煤礦風井地面瓦斯抽采技術(shù)及綜合利用技術(shù)研究應(yīng)用

閆 亮

（西山煤電集團設(shè)計院（有限公司），山西 太原 030000）

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受煤礦企業(yè)的關(guān)注。影響煤礦生產(chǎn)安全性和可靠性的主要因素包括：綜采工作面的瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、以及綜采設(shè)備的可靠性和安全性等。其中，瓦斯是煤炭開采不可避免的威脅，其主要含量為甲烷。當瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅婵諝庵兴急壤^高時，會導(dǎo)致作業(yè)人員呼吸不暢甚至窒息；當工作面瓦斯含量較高，且氧氣相對密度大于12%時，容易導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生[1]。因此，加強對工作面瓦斯的治理工作尤為重要，以瓦斯抽采方式為主。但目前采用抽采方式的瓦斯對其利用率較低，還處于低級階段，主要應(yīng)用于民用瓦斯天然、工業(yè)瓦斯鍋爐以及瓦斯發(fā)電等領(lǐng)域。本文著重研究瓦斯的抽采技術(shù)及其瓦斯的綜合再利用技術(shù)。

1 工程概況

本文以山西西山煤電股份有限公司下屬的馬蘭礦為研究對象（全文簡稱馬蘭礦），該礦位于山西省太原古交市境內(nèi)，于1983年11月開工興建，1990年6月正式投產(chǎn)。根據(jù)證號為1000009920065的采礦許可證，馬蘭礦生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，核定生產(chǎn)能力為3.6 Mt/a，2015年瓦斯等級鑒定結(jié)果為煤與瓦斯突出礦井，馬蘭礦的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

經(jīng)對馬蘭礦測量可知：該礦井煤炭資源儲量為112 691.5 Mt；可采煤層的瓦斯儲量為10 511.23 Mm3；不可采煤層的瓦斯儲量為12 718.59 Mm3；圍巖瓦斯的儲量為1 156.24 Mm3。馬蘭礦屬煤與瓦斯突出礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為229.81 m3/min，相對瓦斯涌出量為26.99 m3/t。因此，馬蘭礦瓦斯抽放是確保安全生產(chǎn)必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

表1 馬蘭礦頂?shù)装迩闆r

由此可見，馬蘭礦井的瓦斯儲量十分豐富，若將煤層氣作為新能源加以開發(fā)利用的話，不僅能夠達到瓦斯再利用的目的，還能夠節(jié)約馬蘭礦的日常生產(chǎn)成本。

2 瓦斯抽采的必要性分析

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定要求，當綜采工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min時，除了采用常規(guī)的通風措施后還需采用相應(yīng)的瓦斯抽采系統(tǒng)降低工作面的瓦斯?jié)舛龋欢遥瑢τ谌缦氯N情況在采用常規(guī)通風方式的情況下，還需采用永久或臨時的瓦斯抽采系統(tǒng)：

1）對于礦井生產(chǎn)能力小于0.4 Mt，對應(yīng)的瓦斯絕對涌出量大于15 m3/min時；

2）對于礦井生產(chǎn)能力大于0.4 Mt，小于0.6 Mt，對應(yīng)的瓦斯絕對涌出量大于25 m3/min時；

3）對于礦井生產(chǎn)能力大于1 Mt，小于1.5 Mt時，對應(yīng)的瓦斯絕對涌出量大于30 m3/min時；

4）對于礦井生產(chǎn)能力大于1.5 Mt時，對應(yīng)的瓦斯絕對涌出量大于40 m3/min時[2]。

馬蘭礦的年生產(chǎn)能力為3.6 Mt，絕對瓦斯涌出量為229.81 m3/min，符合上述的條件4）。因此，需要對馬蘭礦采取相應(yīng)的抽采方式降低工作面的瓦斯?jié)舛取?/p>

