李 丹 ，蘇現(xiàn)波

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院, 北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室, 北京 100013；3.河南理工大學(xué) 非常規(guī)天然氣研究院, 河南 焦作 454000；4.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454000）

0 引 言

煤炭與煤層氣分屬兩個獨立的礦種，但兩者同生共儲，賦存于同一地質(zhì)載體[1]。煤層氣開發(fā)可在煤炭開采前、煤炭開采時和煤炭開采后進行[2]，特別是煤炭開采前和煤炭開采時的煤層氣抽采既可獲得清潔能源，又可大幅度降低煤層瓦斯含量，促進煤礦安全生產(chǎn)，得到了全社會的重點關(guān)注。我國也把“加大煤礦瓦斯抽采與利用力度，加快煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保障煤礦生產(chǎn)安全，增加清潔能源供應(yīng)，減少對生態(tài)環(huán)境的污染，促進煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展”作為制定煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十一五”規(guī)劃時所遵循的原則[3]。自2005 年以來，國家相關(guān)部門制定的《煤礦瓦斯治理與利用實施意見》《關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》等多個政策性文件，提出要加快煤層氣抽采，建立煤層氣和煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)機制，統(tǒng)籌煤層氣和煤炭資源勘查開采布局和時序；進一步明確煤礦區(qū)要實施“先抽后采”“采氣采煤一體化”和“煤氣共采”等具體措施，極大地促進煤礦區(qū)煤層氣和煤炭協(xié)調(diào)高效開發(fā)。近年來圍繞煤礦區(qū)的煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)、“采煤采氣一體化”和“煤氣共采”等開展了深入的研究和實踐，取得了豐碩成果[4-13]，初步形成了晉城、兩淮、松藻3 種典型地質(zhì)條件下煤礦區(qū)煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式[14]。推動了煤炭與煤層氣的協(xié)調(diào)開發(fā)，改善了能源供給結(jié)構(gòu)，提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。

盡管如此，但總體上煤層氣資源開發(fā)的效果不容樂觀，未能如期完成國家預(yù)期的煤層氣抽采量目標。究其原因，除了我國煤層氣賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜，抽采難度大外，下面3 個因素也是其重要原因：①重視程度不夠。大多數(shù)煤炭企業(yè)僅將煤層氣抽采作為其眾多安全生產(chǎn)措施中的一項措施；而油氣企業(yè)往往也僅將煤層氣抽采視為其天然氣開發(fā)的補充。長期以來，煤層氣開發(fā)作為一個產(chǎn)業(yè)未受到足夠的重視；②關(guān)注的焦點僅局限于煤礦區(qū)。近年來多數(shù)煤層氣開發(fā)區(qū)塊靠近或在煤礦區(qū)域內(nèi)進行，礦業(yè)權(quán)重疊資源區(qū)塊的協(xié)調(diào)開發(fā)引發(fā)了廣泛關(guān)注[15-16]。但事實上除煤礦區(qū)外，還有許多煤層氣開發(fā)區(qū)塊，這要求從更高、更廣的視角來審視和認識煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的關(guān)系，推動煤層氣與煤炭開采企業(yè)的溝通與合作；③對如何評價不同性質(zhì)企業(yè)的煤層氣開發(fā)效益研究較少，僅習(xí)慣性認為煤層氣開發(fā)具有資源、安全和環(huán)境等多重效益[17]，容易誤導(dǎo)煤層氣開采企業(yè)采取不恰當?shù)耐顿Y。對于具體的煤層氣煤炭開發(fā)區(qū)塊，可能僅出讓了煤層氣礦業(yè)權(quán)或煤炭采礦權(quán)，也可能同時出讓了煤層氣礦業(yè)權(quán)和煤炭采礦權(quán)；煤層氣礦業(yè)權(quán)和煤炭采礦權(quán)可能出讓給一家企業(yè)，也可能出讓給多家企業(yè)，此時煤炭開采和煤層氣開發(fā)應(yīng)遵循一定的時序和空間關(guān)系，才有可能實現(xiàn)兩種資源的高效開發(fā)[18]，但縱觀國內(nèi)外相關(guān)文獻，對煤炭與煤層氣2 種資源開發(fā)全過程及其階段的劃分等方面的研究較薄弱?；诿簩託獾V業(yè)權(quán)和煤炭采礦權(quán)分置的現(xiàn)實以及現(xiàn)行的煤炭和煤層氣開采安全生產(chǎn)許可制度，結(jié)合煤炭開采進程，從空間和時間兩個維度上，對煤炭與煤層氣共同開發(fā)全過程進行了階段劃分，并依據(jù)各開發(fā)階段主要開發(fā)任務(wù)和目的，提出了各開發(fā)階段開發(fā)任務(wù)和效果評價方法，以期更科學(xué)地理解煤與煤層氣兩種資源共同開發(fā)的全過程，促進二者的高效安全開發(fā)。

