chǎn)區(qū)的工作面和隅角。工作面瓦斯來源于：（1）本煤層割煤時應(yīng)力釋放，瓦斯負(fù)壓解吸；（2）圍巖和鄰近層由于層間壓裂釋放，瓦斯解吸涌向負(fù)壓區(qū)；（3）巖壁遺煤瓦斯解吸。隅角瓦斯成因：（1）由于采空區(qū)瓦斯下行通風(fēng)，風(fēng)壓和風(fēng)流的影響導(dǎo)致瓦斯存于下部；（2）采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力變化，裂隙作為通道，瓦斯沿裂縫不斷向工作面隅角運(yùn)移。

2.1.2 中高瓦斯煤礦治理實(shí)例

馬蘭煤礦12504工作面治理前的瓦斯涌出量為25.73 m3/min，經(jīng)過瓦斯抽采，工作面瓦斯降幅達(dá)22.70%，瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)由0.80% 下降到0.68%，上隅角瓦斯降幅38.60%，瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)由1.40%下降到0.86%［36］。徐州夾河煤高瓦斯礦7446綜采面，針對隅角回風(fēng)埋設(shè)專管抽采隅角和采空區(qū)瓦斯，回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)由0.8%～1.2%下降到0.5%～0.7%，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)由2.0%～5.0%下降到0.6%～0.8%，抽采瓦斯量由日產(chǎn)0.15萬t 上升到0.26 萬t［37］?；糁菝弘娂瘓F(tuán)李雅莊高瓦斯煤礦2-616 工作面治理前絕對瓦斯涌出量為25 m3/min，相對瓦斯涌出量6.609 m3/t，經(jīng)過井下瓦斯抽采，上隅角瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)由0.6%下降到0.4%［38］。徐州夾河煤礦2441 綜采面，針對上隅角利用鋸末、灰渣充填嚴(yán)實(shí)截堵，風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)稀釋隅角，工作面合理配風(fēng)和高位鉆孔瓦斯抽放，絕對瓦斯涌出量由3.5～4.5 m3/min下降到2.5 m3/min，瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)由2.0%～3.0%下降至0.6%～0.7%［39］。

2.2 低瓦斯治理

2.2.1 低瓦斯概念與來源

礦井中瓦斯相對涌出量≤10 m3/t，絕對瓦斯涌出量≤40 m3/min 為低瓦斯煤礦。瓦斯主要來源為本煤層、鄰近層和采空區(qū)遺煤等，瓦斯富集層向外釋放速度和含量相對高瓦斯礦較低。中低瓦斯煤礦瓦斯治理在淺層和初期會針對工作面采用機(jī)械抽采和通風(fēng)，在深層和綜采面瓦斯危險(xiǎn)系數(shù)增加的情況下，治理力度和管理措施將相應(yīng)增加。

2.2.2 低瓦斯煤礦治理實(shí)例

山西三元煤業(yè)2305綜放面，絕對瓦斯涌出量為12.66 m3/min，相對瓦斯涌出量為2.86 m3/t，采用頂板千米定向鉆孔抽采1 個月，瓦斯體積分?jǐn)?shù)由0.85%下降到0.48%［40］。冀中能源股份公司葛泉礦1623 工作面，治理前回風(fēng)隅角瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)為0.65%，回風(fēng)巷瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)為0.60%，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)＞2.00%，通過增加通風(fēng)量，采用珍珠巖袋充填截堵，埋設(shè)風(fēng)筒負(fù)壓抽采，運(yùn)輸巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超過0.32%，隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超過0.42%，風(fēng)筒瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超過2.30%，回風(fēng)巷體積分?jǐn)?shù)不超過0.26%［41］。正利煤礦14-1102 孤島工作面，原煤瓦斯涌出量1.98～2.07 m3/t，絕對瓦斯涌出量為4.79 m3/min，通過采空區(qū)瓦斯抽采，合理配風(fēng)、堵漏和高位裂隙帶鉆孔抽采等措施，瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超過0.25%［42］（見表1）。

