碳中和|煤矿瓦斯控排技术趋势
文/周昊王建兵苏佩东，中国矿业大学（北京），中国煤层气
甲烷作为仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体，其寿命仅有８～１０年，仅为二氧化碳的十分之一，但在其排放后二十年尺度内增温效应是二氧化碳的８４倍，百年尺度内增温效应是二氧化碳的２８倍。在我国甲烷排放过程中，煤炭开采、油气开采等能源活动排放的甲烷占比能够达到４４.８％，是最大的人为排放源。因此开展煤矿瓦斯的综合利用，能够有效推动我国甲烷减排，助力实现“双碳”目标。本文从煤矿瓦斯抽采技术、煤矿瓦斯利用技术和煤矿瓦斯控排政策三方面，对我国煤矿瓦斯抽采利用技术及政策现状进行梳理，为我国控制和减少甲烷排放工作取得显著效果提供支撑。
１ 煤矿瓦斯抽采技术
我国煤矿瓦斯的抽采经过了几十年的发展，按照治理理念可分为四个阶段：（１）局部防突措施为主阶段；（２）先抽后采阶段；（３）抽采达标阶段；（４）区域防突措施先行阶段。目前按与煤层开采的时间关系分类，可分为采前抽采、采中抽采和采后抽采三类技术，实践中根据煤层地质情况不同，组合不同技术，形成瓦斯综合抽采技术。
１.１ 采前抽采
采前抽采技术常用的有地面钻井增透预抽煤层瓦斯技术、地面丛式井组预抽技术、工作面顺层钻孔预抽、地面多分支水平井预抽技术等。
地面钻井增透预抽煤层瓦斯技术是从地表向目标煤层打垂直穿层钻孔，对煤层进行强化处理，通过排水降压使煤体中呈吸附状态存在的甲烷解析，沿着煤体的微裂隙、裂（孔）隙渗流进人井眼，利用地面抽采设备采集瓦斯。该方法较适用于有发育良好的连通割理系统的煤层，对于低渗薄煤层效果更加显著。
地面丛式井组预抽技术是指有设计地从一个进场上打出两口或两口以上的井组，该技术随着我国钻井技术和工艺的发展而逐渐成熟，已大规模应用于地面条件差的区域。
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１.２ 采中抽采
采中抽采技术包括顺层钻孔抽采技术、顶板走向穿层钻孔技术、沿空留巷穿层钻孔技术、采空区基本埋管技术、长立管埋管技术等。
顺层钻孔抽采技术是指在回采煤层过程中向煤层走向或煤层倾斜方向打孔，开采过程中抽采煤矿瓦斯。该技术一般间隔２～４ｍ打钻孔，同时可以在较厚煤层位置垂直打２～３排钻孔，钻孔深度不能超过应力集中区，一般在１０～１５ｍ左右。
顶板走向穿层钻孔技术是指在已有风巷中向煤层顶板建设斜巷，进入煤层顶板后向工作面方向打钻孔抽采煤矿瓦斯。钻孔数量一般为５～１０个，钻孔深度一般大于８０ｍ，开孔位置离煤层顶板０.５ｍ以上，钻孔一般可以抽采４０ｍ范围内的瓦斯。
１.３ 采后抽采
采后抽采技术包括密闭插管抽采技术、钻孔抽采技术等。密闭插管抽采技术是指将采空区域内的所有分道均进行密闭处理，砌筑砖和矸石的同时，使用黄泥填充，增加密闭性，整体厚度到达２～３ｍ，通过预设的管道抽采密闭区域内瓦斯。这种技术建设简单，效果良好，不受采空区大小影响，特别适用于开采结束久的大范围抽采，但对密闭性要求高。
钻孔抽采技术是直接往采空区打钻抽采瓦斯。打钻地点一般选择在采空区上部回风水平的巷道或石门中。为加强抽采效果，往往在一个工作面或一个采区结束以后，采用密闭法与钻孔法相结合的综合抽采方式。无论哪种方法，采空区瓦斯浓度宜控制在３０％以上。
２ 煤矿瓦斯利用技术
我国煤矿瓦斯利用仍处于初级阶段，利用量虽然逐年上升，但利用率仍然较低，未超过５０％，具有较大的发展空间。目前还是国有重点煤矿区的抽采技术较完善，例如抚顺、晋城、阳泉、中梁山等区域。
煤矿瓦斯综合利用已经研发出了多种技术，主要包括：①工业燃气锅炉供热；②管道集输液化天然气、压缩天然气；③低浓度瓦斯提纯；④低浓度瓦斯发电；⑤低浓瓦斯多孔介质燃烧技术；⑥低浓瓦斯蓄热氧化。实践中一般根据煤矿瓦斯甲烷含量确定合适的利用技术。
甲烷浓度高的瓦斯气中甲烷浓度高于爆炸区间，安全性良好。可以用于矿区及周边企业的工业锅炉，其经济性最佳，一般用于中、低压供气、供热水或蒸汽供热。还可以用于管道集输或制备液化天然气、压缩天然气。鉴于管道集输、压缩、液化以及后续运送的灵活性，这些甲烷很容易进入工业或民用市场，经济优势明显，但对甲烷浓度有很高的要求。