1 煤與煤層氣開發(fā)全過程及其階段

1.1 煤與煤層氣開發(fā)過程及其階段劃分

眾所周知，據(jù)現(xiàn)行法律和資源管理制度，煤炭和煤層氣開發(fā)的主體有煤層氣開采企業(yè)、煤炭煤層氣開采企業(yè)和煤炭開采企業(yè)3 類。對于某個具體的煤炭煤層氣資源區(qū)塊，理想的情況下，國家首先出讓的是煤層氣礦業(yè)權(quán)；當煤層氣開發(fā)結(jié)束后，國家再出讓煤炭采礦權(quán)；當煤炭開采結(jié)束，礦井廢棄后，最后出讓采空區(qū)煤層氣探礦權(quán)。

結(jié)合各資源開發(fā)主體與不同資源礦業(yè)權(quán)之間的組合關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)全過程有著明顯的持續(xù)性和階段性特征（圖1）。持續(xù)性是指煤層氣的開發(fā)貫穿了煤炭開采前、煤炭開采中和煤炭開采后整個過程；階段性是指煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的不同階段具有明顯不同的目的任務(wù)。依據(jù)其不同的開發(fā)任務(wù)和特征，可將其分為單純性煤層氣開發(fā)階段、互惠性煤氣開發(fā)階段、煤與瓦斯共采階段和廢棄礦井煤層氣開發(fā)4 個階段。

圖1 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)階段劃分示意Fig.1 Diagram of stage division of coordinated development of coal and coalbed methane

1）單純性煤層氣開發(fā)階段：只出讓了煤層氣礦業(yè)權(quán)的區(qū)塊，其開發(fā)主體無論是煤層氣開采企業(yè)還是煤炭煤層氣開采企業(yè)，只能勘探或開發(fā)煤層氣，該階段可稱之為單純性煤層氣開發(fā)階段。

2）互惠性煤層氣開發(fā)階段：對于煤炭和煤層氣礦權(quán)重疊的資源區(qū)塊，相關(guān)規(guī)定要求“在煤炭遠景規(guī)劃區(qū)（后備區(qū)）以及取得煤炭探礦權(quán)、尚未取得煤炭采礦權(quán)的礦區(qū)，實施先采氣、后采煤。已領(lǐng)取煤炭采礦許可證尚未進行基礎(chǔ)建設(shè)的礦區(qū)，實施先抽后采、采煤采氣一體化；正在進行生產(chǎn)或者基礎(chǔ)建設(shè)的礦區(qū)，在5 年內(nèi)計劃動用儲量區(qū)域，以采煤為主，落實地面、井下聯(lián)合抽采煤層氣(煤礦瓦斯)，推進采煤采氣一體化”。因此，對于具有該區(qū)域煤炭采礦權(quán)和煤層氣礦權(quán)的開發(fā)主體，雙方有著千絲萬縷的聯(lián)系，只有本著互惠原則，時刻保持協(xié)調(diào)和溝通，才能實現(xiàn)資源開發(fā)效益最大化，因此該階段可稱之為互惠性煤層氣開發(fā)階段。

3）煤與煤層氣共采階段：對于僅出讓煤炭采礦權(quán)或煤炭采礦權(quán)和煤層氣礦業(yè)權(quán)均出讓給一家開采企業(yè)的區(qū)塊，煤炭開采企業(yè)在開采煤炭的同時，為煤礦安全生產(chǎn)需要，可開展瓦斯抽采工作，形成了采煤和采瓦斯2 個完整的開采系統(tǒng)，既產(chǎn)出煤炭也產(chǎn)出瓦斯，該階段可稱之為煤與煤層氣共采階段。

4）廢棄礦井煤層氣開發(fā)階段：只出讓了采空區(qū)瓦斯開采權(quán)的廢棄礦井，任何有資質(zhì)的開發(fā)主體也只能勘探和開采采空區(qū)煤層氣，該階段可稱之為廢棄礦井煤層氣開發(fā)階段。

1.2 開發(fā)階段及其開發(fā)路徑

煤與煤層氣開發(fā)4 個階段的劃分是一個總體方案，根據(jù)礦業(yè)權(quán)出讓先后順序、煤層氣資源賦存和開發(fā)效果的制約，許多資源區(qū)塊的開發(fā)路徑可能會缺失其中一個或多個階段（圖2）。例如先出讓煤炭采礦權(quán)后出讓煤層氣權(quán)業(yè)權(quán)資源區(qū)塊，則會缺失單純性煤層氣開發(fā)階段，直接進入互惠性煤層氣開發(fā)階段；若煤層氣開發(fā)結(jié)束之后再出讓煤炭采礦權(quán)，則該區(qū)塊可能缺失互惠性煤層氣開發(fā)階段，而由單純性煤層氣開發(fā)階段直接進入煤與煤層氣共采階段；若煤與瓦斯共采階段的開發(fā)效果好，煤炭與瓦斯回收率較高時，將有可能不會再開展廢棄礦井煤層氣開發(fā)工作；而對于目前開展的埋深在3 000 m 左右的煤層氣開發(fā)區(qū)塊，因短時間還沒有相應(yīng)的高效安全開采技術(shù)，該類區(qū)塊目前只能停留于單純性煤層氣開發(fā)階段。

