煤與瓦斯共采及瓦斯綜合利用分析

李春剛

（中煤昔陽能源有限責任公司 ，山西 晉中 045300）

0 引言

瓦斯是漫長成煤過程中伴生的產物，是制約煤礦高產、高效安全生產的條件之一，而且瓦斯還能造成災害，給企業帶來經濟損失。黃巖匯煤礦經過長期的瓦斯治理工作，最終確定頂板走向高抽巷（簡稱高抽巷）抽采瓦斯，配備相應設施綜合利用瓦斯，變害為寶，實現煤與瓦斯共采，主要表現瓦斯上網發電的社會效益（環保方面）和經濟效益。

1 黃巖匯煤礦煤與瓦斯共采

1.1 主采煤層15#煤及上覆含瓦斯煤巖層概況

表115 #煤層上覆含瓦斯煤/巖層特征表 單位：m

黃巖匯煤礦15#煤層綜合柱狀圖厚度2.7～6.0m，平均厚度4.9m，實際可采厚度5m左右。煤層頂板主要以砂巖、砂質泥巖為主；上覆 8#、9#、11#、12#、13#、14# 等煤層；上覆 K2、K3、K4 灰巖，其中 K2 灰巖巷道揭露賦存大量瓦斯，K3、K4灰巖局部裂隙非常發育，賦存大量游離狀態的瓦斯。

1.2 煤與瓦斯共采

1）煤與瓦斯共采機理：隨著綜采工作面的推進，工作面老頂初次來壓和周期來壓后，頂板充分跨落，頂板冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶逐漸形成，并與高抽巷構成暢通的抽采通道；上覆鄰近煤/巖層中瓦斯解析并大量釋放出來；高抽巷瓦斯抽采系統利用地面瓦斯抽采泵站提供的動力，改變瓦斯流場，采出瓦斯。高抽巷瓦斯抽采見圖1。

圖1 高抽巷瓦斯抽采示意圖

2）瓦斯抽采系統：高抽巷+井下抽采管路+地面抽采泵站；

3）高抽巷技術參數：高抽巷層位、平面位置是抽采效果好壞的技術關鍵。層位：位于裂隙帶中的9#煤層；平面位置：水平投影距回風巷是工作面斜長的1/4，并隨煤層傾角的增大而減小；斷面：4.5m×3.8m矩形斷面，采用錨網索支護。

4）瓦斯特性：瓦斯對空氣的相對密度是0.554，滲透能力是空氣的1.6倍，決定了采空區的上部空間及裂隙是瓦斯積聚的地方。

1.3 黃巖匯煤礦生產系統

1）準備工作面：現準備工作面15113，設計軌道順槽、膠帶順槽、高抽巷；掘進方式：三一重工EBZ200h綜掘機（三臺）+800mm膠帶輸送機；

2）回采工作面：現回采工作面15108采用一次采全高采煤工藝。

表215108 綜采工作面主要設備配置表

3）礦井煤流運輸系統：中央膠帶大巷帶寬1m強力膠帶輸送機+井底煤倉+主斜井帶寬1.2m強力膠帶輸送機。

黃巖匯煤礦采掘機械化裝備滿足高產、高效礦井條件，能夠完成礦井核定產能。

2 黃巖匯煤礦高抽巷瓦斯抽采效果

2.1 回采期間高抽巷抽采效果

黃巖匯煤礦15109工作面回采期間，分別對高抽巷抽采瓦斯濃度、抽采量等進行實測，實測結果：

第一階段：工作面上覆巖層老頂跨落前，該階段由于瓦斯抽采通道沒有完全形成，故高抽巷抽采的瓦斯濃度、混合量等都較低，效果不佳；

第二階段：工作面老頂初次來壓和周期來壓后，頂板充分跨落，并產生大量裂隙，瓦斯抽采通道形成并更加暢通，鄰近層瓦斯大量涌出。隨工作面推進瓦斯抽采趨于穩定，瓦斯濃度為30.85%～47.93%，平均約 39%，混合量為 121.5～151.5Nm3/min，平均136.5Nm3/min，抽采純量42～66.04Nm3/min，平均55Nm3/min。

2.2 歷年瓦斯抽采量效果分析

統計黃巖匯煤礦 15105、15109、15102、15107、15111、15108工作面及高抽巷瓦斯抽量，分析抽采效果：

表3 工作面瓦斯抽采期間抽采量分析表 單位：萬m3

其中：15105是尾巷抽采，15109是尾巷+高抽巷抽采，其它為高抽巷抽采。

1）礦瓦斯總量：工作面高抽巷+本煤層+上隅角+高位鉆孔+低位鉆孔等瓦斯抽采量總和，不含15105尾巷抽采瓦斯量；

2）除15109是尾巷+高抽巷布置、15102工作面較短、15108剛開始回采外，該表可以說明高抽巷抽采效果要好于尾巷，尤其15111與15107的抽采效果；

3）對比分析：由表2可知，各年高抽巷瓦期抽采量占礦工作面瓦斯抽采總量比率74%、74%、85%、92%、96%、87%、90%，平均87%，該數據說明高抽巷抽采效果較好且穩定，對治理工作面回風流瓦斯超限問題起到了決定性的作用。

