山西煤层气资源综合开发利用研究Word文档下载推荐.docx
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表1-1为计算结果。
表1-1：
CO2/CH4
原煤（t）
变质作用产物
煤（t）
水（kg）
CO2（m3）
CH4（m3）
2/1
褐煤（1.135）
亮褐煤
（1）
40
83（86）
12（21）
亮褐煤（1.145）
气焰煤
（1）
43
66（36）
36（55）
长焰煤（1.2）
贫煤
（1）
8.2
69（38）
69（105）
5/10
长焰煤（1.3）
1.0
170（94）
120（181）
贫煤（1.08）
无烟煤
（1）
8.1
62（34）
67（97）
俄学者波.莫脱根据3000多个试样的分析资料，编制了在成煤过程中发生的煤质结构变化和化学反应（表1-2），并查明了化学反应可能产生的产物和煤化作用过程中的重量损失。
他用实验方法证明了在成煤过程中，1吨木质转化成无烟煤阶段能产生324m3甲烷。
在未计木质转化成褐煤的过程中放出甲烷的情况下，形成1吨无烟煤将产生272m3的甲烷。
此结果正与克.帕捷斯基的数据吻合。
表1-2：
变质阶段
含碳量%
反应产物
以木质初始数量为100%的剩余量
含碳量增加1%时损失的重量%
形成瓦斯的数量（m3/t）
CH4
CO2
木质-泥煤-褐煤
50-65
64H2O+8CH4+CO
73.5
1.77
38.2
4.2
褐煤-弱煤化作用
65.79
53.4
1.93
-
46.7
弱煤化作用的烟煤——
中等程度煤化作用的烟煤
79.85
1.42H2O+0.43CH4+CO2
47.4
1.59
13.5
34.5
中等煤化作用的煤
85.88
5H2O+3CH4+CO2
45.1
1.63
14.4
2.9
半无烟煤
88.92
1.45H2O+5.8CH4+CO2
41.3
12.2
半无烟煤-无烟煤
92.65
36CH4+H2O
37.2
3.66
145.5
原苏克.依.巴托里采夫等三人计算了各种煤成煤过程中所生的甲烷量（表1-3）。
表1-3：
煤的牌号
形成煤（百亿吨）时所生成的
CH4量（百亿m3）
褐煤
38
长焰煤、气煤
80
肥煤、焦煤、瘦煤
140
贫煤、无烟煤
200
原苏符.依.叶尔马柯夫根据苏联煤田1800米深处煤的储量来计算，就有15万亿m3甲烷（表1-4）。
表1-4：
煤变质程度
煤的储量（百亿m3）
形成煤（百亿吨）时所放出的
生成的CH4总量
（百亿m3）
无烟煤
0.54
480
226
瘦煤
333
180
粘结性瘦煤
0.65
287
186
焦煤
270
170
肥煤
230
150
气煤
0.82
212
175
长焰煤
1.80
褐煤
3.0
68
205
2、煤层气藏的条件
煤层气藏是在压力封闭作用下,吸附煤层气达到相当数量的煤岩体或煤层,是煤层气聚集和煤层气勘探开发的基本地质单元。
煤层气藏的成藏要素主要包括煤层条件、压力封闭和保存条件。
煤层条件是煤层气藏形成的物质基础,压力封闭是煤层气藏的必要条件，保存条件是煤层气藏从形成到现今能够存在的前提。
煤层气与煤是同体共生、共存的伴生矿藏，仅是赋存状态不同。
含煤盆地不一定是煤层气盆地,现今保存的含煤盆地不一定都赋存有可供开采的煤层气,只有能够形成煤层气藏的含煤盆地才能称其为煤层气盆地,才含有煤层气。
煤层需要具有较高的含气量、较好的渗滤性能和完善的封盖条件,才能形成煤层气藏。
煤层含气量及煤层气可采性是决定煤层气能否成藏的重要条件。
控制煤层气含量的主要地质因素有：
煤变质程度,埋藏深度,煤层顶、底板岩性,以及断裂构造情况等,其中煤变质程度起着根本性作用。
煤在形成过程中由于温度及压力增加,在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。
