盤江礦區煤礦瓦斯抽采綜合利用與安全效益分析

唐志鵬龍祖根張夢雅馬 曙

(1. 貴州大學礦業學院,貴州省貴陽市,550025; 2. 貴州省煤礦設計研究院,貴州省貴陽市,550025)

盤江礦區煤礦瓦斯抽采綜合利用與安全效益分析

唐志鵬1龍祖根2張夢雅1馬 曙2

(1. 貴州大學礦業學院,貴州省貴陽市,550025; 2. 貴州省煤礦設計研究院,貴州省貴陽市,550025)

結合盤江礦區煤礦瓦斯抽采利用“十三五”規劃,采用安全經濟學理論和采礦業生產安全性指標,建立評價模型,分析瓦斯抽采綜合利用安全效益特征及安全直接經濟效益。結果表明盤江礦區瓦斯抽采綜合利用可以有效減小煤層瓦斯含量和瓦斯事故率;盤江礦區瓦斯抽采綜合利用隨著投入相應增加,瓦斯抽采量和伴生煤產量也相應增加,安全效益的直接經濟效益明顯,瓦斯抽采率和利用率達到相對較高水平后瓦斯抽采量將保持平穩,持續的安全投入將出現負效益;盤江礦區瓦斯抽采利用將有效提高煤礦企業的技術研發能力和安全生產環境水平以及采掘機械化水平,投資效益高,安全經濟效益顯著。

安全生產 瓦斯抽采 煤礦瓦斯 安全效益 盤江礦區

瓦斯災害是煤礦最主要和最嚴重的事故災害,同時也是煤礦安全治理投入最多和最主要的環節。貴州煤礦主要是高瓦斯突出礦井,瓦斯治理問題尤其突出。針對瓦斯災害,2015年7月9日國家安全生產監督管理總局發布了第82號令《強化煤礦瓦斯防治十條規定》,規定強調要加強煤礦瓦斯抽采,突出礦井必須建立地面永久瓦斯抽采系統。國家在煤礦瓦斯治理上投入最大,瓦斯治理是煤礦安全治理的重頭。

盤江礦區區域面積廣闊,瓦斯資源豐富,根據貴州煤礦地質調查報告,預計盤江礦區瓦斯總儲量1509億m3。

當前煤炭市場低迷,根據《國務院關于煤炭行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》,煤礦瓦斯抽采綜合利用成為煤礦發展轉型的一個突破口。在此背景下,煤礦瓦斯抽采綜合利用,一方面改變傳統開采布局,最大限度開采保護層,全面實施沿空留巷、沿空掘巷、跨上山、跨石門等無煤柱自成巷開采技術,全面提高瓦斯抽采工藝、技術、裝備管理及研發水平,提高企業機械化、自動化水平,推進企業科技進步;另一方面大規模實施瓦斯抽采利用項目,最大限度抽采卸壓瓦斯,充分利用伴生煤炭資源優勢,推動煤礦資源開發利用升級,促進企業結構調整,顯著提高煤礦企業經濟效益和社會效益。本文基于安全經濟學理論和采礦業生產安全性指標,建立評價模型,并對瓦斯抽采綜合利用安全效益進行了分析比較。

1 安全效益評價模型

(1)效益反映的是投入產出之間的關系,安全效益E(S)可以用安全所產生的功能(安全功能)F(S)與所用的安全投入(安全成本)C(S)的差值來表示,即:

式中:S——安全性;

E(S)——安全效益;

F(S)——安全功能;

C(S)——安全成本。

安全成本函數及效益函數關系如圖1所示。從圖1可以看出,在S0(S0指損失函數和增值函數交點對應的安全性,表示安全增值與事故損失相等)點附近,取到最佳安全效益,當S從S0－ΔS(ΔS指安全性增量)增至S0時,成本增值C1大大小于安全收益增值F1,持續的安全投入將產生較大的安全收益。因而當S＜S0時,提高S即增加瓦斯抽采利用投入是能直接增加安全經濟效益的;但當S從S0增至S＋ΔS,成本增值C2將數倍于安全收益增值F2,出現負效益。

