煤层气开发与能源消费结构优化

煤层气与煤炭协调开发势在必行~

徐文军 王赞惟 吴 见
( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘 要: 国务院国办发 ［2006］ 47 号文 “关于加快煤层气 ( 煤矿瓦斯) 抽采利用的若干意见”、国土资发 ［2007］ 96 号文 “关于加强煤炭和煤层气资源综合勘查开采管理的通知”，要求 “先采气，后采煤”，统筹规划，协调采气与采煤之间的矛盾，但在实际落实中存在许多技术难题及观念认识上的误区。本文根据煤炭生产建设的不同阶段，以及生产、基建、规划等井田实际情况，采用不同的煤层气开采方式与煤炭生产建设结合的方法，探索解决资源区域重叠，时间与空间交叉等问题。并针对目前存在的问题，提出从国家行政管理、政策调节、技术标准要求等方面加以指导和协调，促进其发展。
关键词: 煤层气 煤炭 协调 开发
作者简介: 徐文军，男，1962 年出生，工程师。主要从事煤层气勘探开发及科研管理工作，地址: 北京市东城区安外大街甲 88 号 ( 100011) ，电话: ( 010) 64267069，E mail: xuwenjun0101@ sina. com
It's Nelessany for Coalbed Methane and Cool to Development Harmonionsly
XU Wenjun WANG Zanwei Wu Jian
( China United Coalbed Methane Co，Ltd. Beijing 100083，China)
Abstract: Guo Tu Zi No. 96 of 2007 issued the Notice on strengthening the comprehensive exploration of coal and coal-bed methane resources management，which calls for the overall planning of exploiting gas first and fol- lowed is the coal. The purpose is to coordinate the contradiction between gas and coal exploitation. But actually there are many technical problems and misunderstanding on concept in implementation. In this paper，for the dif- ferent stages of coal exploitation，such as production，infrastructure，planning and so on，we work out the prob- lems of overlapping resource areas and crossed time and space issues by combining different mining methods and production and construction methods of coal.
Keywords: coalbed methane; coal; coordination; development
煤层气是吸附于煤层中以甲烷为主、与煤伴生同储的非常规天然气，是一种新型优质、高效的洁净能源和化工原料，是我国21 世纪经济可持续发展，实现低碳经济重要的接替能源之一。同时它也是矿井瓦斯的主要成分，煤炭开采过程中的有害气体，煤矿瓦斯灾害的根源。
煤层气与煤炭属于两种独立的矿产资源，分别属于流体与固体两种物理性质的矿产行业。依据其伴生、同储、分采等特点，针对目前煤层气与煤炭矿权重叠、企业之间无序竞争等现象，国务院国办发［2006］47号文“关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见”、国土资发［2007］96号文“关于加强煤炭与煤层气资源综合勘查开采管理的通知”，以及国家安全生产监督管理局发布《煤矿瓦斯抽采基本要求》指导精神，要求“先采气，后采煤”，协调采气与采煤之间的矛盾，但在落实中还存在许多技术难题和观念认识上的误区。因此，结合目前实际情况及未来发展趋势，必须建立煤层气与煤炭协调开发机制和技术体系。
1 煤炭与煤层气开发现状及必要性
1.1 煤炭与煤层气开发现状
我国是一个煤炭资源大国(资源量约5万亿t)，自1998年以来，我国煤炭的产量和消费量在世界上一直居首位。2010年全国累计原煤产量达32亿t，分别占全国一次能源生产和消费总量的79%和68%左右。我国因采煤每年有大量甲烷气体排入大气(联合国调查报告称中国甲烷排放量达194亿m3，约占全球甲烷排放量的1/3)，是大气污染和温室气体排放的主要来源。目前我国煤矿中高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井约占40%，煤矿安全事故死亡人数近70%是由瓦斯事故造成，对我国煤矿高效安全生产构成了重大威胁。2010年全国煤矿安全事故1403起，死亡2433人，百万吨死亡率降至0.749人，与国际采煤发达国家相比，我国煤矿瓦斯防治形势依然严峻(见表1)。
表1 我国历年煤炭、煤层气产量及煤矿死亡人数综合统计表


