我国煤层气矿井中_长期抽采规模情景预测_袁亮
一第38卷第4期煤一一炭一一学一一报
Vol.38一No.4一一2013年
4月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Apr.一
2013一
一一文章编号:0253-9993(2013)04-0529-06
我国煤层气矿井中 长期抽采规模情景预测
袁一亮1,3,秦一勇2,程远平1,孟建兵3,申一建2
(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州一221116;2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州一221116;3.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,安徽淮南一232001)
摘一要:基于情景分析,探讨了我国矿井煤层气抽采规模的中 长期发展趋势三约束我国矿井煤层气抽采规模进一步提高的情景要素包括原煤产量二抽采率和吨煤抽采量,其中提高抽采率是增大抽采规模的惟一途径,仍有极大的提升空间,但需要抽采工艺与技术的进一步创新予以支撑三基于我国矿井煤层气抽采水平现状,参考相关机构对我国中 长期煤炭生产与消费量预测成果及美国主要煤矿抽采率状况,将全国矿井煤层气平均抽采率设置为30%,40%,50%,60%和70%五种情景,全国原煤产量设计为低二中二高3种情景三模拟分析了15种交叉情景下全国矿井煤层气抽采规模的中 长期发展趋势,探讨了各类情景出现的可能性,认为未来4个五年计划末期全国矿井煤层气抽采规模的最有可能情景分别为162亿,223亿,244亿,198亿m 3三其中,2025年之前抽采规模将会大幅度持续上升,然后可能趋于下降, 天花板 在245亿m 3左右三关键词:中国;煤层气;矿井抽采规模;情景分析中图分类号:P618．11;TE112一一一文献标志码:A
收稿日期:2013-02-21一一责任编辑:韩晋平
一一基金项目:中国工程院重大战略咨询课题资助项目(2011ZD19-2);国家科技重大专项资助项目(2011ZX05034)
一一作者简介:袁一亮(1960 ),男,安徽六安人,中国工程院院士三E -mail:yuanl_1960@sina．com三通讯作者:秦一勇(1957 ),男,重庆人,教
授,博士生导师三Tel:0516-********,E -mail:yongqin@cumt．edu．cn
Scenario predication for medium-long term scale of coal
mine methane drainage in China
YUAN Liang 1,3,QIN Yong 2,CHENG Yuan-ping 1,MENG Jian-bing 3,SHEN Jian 2
(1．Faculty of Safety Engineering ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 一221116,China ;2．Key Laboratory of CBM Resources and Reservoiring Process ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 一221116,China ;3．National Engineering Research Center for Coalmine Gas Control ,Huainan 一232001,China )
Abstract :Based on the scenario analysis,the middle-long term scale of the coal mine methane (CMM)drainage in China was discussed.It was suggested that the scenario keys constricting the CMM-draining scale of China include the raw coal production,the drainage rate and the drainage amount per ton of coal.Raising the drainage rate greatly is the only way to increase the CMM-draining scale but need a support from the drainage process and technology innovation.Based on the CMM-draining status quo of China,referring to the predication on