煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究.pdf

第 ４２ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ６ ２０１４ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１４ 煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究 琚宜文１ꎬ２ꎬ李清光１ꎬ２ꎬ谭锋奇１ꎬ２ １􀆱 中国科学院 计算地球动力学重点实验室ꎬ北京 １０００４９ꎻ２􀆱 中国科学院大学 地球科学学院ꎬ北京 １０００４９ 摘 要煤矿瓦斯问题不仅是煤与瓦斯突出的防治问题ꎬ还应考虑煤与瓦斯共采及资源利用ꎬ温室气 体减排和环境保护等ꎮ 针对我国煤储层具有“高应力、高含气、强吸附、低渗透”的特征ꎬ深入分析了 煤层变质变形与瓦斯吸附问题、构造煤结构特征与瓦斯赋存问题、深部煤炭开采瓦斯问题和煤矿瓦斯 异常区地球物理探测与预测问题等与煤矿瓦斯有关的关键科学问题ꎬ系统总结了煤与瓦斯突出及其 预防治理、煤与瓦斯共采及其资源利用ꎬ煤炭开发中的碳排放及其环境保护等关键技术问题ꎮ 在此基 础上ꎬ阐明了导致我国煤矿瓦斯赋存状况复杂、瓦斯灾害防治难度大、煤矿瓦斯开采效果差、利用率 低、温室气体碳排放量大等原因ꎬ并对完善我国煤矿煤与瓦斯共采和煤系地层多气共采理论体系、技 术方法和开发机制进行了论述ꎮ 最后强调煤矿区瓦斯问题的解决ꎬ需要全面体现煤矿瓦斯防治、煤层 气资源利用以及温室气体减排等多方面的综合效益ꎮ 关键词瓦斯赋存ꎻ煤与瓦斯突出ꎻ煤与瓦斯共采ꎻ构造煤ꎻ碳排放 中图分类号ＴＤ１６３􀆱 １ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０６－０００８－０７ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｋｅｙ Ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｇａｓ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ＪＵ Ｙｉ￣ｗｅｎ１ꎬ２ꎬＬＩ Ｑｉｎｇ￣ｇｕａｎｇ１ꎬ２ꎬＴＡＮ Ｆｅｎｇ￣ｑｉ１ꎬ２ １.Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ＧｅｏｄｙｎａｍｉｃｓꎬＣｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ ＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００４９ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓꎬＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ ＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００４９ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｏｕｌｄ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｂｅ ａ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔꎬｂｕｔ ｓｈｏｕｌｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎꎬｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ.Ａｃ￣ ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ “ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓꎬｈｉｇｈ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔꎬｓｔｒｏｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ” ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａꎬｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｇａｓ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓꎬｔｈｅ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｃｏａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍꎬｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｅａｍ ｍｉｎｉｎｇꎬｔｈｅ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｇａｓ ａｂ￣ ｎｏｒｍａｌ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｍｉｎｅ ｇａｓ.Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎬｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃ￣ ｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ.Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓꎬｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉ￣ ｃａｔｅｄ ｇａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓꎬｈｉｇｈ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｇａｓ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎬｐｏｏｒ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｍｉｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔꎬｌｏｗ ｇａｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅꎬｈｉｇｈ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓ ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍꎬｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ ｇａｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｔｒａｔａ.Ｆｉ￣ ｎａｌｌｙꎬｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｈｏｕｌｄ ｆｕｌｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎬｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓꎬｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎꎻｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔꎻｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｍｉｎｉｎｇꎻｔｅｃｔｏｎｉｃ ｃｏａｌꎻｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ 收稿日期２０１４－０５－０６ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０６.００２ 基金项目国家科技重大专项课题资助项目２０１１ＺＸ０５０６０－００５ꎻ国家自然科学基金资助项目４１０３０４２２ꎬ４１３７２２１３ꎻ中国科学院战略性先导科技 专项课题资助项目ＸＤＡ０５０３０１００ 作者简介琚宜文１９６３ꎬ男ꎬ安徽桐城人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮ Ｔｅｌ０１０－８８２５６４６６ꎬＥ－ｍａｉｌｊｕｙｗ０３＠ １６３􀆱 ｃｏｍ 引用格式琚宜文ꎬ李清光ꎬ谭锋奇.煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６８－１４. ＪＵ Ｙｉ￣ｗｅｎꎬＬＩ Ｑｉｎｇ￣ｇｕａｎｇꎬＴＡＮ Ｆｅｎｇ￣ｑｉ.Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｋｅｙ Ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｇａｓ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ [Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２６８－１４. ８ 琚宜文等煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究２０１４ 年第 ６ 期 ０ 引 言 近年来ꎬ我国煤矿瓦斯防治取得了一定的成效ꎬ 瓦斯抽采利用初具规模[１－２]ꎬ煤矿瓦斯防治的科技 进步有效促进了瓦斯防治水平的提升ꎮ 但是ꎬ与国 外煤炭行业相比ꎬ我国煤炭生产过程中瓦斯事故总 量仍旧很大ꎬ重特大瓦斯事故没有从根本上得到有 效遏制ꎮ 随着煤炭开采向深部推进ꎬ瓦斯灾害防治 的难度也越来越大ꎬ煤与瓦斯突出灾害防治仍然是 煤矿安全工作的重中之重ꎮ 与常规天然气的赋存状 态不同ꎬ煤储层孔/ 裂隙中的瓦斯赋存形态以吸附态 为主ꎬ除游离态之外ꎬ也可能存在固溶态和液态等其 他特殊赋存形式[３]ꎮ 瓦斯的形成、运移和富集与煤 储层的物质组成、变质程度、变形程度和区域构造特 征等有密切关系[４－７]ꎮ 煤岩的显微组分影响了煤层 气的形成、吸附和解吸过程ꎬ还控制了煤储层孔/ 裂 隙的发育和分布特征[８－９]ꎮ 而煤的变质与变形对瓦 斯赋存的影响通常又是密切相关、相互影响、共同作 用的综合过程[１０]ꎮ 