资料来源:根据国家能源局、国家煤矿安全监察局公布历年统计资料。
我国煤层气资源丰富，据新一轮全国油气资源评价成果，我国埋深2000m以浅煤层含气面积37.5万km2，煤层气总资源量为36.8万亿m3，与我国陆上常规天然气资源量38万亿m3相近。到目前，全国共施工各类煤层气井5400余口，其中已钻煤层气开发生产井3653口(包括:直井3590口，水平井63口);2010年全国煤层气产量达85.3亿m3，其中煤矿井下抽采量69.63亿m3，地面开发煤层气年产量15.67亿m3。
1.2 煤炭与煤层气开发必要性
能源开发是国民经济的基础产业，对经济持续、快速、健康发展发挥着十分重要的促进与保障作用。煤炭是我国目前的主要能源，其在消费结构中占有很大比重，随着我国经济的快速发展，对各种能源的需求不断增加，但煤炭在我国能源结构中仍将发挥最重要的作用。开发煤层气可增加洁净能源供给，改善我国目前的能源消费结构;有效地降低煤层中煤层气含量，从根本上治理和消除矿井瓦斯灾害，提高煤矿安全生产的保障程度和煤炭企业的经济效益;减少煤矿甲烷排放量，有效地缓解温室效应;是实现资源、环境和社会效益的可持续发展，应对未来全球低碳经济，达到经济社会发展与生态环境和谐发展的基本保障。
依据我国能源总体需求，国家能源局编制的全国煤层气“十二五”规划中，拟定其目标和任务为新增煤层气探明储量10000亿m3，实现年产气量100亿m3的生产规模，并以此指导煤层气产业的发展方向。
表2 中国能源消费总量及构成一览表