the medium-long term of the coal pro-duction and consumption in China and the drainage rate of major U S coal mines,the average nationwide CMM-drai-ning rate is set into five scenarios such as 30%,40%,50%,60%and 70%,and national raw coal production into three scenarios including the low,medium and high scales.The medium-long term trends for fifteen joint scenarios of
the national CMM-draining scales were simulated,the possibility of all scenarios were discussed,and the most likely scenarios,i.e.,16.2billion cubic meters in 2015,22．3billion cubic meters in 2020,24．4billion cubic meters in
2025and 19．8billion cubic meters in 2030,were suggested.Among them,the drainage scale will be significantly ris-ing before 2025,and then may tend to decline,with a ceiling of about 24．5billion cubic meters.Key words :China;coalbed methane;mine drainage scale;scenario prediction
煤一一炭一一学一一报2013年第38卷
一一对事态由初始状态向未来状态发展的一系列事实的描述,谓之 情景 ;基于情景对某一主体未来多种可能性的分析,称为情景分析[1-3]三笔者前期分析了影响我国煤层气产业发展的情景因素[4-5],认为我国煤层气产业发展规模必然呈国家需求 技术进步双要素单向增长趋势,存在较低规模二基准规模二跨越规模3类可能的基本情景[6]三煤层气抽采包括地面原位开采(CBM)二矿井抽采(CMM)二废弃矿井抽采(AMM)3种基本方式,后者因其资源量及规模性开发前景难以确定,目前难以纳入煤层气产业序列三煤炭是我国长期的主体能源,我国煤层气产业发展必然要走地面与矿井抽采相结合的 两条腿 走路方针三鉴于这一战略背景,本文采用情景分析方法,对我国煤层气矿井抽采规模的情景因素和中 长期发展趋势进行了分析与预测三
1一情景要素分析
就矿井抽采方式而言,约束我国煤层气抽采量进一步提高的情景要素主要包括原煤产量二抽采率和吨煤抽采量三
我国是世界上最大的煤炭生产与消费大国,2010年煤炭生产量占全球生产总量的48．3%,消费量占全球消费总量的48．2%[7];到2030年,我国在全球煤炭消费量中的比例将会上升到53%[8]三也就是说,煤炭将是我国长期依赖的主体能源三2011年,我国原煤产量35．2亿t三国家能源局预测,2015年全国煤炭年需求量将达39亿t,此后在40亿t以上逐年增长[9]三据中国工程院预测,我国原煤产量2015年为40．12亿t,2020,2030年将分别达到45．03亿, 45．34亿t[10]三
在没有新增煤炭产量或新增产量地区缺乏煤层气矿井抽采价值的情况下,提高抽采率是增大煤层气矿井抽采规模的惟一途径三换言之,煤层气抽采率是影响全国矿井煤层气抽采量的最为敏感指标三国家安全生产行业标准‘煤矿瓦斯抽采基本指标(AQ 1026 2006)“规定:对根据标准应该实施抽采的煤矿,基于绝对瓦斯涌出量的不同,采煤工作面瓦斯抽采率介于20%~70%,矿井抽采率介于25%~60%三据统计,我国近年来生产1t煤平均风排甲烷(VAM) 8m3左右[11]三2010年,我国原煤产量32．5亿t,矿井抽采煤层气73．5亿m3三由此测算,我国2010年采煤活动排入大气的煤层气约260亿m3,矿井平均抽采率在22%左右三
发达国家矿井煤层气抽采率在20年前就达到较高程度三根据风排瓦斯纯量和抽采瓦斯纯量换算,美国1990 2001年矿井煤层气平均抽采率为38．32%,部分煤矿高达80%以上[12]三其中,北阿帕拉契亚盆地矿井煤层气平均抽采率为20．11%,中阿帕拉契亚盆地为66．51%,黑勇士盆地为36．42%,西部盆地群为23．40%三美国有瓦斯灾害危险性的煤矿区,在采煤之前均开展大规模的地面原位预抽采三如果考虑这一预抽采因素,美国矿井煤层气的实际平均抽采率会达到50%以上三对比之下,我国矿井煤层气抽采率仍有极大的提升空间三
