今年11月，在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第三十次締約方大會（COP30）期間，我國與歐盟、巴西發(fā)起成立“碳排放權(quán)交易市場開放聯(lián)盟”。該聯(lián)盟共包括11個(gè)國家和地區(qū)，旨在建立起一個(gè)跨國合作框架，實(shí)現(xiàn)“互通、透明與可信”的全球合規(guī)碳市場網(wǎng)絡(luò)。
今年9月24日，在聯(lián)合國氣候變化峰會上，我國宣布了新一輪國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)，首次將甲烷等非二氧化碳溫室氣體納入總量控制范圍。根據(jù)國際能源署《2024年全球甲烷追蹤》報(bào)告，工業(yè)革命以來，甲烷對全球溫度升高的貢獻(xiàn)率約30%。
甲烷是瓦斯的主要成分，煤炭開采釋放大量瓦斯。中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院院長周福寶指出，我國煤層甲烷資源分布廣、儲量大，埋藏深度小于2000米的煤層甲烷總量達(dá)36.81萬億立方米。我國煤礦每年排放甲烷超過290億立方米。
中國工程院院士、太原理工大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任金智新指出，我國井工煤礦排放的瓦斯占煤炭行業(yè)的80%以上。
“碳交易市場發(fā)展是大勢所趨。未來，我國建立的強(qiáng)制碳市場和自愿碳減排市場，將會在國際碳減排市場上發(fā)揮重要作用?！睉?yīng)急管理部信息研究院（煤炭信息研究院）副院長劉文革說，“我們應(yīng)抓住機(jī)遇，大力開發(fā)煤炭甲烷自愿減排項(xiàng)目，提升煤礦瓦斯治理水平，努力開創(chuàng)以減排促利用、以利用促抽采、以抽采保安全的新局面，為實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。”
瓦斯監(jiān)測更快速更精準(zhǔn)
自2021年全國碳排放權(quán)交易市場正式啟動(dòng)以來，我國形成了強(qiáng)制碳市場和自愿碳減排市場雙輪驅(qū)動(dòng)的格局。
據(jù)介紹，強(qiáng)制碳市場指全國碳排放權(quán)交易市場，是一種由政府法規(guī)推動(dòng)的碳交易機(jī)制。自愿碳減排市場指CCER（中國核證自愿減排量）市場，是一個(gè)通過市場機(jī)制激勵(lì)溫室氣體減排的平臺。自愿碳減排市場允許企業(yè)和個(gè)人自愿開展額外的減排項(xiàng)目（如植樹造林、發(fā)展可再生能源、回收甲烷等），產(chǎn)生的經(jīng)核證的減排量可以在市場上交易，從而使企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)收益。
自愿碳減排市場促進(jìn)我國煤礦瓦斯減排經(jīng)濟(jì)可行性、煤礦瓦斯減排技術(shù)創(chuàng)新能力、煤礦瓦斯利用率不斷提高，也對甲烷排放監(jiān)測機(jī)制提出了更高要求。
“煤層甲烷含量是衡量煤層內(nèi)甲烷資源儲量、排放總量的最核心指標(biāo)，是研判重大風(fēng)險(xiǎn)、評估煤層氣開發(fā)潛力的關(guān)鍵參數(shù)?！敝芨氄f。
2023年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《深化碳監(jiān)測評估試點(diǎn)工作方案》，要求在煤炭行業(yè)開展甲烷排放監(jiān)測試點(diǎn)工作。
中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司副總經(jīng)理張志剛介紹，當(dāng)前，我國井工煤礦開采的甲烷排放數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)已突破精準(zhǔn)感知、融合監(jiān)控與數(shù)字化決策等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測瓦斯量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量。
“我們正在研究新一代云邊端安全監(jiān)控系統(tǒng)。與現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)相比，新一代系統(tǒng)開放性更強(qiáng)、安全性更高、智能化特性更顯著。”張志剛說。
“目前，我國煤礦基本都建立了甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng)，但大部分煤礦委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行煤層甲烷含量測定，面臨周期長、監(jiān)測點(diǎn)布置少、成本高等問題，無法動(dòng)態(tài)監(jiān)測煤層甲烷排放情況?！敝芨氄f。