资料来源:历年中国统计年鉴，2009年国民经济和社会发展统计公报。
综上所述，煤炭与煤层气开发都将是今后我国能源产业发展中的重要组成部分，煤炭开采与煤层气开发有机地结合，实现煤炭与煤层气资源的协调开发，对我国能源产业及国民经济发展具有极其必要性和重要意义。
2 煤炭与煤层气开发相互关系
2.1 自然属性与矿权关系
煤炭与煤层气是伴生、同储的两种性质不同的矿产资源，其直观物质表现为既相互独立又紧密联系在一起。依据其赋存形式与开发方式，通过“先采气，后采煤”，煤炭与煤层气协调开发技术，使采气与采煤相互结合、统筹兼顾、合理开发，就可以达到互惠互利、提高企业综合效益的目的。
我国矿产资源法、矿产资源勘查区块登记管理办法相关规定，分别将煤炭与煤层气划分为两种物理性质不同(固体与流体)的独立矿产资源管理。煤层气作为非常规天然气归属天然气资源系列，为国家一级管理的油气战略资源，矿权实行国土资源部一级审批登记管理。煤炭则属一般固体能源矿产资源，按照面积30km2上下的资源管理权限，由国土资源部及各省、自治区、直辖市人民政府地质矿产主管部门两级审批登记。由于矿权分治，管理不统一，造成矿权重叠，煤炭与煤层气勘探开发区域在时间与空间上的交叉。
2.2 国家行业管理政策的相关要求
国务院国办发［2006］47号文“关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见”要求，在高瓦斯煤矿区推行“先采气，后采煤”的政策。在条件适合地区的高瓦斯矿井，煤矿瓦斯含量必须降低到规定标准以下方可进行煤炭开采，并按照“先采气，后采煤”的煤炭与煤层气开发程序合理地开发。
国土资发［2007］96号文“关于加强煤炭与煤层气资源综合勘查开采管理的通知”要求，在资源勘探过程中，坚持资源综合勘查、评价和回收利用;结合实际情况，加强资源管理，妥善解决矿权重叠;按照经济合理的资源勘探开发程序，进一步完善煤炭与煤层气协调开发的管理机制。
国家安全生产监督管理总局发布的《煤矿瓦斯抽采基本要求》规定，超过煤层始突深度、煤层瓦斯含量或煤层瓦斯压力的矿井，必须提前进行煤层气预抽采工作。
2.3 煤炭与煤层气协调开发技术体系
依据赋存形式与开发方式，煤炭与煤层气表现为伴生、同储、分采。目前在煤矿区探索煤层气地面开发与矿井瓦斯抽放和煤炭开采相互协调的结合点，从时间与空间上统筹规划，合理布置煤矿未采区、采动区、采空区，以及废弃矿井的煤层气抽采方式，形成由煤层气地面开发井+矿井瓦斯抽放井+采动区井抽排井+采空区井抽排井+废弃矿井抽排井等多项技术优化组合的技术体系，以及煤炭与煤层气综合开发模式。
通过煤层气地面钻井、井下顺煤层长钻孔及采空区抽采相结合的煤矿立体抽采方式，对煤层进行“先抽后采”。在时间上，煤层气地面抽采与矿井煤炭生产过程协调;在空间上，地面煤层气井位布置与矿井采掘工作面衔接协调;在功能上，地面煤层气井可实现地质勘探、采前抽、采动抽和采后抽等一井四用，与煤炭企业的煤田地质勘探、煤矿基本建设、矿井瓦斯治理、煤矿生产衔接等相互协调，实现煤炭与煤层气合理开采及矿井瓦斯的综合治理，更好地为煤矿生产与安全服务。
3 目前存在的主要问题
(1)由于矿权管理不统一，造成资源区域重叠，在煤炭和煤层气资源开发过程中形成时间与空间交叉，造成不同企业间的无序竞争。
(2)煤炭与煤层气开发缺乏统一的协调机制与技术体系。虽然国土资源部下发文件(国土资发［2007］96号)要求“先采气，后采煤”，统筹规划，协调采气与采煤间的矛盾，但在实际落实中存在许多技术难题及观念认识上的误区。
(3)煤炭生产与煤层气开发之间发展不协调。行业特点与企业性质决定煤炭与煤层气各自独立开采，在开发程序、时间与空间上不能协调一致。煤层气资源储集在煤层当中，煤炭开采与煤层气开发必然会产生相互影响。一方面煤层气开发利用势在必行;另一方面煤炭是我国最主要的一次能源构成，其产量又必须保持持续增长;因此建立一套煤炭与煤层气协调开发的新模式，对煤炭与煤层气产业的健康发展至关重要。
4 措施与政策建议
(1)建议国家矿产资源管理部门，统一管理煤炭与煤层气矿权，强化两种矿权管理秩序，加强相互间的信息交流，统一协调，避免矿权设置在时间与空间上的交叉和区域范围的重叠。规范勘探开发程序，整装的大型煤层气田，按照统一的能源集成开发方案综合开发利用。在目前煤矿区矿权重叠区域，合理地划分煤炭与煤层气资源开发主体，在矿权重叠区域煤炭生产衔接部署5年内涉及的区域，煤层气开发以煤矿企业为主体;在煤炭生产衔接部署5年之外的区域，煤层气开发以专门的煤层气企业为主体;鼓励煤炭与煤层气企业优势互补，联合进行开发，可以有效解决矿权重叠问题，保障采煤安全，实现煤层气和煤炭行业之间的良性运作，达到其互利共赢的效果。
(2)落实国家有关“先采气，后采煤”政策，进一步出台相关资源协调开发的实施细则，从机制与体制上解决煤炭与煤层气产业协调发展问题。依据国办发［2006］47号文、国土资发［2007］96号文件精神，建立煤炭与煤层气资源勘探开发管理程序，完善煤炭与煤层气综合勘查、协调开发、经济合理的能源及矿产资源的勘探开发模式。
(3)按照“先采气，后采煤”的原则合理地开发，协调好煤炭与煤层气开发程序、方式和技术问题。针对煤炭生产建设的不同阶段，以及生产、基建、规划等井田的实际情况，采用不同的煤层气开采方式与煤炭生产建设相结合。
表3 不同井田类型的煤层气开采方式及开发年限