3 瓦斯抽采方法的確定

目前，可應(yīng)用我國礦井煤層瓦斯抽采的方法主要包括有開采層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采以及采空區(qū)瓦斯抽采。瓦斯抽采方法的確定需根據(jù)礦井瓦斯的主要來源、煤層的特點以及礦井所采用的采煤及掘進方式[3]。瓦斯抽采方式的確定需遵循如下原則：

1）根據(jù)礦井的地質(zhì)條件、煤層特點、采煤工作面和掘進機工作面巷道的布置形式以及當前所采用的采煤技術(shù)初步確定瓦斯抽采方式。

2）根據(jù)礦井瓦斯的主要涌出方式及對應(yīng)的涌出量，選擇瓦斯抽采效果最佳的抽采方式。

3）綜合考慮所選取瓦斯抽采方式的成本及工程量，最終確定所所選擇的瓦斯抽采方法。

結(jié)合馬蘭礦的地質(zhì)水文條件、煤層賦存條件、瓦斯涌出量等因素，最終采用斜向鉆孔瓦斯抽采的方式。具體方法為：在綜采工作面的回風側(cè)打順層斜向鉆孔，在煤層開采前首先采用上述方式對瓦斯進行預(yù)抽采，當開采時采用泄壓的方式對瓦斯進行抽放[4]。針對上述抽采方式所鉆孔的參數(shù)如表2所示。

表2 斜向鉆孔瓦斯抽采方式下鉆孔參數(shù)

4 瓦斯的綜合利用

目前，針對綜采工作面采用抽采方式的瓦斯主要以民用為主，很少用于瓦斯發(fā)電。當前，針對抽放的瓦斯可應(yīng)用于民用瓦斯燃氣的使用、工業(yè)鍋爐燃料的使用以及發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用。針對，馬蘭礦的現(xiàn)狀及實際情況，擬開發(fā)建設(shè)馬蘭礦瓦斯發(fā)電項目。

4.1 瓦斯的運輸方式

馬蘭礦南九瓦斯抽放站位于馬蘭礦南九風井工業(yè)廣場東南角，馬蘭南九瓦斯發(fā)電站布置在抽放站北側(cè)的場地內(nèi)，抽放站設(shè)計敷設(shè)一根DN630的管道，依靠抽放站背壓向發(fā)電站供氣。

南九瓦斯抽放站出口高負壓氣源接口流量最高為80 m3/min，濃度為32%~33%，瓦斯管道按照一、二期20 MW裝機容量進行設(shè)計，管道規(guī)格為D630 mm×8 mm，管道最大流速約為13.3 m/s。根據(jù)《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計規(guī)范》GB 51134—2015要求，在氣源接口后依次設(shè)置超壓放散裝置、氣水分離器和干式阻火器。超壓放散裝置可在管道壓力超過設(shè)定值時進行自動放散，放散口通過管道連接到抽放站內(nèi)放散管出口。氣水分離器可以除去瓦斯氣中大部分的游離態(tài)水，該裝置應(yīng)盡量靠近預(yù)處理裝置布置。干式阻火器主要用于阻斷來自發(fā)電站的火焰，起到保護上游管道和抽放站的作用[5]。瓦斯輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備及參數(shù)如表3所示。

表3 瓦斯輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備及參數(shù)

4.2 瓦斯發(fā)電站設(shè)備及系統(tǒng)的選型

本著充分利用抽采瓦斯的目的，結(jié)合馬蘭礦的瓦斯涌出量情況，瓦斯發(fā)電站的相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的選型如表4所示。

表4 發(fā)電站設(shè)備及系統(tǒng)選型

5 總結(jié)

瓦斯作為綜采工作面開采時不可避免的威脅，其濃度較大時嚴重威脅著綜采工作面的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的身體健康。因此，需根據(jù)礦井瓦斯涌出情況、地質(zhì)水文條件，煤層特點等設(shè)計最為有效的瓦斯抽采工藝，并將抽采的瓦斯再利用，已達到避免煤層氣浪費，減小煤礦生產(chǎn)成本的目的。