圖1 安全成本函數及效益函數關系

(2)煤礦生產安全性水平是企業整體安全狀態的表現,是一切影響企業安全的因素相互關系的總和。運用安全系統的方法分析安全生產因素,煤礦生產安全性水平影響因素包括礦山萬元產值固定資產投入(X1)、礦山萬人工程技術人員配備水平(X2)、礦山萬人管理人員配備水平(X3)、采掘機械化程度(X4)、采礦業安全生產環境水平(X5)和采礦技術研發能力(X6)。譚海霞運用主成分分析法分析了采礦業生產安全性指數,指出采礦業6個方面的生產安全性指數發展狀態是不一致的,采礦業不同方面的生產安全性投入是不穩定的。通過主成分分析計算,測得6個一級指標的方差貢獻率依次為X6、X5、X4、X3、X2、X1,采礦技術研發能力(X6)、采礦業安全生產環境水平(X5)、采掘機械化程度(X4)的方差貢獻率(權重)位居前三,真正能提高安全生產水平的是采礦技術研發能力(X6)、采礦業安全生產環境水平(X5)、采掘機械化程度(X4)等方面的投入。

2 盤江礦區煤礦瓦斯開發利用效益分析

2.1 盤江礦區煤礦瓦斯抽采利用效益

(1)煤礦瓦斯抽采利用直接經濟效益。根據現有機械設備技術及《盤江礦區“十三五”規劃》設計,盤江煤礦預計在2016－2020年煤層氣瓦斯抽采量348220萬m3,其中用于瓦斯發電的瓦斯64500萬m3,用于瓦斯提純283720萬m3,按市價1.3元/m3計算,市場總值451174萬元;同時伴生煤產量2082萬t,按市價280元/t計算,市場總值582826～582960萬元。盤江礦區煤礦瓦斯抽采利用效果預測統計如表1所示。

表1 瓦斯抽采利用實施效果預測統計

(2)煤礦瓦斯抽采利用環境效益。盤江煤礦2016－2020年預計共抽采瓦斯34.82億m3,可減排瓦斯249.8萬t,相當于減排二氧化碳5240萬t,可節約標煤398萬t,能大大減少瓦斯排放對大氣環境造成的污染,有效減排溫室氣體。

(3)煤礦瓦斯抽采利用間接經濟效益(安全效益)。把瓦斯作為資源、能源開采,通過抽采瓦斯和下保護層開采,實現礦井大范圍消突,真正實現“高瓦斯突出礦井變為低瓦斯礦井”;通過大范圍開采保護層和抽采卸壓瓦斯,可解決煤礦隱蔽致災危害(煤與瓦斯突出、地壓危害、水害等問題),確保礦井安全生產;對煤層瓦斯抽采利用,有效降低了原始煤體的瓦斯含量和壓力,能消除和降低突出危險性,減少了采掘工作面實施局部防突措施的工程量,為礦井生產布局提供了時間和空間,提高了生產效率,降低了后期生產成本;同時瓦斯抽采可減小礦井通風,提高礦井通風質量。

2.2 安全投入成本分析

安全投入包括人力、物力和時間的投入。物力投入主要包括技術、設施以及勞保用品投入(地面瓦斯抽采泵站、抽采管網、抽采計量裝置、區域預抽巷、抽采設備、瓦斯抽采泵站及其附屬設施等投入)。根據盤江礦區瓦斯抽采利用項目規劃(2016－2020年),區域預抽巷長度新增1699 m,資金投入12084萬元;抽采設備包括抽采鉆機100臺,三機配套采面20面,綜掘機30臺,運輸設備45套,總資金投入147220萬元;采區新增瓦斯泵18臺,新增主管路長度36677 m,相應的總投資7545.62萬元。