圖2 煤與煤層氣開發(fā)階段及其路徑示意Fig.2 Diagram of development stage and development path of coal and coalbed methane

2 單純性煤層氣開發(fā)階段

處于該開發(fā)階段的區(qū)塊一般遠離煤礦的生產(chǎn)區(qū)域或者位于深部區(qū)域，未來煤炭如何開發(fā)還沒有具體的規(guī)劃。因此，任何開發(fā)主體申領(lǐng)煤層氣礦業(yè)權(quán)的目的均是為了獲取煤層氣這種清潔能源，取得投資收益。

2.1 主要特征

該開發(fā)階段主要特征如下：

1）開發(fā)的主體：具備采氣資質(zhì)的煤層氣企業(yè)或具有采煤采氣資質(zhì)的煤炭企業(yè)。

2）開發(fā)的目的：獲取盡可能多的煤層氣，實現(xiàn)開發(fā)利潤最大化。

3）開發(fā)方式：地面煤層氣井抽采，布置井位時優(yōu)選煤層氣富集區(qū)。

4）與煤炭開采關(guān)系：因該區(qū)域煤炭礦業(yè)權(quán)還未設(shè)置，將來如何規(guī)劃煤礦還未確定，此時煤層氣開發(fā)時還無法考慮未來煤炭開采問題。只是在儲層改造時，會要求開采技術(shù)措施不對煤層產(chǎn)生嚴重污染和對其完整性造成實質(zhì)性破壞。

5）開發(fā)效益：提供了清潔能源，并由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。開發(fā)的結(jié)果是部分區(qū)域煤層瓦斯含量降低，有利于未來煤炭的開采。但對于短時間內(nèi)還不能開采的埋藏深度達2 000 m 或3 000 m 的煤層，其煤層氣開發(fā)的安全效益很難體現(xiàn)出來。該區(qū)域煤層氣不開發(fā)也不會對環(huán)境造成破壞，因此該階段煤層氣開發(fā)并沒有直接減排溫室氣體意義。

2.2 開發(fā)效果評價

該階段開發(fā)主要目的是獲得清潔能源，并由此產(chǎn)生經(jīng)濟效益。其開發(fā)效果評價可圍繞經(jīng)濟評價展開，即可按盈利和清償能力進行評價，并選取財務(wù)凈現(xiàn)值（VFNP）、財務(wù)內(nèi)部收益率（RFIR）和投資回收期（Pt）作為主要評價指標[19]。各指標的計算分別見式（1）、式（2）和式（3）：

式中：Ic為現(xiàn)金流入量；Oc為現(xiàn)金流出量：n為計算期；t為計算期的年序號；ic為基準收益率；T0為累計凈現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年份；PVt-1為上年累計凈現(xiàn)金流量的絕對值；PVt為當年凈現(xiàn)金流量的絕對值。

財務(wù)內(nèi)部收益率和財務(wù)凈現(xiàn)值是評價項目財務(wù)盈利能力最主要的動態(tài)評價指標，對于具體的煤層氣開發(fā)項目，其內(nèi)部收益率應(yīng)大于行業(yè)基準收益率(煤層氣行業(yè)基準收益率為12%)，投資回收期應(yīng)少于行業(yè)基準投資回收期（煤層氣行業(yè)的基準投資回收期為8 年），財務(wù)凈現(xiàn)值應(yīng)大于0；且內(nèi)部收益率越高，投資回收期越短，該項目投資收益越好。

3 互惠性煤層氣開發(fā)階段

由前面分析可知，由于歷史或現(xiàn)行法律的原因，一些資源區(qū)塊會出現(xiàn)煤層氣礦業(yè)權(quán)和煤炭采礦權(quán)重疊的現(xiàn)象。例如生產(chǎn)礦井的規(guī)劃區(qū)等區(qū)域，按照相關(guān)規(guī)定，這些區(qū)域的煤炭生產(chǎn)至少在5 年之后才可能實施。在此之前，總體上仍然是先采氣，同時也要為后續(xù)煤炭開采創(chuàng)造有利條件。因開發(fā)主體不同，該階段呈現(xiàn)出互惠性。該階段礦業(yè)權(quán)所屬企業(yè)聯(lián)系與協(xié)作如圖3 所示。

圖3 互惠性煤層氣開發(fā)階段礦業(yè)權(quán)所屬企業(yè)聯(lián)系與協(xié)作示意Fig.3 Diagram of relationship and cooperation of mining right enterprises in development stage of reciprocity CBM

