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第一届世界新能源战略高峰论坛

中国工程院院士袁亮:煤与瓦斯共采引领煤炭科学开采
   文章来源:北达基金   更新时间:2013-12-02 01:13:24    分享到:
 

一、我国煤炭科学开采现状

煤炭是我国的主导能源,国家《能源中长期发展规划纲要(2004~2020年)》已经确定,中国将“坚持以煤炭为主体、油气和新能源全面发展的能源战略”,中国工程院《国家能源发展战略2030~2050》明确我国2030年煤炭需求高达38亿吨。显然,在相当长的时期内,煤炭作为我国的主导能源不可替代。

我国探明煤炭资源量5.57万亿吨,其中-1000米以下的资源量为2.95万亿吨,占53%,同时,我国煤矿地质条件极其复杂,95%为井工开采,70%以上国有煤矿是高瓦斯矿井。在这种条件下,近10年来,我国煤炭产量年增幅达2亿多吨,2010年全国煤炭产量32.5亿吨,贡献巨大,难度巨大。

党中央国务院高度重视煤矿安全和瓦斯防治工作,2005年以来,国家先后在淮南、晋城、沈阳、南昌等地召开了煤矿瓦斯防治工作现场会,并出台了一系列适合我国煤矿安全生产实际的政策法规和文件,各省市自治区及煤矿生产企业认真落实,取得了显著成效。“十一五”期间,在煤炭产量持续增加的情况下,煤矿事故总量、事故死亡人数、百万吨死亡率持续下降,煤矿安全生产形势持续稳定好转。与2005年相比,2010年全国煤矿瓦斯事故减少269起、少死亡1548人,分别下降了65%和71.3%,百万吨死亡率从2005年的2.81下降到2010年0.749的历史最好水平。2005年以来,全国煤矿瓦斯抽采量大幅上升,促进了煤矿安全生产。2010年,全国煤矿瓦斯(煤层气)抽采量达91亿m3(其中井下瓦斯抽采量76亿m3 ,地面煤层气产量15亿m3 )。

但是,必须清醒地认识到,我国煤矿安全生产形势依然严峻。随着开采规模和开采深度的变化,我国大部分煤矿将成为低透气性高瓦斯开采条件,此类条件瓦斯治理是世界性难题,长期以来没有解决,造成煤矿瓦斯事故多发,安全高效开采难以实现。根据统计,2003年至2009年期间,全国10起死亡百人以上的矿山特别重大事故中,有8起是煤矿事故。

通过对事故的原因分析发现:80%以上的重特大事故均存在地质情况不清、灾害升级、重大技术难题未解决、安全投入欠账、人才匮乏严重、现场管理不到位等重大问题,却盲目生产甚至扩大能力生产。按照目前保证安全生产的科技水平,达到“科学产能”的产量只有1/3,即8~10亿吨,其水平与美国相当。从煤矿产量和事故死亡人数的关系来看,乡镇煤矿产量占39%,死亡数量占72%~77% ,南方十省产量仅占17%~19%,死亡人数占54%~58%。

2010年,我国煤矿瓦斯事故死亡人数下降到623人,百万吨死亡率下降到0.749,但是与世界先进水平差距仍然较大,2009年澳大利亚百万吨死亡率为0.01,美国为0.018,南非为0.07,印度为0.176,俄罗斯为0.19,波兰为0.266。因此,我国煤矿安全生产形势依旧严峻,要实现根本好转,任重而道远。

二、煤与瓦斯共采关键技术

近年来,我国在低透气性煤层煤与瓦斯共采基础理论的研究方面取得了一系列的重大突破,探索成功了一整套的如低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采等具有自主知识产权、世界领先的关键技术,为我国低透气性复杂地质条件下煤炭资源的安全高效开发提供了重要的技术支撑。煤与瓦斯共采的主要关键技术为:

(一)低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术

低透气性煤层的瓦斯治理是世界性难题,随着开采规模和开采深度的变化,我国大部分煤矿将成为低透气性高瓦斯开采条件,低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术攻克了低透气性煤层瓦斯治理的世界难题。其技术思路为:在煤层群中选择安全关键层首先开采,形成岩层移动、煤层膨胀卸压,使邻近煤层中80%以上的瓦斯由吸附状态解吸为游离状态,预先在首采层形成的应力降低区和裂隙发育区内布置瓦斯抽采工程,待首采层卸压开采后抽采上下被卸压煤层卸压解吸瓦斯。成果现场试验效果显著,被卸压煤层瓦斯压力由4~6MPa下降到0.2~0.5MPa,瓦斯含量由13~36m3/t降为5m3/t左右,煤层膨胀变形达到26.33%,瓦斯抽采后被卸压煤层卸压角与传统保护层相比扩大了17~20度,煤层透气性系数由0.01135m2/(MPa.d)增加到32.687 m2/(MPa.d),增加了2880倍,煤层硬度f值由0.5提高到了2.5。主要技术成果包括:

1、首采煤层顶板抽采富集区瓦斯技术。通过数值模拟研究,揭示了首采层瓦斯富集区位于两巷采空侧上方的环形裂隙区,将抽采瓦斯钻孔或者巷道沿煤层走向布置在顶板岩层的环形裂隙圈内,抽采卸压瓦斯。

2、大间距上部煤层抽采被卸压煤层解吸瓦斯技术。研究发现首采层卸压开采后,上向卸压范围为走向卸压角80.8~84.7?,倾向卸压角83~85?,上向卸压层间距达10~150m,采用在被卸压煤层底板弯曲下沉带预先布置巷道钻孔抽采卸压瓦斯的技术方法,瓦斯抽采率达65%以上。

3、多重开采下向卸压增透瓦斯抽采技术。研究发现多重卸压开采后,下向卸压范围为走向卸压角99.3~100.1?,倾向卸压角为102~110.0?,下向卸压距离达15~100m,采用预先布置巷道和穿层钻孔抽采卸压瓦斯,瓦斯压力由3.6MPa降至0.2MPa,透气性系数增大了570倍,抽采率达50%以上。

4、地面布置钻孔抽采被卸压煤层解吸瓦斯技术等。发明开采卸压煤层地面钻孔结构及抽采工艺,研究发现采后30m钻孔抽出高浓度瓦斯,单孔抽采瓦斯最高达22190m3/d,平均14943m3/d,单孔年抽采瓦斯300万m3,实现了单孔瓦斯浓度60%~95%,瓦斯抽采率64.71% ,抽采半径229~810m,地面钻孔可有效抽采采动影响区的瓦斯,也可作为采空区抽采孔。

(二)无煤柱煤与瓦斯共采技术

在煤层群中选择瓦斯含量低、安全可靠的薄煤层(0.4~1.0m)首先开采,采用Y型通风改变通风流场,形成首采保护层工作面前部采煤、后部在采空区护巷并抽采卸压解吸瓦斯,实现煤与瓦斯共采。主要成果包括:首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术、留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术、留巷钻孔法下向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术。

技术成果应用效果显著,首采卸压层工作面瓦斯抽采浓度由60%提高到70%~90%,抽采率由60%提高到70%以上,上下邻近的被卸压高瓦斯煤层瓦斯压力降至0.2~0.4MPa以下,瓦斯含量抽采至3~5m3/t以下,首次达到了上向150m,下向100m的有效卸压范围,高浓度瓦斯作为资源抽采至地面直接利用,治理和利用成本降低了50%以上。

(三)地面煤层气开发技术

受美国、加拿大、澳大利亚等国家煤层气快速发展的影响,加之国家出台一系列优惠政策,近年来,煤层气业务和企业迅速发展。到2010年底,全国共钻煤层气井5400多口,探明煤层气地质储量2900多亿立方米,累建产能超过30亿立方米/年(地面抽采),实现年产量15亿立方米,商品气量11.8亿立方米,建成管输、压缩/液化能力56亿立方米/年。

在地质综合评价技术、钻井技术、压裂技术、排采技术等煤层气开发技术方面均取得突破。山西省晋城煤业集团在沁水盆地探索开发出了清水钻井、活性水压裂、定压排采、低压集输等成套工艺,单井最高日产达6万m3,为实现气化山西提供了重要的技术支撑。