黃巖匯煤礦采掘裝備、高抽巷瓦斯抽采效果，說明該礦井實現了煤與瓦斯共采。

3 黃巖匯煤礦抽采瓦斯綜合利用

黃巖匯煤礦瓦斯綜合利用主要以瓦斯發電和瓦斯鍋爐為主，其它還有食堂等用氣。

3.1 瓦斯發電

黃巖匯發電站裝機容量14MW（7×2MW），發電機組為美國卡特彼勒C3520C型燃氣內燃發電機組。

瓦斯發電工藝流程：瓦斯抽采泵站水循環真空泵抽采礦井瓦斯→濕式柜儲存4-5kPa瓦斯氣體→預處理系統除塵、除濕（初級過濾：≥20um的雜質及液態水；精密過濾≥2um的雜質）→C3520C型燃氣內燃發電機組并網發電→瓦斯發電余熱供站區采暖、濕式儲氣柜保溫防凍、供熱主管并入煤礦供熱管線。

表4 黃巖匯瓦斯電站近3年發電量及耗氣量統計表

3.2 瓦斯鍋爐

黃巖匯煤礦煤改氣，安裝兩臺瓦斯鍋爐，型號：10T WNS10-1-25-Y；6T WNS6-1-25-YQ。其中 6T瓦斯鍋爐純瓦斯消耗8Nm3/min；10T瓦斯鍋爐純瓦斯消耗12Nm3/min。瓦斯鍋爐保障礦洗煤廠、井口、機機修車間、綜采庫、設備庫等單位四個半月的供暖。年純瓦斯消耗量：388.80萬m3；瓦斯來源：濕式儲氣柜。

瓦斯鍋爐常年供應客人浴池、職工浴池的熱水，方便全礦職工升井后的洗浴。該部分利用瓦斯沒有計入瓦斯消耗量。

4 瓦斯綜合利用效益分析

黃巖匯煤礦瓦斯治理多措并舉，即將瓦斯危害降到最低限度，又綜合利用瓦斯創造經濟效益。

表5 年度瓦斯抽采量與消耗量表 單位：萬m3

4.1 安全效益

井下瓦斯達到一定濃度會制約采掘生產，甚至導致瓦斯燃燒或爆炸，更有甚者，采掘活動可能誘發瓦斯、煤與瓦斯突出，造成更大的損失。黃巖匯煤礦條帶預抽+順層孔抽采+高抽巷抽采等瓦斯綜合治理措，即防范了瓦斯災害，又保障了采掘的安全生產。主要效益如下：

1）利用瓦斯特性設計的高抽巷，改變了工作面采空區瓦斯流場，有效控制了工作面上隅瓦斯，解決上隅角瓦斯對工作面回采的影響，達到均衡、連續生產。圖1：高抽巷瓦斯抽采示意圖。

2）高抽巷抽采模式替代尾巷（U+L）抽采模式，解決了尾巷與回風順槽橫貫及尾巷內瓦斯管理過程中，可能引發的自燃發火、瓦斯燃燒甚至瓦斯爆炸的風險，即高抽巷抽采較尾巷抽采更安全可靠。

4.2 經濟效益

1）黃巖匯瓦斯發電站利用高抽巷抽采瓦斯發電，發電量即可上網，又可按規定部分自用，降低運營成本；含稅上網電價0.509元/kWh，并按國家政策瓦斯發電享受退稅。表6為黃巖匯煤礦瓦斯發電上網電量收入。

表6 黃巖匯煤礦瓦斯發電上網電量收入

2）瓦斯鍋替代燃煤鍋爐供曖，一個供曖期可節約3500-4000噸供熱燃煤。

3）高抽巷替代尾巷，即可以節約尾巷、橫貫工程量（約兩條順槽）的投資，又可回采尾巷與順槽間煤柱，提高礦井煤炭回收率，增加經濟收入。

4.3 環保效益

瓦斯氣體溫室效應是二氧化碳的21倍，瓦斯空排和瓦斯火炬燃燒產生的氣體，都會造成大氣污染，即影響大氣環境，又促進溫室效應。黃巖匯煤礦一方面最大限度利用瓦斯，降低瓦斯空排量，另一方面煤改氣，大大降低了煤炭不完全燃燒對大氣的污染。

5 結語

隨著采掘機械化的全面深入，高產高效礦井已很普遍，同時瓦斯治理與綜合利用問題也突顯出來。黃巖匯煤礦進行高抽巷瓦斯抽采的設計，并配套瓦斯發電、瓦斯鍋爐等設施，在有效綜合利用瓦斯的同時，即保障了安全生產、提高了經濟效益增長點，又實現了煤與瓦斯共采。