主焦煤礦瓦斯抽采利用和效益分析

盧 杰 杜潤(rùn)魁 張志良 王啟明

(河南煤化集團(tuán)安陽(yáng)鑫龍煤業(yè)公司,河南 455133)

1 主焦煤礦煤層氣資源概況

主焦煤礦位于河南省安陽(yáng)礦區(qū)北部的倫掌鄉(xiāng)內(nèi),東距安陽(yáng)市38km,南距水冶鎮(zhèn)15km。礦井范圍為東西長(zhǎng)約5.8km,南北寬約2.4km,面積約11.6073km2。生產(chǎn)能力為40萬(wàn)t/a礦井。采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng),主、副井進(jìn)風(fēng),專(zhuān)用風(fēng)井回風(fēng)。選擇二臺(tái)FBCDZ No 26/2×220型軸流風(fēng)機(jī),服務(wù)于21、22兩個(gè)采區(qū)?；夭晒ぷ髅鏋?1141采面,掘進(jìn)工作面為22采區(qū)回風(fēng)上山、22采區(qū)軌道上山、22101運(yùn)輸巷和22采區(qū)皮帶上山。礦井總進(jìn)風(fēng)量78.6m3/s。2009年瓦斯涌出等級(jí)鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井,相對(duì)瓦斯涌出量為21.23m3/t;絕對(duì)瓦斯涌出量為19.97m3/min。井田內(nèi)保有地質(zhì)儲(chǔ)量為54.869Mt,可采儲(chǔ)量為25.9Mt。

預(yù)測(cè)主焦煤礦主采二1煤層的可抽煤層氣資源量達(dá) 178.50Mm3,煤層氣資源密度為 10.33～20.12Mm3/km2。煤層氣中甲烷含量為82.54%～97.43%。

2 煤礦瓦斯抽采的必要性

主焦煤礦二1煤層瓦斯壓力為0.23～0.39MPa左右,瓦斯含量為2.68～9.16m3/t,二1煤層透氣性系數(shù)為31.78m2/MPa2.d,二1煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.037d-1。主焦煤礦瓦斯壓力和瓦斯含量較大,透氣性系數(shù)較低,滲透性較差,煤層屬于可以抽放煤層。

主焦煤礦21141工作面在掘進(jìn)期間曾出現(xiàn)瓦斯燃燒事故。在2009年5月4日掘進(jìn)21141運(yùn)輸巷工作面時(shí),迎頭放炮后發(fā)生了瓦斯燃燒事故,造成6人輕傷,掘進(jìn)面停工20天,直接經(jīng)濟(jì)損失近百萬(wàn)元。掘進(jìn)時(shí)瓦斯涌出量大,其主要原因是未對(duì)工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷進(jìn)行瓦斯抽采,未能從根本上采取措施治理瓦斯。

21141工作面回采初期風(fēng)量為17.2m3/s,由于瓦斯涌出量較大,回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛仍?.7%～1.1%,上隅角瓦斯?jié)舛冉?jīng)常在1.9%～3%左右,最高可達(dá)5%,時(shí)有瓦斯超限,嚴(yán)重影響回采工作面正常生產(chǎn)。雖然相繼采取調(diào)節(jié)風(fēng)量等措施,一度將工作面風(fēng)量加大到32.2m3/s,使工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档?.6%左右,但是回風(fēng)巷風(fēng)速正常為3.8m/s,接近風(fēng)速臨界值,當(dāng)行人通過(guò)時(shí)就會(huì)造成風(fēng)速超限,礦井等積孔由原來(lái)的2.0m2降為1.6m2,大大增加了礦井通風(fēng)阻力和通風(fēng)成本,所以單靠風(fēng)排不能從根本上解決瓦斯超限問(wèn)題。

3 煤礦瓦斯抽采基本情況

主焦煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)在2009年7月份投入運(yùn)行。

3.1 煤礦瓦斯抽采設(shè)備

地面抽放站選擇3臺(tái)相同性能的2BEC420型水環(huán)式真空泵,泵的主要性能為：轉(zhuǎn)速為490r/min;配套功率是185KW;抽放量為130～158m3/min?；夭晒ぷ髅娓呶汇@孔抽采采用Y D-Ⅳ型井下移動(dòng)抽放泵。