宣傳教育及培訓投入主要包括前期新工藝、新技能、新設備進行的相對應培訓以及后期的考核再培訓;再加上勞動保護用品、工業衛生等投入資金總計37萬元。瓦斯抽采利用實施成本統計見表2。

表2 瓦斯抽采利用實施成本統計表

2.3 瓦斯抽采利用安全效益分析

(1)盤江礦區煤礦瓦斯抽采利用既是資源利用項目也是煤礦安全項目,其安全隱性效應和顯性效應都比較明顯。同時作為資源利用項目又有別于單純的煤礦安全項目。作為資源利用項目優先考慮的是項目資源開采利用,項目的投入是以資源量和資源利用率為原則進行投入,只要項目的持續投入能帶來直接產氣量的增加就能帶來直接經濟效益的增加。瓦斯抽采利用投入產出關系如圖2所示。由圖2可以看出,隨著安全投入的增加瓦斯抽采量先是不斷增加隨后趨于平緩,說明隨安全投入的增加,抽采技術設備的不斷完善,瓦斯抽采率和利用率達到相對較高水平,最大值取決于技術系統本身,瓦斯抽采量將保持平穩。當瓦斯抽采量增至82750.7 m3/a時,成本增值C1為－2555萬元/a,C1大大小于功能增值F1(82750.70－82601.05)×1.3＝194.54萬元,此后邊際投入4618萬元/a,邊際產出－1641.77萬元/a,瓦斯抽采率和利用率達到相對較高水平,持續的安全投入將很難產生相應的安全收益。

(2)盤江礦區煤礦瓦斯抽采綜合利用相比其他安全項目經濟效益明顯,瓦斯抽采利用作為資源利用項目能直接產生瓦斯并作為能源直接銷售產生經濟效益,同時能有效增加伴生煤的產量產生直接經濟效益。瓦斯抽采量和伴生煤產量跟成本投入關系如圖3所示。從圖3可以看出,隨著瓦斯抽采量的增加,伴生煤的產量也在增加,這說明瓦斯抽采利用不僅增加瓦斯資源的直接經濟效益,同時也增加伴生煤的直接經濟效益,伴生煤產量由瓦斯抽采量直接決定。隨設備技術不斷提高,瓦斯抽采率和伴生煤產量達到相對最高值,投入的邊際產出(指微小的安全投入帶來的安全收益的增加)達到最大,隨后開始逐步下降到達產出最大值。

圖2 瓦斯抽采利用投入產出關系

圖3 瓦斯抽采量和伴生煤產量跟成本投入關系

(3)盤江礦區瓦斯抽采利用項目間接安全效益明顯。煤礦瓦斯抽采綜合利用可以有效減少開采時的瓦斯涌出,實現突出礦井向非突礦井的轉變,高瓦斯礦井向低瓦斯礦井的轉變,可以有效減少瓦斯隱患和各種瓦斯事故。通過大范圍開采下保護層和抽采卸壓瓦斯,極大程度上解決了下保護層保護范圍內煤層瓦斯的突出;通過下保護層瓦斯抽采,煤層的開采及下保護層卸壓范圍內瓦斯的抽采可使被保護的煤層瓦斯壓力得到有效釋放,被保護煤層中的集中應力得以釋放,避免開采上覆被保護煤層時煤層瓦斯突出和礦壓危害;通過優先開采下保護層,再開采上覆被保護的煤層,這樣自下而上的開采順序使得礦井水在首采工作面就得以釋放,開采上覆被保護煤層時,就避免了水害問題。同時,煤層瓦斯含量的降低有利于降低礦井巷道通風設施投入以及礦井瓦斯治理的相關投入,能降低煤礦安全總投入。

