主焦煤礦瓦斯抽采利用和效益分析

盧 杰 杜潤魁 張志良 王啟明

(河南煤化集團安陽鑫龍煤業公司,河南 455133)

1 主焦煤礦煤層氣資源概況

主焦煤礦位于河南省安陽礦區北部的倫掌鄉內,東距安陽市38km,南距水冶鎮15km。礦井范圍為東西長約5.8km,南北寬約2.4km,面積約11.6073km2。生產能力為40萬t/a礦井。采用中央分列式通風系統,主、副井進風,專用風井回風。選擇二臺FBCDZ No 26/2×220型軸流風機,服務于21、22兩個采區。回采工作面為21141采面,掘進工作面為22采區回風上山、22采區軌道上山、22101運輸巷和22采區皮帶上山。礦井總進風量78.6m3/s。2009年瓦斯涌出等級鑒定結果為高瓦斯礦井,相對瓦斯涌出量為21.23m3/t;絕對瓦斯涌出量為19.97m3/min。井田內保有地質儲量為54.869Mt,可采儲量為25.9Mt。

預測主焦煤礦主采二1煤層的可抽煤層氣資源量達 178.50Mm3,煤層氣資源密度為 10.33～20.12Mm3/km2。煤層氣中甲烷含量為82.54%～97.43%。

2 煤礦瓦斯抽采的必要性

主焦煤礦二1煤層瓦斯壓力為0.23～0.39MPa左右,瓦斯含量為2.68～9.16m3/t,二1煤層透氣性系數為31.78m2/MPa2.d,二1煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.037d-1。主焦煤礦瓦斯壓力和瓦斯含量較大,透氣性系數較低,滲透性較差,煤層屬于可以抽放煤層。

主焦煤礦21141工作面在掘進期間曾出現瓦斯燃燒事故。在2009年5月4日掘進21141運輸巷工作面時,迎頭放炮后發生了瓦斯燃燒事故,造成6人輕傷,掘進面停工20天,直接經濟損失近百萬元。掘進時瓦斯涌出量大,其主要原因是未對工作面運輸巷、回風巷進行瓦斯抽采,未能從根本上采取措施治理瓦斯。

21141工作面回采初期風量為17.2m3/s,由于瓦斯涌出量較大,回風流中瓦斯濃度在0.7%～1.1%,上隅角瓦斯濃度經常在1.9%～3%左右,最高可達5%,時有瓦斯超限,嚴重影響回采工作面正常生產。雖然相繼采取調節風量等措施,一度將工作面風量加大到32.2m3/s,使工作面回風巷瓦斯濃度降到0.6%左右,但是回風巷風速正常為3.8m/s,接近風速臨界值,當行人通過時就會造成風速超限,礦井等積孔由原來的2.0m2降為1.6m2,大大增加了礦井通風阻力和通風成本,所以單靠風排不能從根本上解決瓦斯超限問題。

3 煤礦瓦斯抽采基本情況

主焦煤礦瓦斯抽采系統在2009年7月份投入運行。

3.1 煤礦瓦斯抽采設備

地面抽放站選擇3臺相同性能的2BEC420型水環式真空泵,泵的主要性能為：轉速為490r/min;配套功率是185KW;抽放量為130～158m3/min。回采工作面高位鉆孔抽采采用Y D-Ⅳ型井下移動抽放泵。

采取地面瓦斯抽放泵站和井下瓦斯抽放泵站相結合進行抽采,實現地面泵站與井下泵站分源抽放;利用地面瓦斯抽放泵站對回采工作面本煤層平行鉆孔和掘進工作面邊掘邊抽鉆孔進行抽采;利用井下移動式瓦斯抽放泵站對高位鉆孔進行抽采,減少管道抽放阻力,提高礦井瓦斯抽采效率。

3.2 礦井瓦斯抽采系統

瓦斯抽采地面管路采用埋地敷設,采用法蘭連接。回風立井管路沿罐道梁敷設,采用法蘭連接。井下大巷管路采用吊掛敷設,主、干管連接方式為承插連接,支管連接方式為法蘭連接或快速管接頭連接。在各主、干、支管路上分別安設閥門、流量計和放水器來調節系統的抽采負壓,以掌握各抽采地點瓦斯抽出量、瓦斯濃度的變化情況以及保證管網系統的正常抽采。礦井抽采管路系統布置見圖1。

礦井瓦斯抽采系統通過地面監測和井下抽采監測兩大監測系統實時對泵站抽放計量、設備運行狀態及工況、井下管道抽放計量等進行監測。

圖1 礦井抽采管路系統布置圖

4 瓦斯抽采技術

根據主焦煤礦二1煤層賦存條件、瓦斯來源、煤層瓦斯含量等瓦斯抽采基礎參數及巷道布置方式,掘進工作面采用邊掘邊抽的抽采方法,回采工作面采用本煤層抽采和高位鉆孔抽采相結合的抽采方法。

4.1 掘進工作面瓦斯抽采

當瓦斯涌出量大時,為防止瓦斯超限,采用隨巷道掘進邊掘邊抽的方法進行瓦斯抽采,即在巷道兩幫布置鉆場,打超前鉆孔預抽掘進工作面前方煤體內的瓦斯,隨著掘進工作面向前推進,瓦斯抽放鉆場隨之開鑿出來,接管抽采。鉆孔布置示意圖見圖2所示。