采取地面瓦斯抽放泵站和井下瓦斯抽放泵站相結(jié)合進(jìn)行抽采,實(shí)現(xiàn)地面泵站與井下泵站分源抽放;利用地面瓦斯抽放泵站對(duì)回采工作面本煤層平行鉆孔和掘進(jìn)工作面邊掘邊抽鉆孔進(jìn)行抽采;利用井下移動(dòng)式瓦斯抽放泵站對(duì)高位鉆孔進(jìn)行抽采,減少管道抽放阻力,提高礦井瓦斯抽采效率。

3.2 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)

瓦斯抽采地面管路采用埋地敷設(shè),采用法蘭連接。回風(fēng)立井管路沿罐道梁敷設(shè),采用法蘭連接。井下大巷管路采用吊掛敷設(shè),主、干管連接方式為承插連接,支管連接方式為法蘭連接或快速管接頭連接。在各主、干、支管路上分別安設(shè)閥門(mén)、流量計(jì)和放水器來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的抽采負(fù)壓,以掌握各抽采地點(diǎn)瓦斯抽出量、瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r以及保證管網(wǎng)系統(tǒng)的正常抽采。礦井抽采管路系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

礦井瓦斯抽采系統(tǒng)通過(guò)地面監(jiān)測(cè)和井下抽采監(jiān)測(cè)兩大監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)泵站抽放計(jì)量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工況、井下管道抽放計(jì)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 礦井抽采管路系統(tǒng)布置圖

4 瓦斯抽采技術(shù)

根據(jù)主焦煤礦二1煤層賦存條件、瓦斯來(lái)源、煤層瓦斯含量等瓦斯抽采基礎(chǔ)參數(shù)及巷道布置方式,掘進(jìn)工作面采用邊掘邊抽的抽采方法,回采工作面采用本煤層抽采和高位鉆孔抽采相結(jié)合的抽采方法。

4.1 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采

當(dāng)瓦斯涌出量大時(shí),為防止瓦斯超限,采用隨巷道掘進(jìn)邊掘邊抽的方法進(jìn)行瓦斯抽采,即在巷道兩幫布置鉆場(chǎng),打超前鉆孔預(yù)抽掘進(jìn)工作面前方煤體內(nèi)的瓦斯,隨著掘進(jìn)工作面向前推進(jìn),瓦斯抽放鉆場(chǎng)隨之開(kāi)鑿出來(lái),接管抽采。鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖2所示。

(1)鉆場(chǎng)布置參數(shù)

根據(jù)鉆孔深度確定鉆場(chǎng)間距,保證10～15m的超前抽放距離,兩幫鉆場(chǎng)交錯(cuò)式布置。鉆場(chǎng)尺寸寬×高×深為2.5m×2m×2m。鉆場(chǎng)采用工字鋼支護(hù),棚距500mm,棚與棚之間打連鎖,嚴(yán)防倒棚,頂部用木板背緊背實(shí),嚴(yán)防頂煤跨落。

圖2 掘進(jìn)工作面邊掘邊抽示意圖

(2)鉆孔布置參數(shù)

鉆孔直徑為75～90mm。每個(gè)鉆場(chǎng)布置5～9個(gè)鉆孔,控制巷道輪廓線外8m。鉆孔施工過(guò)程中,要嚴(yán)格執(zhí)行防塵、防瓦斯、防突、防機(jī)械電氣傷人的安全技術(shù)措施,保證鉆孔施工安全。

4.2 回采工作面瓦斯抽采

4.2.1 本煤層抽采

順層平行鉆孔抽放是在煤層巷道內(nèi),沿煤層布置鉆孔進(jìn)行抽放的方法。

在采面回風(fēng)巷沿順煤層傾斜方向向下打鉆,鉆孔直徑為94mm,鉆孔間距為1.5m;采用水力排屑方式,鉆機(jī)型號(hào)為ZY-2300型。

在采面運(yùn)輸巷沿順煤層傾斜方向向上打鉆,鉆孔直徑為75mm,鉆孔間距為1.5m;采用水力排屑,鉆機(jī)型號(hào)為Z L-500型。采面平行順層抽放鉆孔平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 21141工作面平行順層抽放鉆孔平面布置示意圖

圖4 采面回風(fēng)巷高位鉆場(chǎng)鉆孔布置平面示意圖

鉆孔要求：鉆孔平行錯(cuò)開(kāi),運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷鉆孔長(zhǎng)度壓茬50m。

