地麵與井下共抽 治理與利用並舉 開辟煤礦瓦斯治理與綜合利用新路子

地麵與井下共抽 治理與利用並舉 開辟煤礦瓦斯治理與綜合利用新路子
山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司

山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司（以下簡稱晉城煤業集團）是由山西省國資委控股、多元股東持股的有限責任公司。現有7對生產礦井，登記生產能力3485萬t/a，2007年生產原煤3221萬t。現有35個控股子公司和10個分公司。
目前，集團公司正以科學發展觀統領全局，堅定不移地加速實施“煤、氣、電、化綜合發展，建設環保型綠色礦山”的中長期發展戰略，力爭到2010年生產經營總額突破500億元，實現利潤突破40億元，實現原煤產量5000萬t、煤層氣產量20億m3、發電裝機容量1.5GW、煤化工總氨產量700萬t、合成油產量10萬t以上。
晉城礦區位於山西省東南部，是國家規劃的13個大型煤炭基地中晉東煤炭基地的重要組成部分，是我國優質無煙煤的重要生產基地。礦區規劃麵積3273km2，地質儲量368億t，規劃建設13座礦井，總設計生產能力8520萬t/a。規劃區煤層氣探明儲量1040億m3，可采儲量728億m3。
晉城礦區主要可采及局部可采煤層為山西組（P1s）的3號煤層和太原組（C3t）的9號、15號煤層。目前主采3號煤層，平均厚度5~6m，屬近水平煤層，蓋山厚度300~500m。瓦斯賦存的特點是：瓦斯含量和煤層埋藏深度成正比；瓦斯生成和保存條件較好，儲量大，具有實施產業化開發的資源基礎；具有較好的可抽采性，煤層滲透率為0.1～5mD，有利於采用地麵鑽井壓裂技術進行大規模抽采；甲烷含量高，超過96％，抽出的高純度瓦斯具有很高的開發利用價值。
近幾年來，隨著礦井的逐步延深和開采規模的擴大，晉城煤業集團瓦斯危害明顯地顯現出來。2007年寺河礦東井和成莊礦礦井瓦斯等級鑒定：絕對瓦斯湧出量分別為346.85 m3/min、287.49 m3/min，相對瓦斯湧出量分別為21.63 m3/t、17.55 m3/t。
作為以煤為主的企業集團，晉城煤業集團始終堅持把安全發展作為實現可持續發展的第一要務和首要目標，堅持“開發新型能源，促進環境保護，服務安全生產，提高礦區居民生活質量，實現產業化經營”的指導思想，和“井上下抽采相結合，井上抽采先行；抽采利用相結合，以用促采”的工作方針，通過10多年特別是近5年來的積極探索與實踐，瓦斯治理與利用取得了初步成效。
一、堅持理念創新 創造性地提出“采煤采氣一體化”“三級瓦斯治理”等理念和方法
理論是實踐的先導，是技術發展的基石。晉城煤業集團密切結合晉城礦區的實際，突破國外已有理論框架和技術路線的束縛，創建了“采煤采氣一體化”、“三級瓦斯治理”等新的理念和方法，為進一步開展瓦斯綜合治理技術的創新提供了強有力的支撐。
(一)采煤采氣一體化
通過實施地麵鑽井、井下順煤層長鑽孔預抽、邊采（掘）邊抽、采空區抽采相結合的單一中厚煤層瓦斯綜合治理模式，實現煤炭與煤層氣資源的合理開發、綜合利用及兩類產業的健康發展。
實施采煤采氣一體化，一是在時間上，煤層氣的抽采與礦井的開發協調一致；二是在空間上，地麵煤層氣井位的布置與礦井采掘銜接相一致；三是在功能上，煤層氣井實現“地質勘探，采前抽、采動抽，采後抽”一井多用（圖1）。

1—地麵鑽井；2—回采工作麵；3—冒落拱；4—裂隙帶；5—煤層
圖1 一井多用抽采模式圖

實施采煤采氣一體化的關鍵，在於實現地麵井下相互結合。布置地麵抽采鑽井，從鑽井密度上講：一要考慮單井的抽采效果；二要考慮允許抽采的時間；三要考慮使煤層瓦斯均勻地降低，不留下局部瓦斯含量仍大、壓力仍高、有突出危險的隱患。從給煤炭開采創造安全條件角度講：一要考慮避讓井下采掘巷道和井筒硐室；二要考慮使采麵抽采效果達到最佳；三要考慮在抽采全過程一井真正能夠做到多用。
(二)三級瓦斯治理
根據礦井瓦斯勘探情況和參數測定結果，分“三級”治理瓦斯：對於瓦斯含量高於16 m3/t的開采煤層或區域，首先提前5～8年實施地麵鑽井預抽煤層瓦斯，使瓦斯含量降到16 m3/t以下；對於瓦斯含量在8～16 m3/t的開采煤層或區域，根據煤層賦存特性，提前3～5年采用井下千米鑽機等鑽具實施井下區域性遞進式預抽采；對於瓦斯含量低於8 m3/t的區域，采用邊抽邊采掘、采空區抽采、加強通風、監測監控等綜合措施治理采掘活動中湧出的瓦斯。
2007年之前，依據“每年每口煤層氣井可使0.1km2範圍內噸煤瓦斯含量降低約1 m3”的經驗數據，結合礦井開發規劃，按照300m×300m的模式進行鑽井布局（圖2）。2007年之後，將地麵鑽井由矩形布置方式改為菱形布置，將鑽井布置在瓦斯富集的地質構造地帶，因為這些地方最容易導致煤礦煤與瓦斯突出02manbetx.com 的發生。

