四川白鶴煤礦抽采極薄煤層瓦斯與發電利用實踐

劉益文 易佑前 劉生龍

(1.四川礦山安全技術培訓中心,四川 610017;2.四川白鶴煤礦,四川 614400)

四川白鶴煤礦抽采極薄煤層瓦斯與發電利用實踐

劉益文1易佑前2劉生龍1

(1.四川礦山安全技術培訓中心,四川 610017;2.四川白鶴煤礦,四川 614400)

白鶴煤礦開采煤層為極薄煤層,采煤工作面隅角瓦斯經常超限,礦井建立了地面固定抽采瓦斯系統,采用頂(底)板穿層鉆孔抽采工作面采空區卸壓瓦斯,有效地治理了瓦斯災害。瓦斯抽采系統運行穩定后,將瓦斯進行發電利用,實現了礦井生產和生活零電費,取得了很好的安全與經濟效益。

極薄煤層 隅角瓦斯 抽采瓦斯 頂(底)板穿層鉆孔 瓦斯發電

Abstract:Coal Mine Methane drainage systems have been established in Baihe Coal Mine in Sichuan Province because the methane concentration in the corners of workingfaces always exceeds the normal limit and the coal seam is thin.Drilling boreholes from roof and floor is adapted to relief the gas pressure and effectively reduce gas disaster.Using coal mine methane to generate electricity realizes free charge to electricity of coal production and household use and achieves safety and economic benefits.

Keywords:Thin coal seam;gas in the corners;gas drainage;drilling through roof or floor;CMMpower generation

我國南方省份開采極薄煤層的小煤礦,礦井采煤工作面隅角瓦斯經常超限,而采用正常通風又無法有效解決瓦斯超限問題,因此不少礦井建立了地面固定抽采瓦斯系統。開采極薄煤層的礦井建立瓦斯抽采系統后,面臨著極薄煤層施工順層鉆孔困難、煤層瓦斯含量低、煤層瓦斯透氣性差、抽采瓦斯濃度低、抽采瓦斯量小等一系列技術難題,這些難題是開采極薄煤層的小煤礦瓦斯抽采常遇到的技術問題。開采極薄煤層的小煤礦,如果能突破抽采瓦斯這一難關,提高瓦斯抽采效果,將從根本上保證這些煤礦治理瓦斯的高效率和高質量。本文介紹了白鶴煤礦進行的極薄煤層瓦斯抽采與發電利用實踐,對相似條件的煤礦具有借鑒意義。

1 概況

四川白鶴煤礦有限公司(簡稱白鶴煤礦)位于四川省樂山市犍為縣羅城鎮境內,礦井現核定生產能力為150kt/a。礦井開采三迭系上統須家河組煤層,煤層傾角1～3°,礦井可采或局部可采煤層自上而下分別為K10d、K10S、K9煤層。K10d煤層厚度為0.22～1.0m,內含夾矸1～2層,純煤厚度0.42～0.60m,平均為0.49m,賦存較穩定,與K10S煤層間距2.8～3.5m。K10S煤層不含夾矸,全層純煤厚度為0.22～0.43m,平均為0.33m,賦存不太穩定,與K9煤層間距10～12.5m。K9煤層多見單一煤層,純煤厚度為0.12～0.45m,平均0.33m,賦存不穩定。目前,礦井開采+274m水平的K10d煤層(一個單工作面)與K9煤層(一個對拉工作面)和+200m水平的K10d煤層(一個對拉工作面)。+274m開采水平埋深為110～160m,+200m開采水平埋深為260～300m。礦井采煤工作面采用傾斜長壁對拉布置,對拉工作面長度為2×100m,“W”型通風。

礦井瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井,近幾年瓦斯等級鑒定的礦井絕對瓦斯涌出量變化如圖1所示。

圖1 白鶴煤礦礦井絕對瓦斯涌出量情況

礦井未建立地面固定瓦斯抽采系統前工作面回風隅角、尾巷瓦斯經常超限,瓦斯濃度達0.8%～2%,礦井總回風瓦斯濃度經常達到0.7%～0.8%。礦井采用正常通風無法有效地解決瓦斯超限問題,瓦斯超限成為制約白鶴煤礦安全生產的瓶頸。

2 瓦斯抽采工程實踐

2.1 考察煤層瓦斯基礎參數

煤層瓦斯基礎參數,主要是指煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性等,是決定煤礦瓦斯儲量、預測煤礦瓦斯抽采率及相應瓦斯抽采方式的主要依據。四川礦山安全技術培訓中心與白鶴煤礦一起于2007年下半年進行了煤層瓦斯基礎參數考察,結果為:+200m水平煤層綜合瓦斯壓力為1.07MPa,瓦斯含量6.14m3/t(其中煤層吸附瓦斯量5.32m3/t,游離瓦斯量0.82m3/t),瓦斯壓力梯度0.00375MPa/m,煤層透氣性系數0.052m2/(MPa2.d),鉆孔瓦斯衰減系數3.68d-1,根據參考文獻可知,煤層系較難抽放煤層。