煤岩变质分为3种类型,一是深成变质,二是岩浆热变质,三是构造应力变质。
只有变质适度的煤岩层才能形成煤层气藏。
从泥炭到褐煤，每吨煤产生68m3煤层气；
从泥炭到肥煤，每吨煤产生130m3煤层气；
从泥炭到无烟煤每吨煤产生400m3煤层气。
控制煤层气可采性的主要地质因素有：
煤层渗透率、相对渗透率、煤等温吸附特征、地层压力及煤的含气饱和程度,其中煤层渗透率是最主要的影响因素。
90%的煤层气资源储藏在早中侏罗纪、石炭纪和二叠纪的煤层中。
其中中侏罗纪煤层厚度大，并分布稳定，煤质、煤阶和渗透率最适合于煤层气的生成、储存和开发，地质条件较为有利。
3、煤层气逸散规律
由于甲烷的迁移和散发过程，导致许多煤不含甲烷。
煤层气作为一种天然气形成后，在地质历史条件中由于扩散作用，使其中的甲烷逸出而到达地表。
据有关计算，在1亿年内，甲烷分子穿过地层的扩散距离为8-1500m。
这种作用虽然缓慢，但却一直在自发的进行着。
在漫长的地质年代中，煤层中甲烷不断向大气中逸散，造成煤层甲烷垂向分带性。
瓦斯的主要成因随煤层气沉降深度而变化，形成了四个瓦斯带。
氮——二氧化碳瓦斯带、氮气瓦斯带、氮——甲烷瓦斯带和甲烷瓦斯带。
上层瓦斯带内有两种主要成分：
二氧化碳气和氮气，它们的含量为20—80%。
除了上述两种成分外，还有轻质和重质稀有气体。
重质气体的总含量不超过1.5%，轻质气体的总含量小于0.001%。
在少数气体试样内发现甲烷含量一般不超过10%。
在氮——二氧化碳瓦斯带范围内，其成分随深度的变化是二氧化碳气体绝对含量或均匀减少，或开始增长而后减少。
氮气的百分含量，同重质稀有气体一样，随着深度加深而增加。
几乎每个煤矿床内均确定有氮—二氧化碳瓦斯带，它与地质结构、煤的变质阶段和区域的瓦斯含量无关。
煤层内二氧化碳煤层内二氧化碳气体的绝对含量随着深度的增加而逐渐减少，而导致氮气成为主要成分，其浓度接近或超过80%，于是氮—二氧化碳瓦斯带就转变成氮气瓦斯带。
氮气瓦斯带的瓦斯内含有下列成分：
氮气为76-99%。
二氧化碳（以及甲烷）为0-20%，重质稀有气体为0.6-1.88%。
由于二氧化碳的减少并没有得到增长的氮气的补充，所以这个瓦斯带的瓦斯总绝对数量少。
在大多数的区域内都发现了氮气瓦斯带，在它的下限煤田区域内不稳定。
例如：
在顿巴斯西部地区氮气瓦斯带位于60-150m深处。
氮气瓦斯带的瓦斯成分变化如下：
上部由于减少了二氧化碳气体的绝对含量，氮气的相对含量随深度加深而增加。
下部氮气的绝对含量减少。
但出现了甲烷，它的含量随深度的增加，由此形成了氮——甲烷瓦斯带。
氮——甲烷瓦斯带内，氮气以及甲烷含量的变化范围在20-80%之间，二氧化碳气体含量变化为0-20%，重质稀有气体含量的变化为0.3-0.8%。
在有些地区内。
只要发现煤矿巷道内有少量甲烷，就能肯定该地区存在氮—甲烷瓦斯带。
在大多数情况下此带位于缓倾斜层地区，垂直空间24-30m。
下部氮气的绝对含量减少，但出现了甲烷，它的含量随深度加深而增加，由此形成了氮—甲烷瓦斯带。
氮—甲烷瓦斯带内，氮气以及甲烷含量的变化范围在20—80%之间，二氧化碳气体含量的变化为0—20%，重质稀有气体含量的变化为0.3—0.8%。
在所有地区内，只要发现煤矿巷道内有少量甲烷，就能肯定该地区存在氮一甲烷瓦斯带。
在大多数情况下此带位于缓倾斜层地区，垂直空间24—30m。
在氮一甲烷瓦斯带的范围内，瓦斯成分的变化特点如下：
氮气的绝对和相对数量随深度加深而减少，甲烷随深度加深而增加，以最终形成甲烷瓦斯带而告终，其中甲烷的含量超过80%，在很深处的所有气体实际上全是甲烷，附带混入为数不多的二氧化碳、氮和稀有气体。
在大多数的矿区内，找不到混合组成的瓦斯，即二氧化碳、氮气、甲烷三种主要成分浓度超过20~30%，也未发现二氧化碳瓦斯带转向甲烷瓦斯带时组成的瓦斯，发生的所有相互转移过程都是在甲烷含量很少的情况下从二氧化碳气体向氮气瓦斯带，在二氧化碳气体含量很少的情况下从氮气瓦斯带转向甲烷瓦斯带，即不可能同时存在大量的二氧化碳和甲烷（大于15—20%）
