煤炭开发过程中矿产资源二次利用潜力巨大
2007-04-05 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
煤炭是我国的最主要能源，它在社会经济发展中发挥着极其重要的作用。煤炭的开发和利用，既对社会经济起着巨大的推动作用，同时也对环境产生了重大影响。煤矸石和煤层气就是煤炭开发过程中产生的主要废弃物，长期以来被煤炭工业视为有害物质和灾害性气体。党的十一届三中全会以后，随着经济体制改革的不断深化和我国工农业的健康快速发展，在能源日趋紧缺的情况下，人们逐步意识到这些废弃物尚有可供利用的一面。特别是近二十多年来，煤炭部门在煤矸石和煤层气的开发利用方面做了不少探索和生产试验，取得了一批成果。实践证明，只要转变观念，加强科学研究，因地制宜注意开发，煤炭生产过程中的矿产资源二次利用不仅是完全可行的，而且潜力巨大；不仅可以化害为利、变废为宝，且可以节约能源，并获得重大的社会和经济效益。
煤矸石的综合利用
（一）煤矸石对环境的危害
煤矸石主要是由炭质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩等岩石组成的混合物。其矿物组成主要有高岭石、蒙脱石、长石、伊利石、方解石、黄铁矿、水铝石和少量稀有金属矿物等组成，元素组成多达数十种。尽管煤矸石的成分复杂，但绝大多数煤矸石除含少量炭质外，主要以硅、铝为主，其次是硫、铁、钙、镁、钠、磷、钛等元素。
按煤矸石的来源可分为掘进矸石和选煤矸石两大类。煤层结构和厚度的变化、采煤方法和选煤工艺不同，对煤矸石的排放量有直接影响，一般占煤产量的 10～20%。由于煤矸石来源不同和产出地区的差异，其成分和性质变化很大。例如，煤矸石的灰分一般在70～85%，最高可达90%以上；固定碳含量一般在5～25%；发热量一般在3.3～6.3MJ/ kg。煤矸石的硫含量与原煤硫含量密不可分，例如，开采华北地区太原组煤层和西南地区龙潭组煤层排出的矸石，含硫量就较高，个别可达8～16%。
煤矸石废弃、堆积对环境的危害很大：侵占大量土地，影响生态，破坏景观；矸石山的淋溶水（酸性水）污染地下水源和江河，危害农作物和水产养殖业；由于煤矸石中有硫化铁和含碳物质存在，还会自然发火，排放大量烟尘，严重污染大气，损害人体健康，抑制植物生长，腐蚀建筑物结构；个别煤矸石山还有发生爆炸和崩落事故的隐患，对矿区安全构成严重威胁。
我国不仅是世界产煤大国，也是煤炭消费大国。目前全国历年累计堆放的煤矸石约43 亿吨，规模较大的煤矸山有1600 多座，占用土地约1.5 万公顷。2004年煤炭产量达到19.56 亿吨，按煤产量10%的低排矸量计算，当年排放煤矸石就达1.96 亿吨。今后煤炭产量还将逐年增长，排矸量也在逐年增加，加上以往积存的煤矸石，其数量相当巨大。因此，这已是一个刻不容缓、亟待研究解决的重要社会问题。
（二）煤矸石的利用途经
如何将煤矸石变废为宝？国内外已经开发出许多利用途径。基本原则是在查明煤矸石性质的基础上，区别对待，使其物尽其用，并将各种利用途径结合起来，形成一定的开发规模和综合利用系统，从而获得最佳的经济效益。根据我国的实际情况，其用途大致有五个方面：
1．煤矿井下充填。在逐步改革采煤工艺的基础上，运用煤矸石在井下直接充填采空区或者在地面经加工后充填井下采空区。
2．煤矿地面塌陷区充填、复垦造田和铺路。
3．煤矸石发电。含炭质较多，发热量较高的煤矸石，可用作流化床和循环流化床发电。
4．生产煤矸石砖、水泥和轻质骨料等建筑材料。
5．从煤矸石中提取硫精矿和其它化工产品。
（三）综合利用煤矸石的初步效果