除了影响煤层气煤矿称瓦斯 的生成途径和组分特征外[１１]ꎬ煤变质程度的增加ꎬ 会导致煤岩芳构化和缩合程度不断增高ꎬ煤层气含 量逐渐升高[１２－１３]ꎮ 由于煤储层非均质性十分强烈ꎬ 煤体的变形使煤层气根据其变形强弱以不同方式和 形态在煤储层孔/ 裂隙中运移和赋存[１４－１６]ꎮ 由此可 见ꎬ煤层瓦斯赋存条件和影响因素的复杂是导致煤 矿瓦斯突出等灾害较多和防治难度大的重要原因ꎮ 此外ꎬ我国埋深２ ０００ ｍ 以内的煤层气资源量为３０ ３５ 万亿 ｍ３ꎬ前景可观ꎮ 煤层气作为一种清洁能源ꎬ 具有低碳、环保等特点ꎬ越来越受到关注[１７－１９]ꎮ 煤 炭开发过程中甲烷等温室气体的排放量占我国能源 活动中甲烷排放量的一半以上ꎬ不仅造成温室效应ꎬ 而且浪费能源ꎮ 可见ꎬ瓦斯问题不仅是瓦斯灾害的 防治问题ꎬ还应考虑资源回收利用和温室气体减排 等ꎬ尽可能体现出综合效益ꎮ 因此ꎬ基于我国煤储层 具有“高应力、高含气、强吸附、低渗透”的特征ꎬ以 及含煤盆地演化过程复杂、构造变形强烈的特 征[１６ꎬ２０－２２]ꎬ笔者通过深入分析复杂地质条件下ꎬ瓦 斯突出有关的基础理论问题和煤与瓦斯防治、共采 等相关的技术问题ꎬ阐明了导致我国煤矿瓦斯赋存 状况复杂、瓦斯灾害防治难度大、瓦斯抽采效果差、 利用率低的原因ꎬ并对我国煤矿煤与瓦斯共采和煤 系地层多气共采理论体系、技术方法和开发机制的 完善进行了论述ꎬ同时强调了煤矿瓦斯相关的碳排 放等环境问题及其解决对策ꎮ １ 与煤矿瓦斯有关的关键科学问题 近年来ꎬ煤矿瓦斯研究在瓦斯赋存地质条件、煤 层瓦斯涌出规律方面取得了一些重要认识[５ꎬ２３－２７]ꎬ 为矿井安全生产提供了有效的指导ꎮ 但是ꎬ对复杂 地质条件下瓦斯赋存与突出等机理的认识仍然十分 薄弱[６－７ꎬ２８－２９]ꎬ瓦斯的资源与环境问题也没有得到很 好的解决[３０]ꎮ 因此ꎬ围绕煤矿瓦斯开展有关基础理 论问题的综合研究ꎬ显得十分重要ꎮ 这些问题主要 包括煤层变质变形与瓦斯吸附问题、构造煤结构与 瓦斯赋存问题、深部煤炭开采瓦斯问题以及煤矿瓦 斯异常区地球物理探测与预测问题ꎮ １􀆱 １ 煤层变质变形与瓦斯吸附问题 由于煤岩是一种具有低杨氏模量和高泊松比的 有机岩石ꎬ与其他沉积岩类相比ꎬ其变质变形行为存 在很大的差异ꎬ从而导致不同条件下煤层瓦斯吸附 解吸特征不同[３１]ꎮ 不同变质程度的煤ꎬ其孔隙结构 不同ꎬ从而导致煤层透气性差异ꎬ因此ꎬ煤岩变质程 度对煤与瓦斯突出的危险程度和始突程度有较强的 影响[３０ꎬ３２]ꎮ 已有研究表明ꎬ瓦斯放散初速度随着变 质程度的提高而增加[２７]ꎮ 煤变质程度的增加会导 致大量纳米级孔隙的产生ꎬ煤比表面积变大ꎬ因此瓦 斯吸附能力增强、吸附量增多[３３－３４]ꎮ 此外ꎬ煤的吸 附/ 解吸性能也受水分含量的影响[３３]ꎮ 除深成变质 和岩浆热变质作用外ꎬ动力变质也能使煤岩侧链和 官能团加速脱落ꎬ随着芳构化和环缩合程度的增高ꎬ 生成和排出一定量的烃类气体[６－７ꎬ３５－３７]ꎮ 通过对煤岩流变过程中能量迁移和转化特点的 研究ꎬ探讨矿井瓦斯涌出规律、煤层气赋存与构造运 动和煤厚变化的内在联系ꎬ能够为煤体结构时空展 布预测和煤矿瓦斯灾害防治、煤层气勘探开发以及 减少矿井有害气体的排放提供必要和及时的指 导[３１]ꎮ 煤岩内部的微观损伤断裂发育程度对煤岩 流变有极大影响ꎬ而煤岩显微组分及其含量也会对 煤体结构产生重要影响[２３]ꎮ 煤体结构受到破坏的 地区ꎬ煤体结构越破碎ꎬ煤颗粒比表面积和表面能增 加越大ꎬ从而导致煤层瓦斯含量和瓦斯压力增高ꎬ增 大了突出的概率[２５]ꎮ 而变形煤中甲烷分子的扩散 特征主要是由孔/ 裂隙形态、分布特征、大小和连通 性、气体性质和状态等因素决定ꎮ 当变形煤体中甲 烷等气体的吸附平衡状态发生改变时ꎬ强变形构造 