為此，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院創(chuàng)新提出了井下一站式煤層甲烷含量測定新方法，研發(fā)了煤層甲烷含量快速精準(zhǔn)測定技術(shù)和瓦斯含量快速測定儀等技術(shù)裝備。
當(dāng)前，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)的井下一站式煤層甲烷含量測定成套技術(shù)裝備已在山西、陜西、內(nèi)蒙古、安徽等17個(gè)省區(qū)的400余座煤礦，以及重慶大學(xué)、西安科技大學(xué)、河南理工大學(xué)等10余所高校和科研院所實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
“目前，全國溫室氣體自愿減排項(xiàng)目監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已建成，但各煤礦瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)如何與該系統(tǒng)對接尚未明確，亟待盡快出臺相關(guān)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范或指南?！眲⑽母镎f。
瓦斯抽采因地制宜應(yīng)抽盡抽
“瓦斯與煤炭同源共生，開發(fā)過程中相互影響。地面抽采和井下開采要相互促進(jìn)，不能相互干擾?！比A新燃?xì)饧瘓F(tuán)山西藍(lán)焰煤層氣公司總經(jīng)理田永東表示，瓦斯抽采，要能抽盡抽、應(yīng)抽盡抽。
淮河能源集團(tuán)煤層氣開發(fā)利用公司總工程師丁同福指出，淮南礦區(qū)為松軟低滲煤層群，地面瓦斯治理工程實(shí)踐面臨挑戰(zhàn)。
在鉆井工藝方面，煤層氣開發(fā)利用公司采用“鉆前地質(zhì)導(dǎo)向三維建模—鉆中動(dòng)態(tài)定位—鉆后綜合判層”技術(shù)方法，將煤層頂（底）板0到2米的鉆遇率提高到90%以上。
在壓裂工藝技術(shù)方面，煤層氣開發(fā)利用公司首次在國內(nèi)淺層煤層開發(fā)中采用“大排量、大沙量、大砂比、大粒徑+連續(xù)加砂”的飽和體積壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)水平井壓裂裂縫全覆蓋，解決了松軟低滲煤層加砂難等問題。
2021年至今，淮河能源集團(tuán)在5個(gè)生產(chǎn)礦井施工了37口地面瓦斯治理井，涵蓋淮南礦區(qū)的主采煤層。截至今年11月，37口井累計(jì)產(chǎn)氣量為4500萬立方米，鉆井成功率達(dá)100%。
和淮南礦區(qū)一樣面臨復(fù)雜地質(zhì)條件的還有貴州礦區(qū)。貴州礦區(qū)構(gòu)造煤占比高，具有典型的滲透率低、壓裂可改造性差等特點(diǎn)，長期以來被視為煤層氣開發(fā)的禁區(qū)。
近年來，貴州能源集團(tuán)開展了煤礦井上下瓦斯聯(lián)合治理工作。井下抽采由煤礦依托現(xiàn)有技術(shù)自主進(jìn)行，地面抽采由貴州烏江煤層氣勘探開發(fā)有限公司負(fù)責(zé)實(shí)施。
貴州烏江煤層氣勘探開發(fā)有限公司總經(jīng)理婁毅表示，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造煤原位煤層氣開發(fā)理論與關(guān)鍵技術(shù)突破，是貴州煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。
“當(dāng)前，我們基本找到了制約貴州煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本性問題，明確了開發(fā)和攻關(guān)方向。”婁毅說，“2024年以來，我們在多個(gè)煤層氣區(qū)塊進(jìn)行三維地震探測，進(jìn)一步明確了構(gòu)造情況?！?/p>
婁毅坦言，盡管當(dāng)前已開展煤層氣資源稟賦、探采地質(zhì)選區(qū)等研究，但對相應(yīng)向斜深部煤系氣成藏機(jī)理的認(rèn)識并不清楚，資源評價(jià)與有利區(qū)優(yōu)選方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，煤系氣合采模式尚未形成。
今年4月11日，貴州召開煤礦瓦斯地面抽采推進(jìn)會，地面抽采從技術(shù)探索階段步入工程推廣階段。
“在煤的生成和煤的變質(zhì)過程中伴生的以甲烷為主的烴類氣體，從安全角度來說是煤礦瓦斯，從資源角度來說是煤層氣?！敝袊刭|(zhì)大學(xué)（北京）副校長劉大錳說。