据不完全统计，我国煤炭企业目前有煤矸石电厂120 余座，装机容量184 万KW；年发电量87 亿KW·h，煤矸石砖厂129 座，年生产能力30 亿块（折标砖）；煤矸石和粉煤灰水泥厂163 座，年生产能力1250 万吨。截止到2002 年，全国煤矿综合利用煤矸石约4200 万吨。其中，煤矸石发电2800 万吨，煤矸石水泥300万吨，煤矸石制砖1000 万吨，其他耗用100 万吨。另外，用于井下充填、复垦造田、筑路等处理煤矸石5600 万吨。总计利用和无害化处理煤矸石约9800 万吨，占当年煤矸石排放量的50%。
我国综合利用煤矸石的历史不长，基础较差。总的社会和经济效益还不够理想。但是，从一些实践单位取得的初步效果来看，前景非常广阔。
1．煤矸石发电取得明显成效
黑龙江鸡西滴道矸石电厂是我国第一座容量最大的煤矸石电厂。先后安装了三台我国自己研制的130 吨/时流化床锅炉和两台2.5 万KW 汽轮发电机组，每年燃烧煤矸石约60 万吨，发电2.2 亿度。
重庆永荣矿务局是全国首家利用煤矸石沸腾炉发电的单位，核定装机容量2万KW。从1978—1994 年已发电12 亿KW·h，耗用煤矸石等低热值燃料200 万吨以上，生产灰渣砖4 亿块、水泥20 多万吨。
建成于上个世纪未期的山东新汶协庄煤矿矸石热电厂效益尤为突出。目前发电量保持1.6 亿KW·h 以上，年消耗煤矸石30 万吨。同时还建起了免烧砖厂，每月生产免烧砖30 多万块，消耗粉煤灰6000 吨。又将炉渣用作建材原料和铺路，用灰渣替代沙子用于井下喷浆等等。该矿煤矸石热电厂建成后，实行热电联供，年节约原煤4 万吨，少支付电费1.2 亿元以上，节省煤矸石堆放占地25 亩，安置待业和下岗人员733 人。既节约了资源，又收到了良好的社会、经济和环境效益。
2．用煤矸石生产新型建筑材料取得突破
山东新汶矿务局泰山机械公司开发生产的真空硬塑制砖机，以煤矸石、粉煤灰为原料，利用煤矸石自身的发热量进行焙烧，生产出了承重空心砖和非承重空心砖。该产品符合国家对新型墙体材料的要求，具有广阔的发展前景。
山西阳泉矿务局用该地自然煤矸石为骨料，配入矸石砂、硅酸盐水泥制成200—300 号煤矸石混凝土，其物理性能和质量符合有关规定。用自然煤矸石生产的混凝土比普通混凝土的密度低20%，是高层建筑的优质材料。
山西潞安矿业公司新型墙体材料厂建成了国内产量较大、自动化程度较高的煤矸石制砖生产线，每年可以生产1.3 亿块标准砖，处理煤矸石30 万吨。生产的煤矸石砖强度高、热阻大、隔音好，可降低建筑物墙体厚度，减少用砖量。同时由于外观整洁、抗风化能力强、色泽自然，可以省去抹灰、喷涂等工序，降低建设和维护成本，与传统粘土砖相比有着更高的性价比和更强的市场竞争力，其经济效益和生态效益都非常显著。
3．从煤矸石中提取硫精矿和其他化工原料取得初步成效
重庆南桐矿务局干坝子选煤厂从高硫煤矸石中提取硫精矿取得成功。入洗矸石含硫10～31%，主要成分为黄铁矿硫。采用重介法分选选出：含硫35%、含碳小于8%的硫精矿；灰分45～50%的泥煤和尾矿三种产品。
河北开滦唐家庄矿选硫车间，1985 年初投产。入洗矸石含硫为3.98%，主要成分为黄铁矿硫。经洗选产出四种产品：含硫30～35%、含碳小于8%的硫精矿；发热量14.63MJ/kg 可作燃烧用的动力煤；发热量6.27MJ/kg 的低热值燃料和矸石。
辽宁南票矿务局与煤炭科学院抚顺分院合作，从煤矸石中提取结晶氯化铝、固体聚合铝、水玻璃、白炭黑等多种化工产品获得成功。目前，年产万吨结晶氯化铝、固体聚合铝的生产装置已建成投产，年产值达千万元以上。该项研究成果曾获得1986 年国家发明四等奖。
煤层气的开发利用
（一）煤层气对煤炭生产和环境的危害