有学者将前三个瓦斯带合并成一个瓦斯风化带。
准确地确定这个瓦斯风化带有极重要的意义，因在这个带内，煤矿巷道的甲烷涌出量实际上不超过2m³
/t,所以通风也就没有多大困难。
在这个瓦斯带内也没有记录过煤的突出、煤岩突出和瓦斯突出的情况。
只有开采进入沼气带后，巷道瓦斯涌出量才随开采深度增加而增加。
瓦斯风化带的下部边界可按下列指标确定：
（1）沼气浓度为CH4=80%；
（2）沼气压力为P=1.0-1.5大气压；
（3）沼气含量为W=1.0-1.5%m³
/t（长焰煤）、W=2-3m³
/t（气煤）、W=3-4m³
/t（肥、焦煤）、W=4-6m³
/t（瘦煤和无烟煤）。
现代的瓦斯风化带深度是煤田长期形成发展的结果，它和以下一系列地质因素有关：
取决于含煤地层排放瓦斯时间长短。
排放时间越长、瓦斯风化带宽度就越大；
取决于含煤地层错动程度。
错动程度越高，煤层排放瓦斯的不均匀性和排放深度就越大；
取决于含煤地层遭受风化剥蚀的程度。
风化剥蚀可使含煤地层沼气范围扩大或局部消失；
取决于覆盖层的厚度和致密程度。
对不同矿区，煤层的瓦斯风化带深度变动很大。
（表1-5、表1-6）
表1-5：
煤田和矿区
矿井
煤的牌号
平均倾角（度）
瓦斯风化带深度（m）
抚顺
龙风
气煤、长焰煤
90
胜利
30
188
老虎台
北票
台吉
60
125
涟邵
立新
贫煤
130
焦作
焦西
南桐
鱼西堡
表1-6：
瓦斯风化带深度（米）
瓦斯涌出量梯度（米/米³
/吨）
500
30~40
半肥煤
450~500
20~25
150~200
15~20
100~150
10~15
50~100
5~10
在地质勘探工作中，测定和预测煤岩瓦斯含量的工作细则所采用的瓦斯带分类列于（表1-7）。
表1-7：
TY——重质烃类
带
煤层气内主要气体的化学组成
巷道中相对甲烷逸出量（m3/t）
地下水的化学组成
N2%
CH4+TY
%
m3/t
氮—二氧化碳瓦斯带
0-50
50-100
2.0
无
碳酸氢钙（钙—镁）
二氧化碳—氮瓦斯带
碳酸氢盐（钙）和硫酸盐—碳酸氢盐（钠、钙）
甲烷—氮瓦斯带
1
0-20
0.5
碳酸氢盐—硫酸盐（钠）和碳酸氢盐（钠、钙）
氮—家瓦斯带
50-80
5
2-3
碳酸氢盐（钠—钙）和碳酸氢盐（钠）
甲烷瓦斯带
80-100
2-5
0-5
超过2-3
碳酸氢盐（钠）—碳酸氢盐—氯化物（钠）
二、山西省煤层气资源情况
1、山西煤层气资源量概况
山西煤炭资源丰富，开发条件优越，查明煤炭资源储量占全国总量的1/4以上。
山西含煤地层以石炭二叠系为主，为多煤层组成，主要可采煤层（煤层气为主力煤层）厚度大，分布稳定。
据估算，山西省煤层气资源量占全国总量的1/3左右。
经计算山西省煤层气资源总量为9.96万亿m3，其中沁水聚气盆地6.14万亿m3，河东聚气盆地2.80万亿m3，宁武聚气盆地0.64万亿m3，大同聚气盆地0.48万亿m3。
总体而论，山西煤层气品质具体优点如下：
埋藏浅（<
1500m）,可采性好（≥60%），CH4含量高（>
95%），CO2<
1%，N2<
3%，不含硫及C-2以上重烃，热值>
8000大卡/m3，含气量5.0-38.7m3/t，平均15.5m3/t，渗透率一般在1.0毫达西以上；
资源丰度1.7-2.8亿m3/km2。
2、煤层气资源的分布特征
⑴山西煤层气的分布受地质构造控制，山西石炭二叠系成煤前的构造背景为统一煤盆地，煤层厚度总体北厚南薄、西厚东薄。
晚三叠纪后，即燕山运动前，煤层埋深总体北浅南深，西部较浅，东部较深。
燕山运动吕梁-五台隆起，将山西地域分为4个聚气盆地（含6大煤田），即大同聚气盆地（大同煤田）、宁武聚气盆地（宁武煤田）、河东聚气盆地（河东煤田）、沁水聚气盆地（西山煤田、霍西煤田和沁水煤田），每个聚气盆地均为独立的煤层气成藏系统。