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通过采用低浓度瓦斯浓缩提纯工艺方法来提高低浓度瓦斯浓度，可以扩宽瓦斯利用途径，增大低浓度瓦斯利用价值，目前主要的提纯方法包括变压吸附法、膜分离法、液化法及瓦斯水合物分离法。经过多年的研发和探索，低浓度瓦斯发电技术已经能够达到市场化应用的程度，前期投资成本和后期运营成本都已大幅降低，能够达到良好的经济性。发电容量可以根据瓦斯来源的实际情况动态调整，建设完工快，瓦斯在原地就可以转化为电能进行远程输送，综合效率在耦合余热利用技术后能够达到７０％以上。技术成熟的工艺有往复式内燃机发电、贫燃燃气轮机发电等。
多孔介质预混燃烧是近年来发展起来的新型燃烧技术，采用了新的燃烧理论，是一种新颖独特的燃烧方式，它可以提高燃烧效率，降低污染，扩展贫燃极限，甚至可以燃烧极低浓度（＞３％）可燃性气体。低浓瓦斯蓄热氧化技术可以利用甲烷浓度为１.２％的煤矿瓦斯，原理上可有效避免回火等安全隐患，根据是否采用催化剂和不同氧化燃烧温度，低浓瓦斯蓄热氧化可分为热逆流氧化（ＴＦＲＲ）和催化热逆流氧化（ＣＦＲＲ）。
在现有的煤矿瓦斯利用技术中，煤矿瓦斯的发电技术已经非常成熟，大部分煤矿瓦斯利用的项目均是进行发电，但发电收益受煤矿瓦斯浓度及波动程度而影响。低浓度瓦斯细水雾输送、梯级氧化乏风瓦斯、瓦斯制备汽车燃料、瓦斯用作工业原料等技术已经用于煤矿实践，但由于瓦斯浓度限制，无法在大多数煤矿应用。
瓦斯浓缩技术例如ＰＳＡ技术、变压吸附法、膜分离法、液化法等大多仍处于研发阶段，仅进行了模拟实验，由于建设运行成本太高，无法工业化应用；超低浓度瓦斯在电站锅炉内与其他燃料混烧、超低浓度瓦斯代替燃气轮机或内燃机内的部分空气、乏风瓦斯作为辅助燃料等技术虽然在实验室阶段已经取得了良好的效果，但由于各种问题造成经济差，无法实现工业化应用，被其他更加成熟的低浓度甲烷利用技术所取代。
３ 煤矿瓦斯控排政策
无论是煤矿瓦斯减排技术的研发，还是企业建设煤矿瓦斯减排工程，都离不开国家政策和法规的支持或鼓励。相比于国外发达国家，我国煤矿瓦斯控排技术的研究时间相对较短，相关经验积累较少，因此通过收集、归纳、总结国外煤矿瓦斯控排政策，能够为制定更适合我国国情的煤矿瓦斯控排政策提供宝贵经验。
３.１ 国外瓦斯控排相关政策
发达国家的煤矿瓦斯控排政策详见表１，从中可以看出发达国家煤矿瓦斯控排对策的发展历程基本相同，首先都是建立相应的法律法规鼓励和支持企业开展煤矿瓦斯利用项目建设，通过税收优惠、经济补贴等政策吸引更多企业开展煤矿瓦斯控排项目的建设，最后通过科研资助鼓励科研工作者研发更加高效的煤矿瓦斯利用技术。经过多年的发展，国外的煤矿瓦斯已经不再局限于煤矿现场使用，已经成为了人们生产生活中常见的清洁能源之一。
３.２ 我国煤矿瓦斯控排相关政策
我国煤矿瓦斯控排政策的研究虽然起步较晚，但随着这些年的发展，也已经形成了一定的政策体系，我国部分煤矿瓦斯控排政策见表２。
我国瓦斯控排相关政策最初是以提高资源回收利用和保障煤矿安全为目的制定的，重点关注瓦斯抽采利用和煤层气资源开发，目前已经提升为应对气候变化层面，更加重视甲烷等非二氧化碳温室气体排放的控制。在政策的支持下，我国煤矿瓦斯的开发与利用技术逐步突破、资源基础不断夯实、产业规模不断增长，２０２２年第一季度，全国煤层气产量达到２３亿ｍ３，同比增长约２０.８％。
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４ 结论与展望
我国煤矿瓦斯的控排工作能够有效的推动我国“双碳”目标的实现。根据煤矿的实际情况选择有效的抽采技术，能够有效的减少瓦斯泄露，提升抽采量。煤矿瓦斯利用技术中，煤矿瓦斯的发电技术、低浓度瓦斯细水雾输送、梯级氧化乏风瓦斯是目前已经得到广泛应用的煤矿瓦斯利用技术。
对于我国煤矿瓦斯控排政策，甲烷排放涉及能源、农业、城管等多部门，管理主体多样、行业间管控措施差异大，因此政策和措施应该统筹制定；建立完善的煤矿瓦斯控排项目管理流程，鼓励实施煤矿瓦斯利用分包模式；积极调整煤矿瓦斯排放标准，逐步实现９％以上浓度煤矿瓦斯的更好利用；积极引导乏风甲烷利用；继续优化抽采销售煤层气实行的增值税先征后退政策的补贴渠道，缩短退税周期，提升企业积极性。