在开采煤炭的过程中，从煤层及其顶底板岩石中散发出来的各种气体，我国煤炭行业习惯上称为矿井瓦斯。煤是一种有机质高度富集的可燃有机岩，矿井瓦斯是煤化作用过程中有机质所生成并滞留在煤层中的少部分气体，而大部分气体从煤层中排出，径运移、聚集并在适当条件下形成非常规天然气藏，称为煤成气，它是当前寻找勘查的主要对象。由于矿井瓦斯和煤成气均来源于煤层，故又统称为煤层气。
煤层气的主要成分是甲烷，俗称沼气，其次是二氧化碳和氮气，另外还有微量或少量的重烃类气体和氢、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。
矿井瓦斯对煤炭生产的危害很大。我国根据正常生产情况下，平均每产1 吨煤涌出的瓦斯量来划分煤矿的瓦斯等级。小于或等于每吨10m3 的为低瓦斯矿井，大于每吨10 m3 的为高瓦斯矿井，曾经发生过煤与瓦斯突出的为突出矿井。我国煤矿属于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占48%，因此，发生瓦斯事故的频率很高。长期以来，瓦斯事故在我国煤矿事故中的比例一直居高不下，也是世界煤矿瓦斯灾害最严重的国家。据有关部门统计，2001—2004 年10 月，我国煤矿共发生一次死亡10 人以上的特大事故188 起，平均每7.4 天一起，而其中瓦斯事故比例高达90%。特别是进入2004 年四季度以来，相继发生了河南郑州煤业集团大平矿“10·20”煤与瓦斯突出引发的瓦斯爆炸、陕西铜川陈家山煤矿“11·28”瓦斯爆炸等特别重大事故，一次伤亡100 人以上，给煤炭生产带来严重威胁，给人民群众生命财产造成重大损失，社会影响恶劣，经济损失惨重。
另外，煤层中的甲烷是一种重要的温室效应气体，而且其浓度增高后，使对流层中的臭氧增加，平流层中的臭氧减少。臭氧层减少，能使照射到地球上的紫外线增加，从而诱发皮肤癌、皮肤老化、眼疾、色盲等危害人类的疾病。因此，减少煤层甲烷（瓦斯）向大气中排放，对稳定大气中的甲烷浓度，缓解温室效应的影响，保护人类健康具有十分重要的现实意义。
（二）煤层气的利用途径
矿井瓦斯是有害气体，同时也是一种天然资源。为了降低煤矿井下的瓦斯含量，防止煤与瓦斯突出，目前常用的一种主要方法是矿井瓦斯抽放，即在煤层开采前或开采过程中，在井下采掘巷道中打水平钻孔穿入煤层，在地面通过瓦斯泵造成负压来进行抽放。我国辽宁抚顺和山西阳泉等一些高瓦斯矿区都建立了专门的瓦斯抽放和利用系统，采取了许多预抽放措施，不仅使矿井安全生产得到了保障，同时还获得了显著的经济效益。矿井瓦斯具有广泛的利用途径：
1．用于发电。用抽放出来的矿井瓦斯做燃料，可用于燃气轮机和蒸气轮机组成的联合循环发电厂发电。
2．工业和民用燃料。瓦斯在燃烧过程中不产生烟尘和SO2 气体，是工业锅炉、民用取暖和炊事用气的洁净、高效能源。
3．化工原料。可以用来制造氨、尿素、化肥、炸药和甲醇等。
4．交通运输燃料。将甲烷与柴油制成混合燃料，供汽车使用，可提高燃烧效率，降低废气排放，减轻对环境的污染。
（三）开发利用煤层气的初步效果
1．瓦斯抽放和利用在一些矿区获得了显著效益
在煤矿井下抽放瓦斯，除地质构造因素外，还受制于采矿工程及其进度、抽放方式等诸多因素的影响。由于瓦斯分布的不均衡性，目前主要在高瓦斯矿区开展抽放工作。因此，总体来说，开发量不大，2002 年，全国煤炭企业开发利用瓦斯量不到8 亿m3，向大气排放量高达60 多亿m3，资源利用率很低。但是，已经开展抽放和利用的单位社会经济效益很显著，说明矿井瓦斯是可以经济开发、变害为利，为人类所利用的宝贵资源。
