摘要：低碳經(jīng)濟(jì)是可持續(xù)發(fā)展的需要，是世界發(fā)展的趨勢(shì)，煤層氣作為一種新的能源，有著非常廣闊的前景。本文分析了煤層氣的開(kāi)采現(xiàn)狀，探討了我國(guó)煤層氣開(kāi)采利用率低的問(wèn)題，并分析了其相關(guān)因素，以更好的開(kāi)發(fā)利用煤層氣資源，打造低碳經(jīng)濟(jì)。
　　關(guān)鍵詞：煤層氣；利用率；低碳經(jīng)濟(jì)；瓦斯
　　隨著氣候的變暖，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方式勢(shì)必隨著轉(zhuǎn)變。低碳經(jīng)濟(jì)，為全世界所提倡。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使能源的需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)的石油、煤炭在使用中產(chǎn)生了大量的CO2，使全球溫室效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，世界各國(guó)都在尋求新的如風(fēng)能等沒(méi)有污染的新型能源，隨著煤炭開(kāi)采深度的不斷加大，煤層瓦斯的涌出量也在加大，這對(duì)煤炭的安全開(kāi)采是個(gè)新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的瓦斯防治方法就是直接將瓦斯排放到大氣中，更加增加了溫室效應(yīng)的嚴(yán)重性，也污染了環(huán)境。
　　煤層氣是二十年在世界上崛起的新型能源，俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4，因產(chǎn)地不同含有少量不同濃度的其他氣體。作為一種潔凈的能源，各國(guó)都在開(kāi)發(fā)利用，由于氣候的變暖，它的利用越來(lái)越重要，2007年6月，我國(guó)正式發(fā)布了《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。
　　CH4是一種有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的溫室氣體，按同等重量氣體計(jì)算，其溫室效應(yīng)是CO2的23倍，是排在CO2之后的第二位主要溫室氣體。甲烷在大氣中的壽命周期比CO2短，約12年，減少CH4排放量在近期對(duì)減緩大氣變暖有重要意義，而且減排成本比CO2低得多。同時(shí)，它又是一種能源。回收利用甲烷不僅能夠減少溫室氣體的排放，同時(shí)還可以提供一種可靠的、經(jīng)濟(jì)的清潔能源。因此，甲烷的減排是目前全球氣候變化行動(dòng)計(jì)劃中最重要的、最經(jīng)濟(jì)的舉措之一。
　　一、煤層氣開(kāi)采現(xiàn)狀
　　1.1世界煤層氣開(kāi)采
　　北美洲以及澳洲國(guó)家在煤層氣開(kāi)采技術(shù)方面走在了世界的前列，煤層氣是成煤過(guò)程中生成的以吸附或游離狀態(tài)賦存于煤層的自儲(chǔ)式天然氣。世界煤層氣總資源量為（100～260）×1012m3，約為常規(guī)天然氣資源量的50％，其中俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞五國(guó)合計(jì)煤層氣總資源量為（90～250）×1012m3，占世界煤層氣總資源量的90％。目前，美國(guó)、加拿大、澳大利亞三國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)已形成工業(yè)化規(guī)模，2007年煤層氣產(chǎn)量分別達(dá)到了496×108m3、100×108m3和29×108m3。
　　1.2我國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀
　　我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)存非常豐富。據(jù)有關(guān)資料，埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36萬(wàn)億m3，其中1000m以淺、1000～1500m和1500～2000m的煤層氣地質(zhì)資源量，分別占全國(guó)煤層氣資源地質(zhì)總量的38.8%、28.8%和32.4%。可采資源總量約10萬(wàn)億m3。煤層氣在我國(guó)是新興的能源，可開(kāi)發(fā)潛力巨大。過(guò)去，我國(guó)煤礦主要是直接排放到大氣中。我國(guó)煤炭產(chǎn)量全球第一，今年預(yù)計(jì)將達(dá)到33億噸。同時(shí)，產(chǎn)生的礦井瓦斯排放量也是全球第一。
　　瓦斯抽采量的遞增是由于我國(guó)煤炭開(kāi)采量的遞增所引起的。隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯的賦存量也在增加，同時(shí)由于我國(guó)煤炭監(jiān)管體系的日漸完善，煤層氣抽采技術(shù)的不斷改進(jìn)，煤炭通風(fēng)安全設(shè)施的投入加大等相關(guān)因素，煤層氣抽采取得了可喜的成績(jī)。與此同時(shí)，我國(guó)煤層氣的利用率卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
　　二、影響煤層氣利用率的因素
　　現(xiàn)在的瓦斯抽放系統(tǒng)是能夠滿足煤礦開(kāi)采安全需求的。但從煤層氣的利用來(lái)看，其開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于抽采量的多少影響重大，所以改變抽放的相關(guān)方法顯得十分重要。抽放技術(shù)的選擇要與瓦斯的抽采量相協(xié)調(diào)，瓦斯抽采量的調(diào)整目的如下：提高抽放系統(tǒng)獲取甲烷的比例，而不是將甲烷排放到礦井通風(fēng)氣體中；優(yōu)化提前抽放和采空區(qū)抽放的甲烷比例以滿足煤礦開(kāi)采和瓦斯利用的需求；優(yōu)化抽采系統(tǒng)，減少甲烷供應(yīng)的不穩(wěn)定波動(dòng)。
　　2.1礦井下抽放
　　在操作過(guò)程中有時(shí)很難平衡影響瓦斯流動(dòng)的所有因素，很難收集到變量瓦斯的詳細(xì)數(shù)據(jù)，所有的瓦斯一般被收集到相同的管道，所以很難定義隨時(shí)間變化的影響量。地下抽放受許多重要因素的影響，但在多數(shù)情況下掌控已存瓦斯的含量和流速需要相關(guān)技術(shù)的革新，但這并沒(méi)有作為一個(gè)完整的體系加以闡述。
　　2.1.1抽放目的
　　鉆孔的設(shè)計(jì)模式需要對(duì)由煤礦開(kāi)采過(guò)程中煤縫的滲透性、瓦斯成分、地質(zhì)變化、變形所引起的煤體滲透性變化有深入的了解，煤縫中的瓦斯特性決定著鉆孔的布局以及有效瓦斯抽放的流程，在斷裂帶區(qū)域，鉆孔的設(shè)置點(diǎn)必須不斷調(diào)整以適應(yīng)斷裂區(qū)域的變化。
　　2.1.2鉆孔
　　這些鉆孔用來(lái)抽采煤層中的瓦斯。這些原態(tài)瓦斯隨開(kāi)采的進(jìn)行，煤層滲透發(fā)生變化使瓦斯產(chǎn)生流動(dòng)，抽放的設(shè)計(jì)、鉆孔的定位決定著瓦斯的抽放效率。鉆井技術(shù)與實(shí)踐在最近幾年取得了飛速發(fā)展，當(dāng)定點(diǎn)鉆井監(jiān)測(cè)技術(shù)使用時(shí)，鉆孔將更加精準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)式鉆孔更加難以控制，主要應(yīng)用于短孔和非關(guān)鍵位置的鉆探。另外，封孔質(zhì)量對(duì)本煤層抽采煤層氣影響很大，膨脹水泥封孔技術(shù)十分有效，比聚氨酯封孔瓦斯流量提高3～4倍，瓦斯?jié)舛忍岣?倍左右，這對(duì)于瓦斯的抽采以及提高瓦斯的利用率具有十分重要的影響。
　　2.1.3管道