(四)煤矿瓦斯(煤层气)利用技术

煤矿瓦斯(煤层气)的主要成分CH4是温室气体,其温室效应是二氧化碳的25倍。据不完全统计,我国每年因煤矿开采排入空气中的煤矿瓦斯总量高达200亿m3 ,既浪费能源,又破坏环境。

近年来,我国在煤矿瓦斯(煤层气)利用方面取得一些列关键技术突破,成功开发出一系列的低浓度瓦斯、超低浓度瓦斯利用关键技术,将瓦斯利用浓度下探到4%以下。

三、煤与瓦斯共采两种模式

(一)淮南模式

淮南矿区瓦斯地质条件极为复杂,是我国高瓦斯复杂地质条件的典型代表。历史上,由于瓦斯治理等技术难题没有解决,瓦斯爆炸事故频繁发生,曾是煤炭部认定的全国瓦斯事故重灾区。经过近20年的探索研究,在低透气性煤层群深井开采复杂地质条件的矿区,第一个实现了煤与瓦斯共采技术的重大突破,形成了卸压开采抽采瓦斯煤与瓦斯共采技术体系、无煤柱煤与瓦斯共采技术体系、井下本煤层煤与瓦斯共采技术体系,解决了矿区瓦斯治理难题,实现了煤炭的科学开采。

2000年以来,煤与瓦斯共采技术在淮南矿区全面推广应用,改变了安全生产周期。2010年,淮南矿区瓦斯抽采量由1997年的1000万立方米增加到3.5亿立方米,瓦斯抽采率由5%提高到65%,瓦斯超限次数由近万次下降到目前的2次,连续14年避免了瓦斯爆炸事故,煤炭产量由1000万吨提高到近7000万吨,创低透气性高瓦斯矿区国际领先水平。电力装机规模达到1200万千瓦,成为黄河以南最大的煤电一体化企业,并率先建成国家级煤电能源基地。十年来,引进大学生、研究生5500余人,人均工资突破10万元,居煤炭行业前列。

煤与瓦斯共采理论与技术解决了低透气性高瓦斯煤层气的瓦斯治理难题,受到了国家和煤炭行业的高度认可和肯定。2008年以来,国家发改委、国家煤矿安全监察局分别发文要求全国煤矿推广应用该技术。煤矿瓦斯治理国家工程研究中心在安徽、山西、陕西、辽宁、河北、重庆等高瓦斯矿区几百个煤矿开展了技术服务,特别是在山西、陕西、安徽成立了10余个项目部,驻点服务,被服务单位瓦斯治理水平得到很大提高,安全形势得到明显好转。山西华晋焦煤公司的沙曲矿瓦斯涌出量高达473m3/min,是我国目前单井瓦斯最大的煤矿之一,2008年全矿瓦斯超限达3300多次,瓦斯浓度均在2.5%以上,为瓦斯爆炸事故的发生埋下了重大的安全隐患。2009年推广应用煤与瓦斯共采技术以来,工作面回风流瓦斯浓度降至0.8%以下,实际控制在0.2~0.4%,瓦斯超限次数显著降低,2011年上半年该矿的瓦斯超限次数实现了安全生产。

2006年以来,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心为煤炭行业培训技术和管理人员近8000人次,并成功举办5届国际煤矿瓦斯治理技术研讨会,煤与瓦斯共采技术研究成果受到国际采矿界的高度关注与肯定,世界采矿大会国际组委会主席、波兰国家中央研究院院长杜宾斯基院士给予了高度的评价。

(二)晋城模式

经过近20年的积极探索和实践,晋城煤业集团突破了国际专家公认的高阶煤不利于地面钻井煤层气开发的‘禁区’,探索开发出了清水钻井、活性水压裂、定压排采、低压集输等一整套具有自主知识产权、适合不同地质条件的地面与井下抽采技术和装备,形成了一整套煤层气开采模式和工艺,在地面煤层气开发方面走在了全国的前列。

2010年,晋城煤业集团井上下抽采煤层气15.73亿m3,占全国总量的18.4%,其中地面抽采煤层气9.08亿m3,井下抽采瓦斯6.65亿m3,利用煤层气10.13亿m3,占全国总量的29.7%。 通过抽采,矿区瓦斯超限现象得到有效控制,煤炭安全产能得到明显释放。

