煤礦風井地面瓦斯抽采技術及綜合利用技術研究應用

閆 亮

（西山煤電集團設計院（有限公司），山西 太原 030000）

一直以來，煤礦安全生產備受煤礦企業的關注。影響煤礦生產安全性和可靠性的主要因素包括：綜采工作面的瓦斯濃度、粉塵濃度、以及綜采設備的可靠性和安全性等。其中，瓦斯是煤炭開采不可避免的威脅，其主要含量為甲烷。當瓦斯濃度在工作面空氣中所占比例較高時，會導致作業人員呼吸不暢甚至窒息；當工作面瓦斯含量較高，且氧氣相對密度大于12%時，容易導致瓦斯爆炸事故的發生[1]。因此，加強對工作面瓦斯的治理工作尤為重要，以瓦斯抽采方式為主。但目前采用抽采方式的瓦斯對其利用率較低，還處于低級階段，主要應用于民用瓦斯天然、工業瓦斯鍋爐以及瓦斯發電等領域。本文著重研究瓦斯的抽采技術及其瓦斯的綜合再利用技術。

1 工程概況

本文以山西西山煤電股份有限公司下屬的馬蘭礦為研究對象（全文簡稱馬蘭礦），該礦位于山西省太原古交市境內，于1983年11月開工興建，1990年6月正式投產。根據證號為1000009920065的采礦許可證，馬蘭礦生產能力為4.0 Mt/a，核定生產能力為3.6 Mt/a，2015年瓦斯等級鑒定結果為煤與瓦斯突出礦井，馬蘭礦的頂底板情況如表1所示。

經對馬蘭礦測量可知：該礦井煤炭資源儲量為112 691.5 Mt；可采煤層的瓦斯儲量為10 511.23 Mm3；不可采煤層的瓦斯儲量為12 718.59 Mm3；圍巖瓦斯的儲量為1 156.24 Mm3。馬蘭礦屬煤與瓦斯突出礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為229.81 m3/min，相對瓦斯涌出量為26.99 m3/t。因此，馬蘭礦瓦斯抽放是確保安全生產必不可少的生產環節。

表1 馬蘭礦頂底板情況

由此可見，馬蘭礦井的瓦斯儲量十分豐富，若將煤層氣作為新能源加以開發利用的話，不僅能夠達到瓦斯再利用的目的，還能夠節約馬蘭礦的日常生產成本。

2 瓦斯抽采的必要性分析

根據《煤炭安全規程》的相關規定要求，當綜采工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min時，除了采用常規的通風措施后還需采用相應的瓦斯抽采系統降低工作面的瓦斯濃度；而且，對于如下三種情況在采用常規通風方式的情況下，還需采用永久或臨時的瓦斯抽采系統：

1）對于礦井生產能力小于0.4 Mt，對應的瓦斯絕對涌出量大于15 m3/min時；

2）對于礦井生產能力大于0.4 Mt，小于0.6 Mt，對應的瓦斯絕對涌出量大于25 m3/min時；

3）對于礦井生產能力大于1 Mt，小于1.5 Mt時，對應的瓦斯絕對涌出量大于30 m3/min時；

4）對于礦井生產能力大于1.5 Mt時，對應的瓦斯絕對涌出量大于40 m3/min時[2]。

馬蘭礦的年生產能力為3.6 Mt，絕對瓦斯涌出量為229.81 m3/min，符合上述的條件4）。因此，需要對馬蘭礦采取相應的抽采方式降低工作面的瓦斯濃度。

3 瓦斯抽采方法的確定

目前，可應用我國礦井煤層瓦斯抽采的方法主要包括有開采層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采以及采空區瓦斯抽采。瓦斯抽采方法的確定需根據礦井瓦斯的主要來源、煤層的特點以及礦井所采用的采煤及掘進方式[3]。瓦斯抽采方式的確定需遵循如下原則：

1）根據礦井的地質條件、煤層特點、采煤工作面和掘進機工作面巷道的布置形式以及當前所采用的采煤技術初步確定瓦斯抽采方式。

2）根據礦井瓦斯的主要涌出方式及對應的涌出量，選擇瓦斯抽采效果最佳的抽采方式。

3）綜合考慮所選取瓦斯抽采方式的成本及工程量，最終確定所所選擇的瓦斯抽采方法。

結合馬蘭礦的地質水文條件、煤層賦存條件、瓦斯涌出量等因素，最終采用斜向鉆孔瓦斯抽采的方式。具體方法為：在綜采工作面的回風側打順層斜向鉆孔，在煤層開采前首先采用上述方式對瓦斯進行預抽采，當開采時采用泄壓的方式對瓦斯進行抽放[4]。針對上述抽采方式所鉆孔的參數如表2所示。

表2 斜向鉆孔瓦斯抽采方式下鉆孔參數

4 瓦斯的綜合利用

目前，針對綜采工作面采用抽采方式的瓦斯主要以民用為主，很少用于瓦斯發電。當前，針對抽放的瓦斯可應用于民用瓦斯燃氣的使用、工業鍋爐燃料的使用以及發電行業的應用。針對，馬蘭礦的現狀及實際情況，擬開發建設馬蘭礦瓦斯發電項目。

4.1 瓦斯的運輸方式

馬蘭礦南九瓦斯抽放站位于馬蘭礦南九風井工業廣場東南角，馬蘭南九瓦斯發電站布置在抽放站北側的場地內，抽放站設計敷設一根DN630的管道，依靠抽放站背壓向發電站供氣。

南九瓦斯抽放站出口高負壓氣源接口流量最高為80 m3/min，濃度為32%~33%，瓦斯管道按照一、二期20 MW裝機容量進行設計，管道規格為D630 mm×8 mm，管道最大流速約為13.3 m/s。根據《煤礦瓦斯發電工程設計規范》GB 51134—2015要求，在氣源接口后依次設置超壓放散裝置、氣水分離器和干式阻火器。超壓放散裝置可在管道壓力超過設定值時進行自動放散，放散口通過管道連接到抽放站內放散管出口。氣水分離器可以除去瓦斯氣中大部分的游離態水，該裝置應盡量靠近預處理裝置布置。干式阻火器主要用于阻斷來自發電站的火焰，起到保護上游管道和抽放站的作用[5]。瓦斯輸送系統的主要設備及參數如表3所示。

表3 瓦斯輸送系統的主要設備及參數

4.2 瓦斯發電站設備及系統的選型

本著充分利用抽采瓦斯的目的，結合馬蘭礦的瓦斯涌出量情況，瓦斯發電站的相關設備及系統的選型如表4所示。

表4 發電站設備及系統選型

5 總結

瓦斯作為綜采工作面開采時不可避免的威脅，其濃度較大時嚴重威脅著綜采工作面的安全生產和作業人員的身體健康。因此，需根據礦井瓦斯涌出情況、地質水文條件，煤層特點等設計最為有效的瓦斯抽采工藝，并將抽采的瓦斯再利用，已達到避免煤層氣浪費，減小煤礦生產成本的目的。