圖2 地麵抽采鑽井局部布置示意圖

二、堅持技術創新，實現地麵煤層氣抽采，井下區域性遞進式預抽采 雙係統抽采等關鍵技術和配套工藝的全麵突破
(一)地麵煤層氣抽采技術工藝
早在1993年，晉城煤業集團就與美國美中能源公司合作，在國內率先引進了美國的地麵煤層氣開發技術，在潘莊井田施工了7口煤層氣試驗井，10多年來單井日產氣能力始終保持在2000 m3以上。從2004年開始，開發新井進行了放大試驗，單井產氣量最大達到3萬m3/d。截止2007年底，晉城礦區已形成880口煤層氣井組規模，其中投入運行339口，日產氣量80萬m3以上，單井平均日產氣量近2500 m3，形成了年產6億m3煤層氣的生產能力。
2003年8月，晉城煤業集團設立了“沁水藍焰煤層氣有限公司”，積極推進煤層氣開發的專業化、產業化運作。經過不斷探索、實踐、總結，開發出具有自主知識產權的地麵預抽瓦斯技術，初步掌握了清水鑽井、活性水壓裂、定壓排采、低壓集輸的煤層氣開發技術體係，突破了無煙煤不適合地麵煤層氣開發的“禁區”，為我國煤層氣地麵開發利用創出了第一個成功範例，率先實現了井上井下采煤采氣一體化。
(二)井下區域性遞進式預抽采技術工藝
晉城煤業集團3號開采煤層厚，屬近水平可抽煤層，煤質較硬，適合於在煤層中施工長鑽孔，組織區域性遞進式預抽采。
區域性遞進式預抽采（圖3）就是利用千米鑽機等機具施工長鑽孔，形成一個較大範圍的瓦斯預抽區域，根據目前千米鑽機實際進尺水平，一個預抽區域至少應涵蓋1個工作麵。