矿井煤层气抽采率的另外一种类似表现形式,是吨煤瓦斯抽采量三我国近10年来矿井煤层气抽采量大幅度上升的原因,主要在于吨煤抽采量的显著提高(表1)三全国吨煤抽采量在2004年为1．02m3/t, 2010年达2．27m3/t,平均年增长量为0．18m3/t,平均年增长率为1．86%三分析发现,2004年来的吨煤抽采量和矿井抽采率的增幅并非一直呈上升趋势,均在2007年达到顶点,2007 2010年期间趋于下降三究其原因,可能在于两个方面:一是这几年相当一部分新增煤炭产量来自内蒙和陕北地区,煤层埋藏浅,多属低煤级煤,煤层含气量低,多数矿井不需要瓦斯抽采既能达到安全生产标准,一部分煤矿属露天开采而无需瓦斯抽采;另一方面,不排除需要实现新的技术突破而提高矿井瓦斯抽采率的可能性三
表1一我国2004年以来煤层气矿井吨煤抽采量和矿井抽采率情况
Table1一Data of extraction rate and extraction amount of coal mine methane in China since2004
年份
抽采量/亿m3
地面原位矿井抽采
地面井口数煤炭产量/亿t吨煤抽采量/(m3四t-1)矿井抽采率/%
20040．117．05916．671．0211．28 20050．323．027021．131．0911．98 20061．032．479623．251．3914．84 20073．344．0108125．231．7418．43 20085．055．0280027．162．0321．53 200910．261．7360029．732．0822．91 201014．573．5540732．402．2724．49 035
第4期袁一亮等:我国煤层气矿井中 长期抽采规模情景预测
一一20世纪80年代以来,我国矿井煤层气抽采技术与工艺经历了3个发展阶段,每一阶段的技术进步都显著推动了煤矿安全生产水平的跨越式提高[5]三第1阶段为1996年以前,采用传统的抽采技术与方法,通过本层短距离密集钻孔,实施未卸压区岩巷揭煤二煤巷掘进预抽采以及卸压区边掘边抽二边采边抽,同时在开采层工作面推过后利用穿层钻孔抽采上二下邻近煤层,以及利用井下插管二井下钻孔和地面钻孔开展采空区围岩抽采三第2阶段起始于1996年,针对多煤层和软煤层的地质条件,创立了不同距离保护层(解放层)卸压的采气采煤一体化模式及其配套工艺技术[13-15],推动了多煤层二构造煤发育地区煤层气矿井抽采技术难题的解决三第3阶段大致起始于21世纪初,针对单一煤层煤炭开采二含气量及涌出量极高二地面抽采与煤矿瓦斯治理严重脱节二抽采效率低而成本高等问题,创立了三区联动的煤层气(煤矿瓦斯)立体递进抽采模式,实现了抽采关键技术及其配套工艺的创新以及矿井下煤层大面积精确高效低成本抽采[16]三综合上述分析:其一,煤炭作为我国长期的主体能源,原煤需求及产量趋于增长,但新增产能和产量主要来自煤层含气量低二矿井瓦斯涌出量小的低煤级煤(褐煤和长焰煤)地区,煤炭开发 战略西移 强化了这一状况,今后若干年新增原煤产量对矿井抽采量的贡献值得考虑;其二,我国矿井煤层气抽采率提升空间极大,是矿井抽采规模预测需要考虑的一个重要因素,但需要抽采工艺与技术创新的强力支撑;其三,矿井抽采规模可能存在一个 天花板 ,理论上的吨煤抽采量 天花板 应是地面预抽后煤层残余气量,地面与矿井抽采率合计应是100%,但实际上不可能达到,因此煤矿瓦斯安全标准约束下的地面预抽采程度及抽采时效问题必须加以考虑三
2一情景设计
如前所述,影响矿井煤层气抽采规模的情景要素是原煤产量二吨煤瓦斯抽采率和矿井瓦斯抽采率三后两个要素属于平行要素,可通过煤炭产量和煤层含气量相互换算三为此,情景分析采用原煤产量与矿井抽采率组合模型递进模拟三
基于我国目前矿井煤层气抽采水平,参考国内相关机构对我国中 长期煤炭生产与消费量预测成果,结合美国主要煤矿1990年矿井抽采率状况[12],就矿井抽采规模情景要素设置如下:
(1)原煤产量设置为3种情景(表2)三情景I,参考国内相关机构和专家对我国中 长期原煤产量的预测结果[17-20],考虑我国近年来煤炭生产实际情况,相当于低原煤产量情景三情景II,基于中国工程院近期对我国中 长期原煤产量预测结果[10],结合我国2011年原煤产量达到35亿t的实际情况,相当于正常原煤产量情景三情景III,考虑国民生产总值与能源需求之间的关系,即我国GDP增长1%需要能源增长0.4%~0.5%的客观实际,属于高原煤产量情景三
表2一我国矿井煤层气抽采规模情景设计
Table2一Scenario design of coal mine methane drainage scale in China
年份
煤炭产量/亿t
情景I情景II情景III
不同矿井抽采率情景下的煤层气抽采量举例/(亿m3四a-1)
IIA:30%IIB:40%IIC:50%IID:60%IIE:70%