煤层的含气性总体南部优于北部、东部和西部优于中部。
且在各个聚气盆地中均表现为由浅向深，煤层含气量增大。
由于煤层厚度和含气性的综合因素，煤层气资源丰度以大同聚气盆地最高，为4.82×
108m3/km2，其次为宁武聚气盆地，为3.62×
108m3/km2。
（见图2-1）
⑵山西煤层气分布与煤级的展布具有明显的一致性随着煤变质程度的增高，煤层的生气量和吸附量也相应的增大（至Romax＞6%）。
山西煤变质存在2条岩浆热变质带，即北纬38°
带和35°
～36°
带，位于这2条带上的煤层变质程度较高，为焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤，煤层含气量较大，煤层气丰度也相应较高。
如山西中部三交-柳林、邢家社、寿平、和顺等含气区，煤层气丰度为3.03～3.46×
南部大宁-吉县、沁南虽煤层含气量较高，但因煤层厚度较小，煤层气丰度为2.27～2.31×
在每一个聚气盆地中，煤变质程度由周边向腹地逐渐增大，而煤层含气量也相应增大。
三、煤层气（煤矿瓦斯）是一把双刃剑
1、温室效应的罪魁祸首
甲烷是6种温室气体之一，它的温室效应是二氧化碳的21倍，对地球大气臭氧层的破坏是二氧化碳的7倍。
煤矿开采时向大气排放的甲烷是造成全球气候变暖的重要因素之一。
我国约75%的甲烷排放来源于煤矿开采时瓦斯的排放。
目前，煤矿开采每年向大气中排放的甲烷量高达244亿m3，占世界煤炭开采排放甲烷总量的43%。
随着我国经济的快速发展和人口的继续增长，我国煤炭消费总量将继续增加，2020年我国煤炭产量将达到35亿吨，届时煤矿瓦斯排放将超过350亿立方米，这相当于每年增加3.5亿吨以上的二氧化碳排放，使得全球温室效应更加严重。
显然，大量的低浓度煤矿瓦斯向大气排放，不仅对我国自然气候以及粮食产量等与人民生活息息相关的方方面面产生直接影响，也将间接对全球气候产生不利的影响，另外对于在不久的将来我国开始履行温室气体减排的承诺也是一个重大压力。
2、煤矿安全的最大隐患
在我国现有煤矿中，除山东大部分矿井为低瓦斯矿井外，其他地区的矿井瓦斯含量均较高，造成死亡事故在煤矿各类事故中居首位。
仅以我国“十五”期间煤矿发生的特别重大事故7起为例，每次死亡人数都超过150人，其中瓦斯事故6起，死亡931人。
煤矿生产中发生的各类事故中，瓦斯事故死亡人数在总事故死亡人数中所占比例最大，远高于其它事故的死亡人数，是煤矿生产最大的安全隐患。
表3-1列出了2004-2008年山西省大型煤矿事故的情况。
瓦斯事故占总事故比例的25.0%～40.0%，平均32.6%。
瓦斯事故的死亡人数占总事故死亡人数的39.3%～67.5%，平均61.1%。
由表可见随着国家对煤矿安全生产监督检查力度的不断加大，2006年以来煤矿瓦斯事故也呈下降趋势，死亡人数也随着下降。
但是从列表中可以看出，煤矿瓦斯（甲烷）仍然是煤矿安全的第一杀手，它对煤矿工人的生命安全构成最大的威胁。
表3-1：
2004-2008年山西煤矿大型事故瓦斯事故统计表
年份
事故总起数
其中：
瓦斯事故起数
所占比例
死亡总人数
瓦斯事故死亡人数
2004
36
12
33.3%
296
195
65.9%
2005
11
25.0%
305
227
74.4%
2006
31
10
32.3%
290
114
39.3%
2007
25
40.0%
348
235
67.5%
2008
15
112
54
48.2%
合计
147
48
32.6%
1351
825
61.1%
3、清洁能源的重要组成
现在世界能源结构中所利用的化石能源主要是煤炭，其次是石油和天然气。
根据国际上通行的能源预测，石油将在40年时间内枯竭，天然气将在60年内用光，煤炭也只能用220年。
人类必须节约使用有限的能源资源。