4.2.2 高位鉆孔抽采

(1)裂隙帶可抽高度確定

裂隙帶高度是影響高位鉆孔抽采效果的重要因素。根據(jù)宋振騏院士的實(shí)用礦山壓力理論,經(jīng)計(jì)算分析,裂隙帶可抽高度區(qū)間為23.47～65m。

(2)高位鉆孔布置

圖5 采面回風(fēng)巷高位鉆孔剖面示意圖

對(duì)高位鉆場(chǎng)鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì),每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔,全部為巖孔,鉆孔全部設(shè)計(jì)在裂隙帶,鉆孔直徑為94mm。高位鉆孔采用濕式排屑,鉆機(jī)型號(hào)為ZY-2300型。鉆孔具體布置見(jiàn)圖4和圖5,高位鉆孔抽采進(jìn)氣管選取內(nèi)徑為203mm(8英寸)的HDPE抗靜電聚乙烯管。工作面高位鉆場(chǎng)選用Y D-Ⅳ型抽放泵。移動(dòng)抽放泵輸出端并入地面抽采系統(tǒng)抽采。

5 煤礦瓦斯發(fā)電系統(tǒng)

主焦煤礦煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組廠區(qū)布置在風(fēng)井東北邊靠近山坡邊緣處。根據(jù)煤層氣抽采情況及煤層氣發(fā)電機(jī)組對(duì)氣源的適應(yīng)性要求等因素,選擇了兩臺(tái)500GF1-3PW型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組,裝機(jī)容量1000K W。

6 瓦斯抽采的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

主焦煤礦確立了“以發(fā)電促抽采,以抽采治瓦斯”的工作思路,既保證了安全生產(chǎn),又變廢為寶,增加了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)采掘工作面綜合抽采,礦井抽采純瓦斯量可以達(dá)到10.5m3/min以上;2010年累計(jì)抽采瓦斯量4.58Mm3。從2009年10月21日地面發(fā)電機(jī)組投運(yùn)以來(lái),瓦斯利用量為2.52Mm3,共發(fā)電量504萬(wàn)度,瓦斯發(fā)電創(chuàng)造間接經(jīng)濟(jì)效益304.2萬(wàn)元。

6.2 社會(huì)效益

(1)有利于煤礦安全生產(chǎn)。按照“通風(fēng)可靠,抽采達(dá)標(biāo),監(jiān)控有效,管理到位”的十六字瓦斯治理工作體系要求,主焦煤礦強(qiáng)化了瓦斯抽采,礦井瓦斯抽放率達(dá)到38.5%,有效控制了采掘工作面瓦斯積聚,減少了采空區(qū)瓦斯涌出量。

礦井扇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓由原來(lái)的2010Pa左右降為1660Pa左右,礦井等積孔由原來(lái)的 1.6m2升為1.96m2,大大節(jié)約了通風(fēng)成本。

瓦斯超限次數(shù)顯著減少,創(chuàng)造了連續(xù)7個(gè)多月無(wú)瓦斯超限安全生產(chǎn)局面。工作面需風(fēng)量由通風(fēng)最困難時(shí)期的32.2m3/s降至現(xiàn)在的17.8m3/s,回風(fēng)風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.4%左右,很少有超過(guò)0.9%斷電現(xiàn)象,上隅角瓦斯?jié)舛瓤山档椭?.4%～0.9%左右,為工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效提供了較大的發(fā)揮空間。

(2)有利于環(huán)境保護(hù)。主焦煤礦的瓦斯發(fā)電,相當(dāng)于節(jié)約了2035t標(biāo)準(zhǔn)煤,減排了5071t二氧化碳,減排了152.6t二氧化硫,不僅可以變廢為寶,有效實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用,而且可以減少瓦斯排放所造成的環(huán)境污染,保護(hù)了人類(lèi)的生存環(huán)境。

(3)可以改善煤礦供電條件,緩減了電力供應(yīng)緊張局面。

[1] 王啟明.主焦煤礦“5.4”火災(zāi)事故的分析與對(duì)策[J].山西煤炭,2010,(6)：53-54.

[2] 俞啟香.礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù) (2008年修訂版)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008：115-118.

[3] 宋振騏.實(shí)用礦山壓力與控制 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1988：39-40.

[4] 張德江.大力推進(jìn)煤礦瓦斯抽采利用 [J].求是,2009,(24)：2-4.