寺河礦瓦斯抽采及利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

郝登云，王平虎

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2．山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城 048006)

寺河礦瓦斯抽采及利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

郝登云1，王平虎2

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2．山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城 048006)

介紹了寺河礦地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件，從寺河礦瓦斯鉆孔施工設(shè)備、布孔方式、抽采系統(tǒng)及設(shè)備、年度瓦斯抽放量及瓦斯利用情況等方面，詳細(xì)敘述了寺河礦瓦斯抽采及利用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上指出了寺河礦今后瓦斯高效開(kāi)采及合理利用的發(fā)展趨勢(shì)。

瓦斯抽采;瓦斯利用;發(fā)展趨勢(shì)

Methane Drainage Status and Development Tendency of Sihe Colliery

1 概況

寺河煤礦是一座大型高瓦斯礦井，井田位于沁水煤田東南邊緣，井田面積為91.2km2，地質(zhì)儲(chǔ)量1193Mt，可采儲(chǔ)量773Mt，礦井核定生產(chǎn)能力為10.8Mt/a。該井田含煤地層為上石炭統(tǒng)太原群及下二疊統(tǒng)山西組，含煤11～21層，煤層平均總厚度為11.49～13.87m。其中主要可采煤層為3號(hào)、9號(hào)和15號(hào)煤層，其中3號(hào)煤層平均厚度6.2m，煤層傾角2～10°，一般5°左右。煤種為低硫－中灰份、高發(fā)熱量、高機(jī)械強(qiáng)度的無(wú)煙煤，3號(hào)煤層自燃傾向性為不易自燃，煤塵無(wú)爆炸性。寺河礦各主要可采煤層特征見(jiàn)表1。

寺河礦井3號(hào)煤層頂、底板巖石的滲透率為0～0.000263md，致使煤層中的瓦斯難以向外逸散，而得以保存富集于煤層中［1－2］。據(jù)測(cè)定，寺河?xùn)|區(qū)3號(hào)煤層平均瓦斯含量為7.67m3/t，寺河西區(qū)3號(hào)煤層平均瓦斯含量為16.6m3/t，煤層瓦斯壓力0.29～2.12MPa，煤層透氣性系數(shù) 0.0239～4.4529m2/(MPa2·d)。3號(hào)煤層的瓦斯基本參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 主要可采煤層特征

寺河礦采用斜井、立井綜合開(kāi)拓方式。根據(jù)井田的構(gòu)造及地面條件，整個(gè)寺河井田被分為東、西、北3個(gè)井區(qū)，東井區(qū)劃分為3個(gè)盤(pán)區(qū)，西井區(qū)劃分為4個(gè)盤(pán)區(qū)，北井區(qū)劃分為4個(gè)盤(pán)區(qū)。盤(pán)區(qū)接替順序按先近后遠(yuǎn)、先低瓦斯區(qū)后高瓦斯區(qū)的原則安排。

表2 寺河礦3號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)測(cè)定結(jié)果

寺河礦首先開(kāi)采3號(hào)煤層，采煤方法為長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化一次采全高，全部冒落法控制頂板。目前寺河礦只有東井區(qū)在生產(chǎn)，西井區(qū)正在準(zhǔn)備。近幾年寺河礦東井區(qū)礦井瓦斯涌出量不斷增加，瓦斯等級(jí)鑒定情況見(jiàn)表3。

2 寺河礦井下瓦斯抽采和利用現(xiàn)狀

根據(jù)多年的瓦斯治理實(shí)踐和探索，寺河礦形成了“三級(jí)瓦斯治理”體系，即對(duì)于瓦斯含量高于16m3/t的開(kāi)采煤層或區(qū)域，首先提前5～8a實(shí)施地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯，使瓦斯含量降到16m3/t以下;對(duì)于瓦斯含量在8～16m3/t的開(kāi)采煤層或區(qū)域，要根據(jù)煤層賦存特性，提前3～5a或更長(zhǎng)時(shí)間，采用井下千米鉆機(jī)等鉆具實(shí)施井下大面積區(qū)域遞進(jìn)式預(yù)抽采，將瓦斯含量降至8m3/t以下;對(duì)于瓦斯含量低于8m3/t的區(qū)域，采用邊抽邊采掘、采空區(qū)抽采、加強(qiáng)通風(fēng)等綜合措施治理采掘活動(dòng)中涌出的瓦斯。

表3 東井區(qū)瓦斯等級(jí)鑒定情況

2.1 寺河礦井下瓦斯抽采技術(shù)