3.1 主要特征

一些資源區(qū)域煤層氣開發(fā)結(jié)束前就出讓了煤炭采礦權(quán)或者出讓了煤炭采礦權(quán)后又出讓了煤層氣礦業(yè)權(quán)，造成煤層氣礦業(yè)權(quán)和煤炭采礦權(quán)重疊現(xiàn)象。當兩種礦權(quán)隸屬于不同性質(zhì)的2 個開采企業(yè)時，為了實現(xiàn)兩種資源的高效開發(fā)和各自的利益，該階段兩個企業(yè)只能強化溝通和協(xié)調(diào)。該開發(fā)階段主要特征如下：

1）開發(fā)的主體：是煤層氣企業(yè)、煤炭煤層氣開采企業(yè)或煤炭開采企業(yè)。

2）開發(fā)的目的：煤層氣開采企業(yè)仍然是為了獲取煤層氣這種清潔能源，或與煤炭采礦權(quán)所屬企業(yè)合作，獲得一定數(shù)額的補貼，實現(xiàn)開發(fā)利潤最大化。煤炭企業(yè)或者煤炭煤層氣開采企業(yè)主要目是通過地面煤層氣開發(fā)降低煤層瓦斯含量使其達到國家相關(guān)規(guī)定要求，為隨后煤炭的開采提供便利。

3）開發(fā)方式：煤層氣開采企業(yè)可在煤層氣富集區(qū)布井，也可按煤礦開拓接替需求布井。煤炭開采企業(yè)或者煤炭煤層氣開采企業(yè)通常會按開拓接替需求布井。

4）與煤炭開采關(guān)系：煤層氣開采企業(yè)地面煤層氣抽采降低了煤層瓦斯含量，有利于煤炭安全開采；另一方面煤炭生產(chǎn)進度的變化會影響其地面井經(jīng)濟開采年限。煤炭企業(yè)或煤炭煤層氣開采企業(yè)進行煤層氣地面抽采是保證后續(xù)煤炭安全高效開采的手段和措施。

5）開發(fā)效益：煤層氣開采企業(yè)的經(jīng)濟效益主要來自資源開發(fā)所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和合作開發(fā)煤炭開采企業(yè)的補貼。部分區(qū)域煤層瓦斯含量降低，有利于將來煤炭的開采，具有一定的安全效益。相對于井下瓦斯抽采，煤層氣地面抽采濃度相對較高，利用率較高，有一定的環(huán)境效益。煤炭開企業(yè)采企業(yè)或煤炭煤層氣開采企業(yè)最大的效益來自煤層瓦斯含量的降低，保證了正常的抽掘采接替，為將來煤炭開采提供安全保障。

3.2 開發(fā)效果評價

1）煤層氣開采企業(yè)。按常規(guī)布置的煤層氣開發(fā)井組或區(qū)域，仍可用煤層氣開發(fā)階段的評價方法進行評價，但在計算過程中，要考慮該區(qū)域煤炭開采是否可能會影響到生產(chǎn)井的生產(chǎn)周期。那些應(yīng)煤炭開采企業(yè)要求而布置的抽采井組，可能會造成一定數(shù)量抽采井難以達到經(jīng)濟產(chǎn)量，此時煤炭開采企業(yè)應(yīng)給予一定的補償，從而實現(xiàn)投入產(chǎn)出平衡，不發(fā)生虧損。其預(yù)計的煤層氣銷售收入Rg與獲得的煤炭生產(chǎn)企業(yè)補貼Su之和應(yīng)能與這些井組的建設(shè)投資和維護費用C相平衡，即Rg+Su≥C。

2）煤炭開采企業(yè)。當不參與地面煤層氣開發(fā)時，不存在開發(fā)效果評價問題。當與煤層氣開采企業(yè)合作抽采煤層氣時，其目的是以盡量少的投入最大限度地降低煤層瓦斯含量，支付給煤層氣開采企業(yè)的合作費用或補貼與預(yù)計煤層氣抽采量之比即每方瓦斯的抽采成本（Um）越低越好。考慮到煤層中的瓦斯也可以采用井下瓦斯抽采方式解決，因此，地面煤層氣抽采成本Um最高應(yīng)不大于井下瓦斯抽采成本Ug，即Um≤Ug。

3）煤炭煤層氣開采企業(yè)。當利用煤層氣礦業(yè)權(quán)流轉(zhuǎn)的方法獲得煤層氣礦業(yè)權(quán)時，其開發(fā)效果評價內(nèi)容與方與法可參照煤與煤層氣共采階段相關(guān)內(nèi)容。

4 煤與煤層氣共采開發(fā)階段

4.1 主要特征

雖然一個區(qū)塊資源同時出讓了煤層氣礦業(yè)權(quán)和煤炭采礦權(quán)，但兩種礦權(quán)均屬于一個開采主體時，盡管資源開發(fā)總體上仍然是先采氣、后采煤，但該主體可對兩種資源的開發(fā)進行統(tǒng)籌規(guī)劃，在空間和時間上能統(tǒng)一合理部署，從而實現(xiàn)采氣采煤一體化開發(fā)（圖4）。該階段主要特征如下：