辽宁抚顺矿务局龙凤矿是我国最早实行瓦斯抽放的矿井，以后该局又在老虎台矿、胜利矿开展了瓦斯预抽预排和瓦斯综合利用工作。先后利用瓦斯制造炭黑、生产甲醛获得成功。1991 年又建起了一座装机容量1.2 万KW 的井口瓦斯电站。五十多年来，从矿井中直接抽出瓦斯近40 亿m3，其中50～80%得以利用。他们采用采前预抽、边采边抽、采空区抽放等三种方式，1983 年以来，年抽出量一直在1 亿m3 以上，抽放率达到60～65%，平均浓度为52%。目前，抚顺矿区和市区已经建立起了煤层气利用系统，1998 年利用量达7750.8 万m3。从抚顺至沈阳的输气管道已经开始运行，2001 年实现向沈阳供气1700 万m3，2002 年供气2000 万m3。
重庆松藻煤电有限责任公司拥有6 对矿井，均属高瓦斯煤矿，年抽放瓦斯达0.9 亿m3 以上。目前，除了居民燃用和烧制炭黑外，每年有2/3 以上的瓦斯直接排入大气中，不但白白浪费了资源，还造成了大气污染。为了解决这一问题，公司于2003 年成立了瓦斯开发有限公司，以进一步加大瓦斯开发利用力度，促进瓦斯产业发展。
2．煤层气地面勘查开发获得阶段性成果
经中国煤田地质总局1998 年完成的“全国煤层气资源评价”项目计算，全国埋深在2000m 以浅、含气量大于4m3/吨的煤层气资源量为14.34 万亿m3。“九五”后期，由中联煤层气公司和煤炭科学研究总院西安分院完成的“中国煤层气资源评价”项目，计算获得全国煤层气资源量31.46 万亿m3。说明我国煤层气资源量十分丰富。开发煤层气不仅可以从根本上解决煤矿瓦斯灾害，改善煤炭开采安全条件，而且对调整我国能源结构，保护大气环境均具有重大意义。因此，加快勘查开发煤层气十分必要。
从原能源部1989 年在沈阳召开的第一次“开发煤层气研讨会”至今，我国勘查开发煤层气的工作进展较快较顺利。上世纪九十年代初期，引进美国地面开发煤层气技术，先后在开滦、柳林、铁法、松藻等矿区进行了勘查开发试验；1996年，经国务院批准，由原煤炭部、原地质部和中国石油天然气总公司联合组建起了中联煤层气有限责任公司，对全国煤层气勘查开发进行了总体规划，并在勘查试验的基础上评价获得了第一批煤层气储量。到目前为止，国家储量评审机构已经认定了山西沁水盆地南部（二个区块）、山西阳泉和辽宁铁法共四个区块1023亿m3 的煤层气探明储量，其中，沁南探明储量达754 亿m3，为进入商业化开发提供了资源保证；21 世纪以来，随着对我国煤层气资源及其分布规律认识的不断深化，加强了开发试验的探索研究，煤层气勘查开发技术日益提高，并在沁水盆地、铁法煤田等地区的个别单井中获得了日产气万m3 以上的较高产量。在辽宁阜新矿区实现了我国首创用地面钻井抽取煤层气进行商业利用的范例。该矿区预测煤层气资源量114.6 亿m3，目前年抽放能力达到2200 万m3，2003 年3 月已正式向6.5 万户市民供气。同时，通过认真分析研究，认识到了我国煤层气井普遍抽出率不高、单井产气不稳定的地质控制因素：储层压力低、储层渗透率低、含气饱和度低和储层地应力高“三低一高”现象突出，从而找到了影响我国煤层气规模、经济开发的主要障碍，为今后实现商业化开发指出了主攻方向。
结束语
煤炭开发过程中的许多废弃物有其潜在的可利用价值，关键是人们必须转变观念，树立科学发展观，开阔思路，立足实际，积极调整产业结构、产品结构和能源消费结构，用循环经济理念指导煤炭企业进行产业转型，用循环经济模式进行规划、建设和改造，这样煤炭开发过程中的矿产资源二次利用必将发挥出巨大的作用。
综合利用煤矸石和勘查开发煤层气只是其中的一部分，煤炭开发过程中还有许多可以进行二次利用的矿产资源。例如，矿井水也是威胁煤炭开采的一大灾害，只要加强管理，实行排供结合，不仅可以化害为利，还可以有效解决矿区所需要的水资源问题。在我国不同时代的煤层及其围岩中，共生伴生矿产资源和有益元素非常丰富、高铝粘土、高岭土、膨润土、硅藻土、油页岩和锗、镓、铀、钒等等，在有些矿区或煤层中可富集达到工业要求，但是，长期以来，煤田地质勘探重视不够，多数煤矿只管采煤，致使这些有益的其伴生矿产多数都被白白地遗弃掉了，十分可惜。