2.1.1 井下區(qū)域遞進(jìn)式預(yù)抽采技術(shù)

在工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，利用千米鉆機(jī)、MK鉆機(jī)等機(jī)具，向鄰近工作面施工順層長(zhǎng)鉆孔，提前開(kāi)始預(yù)抽采，抽采區(qū)域不僅包括相鄰近的工作面，也包括與鄰近工作面的巷道條帶，為再下一個(gè)工作面的巷道掘進(jìn)創(chuàng)造條件 (見(jiàn)圖1)。根據(jù)目前千米鉆機(jī)實(shí)際施工鉆孔長(zhǎng)度的水平，預(yù)抽區(qū)域至少能履蓋1～2個(gè)工作面。區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采技術(shù)能保證預(yù)抽工作面有足夠的抽采時(shí)間，確保達(dá)到預(yù)抽效果，實(shí)現(xiàn)工作面有序銜接。同時(shí)通過(guò)超前抽采，也可有效消除工作面掘進(jìn)中的突出危險(xiǎn)性［3］。

圖1 區(qū)域遞進(jìn)式預(yù)抽采

2.1.2 邊掘邊抽技術(shù)

邊掘邊抽技術(shù) (見(jiàn)圖2)就是隨著巷道的掘進(jìn)，在巷道兩幫開(kāi)鉆場(chǎng)向煤巷掘進(jìn)方向打順層鉆孔，對(duì)巷道周?chē)秹好后w內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽放，是攔截巷道周邊煤體向掘進(jìn)巷道釋放瓦斯，減少掘進(jìn)落煤、運(yùn)煤過(guò)程釋放瓦斯的有效手段，可有效解決巷道掘進(jìn)工作面突出和掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯異常涌出問(wèn)題，確保安全生產(chǎn)。

圖2 邊掘邊抽

2.1.3 邊采邊抽技術(shù)

由于采動(dòng)影響，工作面的前方煤體出現(xiàn)3個(gè)不同的壓力區(qū)域:卸壓區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域和常壓區(qū)域。在卸壓區(qū)域內(nèi)煤層的透氣性系數(shù)與原始煤體透氣性相比以數(shù)倍或數(shù)十倍的速度增長(zhǎng)，為提高預(yù)抽瓦斯量，可在巷道掘進(jìn)后方，向回采工作面打順層鉆孔，抽采回采工作面范圍內(nèi)煤層瓦斯，消除采面突出危險(xiǎn)性和瓦斯超限。

根據(jù)回采工作面內(nèi)抽采鉆孔布孔方式的不同又分為順層平行鉆孔 (見(jiàn)圖3)、順層交叉鉆孔和順層斜交鉆孔［4］。

圖3 邊抽邊采順層平行鉆孔

交叉鉆孔是指沿煤層傾向布置一個(gè)和回采工作面平行的順層鉆孔、一個(gè)斜向回采工作面方向約15～20°的鉆孔組成一個(gè)交叉鉆孔組。采用這種鉆孔布置方式，鉆孔相互交叉在交叉點(diǎn)增加了煤體卸壓程度和范圍，鉆孔相互交叉影響可避免因某一鉆孔坍塌堵塞通道而影響正常抽放。

2.2 寺河礦井下鉆孔施工設(shè)備

寺河礦井下鉆孔施工鉆機(jī)主要有千米定向鉆機(jī)和MK系列鉆機(jī)2種，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 千米鉆機(jī)和MK系列鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

千米定向鉆機(jī)使用水力驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)配合DGS導(dǎo)向裝置進(jìn)行定向鉆孔施工，這種鉆孔施工方式的優(yōu)點(diǎn)是鉆孔定向性好，可根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡要求進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔成孔深度大，可使鉆孔終孔間距均勻，有利于瓦斯的抽采。在寺河煤礦，千米鉆機(jī)主要用于在2a以上不進(jìn)行采掘活動(dòng)的工作面進(jìn)行遞進(jìn)式區(qū)域性抽放鉆孔的施工以及在掘進(jìn)巷道兩側(cè)進(jìn)行長(zhǎng)距離掩護(hù)鉆孔的施工。