圖4 共采階段開發(fā)模式及開發(fā)方案優(yōu)選示意Fig.4 Diagram of development mode and scheme optimization during coal and gas co-mining stage

1）開發(fā)的主體：是煤炭煤層氣開發(fā)企業(yè)或煤炭開采企業(yè)。

2）開發(fā)的目的：①安全效益最大化。煤礦采掘銜接正常，瓦斯不再是影響煤礦安全生產(chǎn)的影響因素；充分利用采煤引起的巖層移動對瓦斯卸壓作用來優(yōu)化抽放方案，抽采效率高，掘進作業(yè)均在瓦斯抽采達標區(qū)域進行，真正實現(xiàn)了高瓦斯煤層，低瓦斯生產(chǎn)。②經(jīng)濟效益最大化。統(tǒng)籌兼顧煤炭生產(chǎn)與瓦斯抽采，從而實現(xiàn)了煤炭開采和瓦斯抽采利用經(jīng)濟效益最大化。③環(huán)境效益最大化。瓦斯抽采率和瓦斯利用率高，抽采瓦斯基本都得到了利用，瓦斯排放量少。以最少的投入，最大限度地降低煤層中的瓦斯氣體含量，為后續(xù)煤炭安全高效開采奠定基礎(chǔ)。

3）開發(fā)方式：地面煤層氣井抽采；煤層氣抽采井布置時首先要考慮煤炭采掘設(shè)計和接替規(guī)劃，地面抽采進度要適應(yīng)煤礦采掘銜接需要；其次要盡量實現(xiàn)均勻抽采，使煤層瓦斯均勻地降低，不再刻意尋找煤層氣富集區(qū)。煤炭生產(chǎn)與瓦斯抽采完全融為一體，互為保障，共同促進。圍繞煤礦生產(chǎn)建設(shè)中緊密相關(guān)的開拓、準備和回采3 個重要階段，優(yōu)化瓦斯抽采方案，保證礦井“三量”平衡和抽采達標煤量達標，實現(xiàn)有序接替，按計劃平衡安全地產(chǎn)出煤炭和瓦斯，并結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，多渠道利用瓦斯，使抽采瓦斯都可得到利用（圖4）。

4）與煤炭開采關(guān)系：1 m3煤層氣的發(fā)熱量相當于1.22 kg 標準煤，瓦斯含量為16 m3/t，抽采利用按50%來計算，噸煤中瓦斯的熱當量僅占煤的1%左右，煤層氣的經(jīng)濟價值遠低于煤炭，因此，煤炭的安全高效開采永遠處于開發(fā)的核心地位。采氣與采煤要統(tǒng)一合理部署，協(xié)調(diào)開發(fā)，但其主要目的是降低煤層瓦斯含量，為后續(xù)煤炭安全開采做好準備。瓦斯抽采服務(wù)于煤炭的安全生產(chǎn)；煤炭生產(chǎn)促進瓦斯的抽采。

5）開發(fā)效益：煤與瓦斯共采的目的是實現(xiàn)煤炭開采和瓦斯抽采利用經(jīng)濟效益最大化，其開發(fā)效果可從經(jīng)濟、安全、環(huán)境和資源4 個方面進行評價。

4.2 共采模式及方案

1）共采模式選擇。根據(jù)煤層賦存條件和瓦斯抽采方法，我國煤與煤層氣共采方面形成了地面預(yù)抽采、保護層開采和井下預(yù)抽采3 類開發(fā)模式[20-21]。在進行開發(fā)模式選擇時，首先應(yīng)分析判斷地面煤層氣預(yù)抽采的必要性，是否必須開展。如果根據(jù)礦井實際地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件、礦井開拓、開采方式和煤層氣抽采工藝技術(shù)等，確認地面煤層氣預(yù)抽采是唯一可行的煤層氣預(yù)抽采方法，則應(yīng)開展地面煤層氣預(yù)抽采，否則要與其他方法進行經(jīng)濟合理性對比。其次，如果煤層氣地面開發(fā)、保護層開采和井下預(yù)抽采均可滿足煤礦生產(chǎn)銜接需要，則要分析計算各預(yù)抽方法的單位煤層氣抽采成本，根據(jù)成本大小選擇確定煤與煤層氣共采開發(fā)模式。開展地面煤層氣預(yù)抽采的前提是其單位煤層氣抽采成本最低，否則不實施地面煤層氣開發(fā)。各抽采方法的單位瓦斯抽采成本計算如下。

為了便于計算和對比，對于一個特定的資源區(qū)域，無論是采用地面預(yù)抽采、保護層開采還是井下預(yù)抽采，其單位瓦斯抽采成本只計算鉆井（孔）施工費、運行費和輔助費用；其中施工費主要包括材料費、工人工資、設(shè)備折舊、修理及電力費；運行費主要包括材料費、工人工資、設(shè)備折舊費和電力費等；輔助費用主要包括運輸費、抽采管路費等。

