頓巴斯礦區地面煤層氣抽放的先進工藝

科如紹克·杰尼索維奇 圖爾欽·安德烈耶維奇

謝維列夫·烈昂尼多維奇 尤什科夫·亞歷山德羅維奇

(頓涅茨克鋼鐵公司，烏克蘭 83000)

頓巴斯礦區地面煤層氣抽放的先進工藝

科如紹克·杰尼索維奇 圖爾欽·安德烈耶維奇

謝維列夫·烈昂尼多維奇 尤什科夫·亞歷山德羅維奇

(頓涅茨克鋼鐵公司，烏克蘭 83000)

本文講述烏克蘭頓巴斯礦區的煤層氣抽放和利用，分析了綜合開發和利用瓦斯的新方案，并選擇伯克羅夫斯科礦務局做為實施方案的地點，該礦務局是烏克蘭最大礦務局，年產800萬t煤。實踐證明從地面抽放瓦斯的優越性，每年要建設約50口抽放井的方法，頓涅茨克鋼鐵公司選用Ultra Single 150型 (加拿大)鉆機，進行鉆孔。闡述這種鉆機結構和使用方法，速度達到約60m/h，每晝夜速度達到620m，比原有鉆機提高速度2～3倍，使用多晶體PDC型鉆頭，一個鉆頭可鉆深7000多m。在煤層氣利用方面，采用熱電聯產氣體活塞式發電站，可供礦務局所需電量的54%，效益好，可推廣。

綜合開發利用 快速鉆進 發電站

1 概況

頓巴斯煤田是烏克蘭主要的燃料能源基地。近年來，頓巴斯不僅被看作為產煤區，而且也被看作是大型含氣區域。頓巴斯煤礦可能抽采的煤層氣量完全可以和烏克蘭已探明的天然氣儲藏量相媲美。

鑒于烏克蘭已探明的天然氣儲藏量并不大，因此應高度重視從煤層抽采煤層氣來彌補天然氣開采量不足的可能性。頓巴斯礦區的煤層氣資源估計為12萬億m3，應當指出，煤層氣的成分和熱值與天然氣是相同的。每年，頓巴斯礦井的抽氣系統提取25億m3煤層氣，其中僅3億m3煤層氣被有效利用。

2 綜合開發利用方案

2.1 方案的內容

近期，根據頓巴斯礦區的實際情況，制定出煤層氣綜合開發和利用方案，其內容包括:(1)對煤礦的煤層氣進行有計劃的預抽放;(2)用地面鉆井對回采工作面和采空區進行煤層氣抽放。

預抽放是采礦作業開始前抽采煤層氣，目的是減少其進入巷道并防止瓦斯突出。美國威德福公司正在在頓巴斯礦區進行試驗作業。日常抽放是從回采工作面和采空區經過地面鉆出的井孔抽排。目前，頓涅茨克鋼鐵公司正在實施該項作業。采用創新技術和方法可大大縮短了鉆井的施工工期。

2.2 方案的實施

波克羅夫斯科礦務局被推薦作為該方案的實施地點，它是頓巴斯煤田具有代表性的采煤企業。礦井的采煤作業在800多米深的d4煤層進行，該煤層是易發生煤和瓦斯突出的地層。該礦務局是烏克蘭最大的礦務局，年采煤800萬t。正如礦務局高產回采工作面的開采經驗所證實，瓦斯的存在降低了采煤速度，由于必須保持其在巷道空氣中的安全含量，也使采礦作業的實施復雜化。然而，使回采工作面中的瓦斯狀況正常的通風系統的功能是有限的。

此外，與從采掘巷道中所鉆的孔相比，從地面鉆孔抽氣更有自己的優越性。

(1)從地面鉆孔不依賴采礦巷道的狀況，也不干預生產過程;

(2)使用地面鉆機鉆孔作業的生產效率高，使用地面鉆孔提取瓦斯的產量，比從井下巷道鉆孔抽采效率提高幾倍;

