煤層氣綜合利用工藝技術研究

閔文桂 楊杰

摘 要：分析了容光煤礦瓦斯賦存情況，研究了低濃度瓦斯發電利用原理，進行了煤層氣發電分析研究，總結了煤層氣發電利用的成功經驗。

關鍵詞：順層抽放；穿層抽放；煤層氣發電

0 概況

容光煤礦是貴州省2005年開工建設的35座大型重點煤礦之一，屬國家“西電東送”配套煤礦，由徐州礦務集團有限公司和貴州紅星發展股份有限公司共同投資建設。礦井位于于貴州省桐梓縣城以西，直距32公里，屬桐梓縣容光鄉、習水縣桃林鄉兩鄉所轄。

1 礦井情況

1.1 礦井地質

本井田位于仁懷背斜北西翼北東端，即官店向斜南東翼南西端。總體為一向北西傾斜的單斜構造。傾向300～350°，一般為330°左右，傾角8～28°，一般為18～22°。龍汞背至龍塘河一帶，發育有背、向斜褶曲，即酥麻頂背斜、坪上向斜，此背、向斜系仁懷大背斜北東端北西翼上次級褶皺，在井田范圍內延伸約4km，呈北東30～35°展布，構成井田北西邊界。

1.2 煤層賦存情況

根據貴州省地礦局102地質大隊2004年10月提交的《貴州省桐梓縣容光井田煤礦勘探地質報告》（以下簡稱《容光井田勘探地質報告》），井田內的含煤地層為二疊系上統龍潭組（P2l），井田內含可采煤層為6層，由上而下編號依次為C5、C6、C8、C9、C11、C12煤層。

1.3 礦井瓦斯參數

根據煤炭科學研究總院沈陽研究院提供的《容光煤礦C5、C6、C8、C9、C11、C12煤層瓦斯基礎參數測定報告》、《桐梓縣容光煤礦C5、C6、C8、C9、C11、C12煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》：礦井開采煤層C5、C6、C8、C9、C11、C12均具有煤與瓦斯突出危險性，故礦井為煤與瓦斯突出礦井。

井田內煤層瓦斯含量總體較高，平面分布上無明顯變化，隨煤層埋深增加，瓦斯含量有明顯遞增趨勢。礦井瓦斯涌出量的大小，隨煤層開發強度、配采關系、開采順序的不同而變化，設計預計礦井初期和后期的相對瓦斯涌出量分別為35.8m3/t和52.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量分別為44.5 m3/min和65.3m3/min（包括抽放的瓦斯）。

煤層瓦斯含量在8.4 ～17.9（m3/t），其中C9煤層瓦斯含量最高，瓦斯含量達到12.32～17.90m3/t（見下表）。

2 礦井瓦斯抽采概況

2.1 瓦斯抽采系統概況

容光煤礦建立了地面瓦斯抽放系統，并配有高、低負壓抽放系統各一套，高、低壓抽放系統分別配備水環式真空泵各兩臺，高負壓抽放泵型號為2BEC52型，配10KV、280KW礦用防爆電動機，其額定抽放流量為130m3/min，額定轉速300r/min，一臺運行，一臺備用；低負壓抽放泵型號為2BEC62型，配315KW、10KV礦用防爆電動機，其額定流量為236m3/min，額定轉速380r/min，一臺運行，一臺備用。

高、低負壓瓦斯抽放主管路均為直徑630mm的無縫鋼管，安裝在回風井巷道兩邊，長度為2×870米；各分支瓦斯抽放管直徑300mm，長度合計6800m。

2.2 瓦斯抽采方式

抽放方式有順層抽放、穿層抽放、高位鉆孔抽放、上隅角埋管抽放。

高負壓瓦斯抽放系統主要抽放順層鉆孔、穿層抽放。低負壓瓦斯抽放系統主要抽放高位鉆孔、上隅角埋管抽放。各分支抽放管均安設了渦流（質量）傳感器，測定抽放系統的瓦斯濃度、抽放負壓、抽放溫度、抽放瓦斯量等參數。

高負壓瓦斯抽放濃度在10～25%，抽放純瓦斯量為10～25m3/t；低負壓瓦斯抽放濃度在5～10%，抽放瓦斯量為69～13m3/t。高負壓瓦斯抽放瓦斯量在10～25%，每天抽放純瓦斯1.8 ～3.5萬m3，每月抽放純瓦斯110萬m3，每年抽放純瓦斯1200萬m3。

2.2.1 穿層抽放預抽煤層瓦斯

穿層抽放鉆孔主要從位于茅口組灰巖中底板抽放巷中施工，鉆孔將穿過C12、C11、C9、C8、C6、C5煤層，鉆孔深度在60～120m，鉆孔孔徑為89mm，鉆孔采用中煤科工集團西安分院生產的ZDY-1900S坑道全液壓鉆機，配直徑為63.5mm的圓鉆桿、直徑為89mm鉆頭進行施工。

穿層鉆孔分為預抽條帶煤柱瓦斯鉆孔和預抽回采區域煤層瓦斯鉆孔。預抽條帶煤柱瓦斯的穿層鉆孔主要用于回采工作面兩巷掘進期間的瓦斯治理，鉆孔終孔間距為5×5m（見圖1）；預抽回采區域煤層瓦斯的穿層鉆孔主要適用于降低煤層瓦斯含量，鉆孔終孔間距為10×10m（圖2）。穿層鉆孔采用馬麗散（兩種材料）封孔，封孔長度為5m。