煤中气体分子解吸会产生一定迟滞ꎻ而弱变形煤中 ９ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 吸附的气体分子会很快解吸[１５ꎬ３８]ꎮ １􀆱 ２ 构造煤结构与瓦斯赋存问题 我国东部聚煤盆地普遍经历了不同性质、不同 规模的挤压、剪切和伸展等构造演化ꎬ使煤体结构和 煤层瓦斯的赋存、分布发生了明显变化[１６ꎬ３９－４０]ꎮ 前 期煤层流变学的研究ꎬ对瓦斯突出的规律和机理有 了一定的认识ꎮ 然而ꎬ构造煤结构演化、储层物性特 征及其控气机理的研究仍十分薄弱ꎬ开展此类研究 对在构造煤发育区进行煤层气勘探开发和煤矿瓦斯 防治具有重要的意义ꎮ 构造应力不仅明显提高了煤结构的有序化程度 和分子的定向性排列ꎬ减少了脂碳和甲基碳的相对 含量[６－７]ꎬ而且明显干扰了变质作用对煤岩镜质组 分离密度和分离效果的影响ꎬ导致构造煤镜质组物 理化学性质的改变[４１]ꎮ 另外ꎬ在不同温度、压力和 定向应力等因素影响下ꎬ煤岩大分子结构的变化会 导致纳米级孔隙结构的变化ꎬ从而改变了煤层气 瓦斯的吸附模式和扩散方式[２９]ꎮ 由此可见ꎬ不同 类型的构造煤由于分子结构和孔隙结构的改变程度 不同ꎬ会造成瓦斯含量和透气性等的重大差异图 １ꎮ 其中ꎬ韧性变形煤ꎬ特别是糜棱煤特殊的物理 和化学结构决定了其高含气量和低透气性的特征ꎬ 是矿井瓦斯突出等灾害的危险地带ꎬ在煤炭开采过 程中必须得到足够重视ꎮ 图 １ 不同变质变形条件下形成的构造煤电镜图像[４０] 与同煤阶原生结构煤相比ꎬ构造煤吸附孔类型、 孔容及相应的孔比表面积显著提高ꎬ因此ꎬ构造煤吸 附能力显著增强[４２]ꎬ是煤与瓦斯突出的易发地带ꎮ 随着构造煤变形程度的增加ꎬ煤的普氏系数逐渐变 小ꎬ瓦斯放散初速度在鳞片煤脆韧性过渡型构造 煤之前逐渐增大ꎬ至糜棱煤阶段则急剧减小ꎬ并且 孔容、比表面积均与突出综合指标具有很好的正相 关关系[４３]ꎮ 虽然纳米级孔隙特征参数的演化也受 温度与围压条件等的影响ꎬ但构造应力通过增加煤 基本结构单元的有序度和秩理化过程ꎬ控制了纳米 级孔隙孔容和连通性等特征参数的演化[４４]ꎮ 随着 构造变形程度的加大ꎬ中孔所占比例增加ꎬ开放型孔 逐步转化为细瓶颈型孔ꎬ微孔对煤孔隙结构参数的 影响逐渐占主导作用[４５]ꎮ 构造煤中气体解吸扩散方式受构造煤变形程 度、孔隙几何形态、分布发育规律、煤层气组分差异 和赋存状态等因素的综合控制ꎮ 韧性变形煤的微孔 隙比较发育ꎬ以 Ｋｎｕｄｓｅｎ 扩散为主ꎬ脆性变形煤的 中、大孔隙所占比例较大ꎬ而且脆性变形煤的孔隙之 间具有很好的连通性ꎬ以 Ｆｉｃｋ 型扩散为主[１５]ꎮ 研 究还表明ꎬ煤层气开采过程中ꎬ煤孔隙中气体不是以 气相的方式扩散运移ꎬ而是受制于煤孔隙中的孔喉 水ꎮ 当孔隙中气体能够驱动孔喉处的水时ꎬ则解吸 气以渗流的方式扩散运移ꎻ反之ꎬ则以溶解相扩散或 表面扩散的方式运移[４６]ꎮ １􀆱 ３ 深部煤炭开采瓦斯问题 深部煤层结构、物性特征以及所处的温度和压 力等环境条件显著区别于浅部ꎬ并且具有高地应力、 高瓦斯含量和低透气性等特点ꎮ 因此ꎬ随着我国东 部煤炭开采向深部推进ꎬ煤与瓦斯突出、煤与瓦斯共 采以及煤炭开发中碳排放等瓦斯问题的解决就显得 非常重要[１６]ꎮ 此外ꎬ含气多孔介质和储气构造在开 挖卸荷和高压吸附瓦斯解吸膨胀耦合作用下还会诱 发冲击地压矿震 [４７－４８]等矿井灾害ꎮ 宏观上ꎬ复杂的盆－山演化过程不仅控制了煤 岩的变形方式和发育程度ꎬ而且控制了煤层瓦斯的 赋存状态ꎬ进而影响了煤与瓦斯突出的发生[６－７ꎬ４９]ꎮ 与浅部煤层相比ꎬ深部煤层韧性流变增强ꎬ且含煤盆 地结构越复杂ꎬ煤储层与煤结构变形和改造越强烈ꎬ 从而造成构造煤分子间的作用力减小ꎬ构造煤强度 变低、吸附能力增强ꎮ 