極薄煤層卸壓瓦斯抽采與發電利用實踐

劉益文

(四川安全技術中心, 四川 610041)

極薄煤層卸壓瓦斯抽采與發電利用實踐

劉益文

(四川安全技術中心, 四川 610041)

四川勝利煤礦開采極薄煤層, 采煤工作面隅角瓦斯經常超限, 礦井建立了地面抽采瓦斯系統后, 采用頂 (底) 板穿層鉆孔抽采工作面采空區上 (下) 鄰近層卸壓瓦斯, 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, 對相似條件下的煤礦具有重要借鑒意義。

極薄煤層 抽采瓦斯 頂 (底) 板穿層鉆孔 卸壓瓦斯 瓦斯發電

開采極薄煤層的小煤礦建立了地面固定抽采瓦斯系統后, 面臨著極薄煤層施工順層鉆孔困難、煤層瓦斯含量高、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, 必須研究解決。四川勝利煤礦進行了極薄煤層瓦斯抽采與發電利用實踐, 取得了成功, 對相似條件下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的煤礦具有重要借鑒意義。

1 概況

四川犍為勝利煤業有限公司 (簡稱勝利煤礦)位于四川省樂山市犍為縣羅城鎮境內。礦井核定生產能力為90kt/a。礦井開采三迭系上統須家河組煤層, 煤層傾角8°～10°, 礦井可采或局部可采煤層自上而下分別為Kd10、KS10、K9煤層。Kd10煤層厚度為0．22～0．4m, 平均厚為0．33m, 賦存較穩定, 與KS10煤層間距3．7～4．0m。KS10煤層不含夾矸, 純煤厚度為0．22～0．33m, 平均厚為0．30m, 賦存不太穩定, 與K9煤層間距9．5～16．6m。K9煤層為單一煤層, 純煤厚度為0．12～0．35m, 平均0．28m, 賦存不穩定, 與10d煤層間距13．2～20．6m。目前,礦井開采±0m 水平的Kd10煤層, ±0m 水平埋深為350～400m。礦井采煤工作面采用走向長壁對拉布置, 對拉工作面長度為2 ×100m, “W+ Y”型通風, 條帶充填法控制頂板。

礦井瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井。近十年礦井絕對瓦斯涌出量變化如圖1 所示。

圖1 勝利煤礦近十年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瓦斯經常超限, 瓦斯濃度高達0．8%～2%,礦井總回風瓦斯濃度經常達到0．6%～0．7%左右。礦井采用正常通風無法有效地解決瓦斯超限問題。瓦斯超限成了制約勝利煤礦安全生產的瓶頸。

2 瓦斯抽采工程實踐

2．1 測定煤層瓦斯基礎參數

煤層瓦斯基礎參數主要是指煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性等參數, 是決定煤礦瓦斯儲量、預測煤礦瓦斯抽采率、選擇瓦斯抽采方法的主要依據。為了提高抽采瓦斯效果, 首先對勝利煤礦進行了瓦斯基礎參數測定工作。

四川礦山安全技術培訓中心與勝利煤礦一起于2007 年下半年進行了煤層瓦斯基礎參數考察, 結果為： - 10m 水平煤層綜合瓦斯壓力為0．73MPa,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0．00191MPa/m, 煤層透氣性系數1．13m2/ (MPa2·d) , 鉆孔瓦斯流量衰減系數0．1501d-1, 煤層系較難抽放煤層。

2．2 建立地面瓦斯抽采系統

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瓦斯超限問題, 因此礦井決定建立地面瓦斯抽采系統。礦井于2008 年2 月建成地面瓦斯抽采系統, 投入試運行, 2008 年3 月10 日經四川煤礦安全監察局組織驗收合格并投入抽采。

2．3 頂 (底) 板穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯試驗

勝利煤礦開采煤層純煤平均厚度0．3m 以下,傾角8°～10°, 走向長壁對拉面開采。開采煤層為極薄煤層, 若沿對拉工作面布置傾向順煤層預抽鉆孔, 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。

對現場進行了瓦斯來源分析, 認為采煤工作面隅角瓦斯經常超限的原因是采空區瓦斯涌出量大,而采空區瓦斯主要來源于頂 (底) 板上 (下) 鄰近煤層卸壓瓦斯, 因此采用了頂 (底) 板穿層鉆孔抽采上 (下) 鄰近煤層卸壓瓦斯的方法來解決工作面隅角瓦斯超限。勝利煤礦除了從回風巷布置頂(底) 板鉆孔外, 還在對拉工作面錯開的巷道段布置相應鉆孔, 如圖2 所示。

在1103 對拉工作面施工頂 (底) 板穿層鉆孔,即在回風順槽內向上施工頂板穿層鉆孔, 向下施工底板穿層鉆孔、鉆場間距10m, 鉆孔同巷道中線夾角35°、50°、65°、80°, 鉆孔長度40～60m, 即始終保持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20m。現場試驗過頂板穿層鉆孔傾角為9°～24°, 底板穿層鉆孔下向傾角為15°～20°, 得到終孔位置距頂板約15m, 距底板約18m時瓦斯抽采效果為最佳。

