煤層氣（Coal bed 甲烷）也稱煤層甲，在煤礦生產中又稱瓦斯，是一種組成成分為烴類氣體的清潔能源，煤層氣大部分被煤吸附在煤的孔隙中，只有小部分煤層氣溶解在水中或者游離在煤的裂隙中，煤層氣中主要的烴類氣體是甲烷（CH?），甲烷是六種主要溫室氣體之一，甲烷的溫室效應是二氧化碳（CO?）的21倍，煤層氣的安全性比水煤氣高，煤層氣的爆炸范圍為5%~15%，水煤氣的爆炸范圍為6.2%~74.4%，煤層氣比空氣輕，密度是空氣的0.55倍，泄漏后會向上擴散，保持室內空氣流通，就能避免爆炸或者火災，水煤氣含有一氧化碳（CO），使用不慎就會發生中毒現象，煤層氣主要用于民用和工業燃料、汽車燃料、生產碳黑、發電等。
理化性質
化學組成
在不同的地質條件下生成的煤層氣化學組成有較大差異，煤層氣中甲烷的體積百分比一般在 80%以上，除了甲烷，煤層氣中還有二氧化碳、氮氣、少量的重烴氣、氫氣、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、微量的稀有氣體。一般情況下，煤層埋藏深度增大，煤層氣中甲烷的濃度隨之增高，氮氣和二氧化碳的濃度隨之降低。
煤層氣同位素組成
不同地區的煤層氣同位素組成差異較大。煤層甲烷 δ13C?值相對較廣，在-80‰~-16.8‰之間，乙烷 的δ13C?值范圍為一3.29‰～-2.28‰;甲烷的δD值在-33.3‰~-11.7‰，之間，二氧化碳δ13C?范圍為2.66‰~18.6‰。取出的煤樣本解吸后獲得的煤層氣中甲烷的δ13C?值會比開采出的煤層氣或煤裂隙中游離的煤層氣中的甲烷δ13C值?要高出幾個千分點，原因在于解吸作用過程中發生了同位素分餾作用，使得13C?，優先被解吸出。煤層甲烷δ13C?變化于-78‰~-13‰之間，同位素組成總體上偏輕。
物理性質
煤層氣的物理性質與煤層氣的組成成分有關，不同的氣體組成的煤層氣物理性質不同，但是總體有以下幾點：
分子大小
煤層氣組成氣體的分子的大小在 0.32～0.55nm之間。
密度
在地下的煤層氣密度隨著地層壓力的增加而增大，隨著溫度的升高而減小，組成氣體的分子量越大煤層氣的密度也越大。煤層氣的密度單位為kg/立方米，標準狀態下（1atm，溫度 15.55℃）煤層氣的密度為0.716kg/m3，煤層氣的相對密度為通常為 0.554。
黏度
煤層氣的黏度很小，主要成分甲烷在地表（常壓，20℃）時的的動力黏度系數為 1.08×10??MPa·s。正常壓力下，煤層氣的黏度隨溫度的升高而變大，溫度升高則分子運動速度加快，氣體分子碰撞次數增加，黏度也就變大。煤層氣的黏度隨組成成分的分子量的增大而減小，壓力較高時，煤層氣的黏度隨溫度的升高而減小，隨組成成分的分子量的增大而增大。
溶解度
20℃、1atm時單位體積的水中所能溶解的最大氣體體積稱為該氣體的溶解度。煤層氣中各組成氣體對水的溶解度各不相同，不同的氣體組成的煤層氣在煤儲層的地下水的溶解度也就不同；煤層氣的溶解度隨溫度的變化情況分兩段，80℃以下，溶解度隨溫度升高降低，80℃以上，溶解度隨溫度升高而增大。煤層氣主要成分甲烷在溶解度隨壓力的增大而增大，低壓時與壓力呈線性關系，高壓時（>10MPa）則與壓力呈曲線關系。
其他性質
煤層中常含有少量的芳香族碳氫氣體，因而煤層氣時常會帶有一些蘋果香味，煤層氣的主要氣體成分甲烷是無色、無味、無臭、無毒的氣體。標準狀態（0.101325MPa、0℃）時甲烷的分子量為16.043，甲烷的分子大小約為 0.33-0.42nm、密度為 0.677kg/立方米、相對密度為0.554、爆炸范圍為5.3%~16.0%、動力黏度為1.084×10-Pa·s、臨界溫度為-82.57℃、臨界壓力為 4.604MPa、熱值約為 37.62 kJ/m3。
