煤層氣綜合利用工藝技術(shù)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(fā)電利用原理，進(jìn)行了煤層氣發(fā)電分析研究，總結(jié)了煤層氣發(fā)電利用的成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：順層抽放；穿層抽放；煤層氣發(fā)電

0 概況

容光煤礦是貴州省2005年開工建設(shè)的35座大型重點(diǎn)煤礦之一，屬國家“西電東送”配套煤礦，由徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司和貴州紅星發(fā)展股份有限公司共同投資建設(shè)。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(xiāng)、習(xí)水縣桃林鄉(xiāng)兩鄉(xiāng)所轄。

1 礦井情況

1.1 礦井地質(zhì)

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(gòu)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?zhí)梁右粠?，發(fā)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(nèi)延伸約4km，呈北東30～35°展布，構(gòu)成井田北西邊界。

1.2 煤層賦存情況

根據(jù)貴州省地礦局102地質(zhì)大隊(duì)2004年10月提交的《貴州省桐梓縣容光井田煤礦勘探地質(zhì)報(bào)告》（以下簡稱《容光井田勘探地質(zhì)報(bào)告》），井田內(nèi)的含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l），井田內(nèi)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(shù)

根據(jù)煤炭科學(xué)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(chǔ)參數(shù)測定報(bào)告》、《桐梓縣容光煤礦C5、C6、C8、C9、C11、C12煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》：礦井開采煤層C5、C6、C8、C9、C11、C12均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，故礦井為煤與瓦斯突出礦井。

井田內(nèi)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(fā)強(qiáng)度、配采關(guān)系、開采順序的不同而變化，設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)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(dá)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(tǒng)概況

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

高、低負(fù)壓瓦斯抽放主管路均為直徑630mm的無縫鋼管，安裝在回風(fēng)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(jì)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(fù)壓瓦斯抽放系統(tǒng)主要抽放順層鉆孔、穿層抽放。低負(fù)壓瓦斯抽放系統(tǒng)主要抽放高位鉆孔、上隅角埋管抽放。各分支抽放管均安設(shè)了渦流（質(zhì)量）傳感器，測定抽放系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛?、抽放?fù)壓、抽放溫度、抽放瓦斯量等參數(shù)。

高負(fù)壓瓦斯抽放濃度在10～25%，抽放純瓦斯量為10～25m3/t；低負(fù)壓瓦斯抽放濃度在5～10%，抽放瓦斯量為69～13m3/t。高負(fù)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(yù)抽煤層瓦斯

穿層抽放鉆孔主要從位于茅口組灰?guī)r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(tuán)西安分院生產(chǎn)的ZDY-1900S坑道全液壓鉆機(jī)，配直徑為63.5mm的圓鉆桿、直徑為89mm鉆頭進(jìn)行施工。

穿層鉆孔分為預(yù)抽條帶煤柱瓦斯鉆孔和預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯鉆孔。預(yù)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(jìn)期間的瓦斯治理，鉆孔終孔間距為5×5m（見圖1）；預(yù)抽回采區(qū)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(diǎn)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(gè)，穿層抽放瓦斯?jié)舛仍?0～25%，抽放瓦斯量為17m3/min，占礦井高負(fù)壓抽放瓦斯總量70%左右。

2.2.2 順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯

順層鉆孔預(yù)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(yù)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?，F(xiàn)主要抽放C5、C12煤層，鉆孔間距為1.5m，抽放瓦斯?jié)舛葹?～8%，抽放瓦斯量為6～8m3/min，占礦井高負(fù)壓抽放瓦斯總量30%左右。

3 瓦斯發(fā)電及綜合利用

為時(shí)間節(jié)能環(huán)保和資源綜合利用，達(dá)到綜合效益最大化，在多次考察比較的基礎(chǔ)上，選擇了勝動集團(tuán)500GF1型低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組。礦井地面低濃度瓦斯發(fā)電廠房設(shè)計(jì)按10臺低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)，首期兩臺500GF1-3RW正式并網(wǎng)運(yùn)行，一次試機(jī)成功；二期工程共安裝500kW低濃度發(fā)電機(jī)組四臺。目前，礦井共安裝6臺低瓦斯發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為3000kW，每臺發(fā)電機(jī)組安裝了一臺針形管換熱器，可以直接將發(fā)電機(jī)組排出的高溫尾氣直接引入針形管換熱器。利用發(fā)電機(jī)組的高溫尾氣的熱量，產(chǎn)生95℃左右熱水通過水水換熱器產(chǎn)生65℃熱水供礦區(qū)洗浴。

3.1 低濃度發(fā)電技術(shù)

（1）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組工作原理：內(nèi)燃機(jī)利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱能來做功，空氣和燃料經(jīng)過氣管進(jìn)入氣缸，電啟動曲軸帶動活塞上下運(yùn)動，壓縮進(jìn)入氣缸的混合氣體，然后通過火花塞點(diǎn)燃燒，燃?xì)馐軣崤蛎洰a(chǎn)生巨大推動活塞下移，并通過連桿驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，而通過聯(lián)結(jié)軸帶動發(fā)電機(jī)工作，輸出電力。

（2）瓦斯輸送系統(tǒng)工藝流程：瓦斯輸送系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)→泡罩式脫水水封阻火器→電動放散→流量計(jì)→進(jìn)氣支管→閘閥→旋風(fēng)重力脫水器→手動蝶閥→發(fā)電機(jī)組

（3）500GF1-3RW發(fā)電機(jī)采用電控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空燃比閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，提高了機(jī)組對可燃?xì)鉂舛茸兓倪m應(yīng)能力；可燃?xì)怏w成份濃度9%以上都能被有效利用，適應(yīng)低壓力的燃?xì)?，不必增壓，投資少和提高有效發(fā)電量；機(jī)組適合多臺并車運(yùn)行，并車后可自動調(diào)整各機(jī)組的負(fù)荷分配，無需人工調(diào)整。

3.2 實(shí)施效果

（1）低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組自2011年1月份運(yùn)行以來，設(shè)備狀態(tài)一直處于較好的運(yùn)行狀態(tài)，截止2013年9月，礦井瓦斯發(fā)電站已累計(jì)瓦斯發(fā)電3096.217萬KWh。

（2）經(jīng)瓦斯抽采并發(fā)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(fēng)負(fù)擔(dān)，提高了礦井安全生產(chǎn)程度和原煤產(chǎn)量。

3.3 效益分析

瓦斯發(fā)電機(jī)組自2011年7月投入運(yùn)行，累計(jì)發(fā)電3096.217萬KWh，電力價(jià)格按0.52元/ KWh計(jì)算（剔除瓦斯發(fā)電運(yùn)行費(fèi)用、上網(wǎng)費(fèi)用），則產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：783.47萬元（包含國家政策補(bǔ)助）。產(chǎn)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(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2160t。標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格按400元/t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為86.4萬元。對企業(yè)效益十分可觀。還能使用排放的瓦斯災(zāi)害有利，減少瓦斯氣對大氣的污染，降低地球表面溫室效應(yīng)，保護(hù)地球生態(tài)環(huán)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(jié)語

低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)室礦井瓦斯抽采利用的新興技術(shù)，可以有效的解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產(chǎn)條件，又減少了溫室氣體向大氣的排放，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，節(jié)約寶貴的煤炭資源，是一項(xiàng)利國、利民的環(huán)保工程，符合國家清潔生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)政策，具有廣闊的推廣前景。

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作者簡介：閔文桂（1967—），男，江蘇金湖人，助理工程師，本科。