煤与瓦斯突出通常发生在深 部构造陡变带、深层活动断裂带、推覆构造带以及强 变形带等以压性、压扭性构造为主的部位[２２ꎬ５０]ꎮ 因 此ꎬ深部构造煤与瓦斯异常的耦合关系以及超量瓦 斯赋存问题等重大理论问题的探讨是深部煤瓦斯突 出预测与评价的关键ꎬ而结合宏－微观两个尺度ꎬ研 究构造煤形成过程中煤分子间的演化特征和盆－山 演化过程对瓦斯超量赋存的控制作用等成为深部煤 开采过程中重要方向ꎮ ０１ 琚宜文等煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究２０１４ 年第 ６ 期 深部煤层高地应力、高孔隙压力、高温度环境和 低渗透率的特点ꎬ也导致瓦斯的抽采也面临诸多挑 战ꎮ 煤层的构造变形尤其是韧性变形ꎬ对煤体大中 孔和纳米孔的发育和分布产生重要影响ꎬ以至原有 的孔/ 裂隙被改造ꎬ煤层的渗流困难ꎬ这不仅是煤与 瓦斯突出防治需要解决的问题ꎬ也是严重制约煤层 气产业化的重要因素ꎮ 因而ꎬ要实现煤层气地面开 采、矿井瓦斯抽采以及地面与矿井联采ꎬ必须通过深 部多场的动力改变ꎬ进行储集空间从纳米孔到各级 孔裂隙的导通改造ꎮ １􀆱 ４ 煤矿瓦斯异常区地球物理探测与预测问题 煤岩中瓦斯赋存地质条件的物性差异以及瓦斯 吸附特性在地球物理场中的响应机理研究ꎬ对煤炭 安全生产、煤层气勘探开发以及煤与瓦斯突出区的 探测预测都具有重要意义ꎮ 近年来ꎬ在瓦斯异常区 探测、煤炭开采过程中瓦斯突出预测以及瓦斯渗流 特征与地球物理场响应等领域的研究取得了一些重 要突破ꎮ 研究表明[２４ꎬ５１]ꎬ超声波参数、弹性参数、强 度参数、电阻率等储层特性参数可以有效识别瓦斯 异常区ꎬ主要探测特性表现在煤与瓦斯突出孕育过 程中的红外辐射特征体现了瓦斯突出发生过程中的 物理化学变化ꎻ含瓦斯煤在变形破坏过程中孔隙气 体对电磁辐射的产生具有重要影响ꎮ 此外ꎬ根据煤 层在非破坏性应力出现以前即产生的声发射特征ꎬ 也可以对煤与瓦斯突出提前作出预测ꎮ 基于瓦斯富集区与正常煤层反射波波速、振幅、 频率及衰减等动力学特征差异的地震纵波预测技 术ꎬ可以实现煤与瓦斯突出的非接触预测[５２－５３]ꎻ脉 冲超声波、无线电波透视法、地质雷达法、槽波地震 法和煤层地电法等方法在探测煤与瓦斯突出的异常 构造方面均取得了很好的应用效果[５１]ꎮ 而煤层气 富集区在视电阻率、人工放射性伽马测井、声波时 差、井径曲线、纵波传输速度、ＡＶＯ 属性等多个方面 显著区别于煤矿瓦斯突出区域[２６ꎬ５４]ꎮ 在瓦斯渗流探测研究方面ꎬ发现外加交变电磁 场可以改变煤表面与甲烷分子间的势能ꎬ降低瓦斯 的吸附量ꎬ促进瓦斯的渗流ꎬ而静电场却增加了瓦斯 吸附量[５５－５７]ꎮ 对于温度梯度较大的地温场ꎬ煤体较 大的拉应力导致煤体拉伸失稳破坏ꎬ形成煤与瓦斯 突出易发区域[５８]ꎮ 在多场耦合作用下ꎬ渗透率随温 度增加而增加ꎬ围压影响要大于轴向应力ꎬ且与轴向 有效应力、有效围压等呈负指数关系[５９－６０]ꎮ ２ 与煤矿瓦斯有关的关键技术问题 ２􀆱 １ 煤与瓦斯突出及其预防治理 煤矿生产过程各种地质灾害中ꎬ煤与瓦斯突出 的危险程度较大ꎮ 现阶段ꎬ除了加强矿井通风之外ꎬ 瓦斯突出预防治理工作主要从加强瓦斯突出预测和 监测预警、强化瓦斯综合抽采技术以及开采保护层 等方面开展技术攻关[２０ꎬ６１]ꎮ 在煤与瓦斯突出预测预警方面ꎬ结合地质构造、 煤的普氏系数、瓦斯含量和瓦斯放散初速度、围岩结 构和力学性质、水文地质条件等各种因素[６２]ꎬ开展 瓦斯突出预测ꎬ对判断突出危险性、保证矿井安全生 产和降低防突成本等方面具有重要意义ꎮ 另外ꎬ可 以选择敏感瓦斯指标ꎬ例如结合瓦斯含量、最大钻屑 量 Ｓｍａｘ、钻屑瓦斯解吸指标 Ｋ１和钻孔瓦斯涌出初速 度 ｑ 等ꎬ综合评价煤层突出危险性ꎬ并进行预测[２０]ꎮ 