201030．5032．534．588117146176205 201535．040．045．0108144180216252 202040．045．050．0122162203243284 202540．045．050．0122162203243284 203040．045．050．0122162203243284
一一(2)煤层气矿井平均抽采率设置为5种情景(表2)三我国2010年矿井瓦斯平均抽采率为22%,近5年来增长显著(表1)三据调查,我国不少大型煤矿的煤层气矿井抽采率都在40%以上,某些可达50%~ 60%,如山西省有关煤业集团二淮南煤业集团二铜川矿务局二韩城矿业公司等[6]三美国1990 2001年全国煤矿的煤层气实际平均抽采率大于50%[12]三进一步而言,在投入产出比可以承受的前提下,我国矿井煤层气平均抽采率至少还有25%~30%以上的提升空间三基于这一认识,考虑抽采技术的创新发展,将煤层气矿井平均抽采率设置为30%,40%,50%,
60%和70%五种情景三其中:30%~40%抽采率略高于我国现有水平,为低抽采率情景;50%抽采率在技术进步和国家强制性要求条件下能够实现,为中等
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煤一一炭一一学一一报2013年第38卷
抽采率情景;60%~70%抽采率略高于美国1990 2001年和我国多数煤矿当前水平,在抽采技术进步的基础上可能达到,为高抽采率情景三
综合上述原煤产量(I,II,III)和矿井煤层气抽采率(A,B,C,D,E)两个情景要素,存在15种情景,分别编号为IA,IB,IC, ,IIA,IIB,IIC, ,余者依次类推,作为矿井煤层气抽采规模综合情景分析的基础三3一情景模拟
基于上述情景设计,模拟得到各类情景下今后4个五年计划末期的全国矿井煤层气年抽采规模预测结果(表3)三由此展开分析,得到如下主要认识:
表3一我国矿井煤层气抽采规模情景模拟结果
Table3一Scenario simulation results of coal mine methane extraction scale in China亿m3/a一
时间节点
低原煤产量情景(I)
IA IB IC ID IE
正常原煤产量情景(II)
IIA IIB IIC IID IIE
高原煤产量情景(III)
IIIA IIIB IIIC IIID IIIE
201595126158189221108144180216252122162203243284 2020108144180216252122162203243284135180225270315 2025108144180216252122162203243284135180225270315 2030108144180216252122162203243284135180225270315
一一(1)低原煤产量情景三矿井低抽采率(30%~ 40%)情景下,2015年全国矿井煤层气抽采规模为95亿~126亿m3,后续3个五年计划末期均为108亿~144亿m3,其中2015年的高值与国家 十二五 煤层气发展规划目标相近;抽采率达到中等水平(50%),2015年全国矿井煤层气抽采规模约为158亿m3,后3个五年计划末期均为180亿m3左右;高抽采率(60%~70%)条件下,2015年全国矿井煤层气抽采规模为189亿~221亿m3,后3个五年计划末期均为216亿~252亿m3三鉴于温室气体减排压力和其他替代能源的兴起,不排除2020年之后原煤产量略有走低的可能性三
(2)正常原煤产量情景三低抽采率(30%~ 40%)情景下,2015年全国矿井煤层气抽采规模为108亿~144亿m3,后3个五年计划末期均为122亿~162亿m3;中等抽采率(50%)水平下,2015年全国煤层气抽采规模在180亿m3左右,后3个五年计划均为203亿m3;高抽采率(60%~70%)条件下,2015年全国煤层气抽采规模为216亿~ 252亿m3,后3个五年计划为243亿~284亿m3三从我国中 长期能源供需形势分析,正常原煤产量下的矿井煤层气抽采规模情景很有可能出现三(3)高原煤产量情景三基于我国能源构成以及石油天然气供需缺口较大的现实,不排除全国原煤产量在2020年继续高走的可能性三在此情景下,在2015年以及后续3个五年计划末期,全国矿井煤层气抽采规模在低抽采率(30%~40%)情景下为122亿~162亿m3和135亿~180亿m3,中等抽采率(40%~60%)水平下可达203亿m3和225亿m3,高抽采率条件下可达243亿~284亿m3和370亿~ 315亿m3三
4一综合分析
在 十一五 期间,全国矿井煤层气平均抽采率在22%左右,考虑抽采技术进步的现实性,抽采率可能以每年2%~4%的速度增长三由此测算,2015年全国矿井平均抽采率可望达到40%~50%,2020年可能为50%~60%,2025年不排除达到70%的可能性三