表1 煤礦瓦斯治理實(shí)例措施及效果一覽Tab.1 Controlling measurements of coal mine methane and their effects

2.3 瓦斯治理措施小結(jié)

中高瓦斯礦瓦斯絕對涌出量較高，危險(xiǎn)系數(shù)較大，瓦斯地面抽采從根本上防范瓦斯事故確保煤礦安全，縮短煤礦瓦斯抽采及通風(fēng)達(dá)標(biāo)再生產(chǎn)工期，提高煤礦單位生產(chǎn)效率。在規(guī)劃區(qū)進(jìn)行地面鉆孔預(yù)抽采，可以有效降低在生產(chǎn)時的瓦斯絕對涌出量；生產(chǎn)區(qū)工作面根據(jù)不同煤礦地質(zhì)條件和企業(yè)規(guī)劃生產(chǎn)量，多采用增加工作面通風(fēng)空間的措施，一面多巷生產(chǎn)，地上采用斜井，礦下鋪設(shè)多管路進(jìn)行同時抽采；采空區(qū)隅角增加鋪管抽出瓦斯。低瓦斯煤礦，采煤工作面較淺礦井，規(guī)劃區(qū)基本不做處理，開采區(qū)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)和瓦斯抽采，在采空區(qū)或者工作面隅角進(jìn)行鋪管抽采達(dá)到安全范圍即可生產(chǎn)。采煤工作面較深礦井，隨埋深加大，瓦斯?jié)舛群偷販厣弋a(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)增高，部分煤礦在規(guī)劃區(qū)進(jìn)行預(yù)抽采，采煤工作面及隅角會根據(jù)生產(chǎn)情況。加通風(fēng)量和抽采機(jī)器數(shù)量，確保安全生產(chǎn)（見表2）。

表2 瓦斯治理措施Tab.2 Methane controlling measurements

3 瓦斯治理存在的問題

3.1 目前瓦斯治理效果無統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)

上述實(shí)例中7 個煤礦瓦斯治理現(xiàn)狀表明：現(xiàn)階段煤礦進(jìn)行瓦斯治理達(dá)到濃度安全標(biāo)準(zhǔn)、滿足正常生產(chǎn)運(yùn)行即可。實(shí)際上，各煤礦因煤層特征、地質(zhì)因素等差異，瓦斯治理技術(shù)方案上有自身特點(diǎn)，各煤礦對管理和成本的控制程度不一，瓦斯治理力度和效果不盡相同［43］，煤礦瓦斯治理效果目前無統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)，各煤礦只是針對瓦斯治理前后產(chǎn)生相對瓦斯?jié)舛?、瓦斯壓力下降，事故發(fā)生率降低等幾個方面進(jìn)行評價瓦斯治理的效果［44-45］。

3.2 煤礦瓦斯低碳治理的動力不足

煤礦瓦斯問題治理至今，煤層氣產(chǎn)業(yè)獲得了較快發(fā)展，近3 年我國新增煤層氣產(chǎn)量14.4 億m3［46］，相當(dāng)于減排1 803 萬t 二氧化碳，成為低碳時代清潔能源的潛在力量，更是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵能源［47］。“雙碳”目標(biāo)之前煤礦企業(yè)的瓦斯治理只輔助于安全生產(chǎn)。

（1）政策層面。目前，煤礦瓦斯治理與利用和煤炭開發(fā)尚沒有統(tǒng)一規(guī)劃。針對煤層氣與煤炭資源礦業(yè)權(quán)交叉問題［48］，政策雖然支持采煤采氣一體化，煤礦企業(yè)仍可自主決策自采自用煤層氣項(xiàng)目。但基于礦業(yè)權(quán)交叉問題的固有觀念，以及地面抽采基本由煤層氣公司來實(shí)施的慣性思維，煤礦企業(yè)煤層瓦斯治理方案的出發(fā)點(diǎn)大多僅局限在煤炭開發(fā)上，而很少統(tǒng)一規(guī)劃煤層瓦斯治理與利用的協(xié)調(diào)發(fā)展［49］。