因此，我们完全有理由呼吁：开发煤炭必须注重矿产资源的二次利用，形成有利于节约资源、保护环境的生产方式，有利于提高经济增长质量和效益的新型煤炭企业，这是煤炭工业可持续发展的要求，也是全面建设小康社会宏伟目标的必然选择。（中国煤田地质总局）
煤矸石的综合利用
（一）煤矸石对环境的危害
煤矸石主要是由炭质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩等岩石组成的混合物。其矿物组成主要有高岭石、蒙脱石、长石、伊利石、方解石、黄铁矿、水铝石和少量稀有金属矿物等组成，元素组成多达数十种。尽管煤矸石的成分复杂，但绝大多数煤矸石除含少量炭质外，主要以硅、铝为主，其次是硫、铁、钙、镁、钠、磷、钛等元素。
按煤矸石的来源可分为掘进矸石和选煤矸石两大类。煤层结构和厚度的变化、采煤方法和选煤工艺不同，对煤矸石的排放量有直接影响，一般占煤产量的 10～20%。由于煤矸石来源不同和产出地区的差异，其成分和性质变化很大。例如，煤矸石的灰分一般在70～85%，最高可达90%以上；固定碳含量一般在5～25%；发热量一般在3.3～6.3MJ/ kg。煤矸石的硫含量与原煤硫含量密不可分，例如，开采华北地区太原组煤层和西南地区龙潭组煤层排出的矸石，含硫量就较高，个别可达8～16%。
煤矸石废弃、堆积对环境的危害很大：侵占大量土地，影响生态，破坏景观；矸石山的淋溶水（酸性水）污染地下水源和江河，危害农作物和水产养殖业；由于煤矸石中有硫化铁和含碳物质存在，还会自然发火，排放大量烟尘，严重污染大气，损害人体健康，抑制植物生长，腐蚀建筑物结构；个别煤矸石山还有发生爆炸和崩落事故的隐患，对矿区安全构成严重威胁。
我国不仅是世界产煤大国，也是煤炭消费大国。目前全国历年累计堆放的煤矸石约43 亿吨，规模较大的煤矸山有1600 多座，占用土地约1.5 万公顷。2004年煤炭产量达到19.56 亿吨，按煤产量10%的低排矸量计算，当年排放煤矸石就达1.96 亿吨。今后煤炭产量还将逐年增长，排矸量也在逐年增加，加上以往积存的煤矸石，其数量相当巨大。因此，这已是一个刻不容缓、亟待研究解决的重要社会问题。
（二）煤矸石的利用途经
如何将煤矸石变废为宝？国内外已经开发出许多利用途径。基本原则是在查明煤矸石性质的基础上，区别对待，使其物尽其用，并将各种利用途径结合起来，形成一定的开发规模和综合利用系统，从而获得最佳的经济效益。根据我国的实际情况，其用途大致有五个方面：
1．煤矿井下充填。在逐步改革采煤工艺的基础上，运用煤矸石在井下直接充填采空区或者在地面经加工后充填井下采空区。
2．煤矿地面塌陷区充填、复垦造田和铺路。
3．煤矸石发电。含炭质较多，发热量较高的煤矸石，可用作流化床和循环流化床发电。
4．生产煤矸石砖、水泥和轻质骨料等建筑材料。
5．从煤矸石中提取硫精矿和其它化工产品。
（三）综合利用煤矸石的初步效果
据不完全统计，我国煤炭企业目前有煤矸石电厂120 余座，装机容量184 万KW；年发电量87 亿KW·h，煤矸石砖厂129 座，年生产能力30 亿块（折标砖）；煤矸石和粉煤灰水泥厂163 座，年生产能力1250 万吨。截止到2002 年，全国煤矿综合利用煤矸石约4200 万吨。其中，煤矸石发电2800 万吨，煤矸石水泥300万吨，煤矸石制砖1000 万吨，其他耗用100 万吨。另外，用于井下充填、复垦造田、筑路等处理煤矸石5600 万吨。总计利用和无害化处理煤矸石约9800 万吨，占当年煤矸石排放量的50%。