(4)在煤炭生产井田中，对具备煤层气地面开发条件的高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井，要优先选择煤层气地面开发方式，进行煤层气地面抽采及综合瓦斯治理工作。按国家安全生产监督管理总局发布《煤矿瓦斯抽采基本要求》规定:①矿井绝对瓦斯涌出量≥40m3/min或矿井相对瓦斯涌出量≥10m3/t.d的高瓦斯矿井;②开采有煤与瓦斯突出危险煤层现象的煤与瓦斯突出矿井;③煤层气含量大于8m3/t或煤层瓦斯压力大于0.74MPa。凡超过煤层始突深度、煤层瓦斯含量或煤层瓦斯压力的矿井，必须提前进行煤层气预抽采工作。
(5)在煤炭基建和规划井田中，按照综合勘查成果、煤层气储量报告的含煤性、含气性、可采性、经济性评价结果，应用煤层气地面开采方式进行规模化生产，最大限度地降低煤层中的气含量至矿井煤炭安全开采最高允许的煤层气含量界限，但在煤层气开发时间上要与煤矿基本建设协调，以不影响煤矿正常的生产衔接和矿井通风安全为原则。
(6)矿井煤炭安全开采最高允许的煤层气含量，受煤层气地质条件、矿井瓦斯状况、煤炭开采强度、矿井规模、技术条件、通风安全措施、采收率等多因素影响。根据《煤矿安全规程》规定:矿井采煤工作面及掘进面、巷道回风最高允许风速为4m/s，回风流中最高允许的甲烷浓度为1.5%。因此，根据回风流中最高允许的甲烷浓度与绝对涌出量、风量、相对涌出量、剩余含气量、可采可解吸量、已抽采含气量、回风巷几何参数、最高允许风速、采煤工作面推进速度及吨煤剩余可解吸量之间的数学关系，推导出具有普遍性的煤炭安全开采最高允许的含气量计算模型公式:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:Cp为最高允许含气量(m3/t);Cic为吨煤原地含气量(m3/t);β为煤炭回采率(%);ε为其他影响因子;Mc为甲烷最高允许浓度(%);Sh为回风巷断面积(m2);Vh为回风巷最高允许风速(m/s);P为单位时间煤炭产量(t/s);n为单位时间内采动影响距离与采煤推进速度的倍数。
通过利用上述最高允许含气量模型公式，对全国10个重点矿区煤炭安全开采最高允许的含气量计算统计结果见表4。
表4 全国10个重点矿区煤炭安全开采最高允许的含气量计算统计结果


参照国外经验，不同的国家对矿井煤炭安全开采最高允许的煤层气含量指标有不同的规定，其中澳大利亚规定为3.0m3/t，美国规定为5.0m3/t。我国由于地质条件、开采技术、煤种及地域等存在着极大的差异性，高瓦斯矿区绝大多数集中在中、高煤级地区，根据以往试验统计数据的综合分析结果，目前我国矿井煤炭安全开采最高允许的煤层气含量评估指标建议:
(1)中、高阶煤以6.0m3/t为宜;
(2)低阶煤以1.5m3/t为准;
(3)煤层坚固性系数f<0.5的构造煤发育区域，目前暂难进行地面开发。
5结束语
煤层气与煤炭协调开发，主要为提升煤矿安全保障程度，提高煤层气与煤炭企业发展的综合效益，节能减排，满足国家不断增长的能源需求。随着技术进步和理念创新，煤矿生产在系统简单化、布局最优化、生产集约化、采掘机械化、设备大型化等方面取得了很大成效。促使煤炭生产能力提高、煤炭开采强度增大，采掘衔接时间缩短，矿井通风难度加大，因此对煤矿瓦斯治理提出了更高的要求。要保持煤炭生产均衡稳定，提高煤炭供应保障能力，必须坚持科学的发展道路，把煤层气与煤炭协调开发作为提高经济效益和安全保障程度的重要措施。因此，建立煤层气与煤炭协调开发机制和技术体系，促进全国相关行业领域内煤层气与煤炭协调开发势在必行。
参考文献
贾亚会，鹿爱莉.2006.论我国煤层气产业发展的条件［J］.煤炭工程，(2)
聂君君.2010.对山西省煤炭、煤层气勘查开发一体化的几点认识［J］.华北国土资源，(03)
秦勇，吴财芳，杨兆彪.2007.国家重点煤炭基地规划区煤层气开发前景研究.中联公司委托项目
杨思留，秦勇.2010.煤层气产业化开发利用问题研究［J］.中国煤炭，8(36)
叶吉文，沈国栋，路露.2009.我国煤层气产业发展的战略思考［J］.中外企业家，(20)
袁华江.2009.国外煤层气产业政策及其对我国的借鉴意义［J］.国际石油经济，(11)