(1)鉆場布置參數

根據鉆孔深度確定鉆場間距,保證10～15m的超前抽放距離,兩幫鉆場交錯式布置。鉆場尺寸寬×高×深為2.5m×2m×2m。鉆場采用工字鋼支護,棚距500mm,棚與棚之間打連鎖,嚴防倒棚,頂部用木板背緊背實,嚴防頂煤跨落。

圖2 掘進工作面邊掘邊抽示意圖

(2)鉆孔布置參數

鉆孔直徑為75～90mm。每個鉆場布置5～9個鉆孔,控制巷道輪廓線外8m。鉆孔施工過程中,要嚴格執行防塵、防瓦斯、防突、防機械電氣傷人的安全技術措施,保證鉆孔施工安全。

4.2 回采工作面瓦斯抽采

4.2.1 本煤層抽采

順層平行鉆孔抽放是在煤層巷道內,沿煤層布置鉆孔進行抽放的方法。

在采面回風巷沿順煤層傾斜方向向下打鉆,鉆孔直徑為94mm,鉆孔間距為1.5m;采用水力排屑方式,鉆機型號為ZY-2300型。

在采面運輸巷沿順煤層傾斜方向向上打鉆,鉆孔直徑為75mm,鉆孔間距為1.5m;采用水力排屑,鉆機型號為Z L-500型。采面平行順層抽放鉆孔平面布置見圖3。

圖3 21141工作面平行順層抽放鉆孔平面布置示意圖

圖4 采面回風巷高位鉆場鉆孔布置平面示意圖

鉆孔要求：鉆孔平行錯開,運輸巷、回風巷鉆孔長度壓茬50m。

4.2.2 高位鉆孔抽采

(1)裂隙帶可抽高度確定

裂隙帶高度是影響高位鉆孔抽采效果的重要因素。根據宋振騏院士的實用礦山壓力理論,經計算分析,裂隙帶可抽高度區間為23.47～65m。

(2)高位鉆孔布置

圖5 采面回風巷高位鉆孔剖面示意圖

對高位鉆場鉆孔進行設計,每個鉆場內設計10個鉆孔,全部為巖孔,鉆孔全部設計在裂隙帶,鉆孔直徑為94mm。高位鉆孔采用濕式排屑,鉆機型號為ZY-2300型。鉆孔具體布置見圖4和圖5,高位鉆孔抽采進氣管選取內徑為203mm(8英寸)的HDPE抗靜電聚乙烯管。工作面高位鉆場選用Y D-Ⅳ型抽放泵。移動抽放泵輸出端并入地面抽采系統抽采。

5 煤礦瓦斯發電系統

主焦煤礦煤礦瓦斯發電機組廠區布置在風井東北邊靠近山坡邊緣處。根據煤層氣抽采情況及煤層氣發電機組對氣源的適應性要求等因素,選擇了兩臺500GF1-3PW型燃氣發電機組,裝機容量1000K W。

6 瓦斯抽采的經濟效益和社會效益分析

6.1 經濟效益

主焦煤礦確立了“以發電促抽采,以抽采治瓦斯”的工作思路,既保證了安全生產,又變廢為寶,增加了經濟增長點。通過對采掘工作面綜合抽采,礦井抽采純瓦斯量可以達到10.5m3/min以上;2010年累計抽采瓦斯量4.58Mm3。從2009年10月21日地面發電機組投運以來,瓦斯利用量為2.52Mm3,共發電量504萬度,瓦斯發電創造間接經濟效益304.2萬元。

6.2 社會效益

(1)有利于煤礦安全生產。按照“通風可靠,抽采達標,監控有效,管理到位”的十六字瓦斯治理工作體系要求,主焦煤礦強化了瓦斯抽采,礦井瓦斯抽放率達到38.5%,有效控制了采掘工作面瓦斯積聚,減少了采空區瓦斯涌出量。

礦井扇風機風壓由原來的2010Pa左右降為1660Pa左右,礦井等積孔由原來的 1.6m2升為1.96m2,大大節約了通風成本。

瓦斯超限次數顯著減少,創造了連續7個多月無瓦斯超限安全生產局面。工作面需風量由通風最困難時期的32.2m3/s降至現在的17.8m3/s,回風風流瓦斯濃度在0.4%左右,很少有超過0.9%斷電現象,上隅角瓦斯濃度可降低至0.4%～0.9%左右,為工作面實現高產高效提供了較大的發揮空間。

(2)有利于環境保護。主焦煤礦的瓦斯發電,相當于節約了2035t標準煤,減排了5071t二氧化碳,減排了152.6t二氧化硫,不僅可以變廢為寶,有效實現能源的綜合利用,而且可以減少瓦斯排放所造成的環境污染,保護了人類的生存環境。

(3)可以改善煤礦供電條件,緩減了電力供應緊張局面。

[1] 王啟明.主焦煤礦“5.4”火災事故的分析與對策[J].山西煤炭,2010,(6)：53-54.

[2] 俞啟香.礦井災害防治理論與技術 (2008年修訂版)[M].徐州：中國礦業大學出版社,2008：115-118.

[3] 宋振騏.實用礦山壓力與控制 [M].徐州：中國礦業大學出版社,1988：39-40.

[4] 張德江.大力推進煤礦瓦斯抽采利用 [J].求是,2009,(24)：2-4.