　　瓦斯通過(guò)抽吸提取，瓦斯的流動(dòng)主要由管道的設(shè)計(jì)來(lái)控制，而管道的設(shè)計(jì)必須能夠確保從煤礦中的鉆孔中最大化地抽取瓦斯，在鉆孔處需要有效地實(shí)施負(fù)壓抽放。管道的系統(tǒng)能力必須符合預(yù)期的流量以優(yōu)化輸送甲烷的含量和流量。空氣滲透到管道中稀釋了瓦斯的供應(yīng)量，通過(guò)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化維護(hù)以及對(duì)鉆孔的連接性和鉆孔設(shè)施安裝氣密性的加強(qiáng)，能夠減少空氣的深入和甲烷的流出。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了相關(guān)安全裝置在煤礦發(fā)生事故的時(shí)候關(guān)閉管道系統(tǒng)。
　　2.1.4監(jiān)測(cè)
　　現(xiàn)在的相關(guān)設(shè)施已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯的含量和流量，并且能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)。這種監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于系統(tǒng)化管理瓦斯的含量和流量是十分有必要的，一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置就是當(dāng)瓦斯的濃度低于特定量的時(shí)候，設(shè)置的鉆孔開(kāi)關(guān)就會(huì)關(guān)閉。
　　2.2從地面進(jìn)行抽放
　　從地面鉆孔進(jìn)行提前抽放與煤礦開(kāi)采無(wú)直接聯(lián)系的煤層氣商業(yè)化生產(chǎn)有本質(zhì)的聯(lián)系。回收的甲烷具有高純度，每個(gè)鉆孔的甲烷量遵循典型的循環(huán)規(guī)律。地面提前鉆孔抽放并不常見(jiàn)。在煤礦大多數(shù)表面抽放是采空區(qū)抽放，最初的目的是為了防止瓦斯從采空區(qū)進(jìn)入工作面。采空區(qū)瓦斯的來(lái)源是多方面的，最主要的來(lái)源是從煤縫隙釋放到采空區(qū)而沒(méi)有被完全抽采滯留在采空區(qū)。在一些礦井中大量的瓦斯來(lái)源于巷道變形破壞了上層和下層的縫隙，致使瓦斯大量釋溢通過(guò)礦井可滲透區(qū)域到達(dá)采空區(qū)。現(xiàn)在的綜采區(qū)和以前的綜采區(qū)作為瓦斯儲(chǔ)蓄兩者之間存在一定聯(lián)系，影響采空區(qū)甲烷排放的因素包括：
　　（1）采掘和誘導(dǎo)滲透性。采空區(qū)的鉆孔的設(shè)置必須保證穿透采空區(qū)的滲透區(qū)，并且能夠確保采空區(qū)的瓦斯排放進(jìn)鉆孔中。但是很難知道在開(kāi)采工作時(shí)會(huì)發(fā)生什么，實(shí)驗(yàn)表明采空區(qū)的邊緣具有較高的滲透性，采空區(qū)的中心區(qū)域瓦斯更為聚集，因而負(fù)載也最大。滲透性的負(fù)載和釋放并不對(duì)稱，會(huì)被相鄰的綜采所破壞。采掘采用單排放鉆孔或多排放鉆孔需要占用空間，排空采空區(qū)本質(zhì)上都會(huì)對(duì)采空區(qū)域產(chǎn)生影響。
　　（2）采空區(qū)鉆井的補(bǔ)充設(shè)計(jì)。鉆孔的深度或終止深度對(duì)于混合瓦斯氣的抽取至關(guān)重要。采空區(qū)內(nèi)各種不同的氣體從一定程度上講可以通過(guò)氣體密度區(qū)別開(kāi)來(lái)，氣體密度大的在下面，密度小的在上面，相關(guān)氣體可以在井底的不同水平找到。
　　（3）采空區(qū)瓦斯流動(dòng)的動(dòng)態(tài)性。采空區(qū)的瓦斯要么來(lái)源于煤炭釋放，要么來(lái)源于綜采面的煤礦通風(fēng)。不合適的鉆孔可能使氣體形成負(fù)壓流向采空區(qū)，稀釋了抽取的煤層氣。遠(yuǎn)離綜采面的鉆孔可能引起更多的瓦斯從煤隙流向排氣孔，但這并不能減少或控制煤層氣流向工作面。通風(fēng)壓力、鉆孔的吸力以及煤層氣的氣體壓力相互作用影響采空區(qū)的瓦斯流動(dòng)。