(3)現代化鉆井工藝可以從一口井鉆出幾口傾斜水平井，這大大減少了鉆井作業的費用，從而減少了配置鉆機的土地占用面積。

2.3 實施的結果

根據上述這些經驗使頓涅茨克鋼鐵公司首次在烏克蘭制訂并開始實施煤礦瓦斯綜合開發和利用方案，該方案基于采用創新技術解決方法、采用新工藝和新設備的多方案戰略。方案規定預先對煤層進行抽采，繼而開采高產煤層或對不可采的煤層進行煤氣化。眾所周知，依靠采用預先抽放工藝，把煤礦體中瓦斯的天然含量降低50%以上，可以顯著提高生產的安全性，并大大地降低抽放地段的準備和開采費用。

通過地面鉆井對采空區進行抽放的工藝，納入日常抽放，減少瓦斯向巷道的排放量是在采礦作業過程中進行的。它的特殊性在于，作為一項輔助措施，它是在通風系統和地下抽放系統達不到時采用，但任何情況下也不能替代井下抽放。

公司制訂了利用地面鉆井對采空區進行抽放的方案。該方案的主要特點是規定一年建設約50口抽放井，這些井間的距離為300m，并配有相應的基礎設施。

按采煤段長度布置的抽放井，布孔的方法應考慮到采煤地段瓦斯排放量增長周期和氣體排放遞減的周期。

方案的主要解決方法是精確協調采煤速度和抽放井的鉆采時間。抽放井的鉆采時間應當在回采工作面接近它但不小于30m的距離之前結束。

3 采用新設備新工藝

3.1 采用新鉆機機組

考慮到所完成的任務范圍廣和對鉆機機組的要求很高，頓涅茨克鋼鐵公司選用加拿大Ultra Single 150型鉆機。

該機的特點是成組配備，設備安裝的期限短，使用時不必建造沉淀池的鉆井液封閉式凈化系統，鉆塔的穩定性高，從而排除了鉆探時用拉桿固定它的必要性。

在抽放方案實施過程中發現，考慮到地面鉆井的時間和回采工作面的采煤速度，需要鉆井速度的最佳化。為此，對完成部分鉆井作業的消耗時間進行了時間分析，得以形成減少鉆井作業時間所需的方法。

為了保證鉆井在煤系地層構造復雜地質條件下的垂直度，研究出各種方案的鉆鋌布局使用工藝，確保了降低井孔軸線與井孔垂直中心線的偏差。

為確保鉆井過程中鉆井液循環全部或部分消耗時井幫的穩定性，提出向鉆井液注入專用填料。此外，還開發出使用以聚合物為基礎的添加劑配方，以提高鉆井液的優質參數。為了保持鉆井液的最佳參數，使用了Brandt公司的4級凈化系統，而對于更進一步的凈化，則在凈化單元的組成中附加了離心機。

3.2 采用電動鉆頭

頓巴斯礦區建造地面抽放井的創新技術解決方法是采用鉆井井底螺旋式電動鉆頭。工作面螺旋式電動頭的使用顯示出該工藝提高鉆井速度和確保鉆井垂直度所需參數的高效率。達到頓巴斯礦區創記錄的速度約60m/h。該工藝的采用使鉆井速度提高2～3倍。

為了提高鉆探的機械速度，對世界主要制造商的各類鉆頭進行了試驗。被認可為破碎巖石最佳的是多晶體PDC型鉆頭，它確保一個鉆頭可鉆深7000多米。

為了完成管外間隙充填固井作業，在鉆機機組中配有基于加拿大肯沃斯型 (Kenworth)的牽引設備水泥灌注設備。

從2011年5月至今，頓涅茨克鋼鐵公司共鉆抽放井60000多米。最大鉆進速度達到620m/晝夜。

烏克蘭石油天然氣開采公司缺乏采用同等級鉆機的經驗，因此，在開采過程中形成并且旨在改善工藝作業的先進鉆探方法及減少建設時間的每個技術解決方法都是創新的。施工結束后，每口抽放井配備有管接頭和防護罩。