①地面煤層氣預(yù)抽采。單位煤層氣抽采成本Us為待定區(qū)域各地面井的施工、運行和輔助費用之和與抽采煤層氣量的比值，可按式（4）計算：

式中：Csbi、Csoi和Csai為地面抽采時，特定資源區(qū)域的第i個地面抽采井的施工費用、運行費用和輔助費用，元；n0為特定資源區(qū)域施工的地面抽采井數(shù)量，個。

由式（4）可知，煤層氣抽采成本主要決定于地面井的施工費用、運行費用和輔助費用的多少與抽采煤層氣量的大??；當各種費用變化不大時，主要取決于每口井的抽采量，而抽采量的多少與抽采的時間息息相關(guān)。

②保護層開采。其瓦斯抽采方式如圖5 所示，單位瓦斯抽采成本Ul主要包括3 部分：特定資源區(qū)域為瓦斯抽采而施工的各地面井和巖巷的施工、運行和輔助費用；所有穿層鉆孔和順層鉆孔的施工費用及其運行和輔助費用，可按式（5）計算：

圖5 保護層開采時瓦斯抽采方式示意Fig.5 Diagram of gas drainage mode in protective seam mining

式中：Clbi、Cloi和Clai為地面抽采時，特定區(qū)域的第i個地面井的施工、運行和輔助費用，元；n1為特定區(qū)域施工的地面抽采井數(shù)量，個；Clwj、Cloj和Claj為特定區(qū)域的第j個巖巷的施工、運行和輔助費用，元；m1為特定區(qū)域施工的巖巷數(shù)量，個；Crhk為特定區(qū)域的第k個穿層鉆孔的施工費用，元；q1為特定區(qū)域施工的穿層鉆孔數(shù)量，個；Cmhλ為特定區(qū)域的第λ個順層鉆孔的施工費用，元；p1為順層鉆孔數(shù)量，個；Clho、Clha分別為所有穿層和鉆孔的運行和輔助費用，元。

③井下預(yù)抽采。單位瓦斯抽采成本Ud主要包括特定區(qū)域為瓦斯抽采而施工的所有巖巷的施工、運行和輔助費用；所有穿層鉆孔和順層鉆孔的施工 費用及其運行和輔助費用，可按式（6）計算：

式中：Cdwj、Cdoj和Cdaj為特定區(qū)域的第j個巖巷的施工、運行和輔助費用，元；m2為特定區(qū)域施工的巖巷數(shù)量，個；Cdhk為特定區(qū)域的第k個穿層鉆孔的施工費用，元；q2為特定區(qū)域施工的穿層鉆孔數(shù)量，個；Cdhk為特定區(qū)域的第λ個順層鉆孔的施工費用，元；p2為特定區(qū)域施工的順層鉆孔數(shù)量，個；Cdho、Cdha分別為所有穿層和順層鉆孔的運行和輔助費用，元。

通常比較，選用3 種共采模式中瓦斯抽采成本最低的模式，即U=min[Us,Ul,Ud]。

2）開發(fā)方案?；诓煌拈_發(fā)模式，依據(jù)煤炭和瓦斯賦存條件、瓦斯基本參數(shù)、煤礦開拓方式、巷道布置和開采工藝，結(jié)合現(xiàn)有的瓦斯抽采方法，可提出多種可行的煤與瓦斯共采方案，具體選擇何種開發(fā)方案，需根據(jù)礦井實際地質(zhì)和生產(chǎn)條件進行優(yōu)化比較后選用。

①采用地面煤層氣預(yù)抽采開發(fā)模式時。從礦井開拓、采區(qū)準備到回采工作面的瓦斯抽采均可采用全區(qū)域預(yù)抽采或條帶預(yù)抽采與區(qū)域抽采相結(jié)合的方式；可采用地面預(yù)抽采的方式對整個開拓區(qū)域進行預(yù)抽；可僅對開拓巷道影響區(qū)域進行預(yù)抽，掘出開拓巷道后，其余區(qū)域采用順層鉆孔抽采；可對開拓巷道和準備巷道影響區(qū)域進行預(yù)抽，其余區(qū)域則采用順層鉆孔抽采（圖6a）。

圖6 不同共采模式及其相應(yīng)的開發(fā)方案Fig.6 Co-mining mode and its corresponding development plan

②采用保護層開采模式時。目前，保護層開采時，瓦斯抽采的方式主要有地面井抽采、底板巖巷穿層鉆孔抽采、首采煤層頂板巷道或鉆孔抽采和沿空留巷穿層鉆孔抽采等方法，部分可行的共采方案（圖6b），實際使用時，一般會根據(jù)礦井煤層賦存狀況、地質(zhì)和生產(chǎn)條件，同時選用其中的幾種方法，實施綜合抽采。

