煤與瓦斯共采及瓦斯綜合利用分析

李春剛

（中煤昔陽(yáng)能源有限責(zé)任公司 ，山西 晉中 045300）

0 引言

瓦斯是漫長(zhǎng)成煤過(guò)程中伴生的產(chǎn)物，是制約煤礦高產(chǎn)、高效安全生產(chǎn)的條件之一，而且瓦斯還能造成災(zāi)害，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。黃巖匯煤礦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的瓦斯治理工作，最終確定頂板走向高抽巷（簡(jiǎn)稱高抽巷）抽采瓦斯，配備相應(yīng)設(shè)施綜合利用瓦斯，變害為寶，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采，主要表現(xiàn)瓦斯上網(wǎng)發(fā)電的社會(huì)效益（環(huán)保方面）和經(jīng)濟(jì)效益。

1 黃巖匯煤礦煤與瓦斯共采

1.1 主采煤層15#煤及上覆含瓦斯煤巖層概況

表115 #煤層上覆含瓦斯煤/巖層特征表 單位：m

黃巖匯煤礦15#煤層綜合柱狀圖厚度2.7～6.0m，平均厚度4.9m，實(shí)際可采厚度5m左右。煤層頂板主要以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主；上覆 8#、9#、11#、12#、13#、14# 等煤層；上覆 K2、K3、K4 灰?guī)r，其中 K2 灰?guī)r巷道揭露賦存大量瓦斯，K3、K4灰?guī)r局部裂隙非常發(fā)育，賦存大量游離狀態(tài)的瓦斯。

1.2 煤與瓦斯共采

1）煤與瓦斯共采機(jī)理：隨著綜采工作面的推進(jìn)，工作面老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓后，頂板充分跨落，頂板冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶逐漸形成，并與高抽巷構(gòu)成暢通的抽采通道；上覆鄰近煤/巖層中瓦斯解析并大量釋放出來(lái)；高抽巷瓦斯抽采系統(tǒng)利用地面瓦斯抽采泵站提供的動(dòng)力，改變瓦斯流場(chǎng)，采出瓦斯。高抽巷瓦斯抽采見圖1。

圖1 高抽巷瓦斯抽采示意圖

2）瓦斯抽采系統(tǒng)：高抽巷+井下抽采管路+地面抽采泵站；

3）高抽巷技術(shù)參數(shù)：高抽巷層位、平面位置是抽采效果好壞的技術(shù)關(guān)鍵。層位：位于裂隙帶中的9#煤層；平面位置：水平投影距回風(fēng)巷是工作面斜長(zhǎng)的1/4，并隨煤層傾角的增大而減小；斷面：4.5m×3.8m矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

4）瓦斯特性：瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度是0.554，滲透能力是空氣的1.6倍，決定了采空區(qū)的上部空間及裂隙是瓦斯積聚的地方。

1.3 黃巖匯煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)

1）準(zhǔn)備工作面：現(xiàn)準(zhǔn)備工作面15113，設(shè)計(jì)軌道順槽、膠帶順槽、高抽巷；掘進(jìn)方式：三一重工EBZ200h綜掘機(jī)（三臺(tái)）+800mm膠帶輸送機(jī)；

2）回采工作面：現(xiàn)回采工作面15108采用一次采全高采煤工藝。

表215108 綜采工作面主要設(shè)備配置表

3）礦井煤流運(yùn)輸系統(tǒng)：中央膠帶大巷帶寬1m強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)+井底煤倉(cāng)+主斜井帶寬1.2m強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)。

黃巖匯煤礦采掘機(jī)械化裝備滿足高產(chǎn)、高效礦井條件，能夠完成礦井核定產(chǎn)能。

2 黃巖匯煤礦高抽巷瓦斯抽采效果

2.1 回采期間高抽巷抽采效果

黃巖匯煤礦15109工作面回采期間，分別對(duì)高抽巷抽采瓦斯?jié)舛取⒊椴闪康冗M(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果：

第一階段：工作面上覆巖層老頂跨落前，該階段由于瓦斯抽采通道沒(méi)有完全形成，故高抽巷抽采的瓦斯?jié)舛取⒒旌狭康榷驾^低，效果不佳；

第二階段：工作面老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓后，頂板充分跨落，并產(chǎn)生大量裂隙，瓦斯抽采通道形成并更加暢通，鄰近層瓦斯大量涌出。隨工作面推進(jìn)瓦斯抽采趨于穩(wěn)定，瓦斯?jié)舛葹?0.85%～47.93%，平均約 39%，混合量為 121.5～151.5Nm3/min，平均136.5Nm3/min，抽采純量42～66.04Nm3/min，平均55Nm3/min。

2.2 歷年瓦斯抽采量效果分析

統(tǒng)計(jì)黃巖匯煤礦 15105、15109、15102、15107、15111、15108工作面及高抽巷瓦斯抽量，分析抽采效果：

表3 工作面瓦斯抽采期間抽采量分析表 單位：萬(wàn)m3

其中：15105是尾巷抽采，15109是尾巷+高抽巷抽采，其它為高抽巷抽采。

1）礦瓦斯總量：工作面高抽巷+本煤層+上隅角+高位鉆孔+低位鉆孔等瓦斯抽采量總和，不含15105尾巷抽采瓦斯量；

2）除15109是尾巷+高抽巷布置、15102工作面較短、15108剛開始回采外，該表可以說(shuō)明高抽巷抽采效果要好于尾巷，尤其15111與15107的抽采效果；

