发布机构: 发布日期: 2021-08-02 16:42:57

杨文府:浅谈矿井地下空间碳封存开发模式与条件

煤炭作为我国的主体能源,其使用量占一次能源的57%。随着煤炭资源的枯竭、采矿技术和地质条件局部问题的出现,我国废弃关闭的矿井数量每年呈增长趋势。对于这些废弃矿井,在煤矿及其伴生的煤层气开采过程中会形成大量的地下空间资源和缝隙,据中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”预测,2020年我国废弃煤矿数量将达到12000处,其中许多煤矿的深度超过800米,2030年将达到15000处;2020年我国废弃煤矿地下空间约为7.2×109m3,2030年我国废弃煤矿地下空间约为9×1010m3,如果直接简单封井将造成大量空间资源的废弃与浪费。

另外,CO2为主的温室气体的过量排放会导致全球气温升高,要想减少CO2对温室效应贡献的途径不外乎减少排放和封存,相比于减少排放,对CO2进行封存则显得更加有效。CO2可以通过各种人为来源进行捕获,如发电厂或大型工业基地,也可以储存在地质油藏中。在众多封存办法中利用深废弃煤矿及煤层气缝隙中进行CO2的封存是一项重要的节能减排方式,也是废弃矿井再利用的有效途径。基于此就废弃煤矿及煤层气CO2封存的相关问题提出了自己的一些观点和看法。

一、废弃矿井内和周围的CO2储存空间

 

图1 煤层上覆的岩体发生变形,形成采空区和开采裂隙示意图

纯二氧化碳主要储存在废弃煤矿的干燥残余空间,例如采空区和塌陷区地下连接和开放裂缝的剩余空间,以及巷道周围地层破裂产生的空间。这种空间的出现主要是因为采空区上方的地层在采煤过程中失去应力,导致顶板坍塌,进而基本顶板下沉。接着随着开采的进行,采空区的上覆岩层不断断裂和崩落,最终导致各种空洞产生,其中包括碎石之间的空隙。如果上覆岩层中裂缝导致裂缝延伸到地表,那么储存完整性就会受到损害(如图1所示)。

除上述空间外,主井和风井、主要巷道、其周围的装载和储存平台以及不同开采层之间的垂直(煤)运输连接的剩余开放垂直或水平空间和孔隙度也可以用于储存CO2(如图2所示)。

 

图2 煤矿中的铁路走廊(a)和长壁采煤采空区(b),它们是废弃矿井后二氧化碳封存的剩余量的一部分。

二、矿井地下空间碳封存机制

吸附CO2是废弃矿井CO2封存的主要捕集机制。由于煤中含有大量的微孔结构(100-150平方米/克)以及较大的比表面积,且孔隙表面存在不饱和能,因此可以与CO2之间产生一种范德华力,使注入的CO2能被煤层孔隙所吸附,从而达到碳封存的目的。废弃矿井CO2的封存能力主要取决于煤的类型以及可用于吸附的煤数量。同时,深部煤柱中的CO2吸附会引起煤基质的膨胀效应,从而不仅会改变煤体的体积和渗透率,而且会引起基本物理力学性质的变化,如弹性模量和泊松比,最终导致支柱强度有所降低。因此探究矿井地下空间碳封存过程中煤的类型、结构以及吸附CO2后膨胀效应成为了研究重点。

三、二氧化碳封存后的利用——置换煤层气

山西作为我国煤炭资源大省,同时也是煤层气资源大省。据统计数据显示,山西煤层气资源储量约10.39万亿立方米,占到了全国总量的近三分之一。然而由于我省多数煤田的煤层渗透率极低,特别是高变质的无烟煤,虽然含气量极高,但由于煤层的渗透率特低,难以得到较好的开发利用,因此如何提升煤层的有效渗透率,促进煤层气的解吸成为了目前的研究热点。相关研究表明当CO2被注入煤层之后,经过吸附解吸原理,就会与煤基质微孔中的CH4发生竞争吸附,由于CO2对煤层有更大的亲和力,吸附能力高于CH4,在煤层表面可以有效地替换CH4,因此如果将封存的二氧化碳气体注入不可开采的深层煤层中,利用CO2来解吸并捕获煤层中的甲烷,不仅可以提高煤层的有效渗透率,促进煤层气的解吸,又可以实现CO2的封存。

 

供稿人:杨文府  山西省煤炭地质物探测绘院

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