③采用井下鉆孔預(yù)抽采模式時。與地面煤層氣鉆井預(yù)抽采模式相似，從礦井開拓、采區(qū)準備到回采工作面的瓦斯抽采均可采用全區(qū)域預(yù)抽采、條帶預(yù)抽采與區(qū)域抽采相結(jié)合的方式?？刹捎镁裸@孔預(yù)抽采的方式對整個開拓區(qū)域進行預(yù)抽，也可僅對開拓巷道影響區(qū)域進行預(yù)抽，掘出開拓巷道后，再采用順層鉆孔對其余區(qū)域抽采；可按順序?qū)﹂_拓巷道和準備巷道影響區(qū)域先后進行預(yù)抽，再采用順層鉆孔對其余區(qū)域抽采。部分可行的共采方案如圖6c 所示，可根據(jù)礦井地質(zhì)和生產(chǎn)條件進行分析選擇。

4.3 共采開發(fā)效果評價

對于具體的生產(chǎn)礦井，煤與瓦斯共采方案開發(fā)效果的評價需包括2 方面內(nèi)容：首先要能保證礦井“三量”平衡和抽采達標煤量達標，否則將影響礦井的正常的安全生產(chǎn)，失去了實施煤與瓦斯共采的作用和意義；其次，從安全、經(jīng)濟、環(huán)境和資源[22]等方面進行綜合考評，兩種資源綜合開發(fā)效益最優(yōu)。

1）煤礦“三量”平衡。煤與瓦斯共采階段，需對現(xiàn)行共采方案按規(guī)定期限對礦井開拓煤量、準備煤量、回采煤量進行統(tǒng)計和分析，確保各煤量能滿足規(guī)定要求，否則應(yīng)優(yōu)選其他共采方案。突出礦井、高瓦斯礦井和其他礦井的開拓煤量最短開采期應(yīng)分別不少于5 年、4 年和3 年；突出礦井和其他礦井的準備煤量最短開采期應(yīng)分別不少14 個月和12 個月；2 個及以上采煤工作面同時生產(chǎn)的礦井回采煤量可采期不少于5 個月，其他礦井不得少于4 個月。抽采達標煤量必須大于年度計劃回采煤量。

2）綜合開發(fā)效益最優(yōu)。對于可保證礦井“三量”平衡和抽采達標煤量符合規(guī)定的共采方案，可采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[23-24]從經(jīng)濟、安全、環(huán)境和資源等多方面開展評價，以綜合開發(fā)效益的優(yōu)劣進行優(yōu)選。

①建立指標評價體系。經(jīng)濟效益上選取回采面月單產(chǎn)、掘進面月單進、單位瓦斯直接抽采成本Cg作為評價指標，單產(chǎn)和單進高，說明礦井生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟效益好；瓦斯直接抽采成本越低，表明瓦斯抽采效率高，經(jīng)濟效益好。安全效益方面可用礦井瓦斯超限次來反映，瓦斯超限次越小，表明瓦斯治理效果好，生產(chǎn)越安全。環(huán)境效益方面選取抽采瓦斯利用率ηg作為評價指標，抽采瓦斯利用率越高，表明抽采瓦斯排放越少，環(huán)境污染小。資源回收方面選取采區(qū)煤炭采出率ηm和礦井抽采率ηk作為評價指標，煤炭回收率和瓦斯抽采率越高，表明煤炭和瓦斯兩種資源均得到了較好的開發(fā)，沒有浪費資源。各共采方案評價指標見表1。

表1 各方案評價參數(shù)匯總Table 1 Summary of evaluation parameters of each scheme

各方案評價指標可表示為參考數(shù)列X={Xj(1),Xj(2),···,Xj(7)}j=1,2,···,m。

按相對優(yōu)化的原則，從m個可行方案中選出各項指標的最佳值，作為參考數(shù)列，即

X0={X0(1),X0(2),X0(3),X0(4),X0(5),X0(6),X0(7)}；其中，評價指標為正向的，則取其所有指標中的最大值，比如：X0(1)=max(A1,A2, ···,Am)；評價指標為負向的，則取其所有指標中的最小值，比如：X0(4)=min(N1,N2, ···,Nm)；其它參數(shù)依次類推。

②求關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度ζ。按下式求出關(guān)聯(lián)系數(shù)：

其中，i=1, 2, ···,m；j=1, 2, ···,7；ζi(k)為第i個方案與參照方案中第k個指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

關(guān)聯(lián)度按式計算：

從m個關(guān)聯(lián)度值中選出最大值，該關(guān)聯(lián)度值對應(yīng)的方案為最優(yōu)，即γi*=max[γ1,γ2,···,γm]，則γi*對應(yīng)的共采方案為最優(yōu)。