四、煤炭科学开采相关建议

(一)宏观政策

一是认真贯彻落实党的十七届五中全会精神,切实把煤矿安全生产规划目标、主要任务、政策措施和重点工程纳入各级政府“十二五”经济社会发展总体规划和煤炭工业总体布局和规划之中,在发展中落实安全,在安全中促进发展,促进煤矿安全生产与经济社会协调发展。

二是加快转变煤炭工业发展方式,进一步调整优化煤炭产业结构,加快推进煤矿企业兼并重组,坚决淘汰落后生产能力,提高煤炭生产集约化程度和科技水平,不断改善煤矿安全生产条件,实现我国煤炭科学开采。

三是加大煤矿瓦斯(煤层气)开发利用力度,促进煤矿安全生产。国家从体制和机制上为煤层气的开发利用提供保障,加强顶层设计。进一步出台鼓励煤矿瓦斯(煤层气)开发和利用的相关政策和措施,引导并支持资金、人才资源向煤矿瓦斯(煤层气)开发利用企业聚集,支持国家级煤矿瓦斯(煤层气)开发与利用研发平台建设。鼓励山西等主要产煤省区先行先试,破解影响产业发展的政策“瓶颈”,构建我国煤矿企业及煤层气开发企业为开发利用主体的新局面。

(二)技术对策

一是高度重视基础研究和科技攻关,加大国家科技重大专项、973、863和科技支撑计划的支持力度;针对我国主要产煤省区不同资源赋存条件,超前开展瓦斯地质赋存规律、灾害防治等全面系统的基础研究和科研攻关,搞清深部煤炭开采过程中的构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场的分布规律;开展我国深部矿井开采所带来的高瓦斯、高地压、高承压水、高地温等灾害防控的基础研究及关键技术攻关;持续研究攻关针对不同矿区的“三低一高”条件地面开发煤层气和煤矿区深部采煤采气一体化的煤与瓦斯共采关键技术及工艺装备,提高煤矿瓦斯(煤层气)抽采效率,实现煤矿瓦斯抽采和利用最大化,形成以抽促采、以用促抽、以抽保安全的科学开采新格局。

二是总结和推广我国在煤矿瓦斯(煤层气)开发利用方面的成功经验。坚持煤矿瓦斯(煤层气)开发的“两条腿走路”战略,尽快实现我国煤矿瓦斯(煤层气)开发利用安全、能源和环境三重效益的最大化:短期内无法采用地面煤层气开采的矿区,推广“淮南模式”,走煤矿区采煤采气一体化、煤与瓦斯共采的路子,力争用5~10年时间,煤矿区瓦斯抽采量达到150~250亿m3;适合地面煤层气开发条件的地区,优先安排勘探开发,突破关键技术和政策瓶颈,解决“气权矿权重置”等问题,推广“晋城模式”,走先抽煤层气后采煤的路子,用5~10年的时间,使地面抽采煤层气达到150~250亿m3以上,确保煤矿瓦斯(煤层气)抽采总量达到300~500亿m3以上。同时,支持开展煤矿瓦斯(煤层气)浓缩、液化、提纯研究,推进规模化、产业化发展,提高产品附加值,并加强煤矿瓦斯(煤层气)集输管网规划和工程建设,实施分步能源系统建设,力争实现利用浓度的全覆盖,使我国煤矿瓦斯(煤层气)利用达到世界先进水平,利用率达60~80%。

三是要全面贯彻安全、高效、绿色的科学开采理念,实现装备现代化、系统自动化、管理信息化,从源头上实现瓦斯灾害的根本防控。高瓦斯和煤与瓦斯突出煤层要全面实现先抽后采、煤与瓦斯共采;大力推行可保必保、应抽尽抽的瓦斯治理战略,全面推广无煤柱煤与瓦斯共采技术,走煤矿区瓦斯综合治理与地面煤层气抽采相结合的路子,把瓦斯作为洁净能源全面利用。


袁  亮

中国工程院院士

煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任

淮南矿业集团公司董事、副总经理