（2）經(jīng)濟(jì)層面。當(dāng)前，煤礦企業(yè)對加大瓦斯治理產(chǎn)生的綜合效益認(rèn)識不夠。煤炭生產(chǎn)利潤高、投資回收快，時間和成本投入上優(yōu)于煤層瓦斯的抽采利用［50-51］?！半p碳”目標(biāo)確立之前，煤礦進(jìn)行瓦斯治理只是滿足安全生產(chǎn)需要，以井下機(jī)械通風(fēng)和抽采為主，未最大限度減少和降低煤礦瓦斯體積分?jǐn)?shù)，同時抽采的瓦斯多以排放或火炬燃燒為主，未對瓦斯治理或利用再投入成本。但在“雙碳”目標(biāo)提出之后，國家倡導(dǎo)在各行業(yè)、各領(lǐng)域貫徹綠色發(fā)展理念，必然會對煤礦企業(yè)生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)帶來較大影響，尤其會產(chǎn)生與減碳工作相關(guān)的利潤增長點(diǎn)。例如，在碳交易市場，若參考前人研究成果，按16 750元/萬m3瓦斯計(jì)，煤礦企業(yè)可通過瓦斯提純利用，實(shí)現(xiàn)1 萬m3瓦斯減少16 750 元的碳交易費(fèi)用從而得到1 757.5元的收益［32］。同時，加大瓦斯抽采力度，實(shí)現(xiàn)瓦斯絕對安全采掘，煤礦生產(chǎn)效率可大幅度提高，也會顯著降低生產(chǎn)成本。

（3）技術(shù)層面?，F(xiàn)階段，煤礦瓦斯治理大多采用單一的井下抽采技術(shù)，綜合治理與利用技術(shù)尚不成熟?！半p碳”目標(biāo)之前，煤礦瓦斯治理基本集中在技術(shù)裝備研發(fā)、特殊煤層鉆探改進(jìn)或抽采方案優(yōu)化等方面［52-54］。地下和地面結(jié)合抽采治理方式僅存在于示范區(qū)［55-56］或部分煤礦的先導(dǎo)性試驗(yàn)階段［57-59］。二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯研究也處于試驗(yàn)研究階段［60-61］。

總體看，目前瓦斯治理的整體架構(gòu)與現(xiàn)狀與“雙碳”目標(biāo)的要求，尚存在契合度不足的情況，這或許會影響企業(yè)未來的良性發(fā)展，亟須加強(qiáng)研究。

4 未來瓦斯治理工作的建議

瓦斯治理對于煤礦企業(yè)主要作用在于保證煤炭安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效開采。截至目前，不少煤礦開始嘗試瓦斯抽采后利用［62］，但在再利用方面總體效果不佳［63］。

基于瓦斯的資源性和污染性的雙重屬性，煤礦企業(yè)應(yīng)該借助目前“雙碳”目標(biāo)下的政策機(jī)遇，構(gòu)建源頭設(shè)計(jì)—過程控制—分區(qū)實(shí)施—末端治理—市場開發(fā)的煤礦瓦斯治理新模式。

（1）源頭設(shè)計(jì)。煤礦企業(yè)須積極布局以達(dá)成低碳生產(chǎn)的瓦斯治理的目標(biāo)。在“煤礦安全生產(chǎn)—瓦斯抽采—瓦斯利用”的全過程生產(chǎn)經(jīng)營鏈條中，始終秉承綠色低碳發(fā)展理念，按照《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》的總體要求，制定瓦斯抽采排放與瓦斯利用總體進(jìn)度與計(jì)劃。根據(jù)各煤礦企業(yè)歷年來瓦斯排放量，分類、分級、分年度制定允許煤礦企業(yè)還可抽采排放的最大瓦斯量，并按照各煤礦企業(yè)營業(yè)收入或利潤制定出達(dá)成“碳中和”目標(biāo)的瓦斯利用短期、中期和長期規(guī)劃路線圖。