煤層氣與常規天然氣的異同點
煤層氣是非常規天然氣，與石油天然氣藏中的氣藏氣、油層的氣頂氣、石油中的溶解氣等常規的天然氣不同，與石油天然氣層中游離在巖層孔隙中的天然氣不同，煤層氣被吸附在煤層的孔隙表面上。
相同點
煤層氣主要組成氣體是甲烷，其余的氣體通常是CO?或N?等，而天然氣的組成氣體也主要是甲烷，但是其余的組成氣體變化較大。煤層氣每立方米的發熱量為31.4～34.4MJ（7 536~8 200 kcal），與常規天然氣相當，可以與常規天然氣混輸、混用，也可與常規天然氣一樣用作的燃料和化工原料。
不同點
煤層氣主要是吸附在于煤層中，而天然氣主要是游離在于砂巖或大理石中。煤層氣產出時不含無機化合物雜質，天然氣產出時會含有無機雜質。煤層氣的開發的鉆井、采氣、增產等技術與常規天然氣開發不同，煤層氣是在煤層中解吸——擴散——流動然后采出地面；而天然氣是靠自身所受的壓力產出。煤層氣初期產量低，生產周期長；天然氣初期產量高，生產周期相對煤層氣較短。煤層氣的開采伴隨著采煤活動，煤層氣的資源量直接與采煤相關，采煤前先采氣，兩者密不可分，而天然氣資源量受其他采礦活動影響較小。
煤層氣的生成
煤層氣是一種有機天然氣，在長期的成煤過程中，成煤物質在生物作用和熱作用下，發生一系列的生物降解反應和物理化學反應而生成的以CH?為主的氣體。現今保留在煤層中的氣體是經過運移和聚集的各種成因類別氣體混合的產物，其成分和同位素組成既不同于常規油氣，也不同于煤成氣。
原生生物成因氣
原生生物成因氣的形成過程包括一系列復雜的生物化學作用，這個過程的實質是通過微生物的作用，使復雜的不溶有機質在酶的作用下發酵變為可溶有機質，可溶有機質在產酸菌和產氫菌的作用下變為揮發性有機酸、H? 和CO? ，H? 和CO? 在甲烷菌作用下最終生成CH?，因此原生生物成因氣實質上是微生物生成氣，所以又稱細菌氣。
次生生物成因氣
次生生物成因氣與盆地水動力學有關，是煤系地層被后期構造作用抬升并剝蝕到近地表后大氣降水帶入的細菌通過降解和代謝作用將煤層中已生成的濕氣轉變成甲烷和二氧化碳，生成次生生物煤層氣。次生生物氣的地球化學組成與原生生物氣相似，主要差別在于煤源巖的 R°值為0.30%~1.50%，熱演化超過了原生生物氣的形成階段。生物成因氣以甲烷為主，一般甲烷含量大于 98%，重烴含量多小于 1%。
熱成因氣
在煤化作用過程中，熱成因氣體的生成一般在兩種作用下產生：熱降解作用和熱裂解作用。
1、熱降解作用。隨煤層埋藏深度的增加和溫度的上升，當埋藏深度達到 1500~4000m、溫度在 60～180℃之間時，有機質在熱力作用下各種鍵相繼打開，特別是不穩定的官能團以及羥基、甲氧基、富氫的烷基側鏈斷裂，有機質不斷脫氧、貧氫、富碳，導致煤中的O/C和H/C原子比下降,同時釋放出甲烷、二氧化碳等氣體。
2、熱裂解作用。隨煤層埋藏深度的繼續增加和溫度的上升，當埋藏深度大于 4000m、溫度超過 180℃時，有機質裂解成較穩定的低分子碳氫化合物，部分尚未裂解的有機質直接裂解生成烴類氣體。熱降解作用形成的液態烴和重烴也發生裂解和重新組合,形成更為穩定的甲烷。
與生物成因氣相比,熱成因氣有如下特征:重烴一般出現在高、中揮發分煙煤及變質程度更高的煤中;熱成因氣的δ13C?較重,并且變質程度越高所產生的煤層氣δ13C?越重。
煤層氣的分布
根據國際能源機構（IEA）的統計，世界的煤層氣資源量預計達到113.5 萬億~273.6萬億立方米。其中煤層氣資源最豐富的國家是俄羅斯（17萬億~113萬億立方米）、美國（21.2萬億立方米）、中國（36.8 萬億立方米）、加拿大（17.9 萬億~76 萬億立方米）、澳大利亞（8萬億~14萬億立方米），其次是德國、波蘭、英國、烏克蘭、哈薩克斯坦、印度、南非，上述12國占世界煤層氣資源量的90%。中國煤層氣資源量36.8 萬億立方米，主要分布在山西沁水。此外，鄂爾多斯市、準噶爾汗國、滇東、黔西市、二連、哈密市和海拉爾區盆地也有煤層氣資源分布。