MK系列鉆機(jī)由主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)3大部分組成，各部分之間以高壓膠管相連，解體性好，設(shè)備較輕，搬遷運(yùn)輸方便。鉆機(jī)采用全液壓傳動(dòng)，無(wú)級(jí)調(diào)速，可滿足不同的鉆進(jìn)工藝方法的要求。鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器采用通孔式結(jié)構(gòu)，鉆桿的長(zhǎng)度不受給進(jìn)行程的限制，可根據(jù)工作空間盡量使用較長(zhǎng)的鉆桿，減少擰卸次數(shù)。利用回轉(zhuǎn)器和液壓夾持器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械擰卸鉆桿，減輕體力勞動(dòng)，提高工作效率。根據(jù)寺河礦的經(jīng)驗(yàn)，MK系列鉆機(jī)主要用于2a以內(nèi)有采掘活動(dòng)的工作面順層抽放鉆孔、巷道的超前抽放鉆孔、構(gòu)造附近千米鉆機(jī)未覆蓋區(qū)域、巖巷穿層抽采鉆孔、消突鉆孔的施工［5］。

2.3 寺河礦瓦斯抽放系統(tǒng)

我國(guó)煤礦井下瓦斯抽采，一般采用1套瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。但是，煤礦抽采井下瓦斯，一般是既要對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽采，又要對(duì)采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采。預(yù)抽煤層中的瓦斯要求抽采系統(tǒng)提供高負(fù)壓、小流量的工況;采空區(qū)抽采要求抽采系統(tǒng)提供低負(fù)壓、大流量的工況，顯然1套抽采系統(tǒng)不可能同時(shí)滿足截然不同的2種工況，因此，通常是犧牲抽采效果或抽采瓦斯?jié)舛葋?lái)滿足工況的要求。為了克服1套抽采系統(tǒng)存在的不足，寺河礦采用了2套抽采系統(tǒng)，使煤層預(yù)抽瓦斯和采空區(qū)抽采系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，取得了良好的抽采效果。

寺河礦于2000年5月建成了礦井地面煤層瓦斯永久抽采系統(tǒng)，除此之外還建有2個(gè)井下瓦斯抽采泵站，各泵站運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表5。

東區(qū)井下抽放站，共安裝3臺(tái)2BE1－705型水環(huán)式真空泵，運(yùn)行模式兩開(kāi)一備，運(yùn)行方法采用1臺(tái)對(duì)東區(qū)各抽放面煤層進(jìn)行預(yù)抽采，抽采后并入主系統(tǒng)，輸送到地面進(jìn)行利用;另外1臺(tái)對(duì)回采面采空區(qū)進(jìn)行抽采，抽采的瓦斯直接排至地面［6］。

表5 抽采泵站運(yùn)行參數(shù)

為了利用采空區(qū)瓦斯，通過(guò)合理設(shè)計(jì)井下抽放泵站 (東區(qū)井下抽放站示意見(jiàn)圖4)，當(dāng)采空區(qū)抽采瓦斯?jié)舛确弦?guī)定要求時(shí)，2套系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)，將采空區(qū)抽采的瓦斯并到主系統(tǒng)，輸送到地面進(jìn)行利用。

圖4 東區(qū)井下抽放站

2.4 寺河瓦斯抽采量

寺河礦從建井到現(xiàn)在，隨著瓦斯抽采設(shè)備和抽采工藝的不斷發(fā)展，瓦斯年抽采量也逐年增加，促進(jìn)了礦井的安全高效生產(chǎn)。2000～2010年的瓦斯年抽采量見(jiàn)圖5。

圖5 2000～2010年寺河礦瓦斯年抽采量統(tǒng)計(jì)

2.5 瓦斯利用

瓦斯作為一種清潔、高效、安全的新型能源，越來(lái)越受到人們的重視，具有廣闊的利用前景。寺河瓦斯抽放站年設(shè)計(jì)抽放能力達(dá)3×108m3，瓦斯抽到地面后，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣柜儲(chǔ)存穩(wěn)壓后，主要用于民用燃?xì)夂桶l(fā)電。

(1)瓦斯發(fā)電 寺河礦井下抽放的瓦斯主要用于發(fā)電，建立了2個(gè)瓦斯發(fā)電廠，裝機(jī)容量分別為1.5×104kW和12×104kW。燃汽輪機(jī)利用瓦斯氣發(fā)電后，其尾氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而帶動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。冬季利用余熱為礦區(qū)供暖，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。

(2)民用燃?xì)?瓦斯在寺河礦鍋爐供暖、食堂和職工洗浴等方面得到了廣泛應(yīng)用。寺河礦還建有全國(guó)最大的瓦斯壓縮站，利用車(chē)載形式，將地面抽采的瓦斯壓縮后送至集團(tuán)公司其他住宅小區(qū)或周邊農(nóng)村區(qū)域，代替水煤氣用作潔凈燃料。