随着我国国民经济的快速发展，对天然气等洁净能源的需求大幅度增长。据国土资源部、国家发改委和财政部《我国油气资源潜力分析及储量产量增长趋势预测》(2007年)预测认为:我国天然气产量自2010年起不能满足国内需求，供需缺口达到200×108m3。我国煤层气资源丰富，且与常规天然气在地理分布上有互补性。我国天然气资源主要分布在中西部，而中东部地区经济较发达、人口稠密，开发该地区的煤层气资源对于缓解该区天然气供需矛盾、减轻煤炭运输压力、降低对煤炭的严重依赖具有重要的现实意义，也是实现我国可持续发展区域间公平的一种途径。

一个国家的能源消费模式取决于诸多因素，最重要的是能源资源条件，国家能源进口保障程度、环境保护要求及经济发展水平。目前发达国家如美国、加拿大、比利时、法国、德国、芬兰和日本等国能源消费结构是不偏向于某一种能源类型的消费模式，即所消费的任何一种能源的消费比例不超过50%，两项不超过70%。英国和意大利的能源消费以油气为主。

从表5－6可以看出，我国的能源资源结构特征为富煤、贫油、少气。据美国能源情报署统计，我国煤炭可开采储量为1262×10⁸t，居世界第三位，仅次于美国和俄罗斯，占全球可采储量的13%;而我国的石油和天然气储量都相当匮乏。基于这一资源结构特征，我国的一次能源消费结构和世界的情况有显著不同，煤炭一直是我国最重要的一次能源，我国几十年的能源消费结构始终是以煤炭为主，煤炭在国民经济发展中具有举足轻重的地位。

表5－6 中国煤炭、石油、天然气资源状况^［92］

表5－7 中国能源生产总量与构成^［94］

注:电力折算标准煤的系数根据当年平均发电煤耗计算。

从表5－7可看出，自1978年以来，我国能源工业主要以煤炭生产为主，原油、天然气和水电为辅的能源生产体系，其中天然气所占比重较小。煤炭在中国能源生产中一直保持在70%左右的比重，2007年全国能源生产总量23.54×10⁸t，比2006年增长6.5%。由于国内能源需求的高速增长以及国际油价迅速攀升，煤炭对石油的部分替代作用推动了煤炭产量大幅增加;但煤炭安全事故频发影响了煤炭产量的稳定增长。石油生产在一次能源生产总量中的比重自2003年开始有所下降。2008年中国生产原油1.9×10⁸t，同比增长2.2%;净进口原油1.79×10⁸t，同比增长9.6%。天然气在中国一次能源生产中所占比重一直较低，自2000年以来基本保持在2.8%左右，并保持稳定增长。2008年我国生产天然气760.8×10⁸m³，与上年相比增长9.9%^［93］。天然气的开采只占探明储量的10%，仍具有相当大的开发潜力。由于天然气主要分布在中、西部地区，而东部经济发达地区的天然气供求存在很大的缺口，因此“西气东输”等工程将有力地促进天然气生产的发展。