2.2 建立地面固定瓦斯抽采系統

礦井采煤工作面隅角瓦斯經常超限,而采用正常通風又無法有效解決這個問題,因此礦井決定建立地面固定瓦斯抽采系統。白鶴煤礦于2008年5月2日建成地面固定瓦斯抽采系統,并投入試運行,2008年6月20日經四川煤礦安全監察局組織驗收合格并投入抽采。

2.3 瓦斯抽采方法試驗

2.3.1 頂(底)板穿層鉆孔

白鶴煤礦開采煤層純煤平均厚度0.5m以下,傾角1～3°,傾斜長壁對拉面開采。若沿對拉工作面布置走向順煤層預抽鉆孔,易穿頂板或底板巖石,施工順層鉆孔困難;考慮到開采煤層屬較難抽放煤層,煤層瓦斯含量低等因素,結合鄰近礦區汪洋煤礦極薄煤層順煤層瓦斯抽采效果差的經驗,預抽煤層瓦斯的效果估計難以保證。

通過在現場進行瓦斯來源分析,認為采煤工作面隅角瓦斯經常超限的原因是采空區瓦斯量大,而采空區瓦斯主要來源于頂(底)板卸壓瓦斯,因此采用了頂(底)板穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯的方法來解決工作面隅角瓦斯超限。

在1022對拉工作面施工頂(底)板穿層鉆孔如圖2所示,即在回風順槽內向上施工頂板穿層鉆孔,鉆場間距10m,鉆孔長度38.5m,同巷道中線夾角12°,即偏向正在開采的工作面(或即將形成的工作面后方采空區)一側5m。鉆孔傾角45°時的瓦斯抽采效果為最佳(現場試驗過鉆孔傾角分別為20°、25°、30°、35°、40°、45°等六種鉆孔傾角),即鉆孔終孔點距煤層頂板約25m時瓦斯抽采效果最佳。

2009年4月28日統計,礦井投入抽采的頂板穿層鉆孔計30個,礦井抽采瓦斯濃度為47%～50%,抽采純量達3.89m3/min,即單孔抽采純量為0.13m3/min。到2009年8月,利用頂板穿層鉆孔抽采瓦斯,全礦抽采的瓦斯純量為5～6m3/min。

現場觀察發現,工作面開采后,距鉆孔終孔點20～80m區間內,頂板穿層鉆孔的抽采瓦斯量最大,可達0.5m3/min。其他區間的抽采瓦斯量相對較小,一般小于0.3m3/min。

2009年6月到7月,在1022回風順槽內試驗17個底板穿層鉆孔(如圖2所示)抽采卸壓瓦斯。鉆孔孔長30m,傾角170～200°,與巷道的夾角200°(即向工作面后方采空區一則8～10m),鉆場間距10m,一個鉆場一個鉆孔,注漿封孔長度6m。開始投入抽采的3個鉆孔瓦斯濃度為70%～100%,單孔瓦斯流量0.1～0.2m3/min,持續20天后逐漸下降,一般在0.05m3/min。抽采瓦斯效果最好的鉆孔單孔抽采瓦斯流量高達0.6m3/min,且維持時間達一個月。

圖2 白鶴煤礦1022工作面抽采瓦斯鉆孔布置

2.3.2 采空區埋管

白鶴煤礦在布置頂底板穿層鉆孔的同時,在1022對拉工作面的回風隅角也布置了采空區埋管,采煤工作面采空區埋管布置示意圖如圖3所示。

圖3 采煤工作面采空區埋管布置示意圖

具體抽采工藝為:在工作面回風巷抽采管的末端設一彎管,使抽采管口抬高至回風巷頂,并設木垛對其管口進行保護,以此形成埋管口。接替管安裝長度大于10m,并在工作面的后部抽采管上每隔30m安裝一組三通、控制閥門及埋管口組件,在工作面推進過程中,將埋管口保留在工作面的采空區,通過抽采系統對采空區瓦斯進行抽采。當工作面推進至下一個埋管口三通處,埋管口已經埋在采空區內3～5m時,將埋在采空區里的前一埋管段控制閥門關閉,打開下一循環的埋管口閥門,以此達到利用埋管不斷抽采采空區隅角瓦斯的目的。