成都理工大學(xué)頁巖氣現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院特聘院長徐鳳銀指出，截至2024年底，我國累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲量約1.22萬億立方米；累計(jì)鉆井2.4萬多口，煤層氣年產(chǎn)能230多億立方米，煤層氣年產(chǎn)量138億立方米。
“我國煤層氣資源量約70萬億立方米，埋藏深度大于2000米的深部煤層氣資源量達(dá)40萬億立方米，深部煤層氣開發(fā)潛力巨大。”成都理工大學(xué)黨委書記劉清友表示，相比中淺層煤層氣，深部煤層氣儲層以原生結(jié)構(gòu)煤為主，具有地應(yīng)力高、溫度高、滲透率低等復(fù)雜地質(zhì)特征，導(dǎo)致深部煤層塑性和非均質(zhì)性更強(qiáng)，深部煤層氣開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)。
據(jù)介紹，深部煤層氣是指埋藏深度大于1500米煤層（或夾矸）中賦存的以甲烷為主的烴類氣體。自2019年在鄂爾多斯盆地東緣獲得深部煤層氣效益開發(fā)的重大突破以來，我國一大批專家學(xué)者創(chuàng)新提出了深部煤層氣相關(guān)富集理論，研發(fā)了一系列勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。
“傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，埋藏深度大于1000米的煤層氣是沒有開發(fā)效益的。現(xiàn)在，深部煤層氣取得了很好的開發(fā)效益，這在以前是不可想象的。”徐鳳銀說，目前，我國正在實(shí)施4個(gè)國家級深部煤層氣開發(fā)示范項(xiàng)目。近5年來，我國新增深部煤層氣探明地質(zhì)儲量近6000億立方米。2024年，在我國煤層氣總產(chǎn)量138億立方米中，深部煤層氣占比達(dá)19.6%。預(yù)計(jì)2030年全國煤層氣產(chǎn)量可達(dá)300億立方米，2035年全國煤層氣產(chǎn)量可達(dá)400億立方米至500億立方米。
劉清友表示，未來的攻關(guān)方向，應(yīng)針對煤層氣儲層預(yù)測難度大、儲層動(dòng)用程度低的問題，構(gòu)建數(shù)據(jù)池，透明呈現(xiàn)三維地質(zhì)體；針對煤層氣儲層預(yù)測符合率低的問題，加強(qiáng)井底數(shù)據(jù)檢測、大數(shù)據(jù)傳輸與智能算法融合；針對深層煤層氣長水平段延伸難、鉆井時(shí)效低、成本高的問題，研發(fā)智能鉆頭、井下機(jī)器人、導(dǎo)向系統(tǒng)等；針對深層煤層氣壓裂改造效果差、評價(jià)難的問題，開展高頻管波壓裂裂縫診斷技術(shù)攻關(guān)等。
“煤層氣開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。將煤層氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)并融入煤礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害綜合治理，是實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯災(zāi)害防治關(guān)口前移的重要舉措。”應(yīng)急管理部信息研究院煤炭清潔發(fā)展研究所副所長王勃說，“圍繞煤礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治，亟須開展理論和技術(shù)攻關(guān)，為我國煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航?！?/p>
王勃建議，未來，在理論研究方面，深化開展煤與煤層氣（瓦斯）綜合勘查，并融合多種手段開展精細(xì)地質(zhì)研究；在治理技術(shù)方面，進(jìn)一步探究“洞穴消突井+高壓空氣（液氮、二氧化碳）滌蕩+負(fù)壓抽采”“地面L型水平井分段壓裂+排采”等煤與瓦斯突出治理方法，以及“頂板L型井分段水力壓裂”“頂板L型井分段水力加砂壓裂+排采”等沖擊地壓治理方法；實(shí)施科研—工程一體化項(xiàng)目，研發(fā)適用于煤礦瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的治理技術(shù)并推廣應(yīng)用。
瓦斯利用向超低濃度發(fā)起攻關(guān)
當(dāng)前，我國瓦斯抽采利用的基本技術(shù)路線為：通過如水環(huán)真空泵等動(dòng)力源制造負(fù)壓系統(tǒng)，將煤層中的瓦斯解析出來，通過管道輸送系統(tǒng)將瓦斯送至地面，再對不同濃度的瓦斯進(jìn)行利用。