勝利煤礦2010 年4 月25 日經孔板流量計測定, 在抽的10 個頂板鉆孔和10 個底板孔, 抽出瓦斯量 5．5m3/min, 平均每個孔抽放瓦斯量達0．275m3/min。一個回采工作面, 當鄰近層卸壓瓦斯涌向開采工作面時, 瓦斯量可從原有的1．2m3/min 上升到3．0m3/min, 經過頂板鉆孔和底板鉆孔強行抽, 工作面瓦斯抽采率可以達到60%。

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, 最大可達0．6m/min。其他區間的抽采瓦斯量相對較小, 一般小于0．1m3/min。

圖2 勝利煤礦1103 工作面抽采瓦斯鉆孔布置示意圖

勝利煤礦在布置頂底板穿層鉆孔的同時, 在1103 對拉工作面的中巷和上、下回風巷采用了保留原抽采管路的措施, 繼續對采空區內瓦斯進行抽采, 延長了瓦斯鉆場和瓦斯鉆孔的使用時間, 減緩了采煤工作面隅角瓦斯的涌出, 保證了礦井通風瓦斯安全。

2．4 瓦斯抽采治災效果

勝利煤礦抽采系統建立前, 礦井絕對瓦斯涌出量14．75m3/min, 礦井總回風瓦斯濃度經常達到0．65%～0．72%, 工作面尾巷瓦斯濃度為1．5%～4．5%左右, 隅角瓦斯濃度經常超過1%, 嚴重制約著礦井的安全生產。2008 年2 月28 日瓦斯抽采系統正式運行至2010 年年末, 礦井瓦斯抽采純量保持在5．5～6．4m3/min, 抽采主管管內瓦斯濃度30%～40%, 勝利煤礦抽采前后瓦斯濃度變化情況見表1。

表1 勝利煤礦抽采前后瓦斯濃度變化

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

勝利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, 瓦斯抽采系統運行穩定可靠。對兩個對拉采煤面實施瓦斯抽采, 抽采瓦斯濃度基本保持在33%～35%左右, 抽采瓦斯純量基本保持在5．5～6．4m3/min。

鑒于瓦斯抽采濃度和抽采流量穩定, 礦井進行了抽采瓦斯的發電利用。礦井于2008 年3 月建成瓦斯發電系統, 裝配2 臺500kW 瓦斯發電機組。

3．2 瓦斯發電效果

勝利煤礦近兩年來瓦斯發電情況見下表2。兩年來利用瓦斯共發電8892200kWh, 平均每月發電370508kWh, 瓦斯發電機組發電情況見表2。

3．3 瓦斯發電量利用

勝利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。勝利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。

表2 勝利煤礦有限公司瓦斯發電統計

續表

勝利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,具有重要的環保效益。實現了經濟效益、環境效益和社會效益共贏局面。

4 結論

通過在勝利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) 高位頂板鉆孔或底板下向鉆孔抽采鄰近層的采動卸壓瓦斯, 效果好, 單孔抽采瓦斯量大、濃度高, 是抽采極薄煤層瓦斯的有效方法。

(2) 卸壓瓦斯主要來至上鄰近層, 可主要采用頂板鉆孔抽卸壓瓦斯就能達到抽采瓦斯效果。卸壓瓦斯主要來至下鄰近層時, 因大量卸壓瓦斯涌入開采層的時間較晚 (例如工作面煤壁推過20m) , 開采工作面通風對卸壓瓦斯流動失去了控制, 若卸壓瓦斯不至于造成回風隅角瓦斯超限, 且又能集中到頂板, 工作面開采后頂板鉆孔還可以利用 (工作面為Y型通風) , 也可主要采用頂板鉆孔抽達到抽采瓦斯效果; 否則頂板鉆孔和底板鉆孔應同時使用。

(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, “以用促抽、以抽保安”, 既安全、經濟, 又環保。

[1] 劉益文、劉生龍．四川白鶴煤礦抽采極薄煤層瓦斯與發電利用實踐 [J] ．中國煤層氣, 2010： 32～35．[2] 劉益文、馬心校、劉生龍．勝利煤業有限責任公司勝利煤礦瓦斯參數測定報告 [R] ．四川礦山安全技術培訓中心．2007．

[3] 國家安全生產監督管理總局．AQ1027 - 2006 煤礦瓦斯抽放規范 [S] ． 北京： 煤炭工業出版社, 2007(1) ．

[4] 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： 23～25．

[5] 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 of Gas Drainage of Relaxed Adjacent Seam from Thin Coal Seam and Use of Gas for Power Generation

Liu Yiwen
(Sichuan Safety Technology Center, Sichuan 610041)

Gas emission from the corner of coal working face always exceeded the specified limitation in mining extremely thin coal seam in Shengli coal mine, Sichuan. After building of a fixed gas drainage system on the surface, cross-measure roof (or floor) boreholes were used to extract pressure - relief gas in the adjacent coal seams above (or below) the gob area of the working face, and obtained satisfactory safety and economic benefits, through achieving zero electricity fee for production and living, which is of important significance to mines with similar conditions.

Extremely thin coal seam; gas recovery; cross measure roof (floor) boreholes; pressure-relief gas; CMM power generation

四川省安全科技項目。(項目編號： 2007- 10, 2008- 22)

劉益文, 男, 工程師, 主要從事安全培訓和煤礦瓦斯災害治理方面的研究工作。

(責任編輯 桑逢云)