2.4 瓦斯抽采效果

白鶴煤礦抽采系統建立前,礦井絕對瓦斯涌出量為13.06m3/min,礦井總回風瓦斯濃度經常達到0.7%～08%,工作面尾巷瓦斯濃度為1.5%～2.0%左右,隅角瓦斯濃度1%左右;2008年6月20日瓦斯抽采系統正式運行后,礦井瓦斯抽采純量為4～5m3/min,抽采主管管內瓦斯濃度35%～55%,礦井風排瓦斯量為9m3/min,礦井總回風瓦斯濃度0.3%,工作面尾巷瓦斯濃度為0.8%,隅角瓦斯濃度0.4%～0.6%。

現場統計,2008年6月至12月礦井抽出瓦斯純量為74.864萬m3,同期風排瓦斯量為208.167萬m3,礦井平均瓦斯抽采率26.5%,抽采瓦斯采煤工作面的同期風排瓦斯量為69.57萬m3,采煤工作面平均瓦斯抽采率51.8%。2009年1月至10月,礦井抽出瓦斯純量為160.558萬m3,同期風排瓦斯量為449.56萬m3,礦井平均瓦斯抽采率26.3%,抽采瓦斯采煤工作面的同期風排瓦斯量為123.025萬m3,采煤工作面平均瓦斯抽采率56.6%。可見,瓦斯抽采效果良好,達到了治理瓦斯災害的目的,保證了礦井安全生產。

3 瓦斯發電

3.1 瓦斯發電工程建設

白鶴煤礦瓦斯抽采系統建成后,通過合理布置鉆孔,優化抽采工藝,使瓦斯抽采系統的運行穩定可靠,抽采瓦斯濃度基本保持在40%左右,抽采瓦斯純量基本保持在4～5m3/min(一對拉采煤面實施瓦斯抽采)。

鑒于瓦斯抽采濃度和抽采儲量穩定,礦井進行了抽采瓦斯的發電利用。白鶴煤礦于2009年3月建成瓦斯發電系統,安裝1臺500KW瓦斯發電機組。白鶴煤礦現僅有一對拉采煤面實施瓦斯抽采,一臺瓦斯發電機組發電,擬于2010年8月對又一對拉采煤面實施瓦斯抽采,屆時,又將投入一臺瓦斯發電機組發電,以達到“2臺發電、1臺備用”的設計規模。

3.2 瓦斯發電效果

白鶴煤礦2009年3月至10月,僅有一對拉采煤面實施瓦斯抽采,一臺瓦斯發電機組發電(三臺瓦斯發電機組輪流發電),共發電1781694kWh,平均每月發電254528kWh,瓦斯發電機組發電情況見下表1。

表1 白鶴煤礦有限公司瓦斯發電統計

3.3 瓦斯發電量的利用

白鶴煤礦瓦斯發電系統并入犍為縣供電網,即瓦斯發出的電直接計量輸給犍為縣供電網。白鶴煤礦生產生活用電直接從犍為縣供電網上獲得,實行“發電量與用電量”相互“抵減”,實現了礦井生產、生活用電零電費。

瓦斯為溫室氣體,白鶴煤礦將抽采的瓦斯全部進行了發電利用,實現了抽采瓦斯“零排空”,大大降低了環境污染。

4 結論

通過在白鶴煤礦進行的極薄煤層瓦斯抽采與發電利用實踐,可得到以下結論。

(1)開采極薄煤層的小煤礦,礦井絕對瓦斯涌出量小于或接近15m3/min,建立地面固定抽采瓦斯系統后,取得較好的安全效益和經濟效益。

(2)開采極薄煤層的采煤工作面隅角瓦斯超限,瓦斯主要來源于頂(底)板卸壓瓦斯時,采取頂(底)板穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯,輔以采空區埋管抽采隅角瓦斯,能很好地解決采煤工作面隅角瓦斯超限的問題。

(3)瓦斯抽采系統運行穩定可靠后,將抽采瓦斯進行發電利用,“以利用促抽放、以抽放保安全”,既安全又經濟環保。

[1] 李維光、陳德松、劉益文等.汪洋煤礦瓦斯抽放的工程實踐[J].煤礦安全,2009(8):23～25.

[2] 馬心校、劉益文、劉生龍等.四川省小煤礦提高抽采瓦斯效果關鍵技術研究(R).四川礦山安全技術培訓中心,2009.

Practice on Coal Mine Methane Drainage from Thin Coal Seam and CMM Power Generation in Sichuan Baihe Coal Mine

Liu Y iwen1,Y i Y ouqian2,Liu Shenglong1
(1.Sichuan Mine Safety Technical Training Center,Sichuan 610017;2.Sichuan Baihe Coal Mine,Sichuan 614400)

劉益文,男,工程師,四川礦山安全技術培訓中心礦山通風安全技術研究室主任,主要從事煤礦安全技術培訓教學和煤礦瓦斯抽采研究與技術服務工作。

(責任編輯 桑逢云)