2.4 盤江礦區煤礦瓦斯抽采利用對企業生產安全性的影響

根據盤江礦區瓦斯抽采利用的效益分析可知,在瓦斯抽采利用上新增抽采設備的投入最大,抽采設備及采掘系統的增加提高了企業的技術儲備,能有效提高企業采掘機械化程度及自動化程度;煤礦瓦斯抽采利用可大幅度降低礦井風排瓦斯涌出量,改善礦井通風環境,2014年盤江礦區6對生產礦井平均瓦斯涌出量為638.46 m3/min(其中抽采瓦斯量為387.1 m3/min,平均風排瓦斯量為251.36 m3/min),平均風排瓦斯濃度為0.22%,礦井總瓦斯涌出量為3.36億m3,抽采瓦斯量為2.04億m3。通過技術途徑和規模抽采,加強現場管理,使礦井瓦斯風排瓦斯涌出量降低50%以上,礦井安全生產環境得到根本性的改變。

由此,在瓦斯抽采利用上的投入將有效提高煤礦企業的技術研發能力、煤礦的安全生產環境水平以及采掘機械化水平,真正提高煤礦安全生產水平;同時瓦斯抽采利用能產出瓦斯資源,增加伴生煤產量,帶來直接經濟效益,瓦斯抽采利用投資效益高、安全經濟效益顯著。

3 結論

(1)盤江礦區瓦斯抽采綜合利用可以有效減小煤層瓦斯含量和瓦斯事故率,降低煤礦瓦斯災害治理以及礦井通風的安全投入,改善礦井開采環境,降低煤礦總的安全投入,且能帶來瓦斯銷售方面的收入。盤江礦區瓦斯抽采綜合利用隨著投入相應增加,瓦斯抽采量和伴生煤產量也相應增加,可直接轉化為經濟效益,安全效益的直接經濟效益明顯,安全效益的滯后性弱。

(2)隨著安全投入的增加,抽采技術設備的不斷完善,瓦斯抽采率和利用率達到相對較高水平,瓦斯抽采量將保持平穩,持續的安全投入將很難產生相應的安全收益。

(3)盤江礦區瓦斯抽采利用將有效提高煤礦企業的技術研發能力和安全生產環境水平以及采掘機械化水平,真正提高煤礦安全生產水平,瓦斯抽采利用投資效益高,安全經濟效益顯著。

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Comprehensive utilization and safety benefits of gas drainage in Panjiang mining area

Tang Zhipeng1,Long Zugen2,Zhang Mengya1,Ma Shu2
(1.School of Mining Engineering,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025,China; 2.Guizhou Coal Mine Designing Research Institute,Guiyang,Guizhou 550025,China)

Aiming at studying on comprehensive utilization and safety benefits of gas drainage in panjiang mining area,this paper used safety economics theory and mining production safety index to establish evaluation model and analyze comprehensive utilization safety benefits characteristics and direct economical benefits of gas drainage,combined with the 13thfive-year plan of panjiang mining area gas drainage and utilization.The results showed that comprehensive utilization of gas drainage in panjiang mining area could effectively reduce the content of gas in coal seams and gas accident rate;with the increasing of related investment,the amount of gas drainage and associated coal production also increased and the direct economic profits of safety benefits was apparent;when gas drainage rate and utilization rate reached the relatively high level,the drainage amount would be steady and the continued safety input would achieve negative benefits; comprehensive utilization of gas drainage in panjiang mining area could effectively enhance technical development and research abilities and occupational safety environment and mechanization level of coal mines,which essentially improve coal mine safety production level and financial safety profits.

safety,gas drainage,coal mine gas,safety benefit,Panjiang mining area

TD712.6

A

唐志鵬(1990－),男,湖南祁陽人,碩士研究生,研究方向:礦業安全經濟。

(責任編輯 張艷華)

唐志鵬,龍祖根,張夢雅等．盤江礦區煤礦瓦斯抽采綜合利用與安全效益分析[J]．中國煤炭,2017,43(1): 111－115．Tang Zhipeng,Long Zugen,Zhang Mengya,et．al．Comprehensive utilization and safety benefits of gas drainage in Panjiang mining area[J]．China Coal,2017,43(1):111－115．