勘探、抽采出的煤礦瓦斯，要如何利用？
劉文革介紹，當(dāng)前，針對我國甲烷體積濃度高于8%的瓦斯，利用技術(shù)已基本成熟。其中，甲烷體積濃度高于30%的高濃度瓦斯，可被用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、民用燃?xì)?、CNG（壓縮天然氣）、LNG（液化天然氣）等；甲烷體積濃度為8%至30%的低濃度瓦斯，通過符合安全標(biāo)準(zhǔn)的輸送系統(tǒng)，可被用于低濃瓦斯內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電、供熱等。
早在2008年，山西西山煤電杜兒坪礦就建成瓦斯發(fā)電站，甲烷體積濃度高于8%的瓦斯利用率達(dá)81%，瓦斯利用率折純超過1.2億立方米。在山西華晉焦煤集團(tuán)沙曲一礦、二礦瓦斯發(fā)電站，甲烷體積濃度為8%至30%的低濃度瓦斯已實(shí)現(xiàn)梯級利用。
去年12月1日，新修訂的《煤層氣（煤礦瓦斯）排放標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，在保障煤礦通風(fēng)安全的前提下，禁止排放高濃度煤礦瓦斯，禁止排放甲烷體積濃度高于8%且抽采純量高于10立方米/分鐘的煤礦瓦斯。該標(biāo)準(zhǔn)將禁止排放的煤礦瓦斯?jié)舛葟?0%下調(diào)到8%。
今年1月，生態(tài)環(huán)境部推出首個(gè)CCER甲烷減排方法學(xué)，符合條件的甲烷體積濃度低于8%的煤礦低濃度瓦斯和風(fēng)排瓦斯利用項(xiàng)目可申請CCER。
充分利用甲烷體積濃度低于8%的瓦斯，是近年來煤礦瓦斯利用領(lǐng)域的重點(diǎn)攻關(guān)方向。
“以前不能利用甲烷體積濃度低于8%的瓦斯，是因?yàn)橐装l(fā)生爆炸。我們從研究爆炸機(jī)理出發(fā)，創(chuàng)新了瓦斯爆炸‘四要素’基礎(chǔ)理論?！北本┚l(fā)科技集團(tuán)董事長楊君廷說。
近年來，中國工程院院士袁亮帶領(lǐng)安徽理工大學(xué)與北京君發(fā)科技集團(tuán)科研團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了煤礦瓦斯安全穩(wěn)定燃燒、直流蓄熱氧化、新型氧化等一系列綜合利用技術(shù)，填補(bǔ)了甲烷體積濃度為3%至8%的瓦斯直接利用的技術(shù)空白。
甲烷體積濃度低于3%的瓦斯還能利用嗎？煤炭行業(yè)的工作者們給出了肯定答案。
金智新介紹，針對甲烷體積濃度為1.2%的瓦斯，目前國內(nèi)已有成熟的利用技術(shù)——RTO（蓄熱氧化）技術(shù)。國內(nèi)已建成多個(gè)應(yīng)用RTO技術(shù)的每小時(shí)百噸立方米級的項(xiàng)目，主要分布在山西、陜西、安徽等地。
2015年，潞安化工集團(tuán)高河煤礦建成乏風(fēng)氧化井口發(fā)電項(xiàng)目，填補(bǔ)了乏風(fēng)氧化裝置技術(shù)空白。該項(xiàng)目裝機(jī)容量30兆瓦，年處理乏風(fēng)瓦斯量94億立方米。
2023年，陜煤集團(tuán)彬長礦業(yè)公司大佛寺煤礦建成低濃度瓦斯蓄熱氧化供熱發(fā)電項(xiàng)目，年耗瓦斯量9600萬立方米，年供蒸汽量93.4萬噸。2023年底，該礦首次利用超低濃度瓦斯氧化余熱給礦區(qū)供熱。
煤炭行業(yè)的探索并沒有止步于1%，而是向更低濃度邁進(jìn)。
金智新表示，我國每年甲烷體積濃度小于等于1%的乏風(fēng)瓦斯排放量折合純甲烷量超過1200萬噸，相當(dāng)于西氣東輸一年輸氣量的1/12。
“甲烷體積濃度小于等于1%的乏風(fēng)瓦斯風(fēng)量大、波動(dòng)性強(qiáng)、成分復(fù)雜，利用難度大。”金智新說，對于甲烷體積濃度低于1%的瓦斯，目前仍處于理論研究與室內(nèi)試驗(yàn)階段。
從技術(shù)路徑看，通過超低濃度瓦斯RTO成套技術(shù)及裝備，可直接處理甲烷體積濃度為0.2%到1%的乏風(fēng)瓦斯；通過乏風(fēng)瓦斯RCO（蓄熱催化氧化）技術(shù)，利用催化劑，可實(shí)現(xiàn)在較低溫度下對甲烷體積濃度小于等于0.2%的乏風(fēng)瓦斯的自維持運(yùn)行和余熱利用。
“未來，乏風(fēng)瓦斯高效回收與規(guī)模化利用有望成為開發(fā)重點(diǎn)。在現(xiàn)有乏風(fēng)瓦斯RCO技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)與生物催化、光電催化、等離子體催化等新型技術(shù)的融合探索，拓展乏風(fēng)瓦斯資源化利用的催化體系與工藝路線?！苯鹬切抡f。