5 采空區(qū)（廢棄礦井）瓦斯開發(fā)階段

5.1 主要特征

該區(qū)域為生產(chǎn)礦井煤炭開采結(jié)束所形成后的采空區(qū)或在國家現(xiàn)行政策、利益、資源及其他環(huán)境因素約束下不足以繼續(xù)開采利用而被放棄的礦井，按照目前相關(guān)規(guī)定[25]，其煤炭礦業(yè)權(quán)人在規(guī)劃本礦區(qū)煤炭生產(chǎn)安排時，應(yīng)當全面落實“采前抽、采中抽、采后抽”要求，統(tǒng)籌安排煤炭采空區(qū)（廢棄礦井）煤層氣抽采試驗；對煤炭與煤層氣礦業(yè)權(quán)重疊區(qū)，重疊雙方共建共享煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用設(shè)施，穩(wěn)步推進煤炭采空區(qū)（廢棄礦井）煤層氣抽采試驗，實現(xiàn)煤層氣與煤炭資源綜合高效利用；對煤炭礦業(yè)權(quán)已滅失的采空區(qū)（廢棄礦井），采取招標方式確定抽采試驗主體。該開發(fā)階段主要特征如下：

1）開發(fā)的主體：煤炭開采企業(yè)、煤層氣開采企業(yè)或煤炭煤層氣開采企業(yè)。

2）開發(fā)的目的：獲取可作為能源的采空區(qū)瓦斯氣體。

3）開發(fā)的方式：主要是采用地面直井或井下埋管負壓抽采的方式進行。

4）與煤炭開采關(guān)系：對于廢棄礦井，煤炭開采已經(jīng)結(jié)束，其瓦斯抽采與煤炭生產(chǎn)沒有關(guān)系；對于生產(chǎn)礦井封閉的采空區(qū)，因瓦斯抽采降低了采空區(qū)瓦斯的集聚和流動，對礦井安全生產(chǎn)有一定的促進作用。

5）開發(fā)效益：資源開發(fā)所生的經(jīng)濟效益；采空區(qū)瓦斯抽采減少了采空區(qū)瓦斯向大氣的滲漏，有一定的環(huán)境效益。

5.2 開發(fā)效果評價

研究表明采空區(qū)瓦斯資源主要由采空區(qū)遺煤和煤柱殘留瓦斯、導(dǎo)水裂隙帶和底板破壞帶范圍內(nèi)的不可采煤層和含氣巖層的瓦斯、采空區(qū)裂隙中的游離態(tài)瓦斯等構(gòu)成[26-27]。當煤炭回收率高、無煤柱時，采空區(qū)瓦斯資源有限，因此，采空區(qū)（廢棄礦井）瓦斯開發(fā)時，要持謹慎的態(tài)度。

對于任何采空區(qū)瓦斯開發(fā)主體，其目的均是通過開發(fā)瓦斯而獲得投資收益，因此，投資收益越高越好。考慮采空區(qū)瓦斯開發(fā)收入主要來自出售抽采的瓦斯氣體，而其開發(fā)投入主要為地面鉆井、抽采設(shè)備和運行費用，因此，若采空區(qū)僅布置一口地面瓦斯抽采井時，其投資收益Gm可用式（9）表達：

式中：Q為采空區(qū)瓦斯資源量，m3；η為采空區(qū)瓦斯資源回收率，%；pu為每方瓦斯氣體的售價和政府補貼，元；Ca為地面鉆井、抽采設(shè)備和運行費用之和，元。

6 結(jié) 論

1）對具有同生共儲特征的煤炭和煤層氣資源開發(fā)過程進行了階段劃分。提出將煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)全過程分為4 個階段：即單純性煤層氣開發(fā)階段、互惠性煤層氣開發(fā)階段、煤和瓦斯共采開發(fā)階段和廢棄礦井煤層氣開發(fā)階段。受各種因素的制約和影響，對具體的資源區(qū)塊，煤炭與煤層氣開發(fā)過程可能會缺失其中一個或多個階段。

2）各開發(fā)階段均具有各自明顯特征和開發(fā)目標。單純性煤層氣開發(fā)階段主要是獲取煤層氣這種清潔能源；互惠性煤層氣開發(fā)階段雖然也是為了開發(fā)煤層氣資源，但同時需要考慮該區(qū)域煤炭資源將來的安全開采問題；煤與瓦斯共采開發(fā)階段則要統(tǒng)籌兼顧煤炭生產(chǎn)與瓦斯抽采，從而實現(xiàn)煤炭開采和瓦斯抽采利用綜合效益最大化；而廢棄礦井煤層氣開發(fā)階段是為了獲取采空區(qū)的煤層氣資源。

3）提出了各階段開發(fā)效果的評價內(nèi)容和方法。單純性煤層氣開發(fā)階段和互惠性煤層氣開發(fā)階段主要評價其投入產(chǎn)出效果；煤與瓦斯共采階段主要評價其礦井“三量”是否平衡、安全、經(jīng)濟、環(huán)境和資源等綜合開發(fā)效益的高低；廢棄礦井煤層氣開發(fā)效果主要評價其采空區(qū)瓦斯資源的開發(fā)能否平衡其開發(fā)投入。