3）對(duì)比分析：由表2可知，各年高抽巷瓦期抽采量占礦工作面瓦斯抽采總量比率74%、74%、85%、92%、96%、87%、90%，平均87%，該數(shù)據(jù)說(shuō)明高抽巷抽采效果較好且穩(wěn)定，對(duì)治理工作面回風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)題起到了決定性的作用。

黃巖匯煤礦采掘裝備、高抽巷瓦斯抽采效果，說(shuō)明該礦井實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯共采。

3 黃巖匯煤礦抽采瓦斯綜合利用

黃巖匯煤礦瓦斯綜合利用主要以瓦斯發(fā)電和瓦斯鍋爐為主，其它還有食堂等用氣。

3.1 瓦斯發(fā)電

黃巖匯發(fā)電站裝機(jī)容量14MW（7×2MW），發(fā)電機(jī)組為美國(guó)卡特彼勒C3520C型燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。

瓦斯發(fā)電工藝流程：瓦斯抽采泵站水循環(huán)真空泵抽采礦井瓦斯→濕式柜儲(chǔ)存4-5kPa瓦斯氣體→預(yù)處理系統(tǒng)除塵、除濕（初級(jí)過(guò)濾：≥20um的雜質(zhì)及液態(tài)水；精密過(guò)濾≥2um的雜質(zhì)）→C3520C型燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電→瓦斯發(fā)電余熱供站區(qū)采暖、濕式儲(chǔ)氣柜保溫防凍、供熱主管并入煤礦供熱管線。

表4 黃巖匯瓦斯電站近3年發(fā)電量及耗氣量統(tǒng)計(jì)表

3.2 瓦斯鍋爐

黃巖匯煤礦煤改氣，安裝兩臺(tái)瓦斯鍋爐，型號(hào)：10T WNS10-1-25-Y；6T WNS6-1-25-YQ。其中 6T瓦斯鍋爐純瓦斯消耗8Nm3/min；10T瓦斯鍋爐純瓦斯消耗12Nm3/min。瓦斯鍋爐保障礦洗煤廠、井口、機(jī)機(jī)修車間、綜采庫(kù)、設(shè)備庫(kù)等單位四個(gè)半月的供暖。年純瓦斯消耗量：388.80萬(wàn)m3；瓦斯來(lái)源：濕式儲(chǔ)氣柜。

瓦斯鍋爐常年供應(yīng)客人浴池、職工浴池的熱水，方便全礦職工升井后的洗浴。該部分利用瓦斯沒(méi)有計(jì)入瓦斯消耗量。

4 瓦斯綜合利用效益分析

黃巖匯煤礦瓦斯治理多措并舉，即將瓦斯危害降到最低限度，又綜合利用瓦斯創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

表5 年度瓦斯抽采量與消耗量表 單位：萬(wàn)m3

4.1 安全效益

井下瓦斯達(dá)到一定濃度會(huì)制約采掘生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致瓦斯燃燒或爆炸，更有甚者，采掘活動(dòng)可能誘發(fā)瓦斯、煤與瓦斯突出，造成更大的損失。黃巖匯煤礦條帶預(yù)抽+順層孔抽采+高抽巷抽采等瓦斯綜合治理措，即防范了瓦斯災(zāi)害，又保障了采掘的安全生產(chǎn)。主要效益如下：

1）利用瓦斯特性設(shè)計(jì)的高抽巷，改變了工作面采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)，有效控制了工作面上隅瓦斯，解決上隅角瓦斯對(duì)工作面回采的影響，達(dá)到均衡、連續(xù)生產(chǎn)。圖1：高抽巷瓦斯抽采示意圖。

2）高抽巷抽采模式替代尾巷（U+L）抽采模式，解決了尾巷與回風(fēng)順槽橫貫及尾巷內(nèi)瓦斯管理過(guò)程中，可能引發(fā)的自燃發(fā)火、瓦斯燃燒甚至瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，即高抽巷抽采較尾巷抽采更安全可靠。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

1）黃巖匯瓦斯發(fā)電站利用高抽巷抽采瓦斯發(fā)電，發(fā)電量即可上網(wǎng)，又可按規(guī)定部分自用，降低運(yùn)營(yíng)成本；含稅上網(wǎng)電價(jià)0.509元/kWh，并按國(guó)家政策瓦斯發(fā)電享受退稅。表6為黃巖匯煤礦瓦斯發(fā)電上網(wǎng)電量收入。

表6 黃巖匯煤礦瓦斯發(fā)電上網(wǎng)電量收入

2）瓦斯鍋替代燃煤鍋爐供曖，一個(gè)供曖期可節(jié)約3500-4000噸供熱燃煤。

3）高抽巷替代尾巷，即可以節(jié)約尾巷、橫貫工程量（約兩條順槽）的投資，又可回采尾巷與順槽間煤柱，提高礦井煤炭回收率，增加經(jīng)濟(jì)收入。

4.3 環(huán)保效益

瓦斯氣體溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，瓦斯空排和瓦斯火炬燃燒產(chǎn)生的氣體，都會(huì)造成大氣污染，即影響大氣環(huán)境，又促進(jìn)溫室效應(yīng)。黃巖匯煤礦一方面最大限度利用瓦斯，降低瓦斯空排量，另一方面煤改氣，大大降低了煤炭不完全燃燒對(duì)大氣的污染。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著采掘機(jī)械化的全面深入，高產(chǎn)高效礦井已很普遍，同時(shí)瓦斯治理與綜合利用問(wèn)題也突顯出來(lái)。黃巖匯煤礦進(jìn)行高抽巷瓦斯抽采的設(shè)計(jì)，并配套瓦斯發(fā)電、瓦斯鍋爐等設(shè)施，在有效綜合利用瓦斯的同時(shí)，即保障了安全生產(chǎn)、提高了經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯共采。