　　（4）計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用。不同計(jì)算流體力學(xué)的模型已經(jīng)應(yīng)用到了采空區(qū)的瓦斯流動(dòng)，流體力學(xué)模型技術(shù)的開(kāi)發(fā)用以預(yù)測(cè)瓦斯的開(kāi)采、采空區(qū)鉆孔的位置設(shè)計(jì)以及需要達(dá)到的吸收壓力的效果。到目前為止，這些技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到采空區(qū)瓦斯到工作面流動(dòng)的管理，在瓦斯開(kāi)采過(guò)程中確定提取氣體的性質(zhì)同樣有效。
　　2.3控制甲烷供應(yīng)流量的穩(wěn)定性
　　所有甲烷氣流浮動(dòng)最主要是由于煤炭中瓦斯分布、煤礦開(kāi)采活動(dòng)、所采用的混合排放以及其他外部因素所決定。由于引起波動(dòng)的因素有很多，所以需要逐一確定哪些可以作為影響甲烷供應(yīng)的條件以滿足特定需求，有些引起變化的原因可以解決，但是許多是煤礦開(kāi)采方法或自然條件所固有的。影響浮動(dòng)的主要因素如下：
　　（1）采煤和采礦周期。采煤過(guò)程和遠(yuǎn)距離相關(guān)煤層的釋放增加了瓦斯流量。在煤礦開(kāi)采前，瓦斯流動(dòng)量處于最小狀態(tài)。通過(guò)綜采過(guò)程瓦斯開(kāi)始釋放，然后逐漸下降。在日循環(huán)中，瓦斯在煤炭開(kāi)采的最活躍時(shí)段產(chǎn)生量大，開(kāi)采量小或不開(kāi)采時(shí)瓦斯量減少。
　　（2）瓦斯成分的變化。在一個(gè)單一的綜采區(qū)域煤隙間瓦斯的成分以及種類存在很大的變化。如果采煤區(qū)域轉(zhuǎn)變到一個(gè)新的工作面，同時(shí)此工作面釋放的瓦斯與前工作面不同，那么開(kāi)采過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生巨大不同，被成功地應(yīng)用到煤礦的某一區(qū)域的瓦斯控制技術(shù)將有可能不再適用。
　　（3）抽放效果。抽放系統(tǒng)的有效性取決于抽放鉆孔是否安置在設(shè)計(jì)位置以及抽放點(diǎn)的正確預(yù)測(cè)。甲烷抽放網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與操控由地質(zhì)條件和采礦方法的變化所影響。一個(gè)細(xì)心的抽放工程師把他的抽放系統(tǒng)調(diào)整一下就會(huì)對(duì)抽放系統(tǒng)的效果產(chǎn)生巨大影響。如果抽放鉆孔和其標(biāo)地存在誤差，那么瓦斯流量不可避免地會(huì)減少。
　　（4）壓力影響。瓦斯流量對(duì)壓力的變化特別敏感，這是由于晝夜溫差的變化、偶爾的特殊氣候引起的。雖然其中的一些因素會(huì)對(duì)瓦斯流量產(chǎn)生影響，但通過(guò)完善通風(fēng)和抽放系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這些因素產(chǎn)生的影響。
　　三、結(jié)語(yǔ)
　　煤層氣作為清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）主要關(guān)注的能源。發(fā)展煤層氣的高效利用等技術(shù)，節(jié)能減排，減少溫室效應(yīng)，打造低碳經(jīng)濟(jì)，是改善全球大氣環(huán)境的一個(gè)迫切任務(wù)，我國(guó)煤層氣資源豐富，西北地區(qū)的含量高，開(kāi)采條件好，適用于大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用。因此，解決開(kāi)發(fā)在煤層氣利用過(guò)程中各環(huán)節(jié)的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)我國(guó)的能源利用，世界的環(huán)保又重要的意義，從根本上解決好制約煤層氣發(fā)展的問(wèn)題，真正做到高效利用，打造低碳經(jīng)濟(jì)。
　　參考文獻(xiàn)：
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