4 熱點聯產發電站

無論是井下方式，還是經過地面鉆井開采的煤層氣，都是經過支線管網送達真空泵站。氣體從泵站輸送到熱電聯產發電站進行發電。由6臺Jenbacher JMS-620裝置 (總電功率18.2兆瓦，熱功率17.5兆瓦)和Hofgas噴射裝置組成的熱電聯產氣體活塞式發電站一期建設已經完成并投產。新設備可確保礦務局54%的自身電能需求，主要區域的70%熱能需求由電站來保障。在這種情況下，電站生產的電的售價要比國家電費的價格便宜1/7，而其熱能比市政鍋爐房的熱能便宜1/10。由于使用熱能效率達35%以上的先進熱電聯產工藝，使得效率提高節約能源。相當重要的是，熱電聯發電站在相當大程度上也減輕了礦區的自然環境壓力。

對于熱電聯產氣體活塞式發電站的工作來說，輸入的煤層氣的濃度應當在20%～85%范圍內，而壓力應當在5～30千帕范圍內。

鑒于真空泵站出口上瓦斯的預計壓力，以及保證熱電聯產氣體活塞式發電站入口上氣體的所需壓力，敷設氣體管道特選用了φ630毫米聚乙烯管。聚乙烯管的焊接使用了德國Roweld P630B2焊接機。

5 結論

(1)頓巴斯煤礦煤層氣儲量可以與烏克蘭已探明的天然氣儲藏量相媲美。

(2)必須著手開發煤層氣抽采的新工藝，改進現有工藝。

(3)分階段強化和不斷在現有生產煤礦中從煤層抽采煤層氣，可以極大地提高采礦安全和采煤的產量及利潤率，在采氣的同時，使礦山的經營多樣化。

［1］伊利亞紹夫М.А.，列維特В.В.，菲拉托夫Ю.В..煤層瓦斯部門概況 ［M］.基輔:納烏科瓦杜姆卡，2011.

［2］伊利亞紹夫 М.А.，阿加弗諾夫 А.В.，科朱紹克О.Д..基于先進工藝的煤礦床預先抽放 ［J］.“頓涅茨克鋼鐵公司”創新文摘，2012，3，13-14.

［3］庫熱利С.В..“波克羅夫斯克耶’礦務局的鉆井速度記錄”［J］.烏克蘭煤炭，2012，2，6-7.

［4］伊利亞紹夫М.А.，科朱紹克О.Д.，圖爾欽В.А.，舍維列夫В.Л.，皮利佩茨В.И..頓巴斯鉆探抽放井時使用工作面螺旋式電動機［J］.格柳卡扣弗幸福雜志，2012，12，12-14.

Advanced CBM Drainage Techniques in Donetsk Mining Area

Kozhushok O.D.，Turchin V.A.，Shevelev V.L.，Yushkov E.A.
(Donetsk Steel Group，ukraine 83000)

The article introduces the drainage and utlizatione of CMM in Donetsk，Ukraine.，and analyses the new project of CMM development and tulization.The Pokrovckoy Mining Bureau，the largest mining bureau in Ukraine with an annual coal output of 8 million tons，was chosen to carry out the project.The practice shows the advantage of CMM drainage from the surface.There are around 50 drainage wells built each year.The Donetsksteel Company chooses the Ultra Single 150 model drilling rig to complete the drilling process.This drilling rig has a drilling speed of 60 m/h，and a 620 meters day/night drilling length can be reached.It has increased the drilling speed 2 to 3 times than the old model.The rig uses the PDC broach which has a drill depth of 7000 meters.About the useage of gas，the piston cogeneration power plant can cover 54%of the Bureau’s need.The benefits is singificant and worth to be popularized.

Development and use;rapid drilling;power plant

科如紹克·杰尼索維奇，畢業于圣彼得堡礦業學院，礦山工程師，任頓涅茨鋼鐵公司自然資源利用工藝創新處處長。

(責任編輯 韓甲業)