煤層氣的開采
煤層氣資源開發利用中最常見的兩種方式為井下抽采和地面鉆井開采。
井下抽采
井下抽采煤層氣是利用采煤過程中產生的采動卸壓作用使卸壓煤層透氣性增加，將煤層氣從煤層中開采出來的一種安全高效的開采方法。井下抽采技術的特點在于，抽采鉆孔的施工、抽采管路的布置及抽采泵站的設置均在井下采煤的過程中完成。在很多情況下，采用井下抽采技術難以在保證抽采效果的同時保證煤炭開采的效率。
地面鉆井開采
地面鉆井開采煤層氣利用垂直井或定向井技術來開采原始儲層中的煤層氣資源，地面抽采煤層氣濃度一般較高，主要用于管道運輸商業及民用。地面鉆采煤層氣的機理是：當儲層壓力降低到臨界解吸壓力以下時，甲烷氣體從煤基質微孔隙內表面解吸出來；由于瓦斯濃度差異而發生擴散到煤的裂隙系統，最后以氣流形式流到井筒。地面鉆采煤層氣能否成功的根本在于煤層氣是否能降壓解吸。開采工藝流程如圖：
與井下抽采相比，地面鉆井開采煤層氣可以增強煤層氣的利用效率，降低煤層中煤層氣的含量，減少煤層氣在采煤作業中向大氣的排放量，有利于環境保護。因此，煤層氣煤層氣比井下抽采具有更好的經濟和環境效益。
煤層氣測定方法
國際上采用的煤層含氣量測定方法是美國礦業局(USBM）直接法。中國根據具體情況對此進行調整,于1984年發布行業標準《煤層瓦斯含量和成分測定方法》(MT 77-84），并于1994修訂為《煤層氣測定方法(解吸法）》(MT 77-94）；2004 年，中國發布新的國家標準《煤層氣含量測定方法》(GB/T19559—2004）。
USBM 直接法
采用 USBM 直接法，煤層含氣量由三階段實測氣量構成，即逸散氣量、解吸氣量和殘留氣量。逸散氣量是從鉆頭抵達煤層到取出煤樣裝入解吸罐之前自然析出的煤層氣量，通常依據前兩小時解吸資料推測。解吸氣量是解吸罐中含氣煤樣在常壓和煤樣取出前的對應煤層溫度下，煤層氣自然解除在煤空隙表面的吸附狀態逸出的煤層氣量，解吸過程維持一周。殘留氣量是上一階段解吸完成后殘留在煤樣中的煤層氣量，在解吸結束后在煤樣罐中加入鋼球，密封，球磨2 h，然后按上一階段程序測定殘留氣量。
USBM 直接法多用于計算煤層取心的逸散氣量，實際操作中，逸散時間越短，估算結果越準確，當逸散氣量小于含氣量的20%時，結果比較可靠。
MT 77-94 解吸法
采用這種方法，煤層含氣量由損失氣量、現場2h解吸量、真空加熱脫氣量、粉碎脫氣量四部分構成。要求現場將提至井口的煤芯或煤屑立即裝罐密封，從樣品罐密封起開始計時測量。解吸氣量測定及求取過程中需要進行精確的時間記錄，包括：開始鉆遇煤層時間，心開始取煤芯時間、開始起鉆時間、煤芯提至井深一半時間、煤芯提出井口時間、完成煤芯封罐時間、開始解吸時間。煤芯從提出井口到完成煤芯封罐的時間要小于15 min,密封時間與解吸時間間隔小于2 min,現場解吸2h后,停止解吸。解吸完畢后，損失氣量由公式計算得出，現場2h解吸量、真空加熱脫氣量、粉碎脫氣量直接測量得出。
MT 77—94 解吸法的損失氣量與 USBM 直接法的逸散氣量相當，而MT 77—94 解吸法現場2h解吸氣量只是USBM法解吸氣量的一部分，MT 77—94 解吸法沒有考慮到不同溫度條件下煤層氣解吸速度不同，導致由現場2h解吸氣量推算的損失氣量也存在差別。
GB/T19559—2004 解吸法
GB/T19559—2004 解吸法的煤層含氣量由損失氣量、自然解吸氣量和殘余氣量 三部分組成。損失氣量為在鉆頭遇煤層到煤樣裝罐之前煤層氣的逸散部分，自然解吸氣為在解吸罐中恒溫條件下從煤樣自然釋放出來的部分，殘余氣是在自然解吸結束后在實驗室對煤樣破碎加熱后獲得的那部分煤層氣，殘余氣與自然解吸氣測量后，由公式計算得出損失氣量、自然解吸氣量和殘余氣量。