对于我国，虽然地大物博、资源丰富，能源资源总量居世界第三位，但由于人口众多，人均能源资源相对匮乏，目前已成为世界上第二大能源消费国（见表3-2）。
因此，促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义。
表3-2：
世界主要国家能源消费情况单位：
百万吨油当量
美国
中国
俄罗斯
日本
德国
法国
印度
世界
一次能源
消费量
2361.4
1683.4
692.0
517.5
311.0
255.1
404.4
11099.3
21.3%
16.8%
6.2%
4.7%
2.8%
2.3%
3.6%
100.0%
资料来源：
BP世界能源统计2008
从资源利用的角度来说煤层气（煤矿瓦斯）是非常优质的清洁能源。
纯甲烷的发热量为8600kcal/Nm3。
一立方米甲烷的燃烧值相当于1.33公斤标准煤。
我国每年有将近250亿立方米煤矿瓦斯放空，相当于白白燃烧掉1250万吨的标准煤。
随着我国煤炭消费量的增加，到2020年我国煤矿瓦斯排放将超过350亿立方米，相当于每年向空气中排放1750万吨的标准煤，不仅污染了空气，也浪费了大量的宝贵资源.
煤层气（煤矿瓦斯）不仅热值高，而且不含硫、氮等杂质，既可与常规天然气混输混用，也可用于生产合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、甲醛、二甲醚等化工产品，也可经压缩作为汽车燃料或生产液化煤层气。
因此煤层气（煤矿瓦斯）综合开发利用可起到一举两得的作用，既可保证煤矿安全生产，又可减少温室气体的排放，保护我们的家园地球，还能改善能源结构，减少大气污染，节约能源。
4、市场前景的巨大潜力
瓦斯气的综合治理从节能的角度考虑具有重要的战略意义，同时可以产生直接的经济效益。
2005年2月16日正式生效的《京都议定书》使得CO2排放量（AAU）和减排单位（ERU）不仅可以用来抵减，同时也可以进入流通市场进行金融交易。
现在，国际上已经形成了一个以减排废气为商品新兴的国际碳交易市场，减排额成了投资界的热门商品。
根据中国CDM信息中心提供的最新数据，碳交易的指导价格现在为每吨51.21元。
近期，英国能源效用中心能源协会完成了一笔为数100万吨的减排额交易，成为二级市场最大的买方行为。
2008年1月1日正式启动的欧盟排放交易，前6个月交易的排放量和减排单位已达到2400万吨，交易价格从1月份的每吨7.8美元上升到二月份的11.4美元，随着世界碳交易量的增加，主要交易国家将陆续建立排放贸易体系，加拿大、新加坡等国已提出了近期开设碳交易市场的计划。
据世界银行估计，2008-2012年全球碳交易需求量为7-13亿吨，交易值可为每年140-650亿美元。
四、山西省主要矿区乏风排放煤层气情况
通风瓦斯俗称“乏风”，是指甲烷浓度低于1％的煤矿瓦斯。
由于其甲烷含量极低，如果进行分离提纯，耗能要远远超过获取甲烷的能量，很不经济。
这种浓度的甲烷也不能直接燃烧，所以长期以来只能空排。
据调查，2007年我国煤矿瓦斯共产生244亿m3纯甲烷，其中通风瓦斯形式排放200亿m3，抽取44亿m3，仅利用约13亿m3。
.其通风瓦斯排放居世界第一位，大约是全球瓦斯排放总量的三分之一。
山西省煤层气储量至少有1000亿立方米。
从煤矿的安全生产考虑，过去一直将煤层气作为矿井的危险气体随煤炭开采排空，既浪费资源又污染环境，因此，完全有必要对瓦斯气进行综合利用。
山西省每年采煤向大气排放甲烷量为48.4亿m3,从乏风气排入大气中的甲烷量估算达34亿m3，利用量仅为4.79亿m3，占总排放量的9.9%。
据调查统计，2005年山西省各个地区的煤炭产量及其相应的瓦斯相对涌出量如表（4-1）所示。
2005年山西省煤炭产量为52642万吨，
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