抽放地點主要分布在1101底抽巷、1103底抽巷、1104底抽巷、1105底抽巷、1106底抽巷，共有穿層瓦斯抽放鉆孔3000多個，穿層抽放瓦斯濃度在10～25%，抽放瓦斯量為17m3/min，占礦井高負壓抽放瓦斯總量70%左右。

2.2.2 順層鉆孔預抽煤層瓦斯

順層鉆孔預抽煤層瓦斯主要在回采工作面兩巷向采煤工作面施工鉆孔預抽煤層中瓦斯，由于煤層透氣性較差，順層鉆孔的間距控制在1～2m，鉆孔封孔采用馬麗散封孔，封孔長度為8m。現主要抽放C5、C12煤層，鉆孔間距為1.5m，抽放瓦斯濃度為5～8%，抽放瓦斯量為6～8m3/min，占礦井高負壓抽放瓦斯總量30%左右。

3 瓦斯發電及綜合利用

為時間節能環保和資源綜合利用，達到綜合效益最大化，在多次考察比較的基礎上，選擇了勝動集團500GF1型低濃度瓦斯發電機組。礦井地面低濃度瓦斯發電廠房設計按10臺低濃度瓦斯發電機組設計，首期兩臺500GF1-3RW正式并網運行，一次試機成功；二期工程共安裝500kW低濃度發電機組四臺。目前，礦井共安裝6臺低瓦斯發電機組，總裝機容量為3000kW，每臺發電機組安裝了一臺針形管換熱器，可以直接將發電機組排出的高溫尾氣直接引入針形管換熱器。利用發電機組的高溫尾氣的熱量，產生95℃左右熱水通過水水換熱器產生65℃熱水供礦區洗浴。

3.1 低濃度發電技術

（1）燃氣發電機組工作原理：內燃機利用燃料燃燒產生的熱能來做功，空氣和燃料經過氣管進入氣缸，電啟動曲軸帶動活塞上下運動，壓縮進入氣缸的混合氣體，然后通過火花塞點燃燒，燃氣受熱膨脹產生巨大推動活塞下移，并通過連桿驅動曲軸旋轉，而通過聯結軸帶動發電機工作，輸出電力。

（2）瓦斯輸送系統工藝流程：瓦斯輸送系統工藝流程：抽放泵站放散口→閘閥→水位自孔是水封阻火器→絲網過濾器→瓦斯管道專用阻火器→低溫濕式放散閥→防爆電動蝶閥→水霧輸送系統→泡罩式脫水水封阻火器→電動放散→流量計→進氣支管→閘閥→旋風重力脫水器→手動蝶閥→發電機組

（3）500GF1-3RW發電機采用電控技術，實現了空燃比閉環自動調節，提高了機組對可燃氣濃度變化的適應能力；可燃氣體成份濃度9%以上都能被有效利用，適應低壓力的燃氣，不必增壓，投資少和提高有效發電量；機組適合多臺并車運行，并車后可自動調整各機組的負荷分配，無需人工調整。

3.2 實施效果

（1）低濃度瓦斯發電機組自2011年1月份運行以來，設備狀態一直處于較好的運行狀態，截止2013年9月，礦井瓦斯發電站已累計瓦斯發電3096.217萬KWh。

（2）經瓦斯抽采并發電，有效地降低了煤層的瓦斯壓力餓瓦斯含量，減少了工作面瓦斯涌出量，減輕了礦井通風負擔，提高了礦井安全生產程度和原煤產量。

3.3 效益分析

瓦斯發電機組自2011年7月投入運行，累計發電3096.217萬KWh，電力價格按0.52元/ KWh計算（剔除瓦斯發電運行費用、上網費用），則產生的經濟效益為：783.47萬元（包含國家政策補助）。產生的熱水完全滿足礦井職工洗浴需求，自2011年10至2013年9月共節約標準煤2160t。標準煤價格按400元/t，產生經濟效益為86.4萬元。對企業效益十分可觀。還能使用排放的瓦斯災害有利，減少瓦斯氣對大氣的污染，降低地球表面溫室效應，保護地球生態環境，提高煤礦安全開采程度，社會效益和安全效益十分明顯。

4 結語

低濃度瓦斯發電技術室礦井瓦斯抽采利用的新興技術，可以有效的解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產條件，又減少了溫室氣體向大氣的排放，保護人類賴以生存的環境，節約寶貴的煤炭資源，是一項利國、利民的環保工程，符合國家清潔生產的產業政策，具有廣闊的推廣前景。

參考文獻：

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[2]國家安全生產監督管理總局.《防治煤與瓦斯突出規定》[Z]. 北京：國家安全生產監督管理總局，2009.

[3]國務院辦公廳.《關于進一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用意見》[Z].北京：國務院辦公廳，2013.

[4]權景偉.《夾河礦低濃度瓦斯安全抽采及發電利用技術研究》[J]. 能源技術與管理，2010（03）：57-58.

作者簡介：閔文桂（1967—），男，江蘇金湖人，助理工程師，本科。