（2）過程控制。煤礦企業(yè)應(yīng)以信息化技術(shù)為支撐，加強(qiáng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作，實(shí)現(xiàn)對治理過程的有效控制。目前國內(nèi)瓦斯治理與利用工作整體處于起步階段，在減碳控碳方面基礎(chǔ)相對薄弱。企業(yè)可以考慮構(gòu)建瓦斯治理與利用的信息化管理平臺，及時監(jiān)測和掌握各煤礦瓦斯涌出量、抽采排放量、利用率等數(shù)據(jù)，形成瓦斯治理與利用的數(shù)據(jù)湖并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。在關(guān)注安全生產(chǎn)信息的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化對于瓦斯排放的實(shí)時優(yōu)化管理，力爭實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采利用最大化與降碳減排最優(yōu)化的有機(jī)統(tǒng)一，滿足煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)行業(yè)雙碳目標(biāo)的基本要求。

（3）分區(qū)實(shí)施。煤礦企業(yè)應(yīng)針對不同瓦斯治理場景，分別設(shè)計(jì)不同技術(shù)路線，實(shí)施治理。對于正在開采生產(chǎn)區(qū)，只適合地下瓦斯治理，應(yīng)改進(jìn)瓦斯抽采設(shè)備，提高瓦斯抽采量，同步優(yōu)化直接抽采后的提純利用；對于適合進(jìn)行地面地下立體化瓦斯治理工作區(qū)，應(yīng)深化地質(zhì)研究，積極應(yīng)用國內(nèi)示范試驗(yàn)區(qū)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)［64］，探索各煤礦自身瓦斯治理立體化瓦斯抽采方案；對于煤礦接替規(guī)劃區(qū)，應(yīng)根據(jù)瓦斯資源情況和地質(zhì)背景，采用煤層氣開發(fā)利用先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行瓦斯地面抽采治理?？傊瑧?yīng)根據(jù)瓦斯資源量做好分區(qū)治理規(guī)劃，畢竟瓦斯資源量的分布與減碳方案的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

（4）末端治理。煤礦企業(yè)應(yīng)強(qiáng)化末端治理技術(shù)應(yīng)用，重視生產(chǎn)過程中資源的循環(huán)利用問題，重視回收瓦斯再利用的價值屬性。例如，瓦斯抽采后的提純、散逸瓦斯的捕獲與收集、散逸瓦斯收集后的轉(zhuǎn)化與利用等等，皆是真正意義上的低碳瓦斯治理設(shè)計(jì)。另外，瓦斯治理過程使用的原材料、設(shè)備的回收利用問題，也應(yīng)受到更多關(guān)注。

（5）市場開發(fā)。瓦斯低碳治理問題解決，除去政策扶持、技術(shù)進(jìn)步之外，還需考慮市場機(jī)制建設(shè)。煤礦企業(yè)，應(yīng)超前布局“產(chǎn)銷”市場，打通瓦斯抽采提純后的自用供熱、發(fā)電、余熱發(fā)電、管道銷售、碳市場交易等市場環(huán)節(jié)，并考慮探索瓦斯提純氣體綜合利用的商業(yè)模式，不斷激發(fā)資本市場參與的熱情，真正使得瓦斯低碳治理工作與國家綠色低碳產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深度融合，打造煤礦企業(yè)綠色供應(yīng)鏈體系［65-66］。

5 結(jié)束語

煤礦企業(yè)瓦斯治理工作不僅與安全生產(chǎn)有關(guān)，而且關(guān)乎企業(yè)的綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。從行業(yè)瓦斯治理現(xiàn)狀出發(fā)，分析與低碳治理相關(guān)的問題，并提出建議措施，為未來煤礦企業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供新的借鑒與思考。