我国综合利用煤矸石的历史不长，基础较差。总的社会和经济效益还不够理想。但是，从一些实践单位取得的初步效果来看，前景非常广阔。
1．煤矸石发电取得明显成效
黑龙江鸡西滴道矸石电厂是我国第一座容量最大的煤矸石电厂。先后安装了三台我国自己研制的130 吨/时流化床锅炉和两台2.5 万KW 汽轮发电机组，每年燃烧煤矸石约60 万吨，发电2.2 亿度。
重庆永荣矿务局是全国首家利用煤矸石沸腾炉发电的单位，核定装机容量2万KW。从1978—1994 年已发电12 亿KW·h，耗用煤矸石等低热值燃料200 万吨以上，生产灰渣砖4 亿块、水泥20 多万吨。
建成于上个世纪未期的山东新汶协庄煤矿矸石热电厂效益尤为突出。目前发电量保持1.6 亿KW·h 以上，年消耗煤矸石30 万吨。同时还建起了免烧砖厂，每月生产免烧砖30 多万块，消耗粉煤灰6000 吨。又将炉渣用作建材原料和铺路，用灰渣替代沙子用于井下喷浆等等。该矿煤矸石热电厂建成后，实行热电联供，年节约原煤4 万吨，少支付电费1.2 亿元以上，节省煤矸石堆放占地25 亩，安置待业和下岗人员733 人。既节约了资源，又收到了良好的社会、经济和环境效益。
2．用煤矸石生产新型建筑材料取得突破
山东新汶矿务局泰山机械公司开发生产的真空硬塑制砖机，以煤矸石、粉煤灰为原料，利用煤矸石自身的发热量进行焙烧，生产出了承重空心砖和非承重空心砖。该产品符合国家对新型墙体材料的要求，具有广阔的发展前景。
山西阳泉矿务局用该地自然煤矸石为骨料，配入矸石砂、硅酸盐水泥制成200—300 号煤矸石混凝土，其物理性能和质量符合有关规定。用自然煤矸石生产的混凝土比普通混凝土的密度低20%，是高层建筑的优质材料。
山西潞安矿业公司新型墙体材料厂建成了国内产量较大、自动化程度较高的煤矸石制砖生产线，每年可以生产1.3 亿块标准砖，处理煤矸石30 万吨。生产的煤矸石砖强度高、热阻大、隔音好，可降低建筑物墙体厚度，减少用砖量。同时由于外观整洁、抗风化能力强、色泽自然，可以省去抹灰、喷涂等工序，降低建设和维护成本，与传统粘土砖相比有着更高的性价比和更强的市场竞争力，其经济效益和生态效益都非常显著。
3．从煤矸石中提取硫精矿和其他化工原料取得初步成效
重庆南桐矿务局干坝子选煤厂从高硫煤矸石中提取硫精矿取得成功。入洗矸石含硫10～31%，主要成分为黄铁矿硫。采用重介法分选选出：含硫35%、含碳小于8%的硫精矿；灰分45～50%的泥煤和尾矿三种产品。
河北开滦唐家庄矿选硫车间，1985 年初投产。入洗矸石含硫为3.98%，主要成分为黄铁矿硫。经洗选产出四种产品：含硫30～35%、含碳小于8%的硫精矿；发热量14.63MJ/kg 可作燃烧用的动力煤；发热量6.27MJ/kg 的低热值燃料和矸石。
辽宁南票矿务局与煤炭科学院抚顺分院合作，从煤矸石中提取结晶氯化铝、固体聚合铝、水玻璃、白炭黑等多种化工产品获得成功。目前，年产万吨结晶氯化铝、固体聚合铝的生产装置已建成投产，年产值达千万元以上。该项研究成果曾获得1986 年国家发明四等奖。
煤层气的开发利用
（一）煤层气对煤炭生产和环境的危害
在开采煤炭的过程中，从煤层及其顶底板岩石中散发出来的各种气体，我国煤炭行业习惯上称为矿井瓦斯。煤是一种有机质高度富集的可燃有机岩，矿井瓦斯是煤化作用过程中有机质所生成并滞留在煤层中的少部分气体，而大部分气体从煤层中排出，径运移、聚集并在适当条件下形成非常规天然气藏，称为煤成气，它是当前寻找勘查的主要对象。由于矿井瓦斯和煤成气均来源于煤层，故又统称为煤层气。
煤层气的主要成分是甲烷，俗称沼气，其次是二氧化碳和氮气，另外还有微量或少量的重烃类气体和氢、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。
