魏家地煤礦采空區(qū)地面鉆孔瓦斯抽放發(fā)電的可行性及經(jīng)濟效益分析

寇宏杰

(甘肅煤田地質(zhì)局一三三隊，甘肅白銀 730913)

魏家地煤礦位于白銀市平川區(qū)東約7km處，西北與寶積山煤礦相接，西南與大水頭煤礦為鄰。煤礦于1971年開始建設(shè)，設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，服務(wù)年限105a。后經(jīng)改擴建后生產(chǎn)能力達到300萬t/a，服務(wù)年限為40a。預(yù)計瓦斯總儲量為2 767 Mm3，可抽瓦斯量為1 584 Mm3，自投產(chǎn)以來抽排瓦斯量為61Mm3，剩余可抽瓦斯量約為1 523Mm3。

1 采空區(qū)瓦斯抽放的必要性

煤層氣在煤礦稱為煤礦瓦斯,其成分主要是甲烷。甲烷在空氣中的濃度達到5%～16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。魏家地煤礦是煤與瓦斯突出礦井，并且隨著開采深度的加深，礦井相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量呈現(xiàn)上升趨勢，絕對瓦斯涌出量由2003年的29.6m3/min上升至2008年的63.8m3/min， 相對瓦斯涌出量由2003年的15.6m3/t上升至2008年的26.4m3/t。1993年之前礦井共發(fā)生14次煤與瓦斯突出，其中最大突出強度為690t，平均突出強度209t，最大瓦斯涌出量約為2萬m3。采空區(qū)瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要來源之一，尤其是對于煤層預(yù)抽效果不理想、采空區(qū)瓦斯涌出量大的工作面，采用地面鉆孔抽放瓦斯，成為回采工作面瓦斯治理的重要手段，如果能夠瓦斯發(fā)電，不僅能夠減少溫室應(yīng)，還可以將多余的電量上網(wǎng)。

2 瓦斯涌出規(guī)律

2.1 煤層瓦斯含量隨煤層埋藏深度的增加而增大

在煤層埋藏較淺時，瓦斯容易沿巖層和煤層裂隙向地表釋放，煤層埋藏越深，煤層中的瓦斯越不容易釋放，保存在煤層中的瓦斯越多，故瓦斯涌出量越大。據(jù)統(tǒng)計，魏家地煤礦2003年瓦斯涌出總量1 531.9萬m3， 2011年瓦斯涌出量3 394.8萬m3， 2011年比2003年瓦斯涌出量增加了一倍多。

2.2 瓦斯涌出量隨開采層數(shù)的增多而逐漸減小

厚煤層多采用傾斜分層采煤方法，根據(jù)煤層厚度一般分為4～5個分層開采。當(dāng)開采上部分層時，由于壓力平衡受到破壞，增加了瓦斯釋放面積，加快了瓦斯釋放速度，故瓦斯涌出量大；當(dāng)開采下部分層時，煤層中的部分瓦斯已被釋放，瓦斯含量減少，瓦斯壓力相對較小，故瓦斯涌出量逐漸變小。

2.3 瓦斯涌出量隨煤層厚度增大而增大

根據(jù)礦井瓦斯實測資料對比，魏家地煤礦中部煤層較厚，瓦斯涌出量相對較大；東西兩端煤層厚度變小，瓦斯涌出量相對較小。說明煤層越厚，煤層中的裂隙、孔隙越多，瓦斯的儲存空間越大，成煤過程中產(chǎn)生的瓦斯越多。

2.4 瓦斯涌出量一般在斷層附近較大

礦區(qū)發(fā)育的斷層均為壓扭性逆斷層，由于受強力擠壓作用，在斷層兩側(cè)的圍巖及煤層中形成較大的構(gòu)造裂隙帶，儲存了大量的瓦斯。當(dāng)工作面掘進到斷層附近時，瓦斯的壓力平衡遭到破壞，瓦斯得以大量釋放。

2.5 瓦斯涌出量隨地應(yīng)力的增大而增大

在地應(yīng)力集中的地區(qū)如煤柱附近、向斜軸部，瓦斯涌出量往往較大。其主要原因是瓦斯壓力受地應(yīng)力的影響，地應(yīng)力大的地區(qū)，瓦斯壓力越大，當(dāng)瓦斯壓力平衡遭受破壞時，瓦斯涌出量增大。