GB/T19559—2004 解吸法是中國為了與國際接軌而發布的，與USBM 直接法實質上相同。
應用領域
民用和工業燃料
煤層氣以甲烷為主要可燃成分，是良好的民用燃料。濃度為40%的煤層氣的低熱值達到14.65MJ/立方米。井下抽放煤層氣(30%~50%）作為礦區和附近地區居民日用燃料，不需要加壓輸送和提純濃縮。地面抽采煤層氣濃度95%以上，完全可以與天然氣混輸。工業用煤層氣作燃料主要是燒鍋爐。煤層氣還可以代替煤炭天然氣和重油作為工業窯爐燃料。
發動機燃料
煤層氣生產的壓縮天然氣可用作汽車燃料。煤層氣的主要成分甲烷經過富集后濃度可增加到95%，同時富集后的生產的天然氣中乙烷以上的多碳烴類含量很小，壓縮后用于汽車燃料具有低成本、高效、潔凈等特點。而使用壓縮天然氣的汽車能量效率可等于甚至大于使用汽油或其他代用燃料的汽車。
化工原料
生產炭黑
炭黑是由煤層氣在高溫下燃燒和熱分解產生，常用作橡膠、涂料等的添加劑。在濃度為40%到90%范圍內的煤層氣，都可以用來制造炭黑。隨著煤層氣濃度的增加，炭黑的產率和質量也會增加。一立方米純煤層氣可以生產0.12~0.15公斤的炭黑。
合成化工產品
煤層氣制取的甲醛可用于制造沒藥樹、纖維、醫藥等產品。在用煤層氣制取甲醛時，可采用一步法或二步法。一步法是直接將煤層氣氧化成甲醛，而二步法則是先將煤層氣轉化成甲醇，再將甲醇氧化成甲醛。甲醛是甲烷氧化的中間產物且不穩定，超過反應時間（0.15秒）就會生成CO和CO?，反應條件的控制是關鍵。
制氫
煤層氣中的甲烷是一種優良的制氫原料，可以利用煤層氣中的氧與甲烷的燃燒反應熱，使甲烷與水蒸氣發生轉化反應，得到含氫、一氧化碳、二氧化碳和氮的混合氣。然后通過變壓吸附法除去所有雜質，得到氫氣。氫氣是一種重要的工業氣體，在石油化工、化工、冶金、電子、食品、機械、輕工、能源等行業得到廣泛應用。在石油化工中，氫氣被用于加氫、煤直接液化制油、氫燃料電池等領域。制氫的主要原料包括天然氣、煤、輕油以及各種含氫混合氣，也可以通過水電解來制備。
發電
煤層氣發電可以有效地將采出的煤層氣轉化為電能并方便地輸送到各地。使用煤層氣發電可選擇不同的發電設備，燃氣輪、內燃機、混合燃燒鍋爐，不同的煤層氣發電設備可以利用不同濃度的煤層氣。井下抽放的煤層氣可以直接作為發電廠的燃料，無需提純或濃縮。煤層氣發電可以采用直接燃用煤層氣的往復式發動機、燃氣輪機，也可以使用煤層氣作為鍋爐燃料，利用蒸汽透平發電。最新的發展趨勢是建立聯合循環系統，有效地利用發電余熱。
安全事宜
煤層氣通常可以通過氣味和顏色來大致辨別其組分，如硫化氫有臭味，二氧化硫有硫磺味。一些微量氣體，如一氧化碳、硫化氫、二氧化硫等具有不同程度的毒性，需要引起注意。此外，煤層氣中常含有微量的芳香族碳氫化合物氣體，其特征是伴隨著蘋果的香味。煤層氣以一定體積濃度與空氣混合時具有爆炸性，可能會發生燃燒或爆炸。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、一氧化碳、硫化氫和氫氣都有各自的爆炸極限，甲烷的爆炸極限是5.3%~14.0%，乙烷為3.0%～16.0%，丙烷為2.1%～9.5%，丁烷為19.0%～84.0%，一氧化碳為 12.5%～74.2%，硫化氫為4%～44%，氫氣為4%～74.2%。煤層氣主要成分甲烷雖無毒，但空氣中含量較大時，可使人頭痛、心跳加速、嘔吐，喪失行動能力。當甲烷濃度超過 40%，氧含量下降到 12% 以下時，使人嚴重缺氧而窒息死亡。煤層氣中的二氧化碳無色、無嗅、比空氣重，會停積在巷道下部，不助燃，但大量二氧化碳可使人窒息。
參考資料 >