近年来ꎬ瓦斯灾害监控预警系统也逐渐发展成一个 集综合性、智能性和安全性的系统工程ꎬ例如红外传 感器和 ＫＪ 系列网络化煤矿综合监控系统等[６３]ꎮ 为了有效控制煤与瓦斯突出等灾害ꎬ煤矿瓦斯 综合抽采以及保护层开采等技术得到了很好的应 用ꎮ 然而ꎬ由于受到复杂构造作用的影响ꎬ我国东部 地区煤层的渗透性差ꎬ加之装备和管理水平落后ꎬ瓦 斯的抽采量和抽采率仍然有待提高ꎮ 目前ꎬ井下瓦 斯抽采主要采用先抽后掘、边抽边掘等思路ꎬ通过在 煤层中布置穿层和顺层钻孔等进行瓦斯抽采[６１ꎬ６４]ꎮ 具体施工工艺主要有以下 ３ 种①通过煤层顶板巷 抽采煤层气ꎬ控制上隅角煤层气积聚ꎻ②利用下部煤 层采动卸压ꎬ增加上部煤层的透气性ꎬ在煤层群中试 验成功了开采保护层卸压增透煤层气抽采技术ꎻ ③在采动卸压增透之后ꎬ利用采空区瓦斯流量大和 来源稳定等特点ꎬ通过地面钻井抽采进行煤层气的 综合开发ꎮ 总之ꎬ可通过以上方面ꎬ将煤与瓦斯突出 等煤矿瓦斯灾害降到最低程度ꎮ ２􀆱 ２ 煤与瓦斯共采及其资源利用 将煤层气作为一个产业发展ꎬ就需要掌握煤层 气资源状况以及各级资源的分布特征ꎬ分析煤矿区 煤层气资源开发利用潜力及相关可行性ꎬ建立国家 级煤层气资源管理数据库和评价系统ꎬ科学合理地 进行煤层气的资源评价ꎮ 研究表明[６５]ꎬ我国煤层气资源丰富ꎬ其中沁水 盆地、鄂尔多斯东缘、太行山东麓以及两淮煤田是比 较有利的煤层气勘探开发区图 ２ [６６]ꎮ 然而ꎬ由于 １１ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 东部地区煤层具有低压、低渗、低饱和等特点ꎬ极大 限制了煤层气的抽采效果[６７]ꎮ 当前煤层气开发的 主要途径有地面垂直钻井抽采、井下抽采煤层气、 煤与瓦斯共采、多气共采和废弃矿井抽采等ꎮ ①采 用地面垂直钻井抽采煤层气ꎬ要结合煤炭开采的实 际ꎬ实现一井多用ꎬ即采前压裂井－采动区井－采空 区井ꎮ ②井下抽采过程中ꎬ要保证瓦斯抽采浓度和 抽采量的稳定性ꎬ协调好矿井的安全和抽采瓦斯的 资源利用ꎬ最终实现井下和地面联合抽采ꎮ ③煤与 煤层气共采ꎬ在煤层群发育地区ꎬ通过采动卸压ꎬ改 善上部煤层的透气性ꎬ提高煤层气的综合抽采率ꎬ从 而取得煤与瓦斯共采的技术突破[６４]ꎮ 而在单一煤 层发育地区ꎬ采用先抽后采的方式抽采率不高ꎬ要实 现较好的煤与煤层气共采效果ꎬ煤层渗透性差的问 题需要进一步研究ꎮ ④废弃矿井煤层气抽采具有费 用低、不受煤炭开采影响等优势ꎬ为煤系地层多气共 采试验提供了条件ꎬ前景值得期待[６８]ꎬ但是受到多 种因素的制约ꎬ尚未有实质性进展ꎮ Ｃ石炭系ꎻＰ二叠系ꎻＴ三叠系ꎻＥ古近系ꎻ Ｊ侏罗系ꎻｋ白垩系 图 ２ 中国煤层气资源量分布 煤层气不仅热值高ꎬ而且还是一种清洁能源ꎬ在 现阶段的煤矿区已被广泛作为民用燃料ꎮ 在工业领 域ꎬ除瓦斯发电以外ꎬ煤层气还可用于一些对燃料有 特殊要求的行业ꎬ如玻璃制造和炼钢等产业ꎮ 城市 机动车“油改气”不仅降低了运营成本ꎬ还减少了尾 气排放ꎬ进而改善城市空气质量ꎮ 此外ꎬ煤层气作为 化工行业的一种重要原料ꎬ能够用于生产一系列化 工产品ꎮ 由此可见ꎬ煤层气资源具有广泛的应用领 域和很好的应用前景ꎬ而且可以起到减缓温室效应 和改善我国能源结构的作用ꎮ ２􀆱 ３ 煤炭开发中的碳排放及其环境保护 众所周知ꎬ气候变暖是当今全球性的环境问题ꎬ 而甲烷又是重要的温室气体ꎬ单个甲烷分子的温室 效应是二氧化碳分子的 ２０ 多倍ꎮ 其中ꎬ煤炭开采过 程中排放的甲烷等温室气体占全球每年排放量的 ８％１０％ꎬ对全球气候变化产生了重大影响[６９－７２]ꎮ ２０１２ 年ꎬ世界煤炭产量达到 ７８􀆱 ６ 亿 ｔꎬ而中国占到 将近一半ꎮ 煤炭开发过程中释放的甲烷成为我国重 