2.6 瓦斯成分

根據(jù)魏家地煤礦1965—1976年度施工的24個鉆孔采取了41個煤層瓦斯樣， 1983—1986年施工的30個鉆孔采取了72個瓦斯樣。瓦斯含量化驗結(jié)果，瓦斯成分中，CH4占10.7%～79.0%，平均31.3%；N2占20.6%～87.1%，平均62.9%；CO2占1.7%～15.6%, 平均5.8%。由此可以看出，魏家地煤礦瓦斯成分以N2為主，占60%以上；次為CH4，占31.3%；CO2含量最少，僅占5.8%。瓦斯分帶為N2—CH4帶。

3 采空區(qū)瓦斯抽放方法

目前，我國煤礦采空區(qū)抽放瓦斯方法較多，地面鉆孔抽放方法已被大部分煤礦所采用，而且抽放效果也很好。

3.1 地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯的可行性

我國已出臺一系列煤礦瓦斯強制性措施，并為煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展給予很多優(yōu)惠政策，抽采采空區(qū)瓦斯發(fā)電不僅可以大大改善井下安全生產(chǎn)條件，有效降低環(huán)境污染，還可以獲得新型能源發(fā)電資金補助，既可以帶來一定的經(jīng)濟效益，也具有良好的社會效益。

地面鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯就是通過地面鉆孔打進裂隙帶內(nèi)，構(gòu)建地面瓦斯抽采系統(tǒng)，將采空區(qū)瓦斯抽采到地面并進行發(fā)電[2]。自2012年中國礦業(yè)大學(xué)(北京)實施了“魏家地煤礦地面鉆井抽采采動卸壓技術(shù)與工程應(yīng)用”項目至今，魏家地煤礦已施工了9個瓦斯抽放鉆孔，布置在原始煤層通過采空區(qū)卸壓抽采瓦斯發(fā)電技術(shù)已比較成熟，而對老采空區(qū)地面鉆孔抽采瓦斯發(fā)電目前未進行實踐。而采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)是將老采空區(qū)內(nèi)遺煤、煤柱及鄰近煤巖層不斷解吸釋放的瓦斯抽采至地面的煤礦瓦斯抽采技術(shù)。中國礦業(yè)大學(xué)秦偉博士通過對山西陽泉三礦老采空區(qū)的研究[3]，建立了采空區(qū)瓦斯儲量預(yù)測模型，指導(dǎo)了陽泉三礦采空區(qū)地面鉆孔孔位選擇和井網(wǎng)布置。魏家地煤礦采空區(qū)和山西陽泉三礦采空區(qū)具有相似性，因此，在該煤礦采空區(qū)進行地面鉆孔抽放瓦斯是可行的。

3.2 采空區(qū)地面鉆孔抽放瓦斯方法

煤層開采過程中，地應(yīng)力的改變導(dǎo)致巖層內(nèi)裂隙發(fā)育、擴張，形成瓦斯流動通道，為抽采采空區(qū)及工作面涌出瓦斯創(chuàng)造了條件。根據(jù)卸壓瓦斯O型圈抽放理論和國內(nèi)其他鉆孔經(jīng)驗，地面鉆孔一般布置在距回風(fēng)巷20～50m內(nèi)，這樣抽放瓦斯效果會更好。

地面鉆孔孔身的穩(wěn)定性主要受巖層變形差異和鉆孔結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的影響。巖層變形的差異主要來自地質(zhì)條件的差異和采煤工程條件的差異。根據(jù)對國內(nèi)外地面鉆孔工程實踐，一般對于采深大于500m的煤層賦存條件，地面鉆孔孔身穩(wěn)定性相對較差，需采取技術(shù)措施強化井身穩(wěn)定性。 根據(jù)該礦工作面附近區(qū)域鉆孔資料，依據(jù)有利于安全、高效鉆井，并充分保證開采期間鉆孔穩(wěn)定性，提高瓦斯抽放量為原則，設(shè)計鉆孔孔身結(jié)構(gòu)(圖1)?？傊玫孛驺@孔抽放瓦斯要根據(jù)采空區(qū)實際情況，針對不同的瓦斯來源對癥下藥，才能達到預(yù)期目的。

圖1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 A sketch of borehole configuration

4 瓦斯發(fā)電技術(shù)

煤礦瓦斯發(fā)電，既可以有效地解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產(chǎn)條件，又有利于增長潔凈能源供給、削減溫室氣體排放，也達到保護生態(tài)環(huán)境的目的。