从表5－8中可以看出，在我国一次能源消费结构中，石油、天然气消费比例明显低于世界平均水平，煤炭消费的比例大大高于世界平均水平。长期以来，煤炭消费占全国一次能源消费的比重一直维持在70%左右。随着进口原油数量的不断增长，煤炭在一次能源消费中的比重略低于其在能源生产中所占比重。2007年煤炭消费占一次能源资源的69.5%，比世界平均水平高42%^［94］。即使到2020年，能源结构依然以煤炭为主，而石油、天然气所占的比例比世界平均水平要低(表5－9)。以煤为主的能源消费结构所带来的最大的问题是环境污染。其具体表现在以下几个方面:

表5－8 中国能源消费总量及构成^［94］

续表

注:电力折算标准煤的系数根据当年平均发电煤耗计算。

表5－9 中国与世界能源结构对比分析^［92］ 单位:%

一是在燃煤过程中导致的有害气体排放，占到各种有害气体排放量的65%～90%，每年排放总量约8000×10⁴t。特别是火力发电行业排放的二氧化硫所导致的酸雨日趋严重。我国每年供应的电力中，主要是火力发电，预计中国电力行业将持续扩张。2010年，中国电力需求总量将达到3.6×10¹²kW·h，电力装机容量达到7.70×10¹²kW，其中火电装机容量达到5.57×10¹²kW;2020年，电力需求总量将达到5.10×10¹²kW·h，电力装机容量达到9.70×10¹²kW，其中火电装机容量达到6.50×10¹²kW^［95］。不断增长的火电需要消耗更多的煤炭资源。目前我国用于发电的煤炭占煤炭总消费量的一半以上，大多数电厂燃烧的是没有经过洗选加工的原煤，相当多的电厂的脱硫、除尘装置比较落后，因而排放的烟尘和有害气体较多。在全国烟尘和二氧化硫的排放中，由煤炭燃烧产生的分别占70%和90%。目前我国已是世界上二氧化硫排放量最大的国家，导致区域性的环境酸化，酸雨区已超过国土面积的40%。

二是煤炭开采过程中排放的甲烷是一种具有强烈的温室效应的气体，煤层气(煤矿瓦斯)的主要成分是甲烷，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对地球臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。据联合国一项调查报告显示，我国采煤过程中自然释放的甲烷量每年约194×10⁸m³，占全世界采煤排放甲烷总量的1/3^［96］。

三是煤炭开采加剧了水资源的匮乏。煤矿在开采过程中，煤矿井巷工程破坏了地下含水层原始径流，大量排出地下水。据估算，每年煤矿排出矿井水得到利用的不足40%，大量水资源被浪费。同时，煤矿洗选过程中产生大量废水，污染了矿区生态环境。另外，我国煤炭资源与水资源呈逆向分布。我国水资源总量年均2804×10⁸m³，人均占有量仅相当于世界人均占有量的1/4，而且分布极不均衡。秦岭－大别山以北地区，集中了我国近90%的煤炭资源，是我国主要煤炭生产区。但是该区水资源总量年均600.8×10⁸m³，仅占全国的21.4%;而太行山以西煤炭资源富集区水资源总量为45.1×10⁸m³，仅占全国水资源总量的1.6%^［90］。该区水土流失和土地荒漠化现象严重，泥石流、滑坡等地质灾害频发，生态环境承载能力弱。煤炭资源的集中开发，使得该区的生态环境恶化的程度加剧。

四是煤矿开采破坏土地资源。煤矿生产过程中会造成地表塌陷、水土流失、沙漠化、固体废弃物压占和污染土地。据统计，我国因煤炭开采而引发的土地塌陷面积已达40×10⁴hm²，其中国有重点煤矿开采引发的地表塌陷达29.36×10⁴hm²。总之，以煤炭为主的能源消费结构与全球经济与环境协调发展的要求相违背。目前，国际社会对环境保护的要求日益提高，开发利用煤层气，不仅能给企业带来经济效益，而且对保护全球环境有积极意义。因此，随着国内外对环境保护的关注，我国煤层气产业的发展有了良好的外部环境。

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