矿井瓦斯对煤炭生产的危害很大。我国根据正常生产情况下，平均每产1 吨煤涌出的瓦斯量来划分煤矿的瓦斯等级。小于或等于每吨10m3 的为低瓦斯矿井，大于每吨10 m3 的为高瓦斯矿井，曾经发生过煤与瓦斯突出的为突出矿井。我国煤矿属于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占48%，因此，发生瓦斯事故的频率很高。长期以来，瓦斯事故在我国煤矿事故中的比例一直居高不下，也是世界煤矿瓦斯灾害最严重的国家。据有关部门统计，2001—2004 年10 月，我国煤矿共发生一次死亡10 人以上的特大事故188 起，平均每7.4 天一起，而其中瓦斯事故比例高达90%。特别是进入2004 年四季度以来，相继发生了河南郑州煤业集团大平矿“10·20”煤与瓦斯突出引发的瓦斯爆炸、陕西铜川陈家山煤矿“11·28”瓦斯爆炸等特别重大事故，一次伤亡100 人以上，给煤炭生产带来严重威胁，给人民群众生命财产造成重大损失，社会影响恶劣，经济损失惨重。
另外，煤层中的甲烷是一种重要的温室效应气体，而且其浓度增高后，使对流层中的臭氧增加，平流层中的臭氧减少。臭氧层减少，能使照射到地球上的紫外线增加，从而诱发皮肤癌、皮肤老化、眼疾、色盲等危害人类的疾病。因此，减少煤层甲烷（瓦斯）向大气中排放，对稳定大气中的甲烷浓度，缓解温室效应的影响，保护人类健康具有十分重要的现实意义。
（二）煤层气的利用途径
矿井瓦斯是有害气体，同时也是一种天然资源。为了降低煤矿井下的瓦斯含量，防止煤与瓦斯突出，目前常用的一种主要方法是矿井瓦斯抽放，即在煤层开采前或开采过程中，在井下采掘巷道中打水平钻孔穿入煤层，在地面通过瓦斯泵造成负压来进行抽放。我国辽宁抚顺和山西阳泉等一些高瓦斯矿区都建立了专门的瓦斯抽放和利用系统，采取了许多预抽放措施，不仅使矿井安全生产得到了保障，同时还获得了显著的经济效益。矿井瓦斯具有广泛的利用途径：
1．用于发电。用抽放出来的矿井瓦斯做燃料，可用于燃气轮机和蒸气轮机组成的联合循环发电厂发电。
2．工业和民用燃料。瓦斯在燃烧过程中不产生烟尘和SO2 气体，是工业锅炉、民用取暖和炊事用气的洁净、高效能源。
3．化工原料。可以用来制造氨、尿素、化肥、炸药和甲醇等。
4．交通运输燃料。将甲烷与柴油制成混合燃料，供汽车使用，可提高燃烧效率，降低废气排放，减轻对环境的污染。
（三）开发利用煤层气的初步效果
1．瓦斯抽放和利用在一些矿区获得了显著效益
在煤矿井下抽放瓦斯，除地质构造因素外，还受制于采矿工程及其进度、抽放方式等诸多因素的影响。由于瓦斯分布的不均衡性，目前主要在高瓦斯矿区开展抽放工作。因此，总体来说，开发量不大，2002 年，全国煤炭企业开发利用瓦斯量不到8 亿m3，向大气排放量高达60 多亿m3，资源利用率很低。但是，已经开展抽放和利用的单位社会经济效益很显著，说明矿井瓦斯是可以经济开发、变害为利，为人类所利用的宝贵资源。
辽宁抚顺矿务局龙凤矿是我国最早实行瓦斯抽放的矿井，以后该局又在老虎台矿、胜利矿开展了瓦斯预抽预排和瓦斯综合利用工作。先后利用瓦斯制造炭黑、生产甲醛获得成功。1991 年又建起了一座装机容量1.2 万KW 的井口瓦斯电站。五十多年来，从矿井中直接抽出瓦斯近40 亿m3，其中50～80%得以利用。他们采用采前预抽、边采边抽、采空区抽放等三种方式，1983 年以来，年抽出量一直在1 亿m3 以上，抽放率达到60～65%，平均浓度为52%。目前，抚顺矿区和市区已经建立起了煤层气利用系统，1998 年利用量达7750.8 万m3。从抚顺至沈阳的输气管道已经开始运行，2001 年实现向沈阳供气1700 万m3，2002 年供气2000 万m3。
