在近日揭晓的2020年度山西省科学技术奖励名单中，由晋能控股山西科学技术研究院有限公司煤与煤层气共采国家重点实验室(以下简称实验室)、中国矿业大学(北京)等单位联合完成的废弃矿井采空区地面煤层气抽采技术研究及示范项目获得科技进步一等奖获。该技术有望使我国千亿废弃煤层气资源得到释放。
煤层气俗称瓦斯，是与煤伴生共生的气体资源，指储存在煤层中的烃类气体，以甲烷为主要成分，属于非常规天然气。它的热值与天然气相当，高于通用煤1～4倍，可以与天然气混输混用且燃烧后几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料，也是近十几年来在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。然而，当煤层气的空气浓度达到5%～16%时，遇明火就会爆炸。若直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。
“在我国，煤矿关了，大量煤层气资源却残存井下。若不能妥善处置，极易引发次生灾害，影响周边生产生活安全。”中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院教授孟召平表示。
了解到，“十二五”“十三五”期间，全国分别累计淘汰落后煤矿7100处、5500处左右，到2030年，这一数值将达1.5万处。由此，废弃的煤层气近5000亿立方米。对比去年，我国天然气表观消费量3280亿立方米、对外依存度已超40%。废弃矿井煤层气资源若能充分利用，将极大弥补用气缺口。然而，直至目前，宝贵资源仍未得到有效开发。受制于种种约束，即便在长期开展抽采试验的地区，能够保持稳定产量的高产井数量也不多。
以煤炭大省山西为例。实验室执行副主任李国富介绍，全省具备开发利用价值的煤炭采空区面积约2052平方公里，预测残余煤层气资源量约726亿立方米。“这些煤层气资源相对分散，单位面积内资源蕴藏量较低。一些废弃矿井历史地质资料不完整，不少采空区边界与现有煤炭矿业权范围交错，集中连片开发、持续稳定利用面临诸多不确定性。许多资源迟迟未能实现有效利用。”
山西面临的问题，亦是废弃矿井煤层气开发利用的共性难题。据中国工程院院士袁亮表示，我国煤层气利用主要依赖正在开采矿井的瓦斯抽排系统。真正意义上的废弃矿井资源综合治理、产业化尚属空白，长期停留在基础理论研究和先导性工业试验阶段。
那么，实验室是如何破解这个产业难题的?李国富给出了3步。
第一步，建立模型，摸清资源情况。要抽采废弃矿井采空区煤层气，首先要弄清采空区煤层气的富集情况。为此，实验室人员研发了废弃矿井采空区煤层气资源评估模型及方法。具体而言，研究人员在煤体吸附性能研究基础上，对发育不同煤体结构煤矿采空区的吸附气资源量进行了计算;在对煤体开采覆岩变形破坏规律研究基础上，分别建立了采空区冒落带和裂隙带内岩体孔隙体积模型;结合煤层气资源分布特征，考虑废弃矿井采空区积水情况，建立了采空区积水量计算和含水饱和度计算模型。基于这些研究，实验室对山西沁水盆地南部晋圣永安宏泰、岳城、寺河、成庄等典型煤矿采空区煤层气资源量进行了测算。结果表明，该区域废弃煤矿采空区煤层气资源丰富，具有较好的开发利用潜力。
第二步，地面抽采，打破时空限制。煤层气主要成分甲烷的密度比空气低。当甲烷从煤层中解析出来后，会往高处走并沿着孔隙聚集到采空区上方的某个区域。以往，煤矿多是从井下抽采煤层气，但受到时间、空间限制，一般不能打到最优的层位。为此，实验室人员利用自主研制的三维渗流模拟试验系统，开展了采空区气流空间分布特征研究，将采空区气流空间划分为富集区、过渡区和无流区;利用数值模拟方法，揭示了典型井位负压抽采条件下的煤层气渗流特征和不同井位的气流场、速度场和高速流动区分布特征，找到了地面钻井抽采的最佳井位和层位。
找到了最佳井位与层位，就要往目标区域钻井。但受采煤影响，采空区上部的岩体比较松散不利于钻井。针对这一情况，实验室研发了包括多结点集约化注浆加固、孔底复合封堵破碎岩体、小导孔注浆加固、煤层底板隔水层薄弱区带修补等在内的成套钻井技术。“当钻到有裂隙的岩层时，我们先打个小孔，注入水泥浆，加固破碎岩体，然后就可以正常钻进了。”李国富说。
第三步，分级处理，获取综合效益。实验室根据不同情况提出了3种处理利用方式：一是掺混高浓度的煤层气，使其达到安全标准，然后通过管道输送;二是通过自主研发的野外分布式撬装抽采提纯系统，提纯煤层气后再利用;三是利用研发的双燃料分布式发电技术，通过煤层气转化为电，直接供当地使用。
李国富介绍道，截至目前，实验室已在晋城、西山、阳泉等地施工完钻采空区煤层气抽采井100多口，单井日产量最高可达8000立方米，抽采甲烷浓度平均保持在50%以上，最高达到99%。其用途主要包括中高浓度煤层气增压集输、低浓度煤层气提纯、低浓度煤层气分布式发电等。
“这些技术预计可在部分开发条件较好的矿区率先推广，诸如矿区遗留煤层气资源量较多、矿井原始资料较为准确详实、煤层和采空区自燃风险较低，以及靠近终端用户便于销售的区域。对部分开发利用潜力较好的矿井，建议在关闭前就对抽采工作进行布局，提前做好井下煤层气后续集中抽采的技术和工程准备，为能抽尽抽打好基础。”李国富表示
从事该项技术研发的实验室成员认为，“十四五”期间，我国煤矿数量将进一步压缩。实现资源和资产二次回报，不仅能减少浪费，提高去产能矿井能源资源开发利用效率，也是践行双碳目标的重要举措。
(关键字：废弃 抽采 技术)