圖3 區域性遞進式預抽采示意圖

在工作麵順槽掘進過程中，即應通過順槽巷道向鄰近工作麵打鑽，提前開始預抽采，抽采區域不僅包括鄰近工作麵，也要包括與鄰近工作麵相鄰的巷道條帶，從而為再下一個工作麵的布置與預抽采創造條件。
區域性遞進式預抽采可保證工作麵抽采時間，能盡快取得預抽效果，實現工作麵有序銜接。尤其是通過超前抽采，可有效消除工作麵掘進及回采過程中的突出危險性。實施區域性遞進式預抽采之後，在掘進和回采過程中，針對瓦斯抽采不平衡和瓦斯湧出量大的問題，仍然需要采取其他抽采措施。
(三)雙係統抽采技術工藝
晉城礦區本煤層瓦斯含量大，透氣性好，煤質較硬，厚度適中，整體性好，適合在本煤層布孔進行預抽采，以及在生產過程中工作麵采空區瓦斯湧出量大，需針對性地進行采空區抽采的特點，決定了采取本煤層和采空區“雙係統”瓦斯抽采技術工藝。本煤層預抽的特點是高負壓、低流量，采空區卸壓抽采的特點是低負壓、大流量。實踐中曾經將兩種方式共用一個係統來組織抽放，結果是本煤層預抽負壓上不來，采空區抽采流量達不到，效果大打折扣。因此，針對兩種抽采的特點，開始建立2套抽采係統。
寺河礦於2000年5月建成了礦井地麵本煤層瓦斯永久抽采係統，於2002年底在井下東井區建成了井下采空區瓦斯抽采泵站係統，2006年對2套係統又進行了擴容改造，東井區井下四盤區抽采能力為0.8億m3/a的泵站正在建設。成莊礦2002年底建成地麵本煤層瓦斯永久抽放係統，2006年建成井下3號風井采空區抽采泵站，2號風井能力為0.4億m3/a的抽采泵站正在建設之中。
寺河礦地麵本煤層預抽采泵站的抽采能力為2億m3/a，東井區井下采空區抽采泵站抽采能力為1億m3/a，地麵本煤層預抽采泵站安裝了6台CBF710型水環式真空泵，井下采空區瓦斯抽采泵站安裝了5台2BE1-705水環式真空泵。成莊礦地麵抽采泵站抽采能力為1億m3/a，井下3號風井采空區抽采泵站抽采能力為0.4億m3/a，地麵抽采泵站安裝6台CBF710水環式真空泵，井下3號風井瓦斯抽采泵站安裝3台CBF630和2台CBF380水環式真空泵。
雙係統抽采工藝適合晉城礦區強化煤層預抽采和采空區抽采的特點。
三、堅持煤層氣產業化經營，開創變瓦斯“殺手”為“幫手”的新途徑
近年來，晉城煤業集團本著開發新型能源、保護大氣環境、保障煤礦安全、提高職工生活質量、培育經濟增長點的理念，積極探索煤層氣開發利用的新途徑，取得了良好的效益。
(一)煤層氣發電
2001年寺河礦利用井下抽采瓦斯，建成了裝機容量15MW的瓦斯發電廠，目前利用亞行貸款建成的亞洲規模最大的12MW煤層氣發電廠已進入調試階段,該電廠年耗氣將達到1.87億m3，年發電量8.4×108kWh。此外，晉城煤業集團成莊礦18MW尾煤電廠和金駒股份公司的36MW煤矸石電廠正在進行使用煤層氣發電改造。
(二)民用燃氣
建成了全國最大的煤層氣壓縮站，日壓縮能力達50萬m3，利用專用煤層氣運輸槽車，向晉城市、長治市、太原市以及河南省等居民供應清潔、高效、安全的煤層氣。2005年，晉城煤業集團對礦區內民用燃氣係統進行了用煤層氣代替水煤氣改造。目前晉城市範圍內約有煤層氣用戶4萬餘戶，儲氣站10餘座，每日供氣量3萬m3以上。為提高輸送能力，解決瓦斯利用中運輸瓶頸問題，集團公司正在建設西部煤層氣產地至東部利用基地的高濃度、低濃度煤層氣輸送兩趟管道，將供氣方式變為以長輸管線為主。高濃度管道線路總長45.2km，設計輸氣能力10億m3/a，目前已進入試運行階段。此外，2007年晉城煤業集團控股了山西能源煤層氣有限公司，該公司承擔了亞行貸款山西省沁水煤田煤層氣利用工程，負責集團公司向周邊區域瓦斯利用管網的建設。
(三)CNG(壓縮煤層氣)清潔能源汽車
據測算，1 m3煤層氣可代替1.13L 93號汽油，以現行市場油價和氣價計算，每使用1 m3煤層氣代油可節約3元以上。2005年7月，晉城煤業集團在晉城市建成了第一座CNG加氣站，並開始改裝CNG汽車。目前，除晉城市外，汽車加氣業務已拓展至長治、太原、焦作、洛陽、濟源、鄭州等地市場，日供氣7萬m3以上。
(四)燃氣鍋爐代替燃煤鍋爐
晉城煤業集團已新上燃氣鍋爐23台、總蒸發量132t/h，年耗氣1500萬m3。目前正在逐步以燃氣鍋爐代替燃煤鍋爐，全部完成後年耗氣約1億m3。同時各抽采礦井建設燃氣暖風爐、空調等，為礦區生產、生活服務。
(五)工業用氣
煤層氣的甲烷含量高，雜質少，用於玻璃、陶瓷等行業有很大的優勢。目前，晉城煤業集團已實現向晉城市及周邊地區的陶瓷、玻璃、鋼鐵等生產企業提供工業燃料，年用氣1800萬m3左右。
(六)以煤層氣為原料建設煤化工
晉城煤業集團規劃建設以高硫煤為原料的10萬t/a合成汽油項目，可以參燒煤層氣。
(七)煤層氣液化（LNG）
為了擴展煤層氣應用的地域空間，利用煤層氣為原料的10萬t/a液化項目正在實施：一期工程預計2008年6月份投產，日處理瓦斯能力達30萬m3；二期工程預計2008年年底建成，日處理能力為60萬m3。項目完成後，日處理瓦斯能力總體達到90萬m3。
晉城煤業集團在加大煤層氣規模化利用的同時，積極參與CDM(清潔發展機製)的運作。2004年12月以來，晉城煤業集團120MW煤層氣電廠項目所產生的經核證的溫室氣體減排項目分別被世行托管的碳化基金（PCF）、日本碳基金(JCF)、荷蘭清潔發展機製和英國愛思凱公司收購，購買該項目的減排量1600萬t等量CO2的減排額度，獲得收益1.5億美元。2007年，又依托瓦斯電廠改造項目，與英國氣候變化資本集團簽訂“減排購買協議”，再獲收益950萬歐元。
“十一五”期間，晉城煤業集團規劃在寺河、成莊、長平、趙莊等高瓦斯生產礦井施工煤層氣井2000口，提前5～8年或更長時間布置地麵鑽孔抽采，實施地麵鑽孔預抽采，維持一定的地麵抽采鑽井數量，為井下開拓布置抽采鑽場創造條件，進行地麵、井下抽采充分結合；加大千米鑽機考核力度，全麵推廣實施區域性遞進式預抽采、加大抽采的覆蓋麵和強度；同時，將煤層氣開發利用作為三大主導產業之一，使煤層氣更加廣泛地應用於發電、民用、工業、汽車燃料及化工等項目。