3 瓦斯開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)發(fā)展方向

3.1 地面垂直鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)

采煤工作形成的采空區(qū)內(nèi)殘留大量的遺煤，致使采空區(qū)內(nèi)集聚了大量瓦斯，為減少采空區(qū)瓦斯涌向采掘空間或礦井而影響生產(chǎn)，寺河礦采用的采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)主要是埋管抽采和高位鉆孔抽采，這兩種方法抽出的瓦斯?jié)舛榷驾^低，不能很好地利用。為了有效地利用瓦斯資源提高瓦斯抽放率，應(yīng)開(kāi)展地面垂直鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)研究。

3.2 低濃度瓦斯輸送和利用技術(shù)

寺河礦在瓦斯抽采和利用上都取得了不錯(cuò)的成績(jī)，2010年日抽瓦斯量已達(dá)到1×106m3，并運(yùn)用于發(fā)電和民用燃?xì)猓峭咚估寐什⒉桓?，其主要原因是低濃度瓦斯得不到很好地利用。低濃度瓦斯在抽采和輸送過(guò)程中存在著重大的安全隱患，因此，應(yīng)開(kāi)展低濃度瓦斯輸送、利用環(huán)節(jié)的安全保障技術(shù)研究，可重點(diǎn)研究低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

3.3 人為強(qiáng)化卸壓增透技術(shù)

隨著煤層開(kāi)采深度的增加，煤層瓦斯含量增高、壓力增大，煤層透氣性減小，從而嚴(yán)重影響了煤層瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。為了提高瓦斯抽采效果，寺河礦主要采用加密鉆孔抽采瓦斯的方法，但該方法施工工程量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響工作進(jìn)度，應(yīng)開(kāi)展人為強(qiáng)化卸壓增透技術(shù)研究，比如水力壓裂、水力割縫、深孔預(yù)裂爆破等。

3.4 軟煤層區(qū)長(zhǎng)鉆孔施工工藝及技術(shù)

寺河礦煤層較硬，適合長(zhǎng)鉆孔施工，但也有部分軟煤區(qū)，在軟煤層區(qū)鉆孔施工中容易出現(xiàn)堵鉆、卡鉆等現(xiàn)象，鉆孔效率低、長(zhǎng)度短，不利于瓦斯的抽采。應(yīng)開(kāi)展軟煤層區(qū)長(zhǎng)鉆孔施工工藝技術(shù)研究，可以采用新的鉆孔施工裝備及施工工藝技術(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)近十年的研究和實(shí)踐，寺河礦在瓦斯抽采技術(shù)方面取得了顯著的成績(jī)，但仍面臨技術(shù)、裝備、工藝等許多難題。必須研究推廣瓦斯抽采的新技術(shù)、新工藝、新裝備，力爭(zhēng)在較短時(shí)間內(nèi)大幅度提高瓦斯的抽采水平，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抽采量。寺河礦瓦斯主要用于發(fā)電和民用，但瓦斯利用率較低，一方面是因?yàn)榈蜐舛韧咚共荒艹浞值乩?另一方面是采空區(qū)抽出的瓦斯直接排空。應(yīng)尋求新技術(shù)，開(kāi)發(fā)新途徑，對(duì)煤礦抽采瓦斯進(jìn)行合理利用，對(duì)于改善寺河礦瓦斯抽采利用現(xiàn)狀，意義重大。

［1］王平虎.寺河礦瓦斯治理與利用技術(shù) ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(8):20－22.

［2］賀天才.晉城寺河礦煤層氣抽采實(shí)踐與展望 ［J］.中國(guó)煤層氣，2005，2(3):16－18.

［3］李海貴.遞進(jìn)式瓦斯抽采技術(shù)的研究及應(yīng)用 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(6):58－60.

［4］程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(2):127－139.

［5］陳 健，姚寧平，殷新勝.MK系列鉆機(jī)及其在煤礦瓦斯抽放中的應(yīng)用 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31(2):12－14.

［6］趙向東.井下抽放泵站在寺河礦的應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2003，30(6):47－55.

TD712.6;TD712.67

B

1006-6225(2012)03-0105-04

2011－09－28

郝登云 (1988－)，男，河南輝縣人，在讀研究生，研究方向?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)和安全防護(hù)。

［責(zé)任編輯王興庫(kù)］

特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理