我国原煤产量取决于国家能源结构二环境保护政策以及国家调控政策三高原煤产量服从市场调节,在国家能源缺口过大,且其他能源生产不足以弥补这一缺口的状况下才有可能出现,我国政府鉴于燃煤污染物减排压力,目前已开始对这一情况进行调控,高原煤产量长期存在的可能性较小三低原煤产量是国家宏观调控的结果,国际组织预测我国原煤产量在2025年之后可能下降[8]三正常原煤产量符合目前国内能源需求趋势及构成状况,是国家政策性调控与市场调节综合作用的结果三鉴于这些背景,我国原煤产量走势可能服从中国工程院近期对正常原煤情景的预测,2025年之后则可能下降到低原煤产量情景三基于上述分析,在不同时间节点上最有可能出现的情景见表4三在4个五年计划末期,全国矿井煤层气抽采规模在技术正常进步情景下分别为144亿, 203亿,203亿和180亿m3,若技术显著进步则可达到180亿,243亿,284亿和216亿m3,平均(相当于
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第4期袁一亮等:我国煤层气矿井中 长期抽采规模情景预测
技术较大进步情景)分别为162亿,223亿,244亿和
198亿m3三进一步而言,2025年之前全国矿井煤层气抽采规模将会持续上升,然后可能趋于下降, 天
花板 在245亿m3左右三一
表4一我国煤层气矿井抽采规模的可能情景
Table4一Possible scenarios of coal mine methane drainage scale in China
煤炭生产情景时间节点
技术正常进步
矿井抽采率/%抽采量/亿m3
技术显著进步
矿井抽采率/%抽采量/亿m3
平均抽采量/亿m3
实际生产数据2010317474
正常原煤产量20154014450180162 20205020360243223 20255020370284244
低原煤产量20305018070216198
5一结一一论
(1)约束我国矿井煤层气抽采量进一步提高的情景要素,主要包括原煤产量二抽采率和吨煤抽采量三其中,提高抽采率是增大煤层气矿井抽采规模的惟一途径,我国矿井煤层气抽采率仍有极大的提升空间,但需要抽采工艺与技术的不断创新予以支撑三(2)通过情景要素分析,选择原煤产量和矿井煤层气平均抽采率作为情景分析的主要指标三基于我国矿井煤层气抽采水平现状,参考相关机构对我国中 长期煤炭生产与消费量预测成果及美国煤矿抽采率状况,将全国矿井煤层气平均抽采率设置为30%,40%,50%,60%和70%五种情景,全国原煤产量设计为低二中二高3种情景三
(3)根据情景设计,模拟分析了15种情景下全国矿井煤层气抽采规模的中 长期发展趋势,探讨了各类情景出现的可能性三研究认为,未来4个五年计划末期,全国矿井煤层气抽采规模的最有可能情景分别为162亿,223亿,244亿和198亿m3三其中,2025年之前抽采规模将会持续上升,然后可能趋于下降, 天花板 在245亿m3左右三
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‘煤炭学报“是由中国煤炭学会主办二面向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物三主要刊载煤田地质与勘探二煤矿开采二矿山测量二矿井建设二煤矿安全二煤矿机械工程二煤矿电气工程二煤炭加工利用二煤矿环境保护二煤炭经济研究等方面的科研成果和学术论文三
‘煤炭学报“刊载的论文具有较高的学术价值和文献收藏价值,被Ei二IEA Coal Abstract CD-Room二中国科学引文数据库二PЖ二科学技术文摘速报二Coal Highlights二中国学术期刊文摘等国内外20多种重要文摘检索系统所收录三1992年荣获首届全国优秀科技期刊评比二等奖,获中国科学技术协会优秀学术期刊二等奖,获北京市新闻出版局二北京市科学技术期刊编辑学会全优期刊奖三1996年荣获第二届全国优秀科技期刊评比一等奖,获中国科学技术协会优秀科技期刊一等奖三1999年荣获由中华人民共和国新闻出版总署颁发的 首届国家期刊奖 三2001年入选 中国期刊方阵 ,并被评为 双奖期刊 三2008年获 中国精品科技期刊 称号三
2009年获 新中国60年有影响力的期刊 称号三2004,2007,2010,2011,2012年5次荣获 百种中国杰出学术期刊 称号三2006年至2012年获中国科协精品科技期刊工程项目资助三
‘煤炭学报“受到广大作者二读者的爱护和支持,也受到各级部门的重视,在学术水平上具有较高的地位,很多单位都将在‘煤炭学报“发表的文章作为作者学术水平考核指标之一三
‘煤炭学报“为月刊,176页,每册订价58元,全年总订价696元三欲订阅者可直接向本编辑部索取订单,编辑部随时办理订阅手续三
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