按國家煤礦安全管理部門的要求，瓦斯發(fā)電首先要安裝瓦斯抽放體系，并且瓦斯抽放體系須正常運行；其次瓦斯抽放體系純瓦斯抽放量在100萬m3/a左右，瓦斯?jié)舛仍?%～25%[4-5]。只有達到了這2個條件就能具備建設(shè)瓦斯電站的基礎(chǔ)，并且可實現(xiàn)“以行使促抽采、以抽采促安全”的煤礦良性循環(huán)發(fā)展。

4.1 地面鉆孔瓦斯抽采發(fā)電的優(yōu)勢

我國煤礦瓦斯的利用主要集中在民用、發(fā)電、工業(yè)燃料及化工等方面，而瓦斯發(fā)電投資小，見效快，已成為目前煤礦瓦斯利用的一種主要方式。

瓦斯發(fā)電與其他形式發(fā)電相比，具有以下幾方面的優(yōu)勢：

(1)瓦斯發(fā)電所用原料是把礦井作為廢氣排放的有害氣體做為燃料，在一定程度上節(jié)約了資源、降低了成本、減少了環(huán)境污染。

(2)瓦斯發(fā)電技術(shù)成熟，設(shè)備可靠，并能獲得減排資金支持，達到“以用促抽，以抽保安”的目的，保證了礦井安全生產(chǎn)。

(3)瓦斯發(fā)電站結(jié)構(gòu)簡單，規(guī)模小，尤其是集裝箱式移動發(fā)電站，易于安裝、搬遷，特別適合于抽排站和地面鉆孔等使用。一般投資小，見效快，具有較高的經(jīng)濟效益。

4.2 瓦斯發(fā)電的經(jīng)濟性分析

以靖遠煤業(yè)集團白銀潔能熱電有限公司地面抽采魏家地煤礦瓦斯發(fā)電為例，該公司集裝箱式移動瓦斯發(fā)電站始建于2012年7月，使用2臺(套)山東勝動集團制造的12V190ZLDK-2E型發(fā)電機組，正常運行了3年多時間,抽采了5個瓦斯孔，每個瓦斯孔抽采期在2～9個月之間，平均為6個月時間，發(fā)電約2萬kW·h /d，每年發(fā)電約500萬kW·h，上網(wǎng)電價為0.40元/kW·h，三年收入為600萬元(0.40元/kW·h×3 a×500萬kW·h/a)；國家財政補貼0.20元/m3，收入150萬元(1 500萬kW·h×0.5 m3/kW·h×0.20元/ m3)，收入總額約750萬元。瓦斯發(fā)電不僅能保護環(huán)境取得良好的社會效益，而且能取得很好的經(jīng)濟效益。

4.3 建設(shè)集裝箱式移動瓦斯發(fā)電站的投資和收益概算

建設(shè)一個集裝箱式移動瓦斯發(fā)電站，按國家煤礦安全管理部門的要求，瓦斯抽放體系純瓦斯抽放量在100萬m3/年以上，一般要配置兩臺發(fā)電機組，預(yù)計投資約280萬元(包括集裝箱)，保證延續(xù)運行功率800kW，年運行時間可達300d以上；另外項目可行性的論證費、征用土地、安裝管道及配套設(shè)施投資約90萬元，合計投入資金370萬元。施工瓦斯抽放孔2 個，按800m計算施工費用約120萬元共需投入資金約490萬元。

(1)兩臺發(fā)電機組年發(fā)電量：年發(fā)電量500萬kW·h，收入200萬元(電價按0.40元/kW·h計)；年消費純瓦斯250萬m3，國家財政補貼50萬元(財政補貼0.20元/m3計)，合計收入為250萬元。

(2)發(fā)電機組年運行成本(包括機油消費、人員工資、設(shè)備維護、設(shè)備折舊等)0.10元/ kW·h ；兩臺發(fā)電機組年運行成本50萬元 ；2個瓦斯抽放孔施工費用120萬元。

(3)年收益=年發(fā)電收入-年運行成本-鉆孔費用=250萬元-50萬元-120萬元=80萬元。

5 結(jié)論

通過以上分析，利用采空區(qū)地面鉆孔抽采瓦斯氣體發(fā)電，符合國家能源政策，投資少，見效快，既能改善煤礦安全生產(chǎn)條件，又能充分利用清潔能源，削減溫室氣體排放，保護生態(tài)環(huán)境，也是國家能源發(fā)展的一個方向，市場前景廣闊，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。