重庆松藻煤电有限责任公司拥有6 对矿井，均属高瓦斯煤矿，年抽放瓦斯达0.9 亿m3 以上。目前，除了居民燃用和烧制炭黑外，每年有2/3 以上的瓦斯直接排入大气中，不但白白浪费了资源，还造成了大气污染。为了解决这一问题，公司于2003 年成立了瓦斯开发有限公司，以进一步加大瓦斯开发利用力度，促进瓦斯产业发展。
2．煤层气地面勘查开发获得阶段性成果
经中国煤田地质总局1998 年完成的“全国煤层气资源评价”项目计算，全国埋深在2000m 以浅、含气量大于4m3/吨的煤层气资源量为14.34 万亿m3。“九五”后期，由中联煤层气公司和煤炭科学研究总院西安分院完成的“中国煤层气资源评价”项目，计算获得全国煤层气资源量31.46 万亿m3。说明我国煤层气资源量十分丰富。开发煤层气不仅可以从根本上解决煤矿瓦斯灾害，改善煤炭开采安全条件，而且对调整我国能源结构，保护大气环境均具有重大意义。因此，加快勘查开发煤层气十分必要。
从原能源部1989 年在沈阳召开的第一次“开发煤层气研讨会”至今，我国勘查开发煤层气的工作进展较快较顺利。上世纪九十年代初期，引进美国地面开发煤层气技术，先后在开滦、柳林、铁法、松藻等矿区进行了勘查开发试验；1996年，经国务院批准，由原煤炭部、原地质部和中国石油天然气总公司联合组建起了中联煤层气有限责任公司，对全国煤层气勘查开发进行了总体规划，并在勘查试验的基础上评价获得了第一批煤层气储量。到目前为止，国家储量评审机构已经认定了山西沁水盆地南部（二个区块）、山西阳泉和辽宁铁法共四个区块1023亿m3 的煤层气探明储量，其中，沁南探明储量达754 亿m3，为进入商业化开发提供了资源保证；21 世纪以来，随着对我国煤层气资源及其分布规律认识的不断深化，加强了开发试验的探索研究，煤层气勘查开发技术日益提高，并在沁水盆地、铁法煤田等地区的个别单井中获得了日产气万m3 以上的较高产量。在辽宁阜新矿区实现了我国首创用地面钻井抽取煤层气进行商业利用的范例。该矿区预测煤层气资源量114.6 亿m3，目前年抽放能力达到2200 万m3，2003 年3 月已正式向6.5 万户市民供气。同时，通过认真分析研究，认识到了我国煤层气井普遍抽出率不高、单井产气不稳定的地质控制因素：储层压力低、储层渗透率低、含气饱和度低和储层地应力高“三低一高”现象突出，从而找到了影响我国煤层气规模、经济开发的主要障碍，为今后实现商业化开发指出了主攻方向。
结束语
煤炭开发过程中的许多废弃物有其潜在的可利用价值，关键是人们必须转变观念，树立科学发展观，开阔思路，立足实际，积极调整产业结构、产品结构和能源消费结构，用循环经济理念指导煤炭企业进行产业转型，用循环经济模式进行规划、建设和改造，这样煤炭开发过程中的矿产资源二次利用必将发挥出巨大的作用。
综合利用煤矸石和勘查开发煤层气只是其中的一部分，煤炭开发过程中还有许多可以进行二次利用的矿产资源。例如，矿井水也是威胁煤炭开采的一大灾害，只要加强管理，实行排供结合，不仅可以化害为利，还可以有效解决矿区所需要的水资源问题。在我国不同时代的煤层及其围岩中，共生伴生矿产资源和有益元素非常丰富、高铝粘土、高岭土、膨润土、硅藻土、油页岩和锗、镓、铀、钒等等，在有些矿区或煤层中可富集达到工业要求，但是，长期以来，煤田地质勘探重视不够，多数煤矿只管采煤，致使这些有益的其伴生矿产多数都被白白地遗弃掉了，十分可惜。
因此，我们完全有理由呼吁：开发煤炭必须注重矿产资源的二次利用，形成有利于节约资源、保护环境的生产方式，有利于提高经济增长质量和效益的新型煤炭企业，这是煤炭工业可持续发展的要求，也是全面建设小康社会宏伟目标的必然选择。（中国煤田地质总局）