要的甲烷排放源ꎬ占到我国能源活动中甲烷排放量 的 ７５􀆱 ６％ꎬ大幅高于其他国家的排放水平ꎬ已经成 为需要引起足够重视的重要环境问题ꎮ 准确计算出我国煤炭开发中的碳排放量ꎬ无论 对指导煤炭开发过程中的碳减排ꎬ还是作为碳排放 国际外交谈判的依据ꎬ都具有重要意义ꎮ 目前普遍 采用 ＩＰＣＣ 给定的方法进行估算ꎬ即碳排放量＝排 放因子煤炭产量ꎮ 然而ꎬ排放因子的选取主要依 据煤矿瓦斯等级鉴定给定的相对瓦斯涌出量ꎮ 但是 瓦斯等级鉴定工作是从矿井安全生产的角度出发ꎬ 取鉴定过程中最大一天的瓦斯涌出量作为瓦斯等级 确定的依据ꎻ并且ꎬ瓦斯涌出量还与矿井生产过程、 采场接替等因素密切相关ꎮ 因此ꎬ采用此参数作为 排放因子的基准ꎬ并不能反映煤炭开发中碳排放的 真实水平ꎮ 要想获得我国煤炭开发过程中准确的碳 排放数据ꎬ需要进一步科学合理地确定排放因子ꎮ 煤炭开采过程中甲烷的排放会带来温室效应等 环境问题ꎬ但是要对其开发利用ꎬ仍要关注对环境可 能引发的影响ꎮ 在进行煤层气勘探开发以前应充分 考虑以下环境问题对周边生态环境的影响、设备噪 声污染、产出水和生产废水对环境的影响等[７３－７４]ꎮ 对于可能存在的问题ꎬ应提前做好环境影响评价ꎬ采 取有效措施最大程度地降低对周边环境的影响ꎮ 如 产出水一般都具有较高矿化度ꎬ有的还具有较高的 重金属含量等ꎬ若这些水直接排放到周边农田或其 他地方ꎬ会造成严重的土壤盐碱化以及粮食作物重 金属超标等问题ꎮ 此外ꎬ产出水对目标层位地下水 的疏干ꎬ也会对地下水资源造成一定的损失ꎮ 为了 达到较高的产气量ꎬ普遍采用的地面井压裂技术也 会加大地下含水层与煤层的水动力联系ꎬ在煤炭开 采过程中ꎬ地下水害问题也必须得到足够重视ꎮ ３ 结 论 我国煤储层具有“高应力、高含气、强吸附、低 渗透”的特征ꎬ随着煤炭开采逐步向深部推进ꎬ煤矿 瓦斯灾害防治遇到的挑战和困难比浅部更为复杂ꎮ 而瓦斯问题又不仅是防治问题ꎬ还应考虑资源回收 ２１ 琚宜文等煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究２０１４ 年第 ６ 期 利用和温室气体减排等ꎬ尽可能体现出综合效益ꎮ 因此ꎬ今后须从以下 ４ 个方面开展工作ꎮ １深入研究煤层变质变形与瓦斯吸附问题、构 造煤结构与瓦斯赋存问题、深部煤炭开采瓦斯问题 和煤矿瓦斯赋存地球物理探测与预测问题等与煤矿 瓦斯有关的关键科学问题ꎬ是解决煤与瓦斯突出、共 采和碳排放问题的关键ꎮ ２进一步推广地球物理勘探等手段在煤与瓦 斯突出探测预测方面的应用ꎮ 科学筛选瓦斯突出敏 感指标ꎬ加强瓦斯突出预测和监测预警、强化瓦斯综 合抽采技术ꎬ减少煤矿安全事故的发生ꎮ ３加强煤矿开采过程中煤与瓦斯共采和煤系 地层多气共采的理论与技术探索ꎬ适时开展废弃矿 井瓦斯抽采利用ꎬ最大限度做到煤层气资源化ꎬ使煤 炭和煤层气工业更好地服务于社会经济的发展ꎮ ４系统分析煤炭开采过程中碳排放规律ꎬ更加 合理确定我国碳排放规模ꎬ为煤炭开发碳减排和外 交谈判提供指导和依据ꎮ 更加关注煤矿瓦斯防治和 资源回收利用过程对环境的影响ꎬ在保证能源供应 的同时ꎬ保护好人类赖以生存的环境ꎮ 致谢感谢各位评审专家和煤炭科学技术编 辑对本文提出的宝贵意见 参考文献 [１] 国务院办公厅.关于进一步加强煤矿瓦斯防治工作的若干意见 [ＥＢ/ ＯＬ].[２０１１－０５－２７].ｈｔｔｐ/ / ｗｗｗ.ｇｏｖ.ｃｎ/ ｚｗｇｋ/２０１１－０５/ ２７/ ｃｏｎｔｅｎｔ＿１８７２３２４.ｈｔｍ [２] 安明燕ꎬ杜泽生ꎬ张连军.２００７２０１０ 年我国煤矿瓦斯事故统 计分析[Ｊ].煤矿安全ꎬ２０１１ꎬ４２５１７７－１７９. 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