基于瓦斯治理抽采利用一體化的深部突出礦井安全綠色開發模式與示范工程

張建國，王 滿，袁 淼，劉慶軍，李 登，王曉川

(1.中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司，河南 平頂山 467000；3.武漢大學 a.水射流理論與新技術湖北省重點實驗室；b.動力與機械學院，武漢 430072)

在中國過去幾十年的經濟發展當中，煤炭作為主要能源起到了顯著的作用，但是隨著國際能源形勢及環境保護的需求，煤炭資源的開采及利用面臨著更高的要求[1-4]。隨著煤礦開采深度的不斷增加，高瓦斯、低透氣性、高地溫等問題日益凸顯，瓦斯治理與循環利用難度持續加大，瓦斯突出與熱害災害頻發；大采高工作面采空區大，瓦斯聚集增加，上隅角易發生瓦斯超限，嚴重制約了煤礦安全生產。另一方面，正在開采當中的礦井生產工作面煤層瓦斯由于煤層開采深度和開采強度的不斷增加而增大，再加上煤層賦存條件的逐步惡化，礦井回采工作面各種動力災害事故頻頻出現。此外，由于地溫隨礦井深度增加而升高，加上其他熱源的放熱作用(空氣壓縮、氧化過程、機械設備做功)，使得受到高溫威脅的礦井日益增多。因此，對深部突出礦井進行瓦斯綜合治理與高效清潔利用以及有效的熱害治理，能增強煤與瓦斯突出礦井及高地溫礦井開采的安全基礎，可顯著降低煤礦瓦斯安全事故的發生次數，并可有力提升礦井的生產力水平，有利于礦區社會環境的穩定，保障人員的生命財產安全，具有顯著的經濟效益及社會效益。

河南平寶煤業有限公司(簡稱平寶公司)設計年產量2.4×106t，井田內煤層平均埋深為750 m，地層傾角8°～12°。主采煤層戊8、戊9-10煤層和己15、己16-17煤層均為突出煤層，現只對己組煤層進行開采。己16-17煤層瓦斯含量最大為19.5 m3/t，瓦斯壓力最大為3.6 MPa；己15煤層瓦斯含量最大為10.5 m3/t，瓦斯壓力最大為1.5 MPa。地溫梯度3.42 ℃/100 m，鉆孔實測巖溫39.70～50.57 ℃，熱害程度非常嚴重。礦井目前的采掘活動集中在-850 m，底抽巷內溫度達33～35.6 ℃，高瓦斯、高地壓及高地溫問題嚴重制約礦井安全高效生產。

1 深部突出礦井安全高效綠色開發模式研究現狀

1.1 國內深部突出礦井安全高效綠色開發現狀

1.1.1 瓦斯治理與抽采現狀

隨著對深部煤層的開采，越來越多的煤層呈現出煤層瓦斯壓力大、賦存含量高和涌出時間久的特點。當前深部高瓦斯煤層逐步開始向突出煤層轉化，復合動力災害凸顯，并且深部煤層透氣性低，煤與瓦斯共采矛盾突出。中國瓦斯治理與抽采主要是采取煤與瓦斯共采的方法，現階段廣泛應用的共采方法主要為地面鉆井法、巷道法及留巷鉆孔法3種方法。

1)地面鉆井法煤與瓦斯共采。地面鉆井法煤與瓦斯共采技術主要包括采前預抽和采中卸壓瓦斯抽采，以便實現深部突出礦井煤與瓦斯安全高效共采。該方法既可以抽采采空區瓦斯，又可以抽采采動區臨近層卸壓瓦斯，適用于低透氣性煤層群開采[5]。平頂山、淮南和晉城等地都對地面鉆井抽采采動區瓦斯技術進行了較為成熟的應用，對中國深部低透氣性礦井煤與瓦斯共采技術的發展起到了顯著的促進作用。

2)巷道法煤與瓦斯共采。巷道法煤與瓦斯共采是指在根據煤層自身稟賦特點及地質條件，將專用瓦斯抽采巷道布置在煤層中的合理位置，在巷道內對煤層瓦斯采用鉆孔的方法進行統一抽采[6]。該方法具備瓦斯抽采流量大、濃度范圍大及抽采負壓小等特點且可用于采空區瓦斯的封閉抽采，做到“一巷三用”。

3)留巷鉆孔法無煤柱煤與瓦斯共采。由于深部突出礦井高瓦斯、高地溫、高地壓及低透氣性等特點，采用沿本煤層采空區邊緣保留回采巷道結合無煤柱沿空留巷的方式消除采空區上隅角瓦斯積聚并改善回采系統熱害狀況，將煤與煤層卸壓瓦斯同步開采，分源治理不同濃度瓦斯[7]。當前深部突出礦井所面臨的煤炭開采、瓦斯治理及巷道支護等多項生產實際問題都能夠通過該方法有效解決。

1.1.2 瓦斯利用/發電現狀

雖然，煤炭開采過程中由于煤礦瓦斯的存在出現了很多的問題，但是從清潔能源的高效利用來看，瓦斯又是一種具有較大開發潛力的清潔能源。對瓦斯進行合理的利用能相對緩解中國面臨的能源短缺問題，具有較大的經濟及戰略意義。瓦斯發電技術在中國處于起步階段，但是由于瓦斯濃度和壓力很容易受到外界因素的影響而發生變化，從而對瓦斯發電效率產生影響。綜合國內外瓦斯利用技術來看，濃度為5%～30%的瓦斯利用率較低并存在一定的安全問題。經過近幾年來的發展，對較低濃度瓦斯的利用技術取得了一定的進步，但是在實際生產當中仍存在一定的問題，無法進行一定規模化的應用[8-10]。

1.1.3 深部突出礦井熱害治理現狀

隨著地表礦物開采的日趨枯竭，礦井采掘深度逐年增加，由于地溫隨礦井深度增加而升高，受到高溫威脅的礦井日益增多[11]。現階段中國深井開采時間不長，礦井熱害近期呈現出嚴重趨勢。在礦井熱害治理中主要通過避開局部熱源、加強通風及預冷進風等方法，但這些方法最多可以使工作面溫度降低2～3 ℃，在深井中不足以消除熱害。因此，中國在該領域的研究還處于起步階段，尚未形成一支專業而系統的研究開發隊伍，也未形成一整套成熟的礦井降溫技術和完備的降溫設備。無論是設備市場占有率、研究水平或設備研制和開發力度，國內都處于比較落后的水平[12]。

1.2 深部突出礦井瓦斯治理及利用中存在的問題

隨著煤炭開采逐漸向深部進發，破壞性更大的復合型動力災害逐漸顯現，深部煤層瓦斯濃度高、煤層透氣性低，瓦斯災害越來越嚴重；同時隨著地溫的上升，深部礦井出現越來越嚴重的煤自燃災害，煤與瓦斯共采矛盾越發凸顯[13]。另外，針對深部礦井復合動力災害的防治技術及裝備發展緩慢。防治投入大，成本高，中國多數深部礦井仍采用國外技術，大多數主機、配件均需國外進口，價格昂貴且運行費用高[14]。很多礦山面臨著嚴峻的安全形勢，經濟效益與防治成本之間的矛盾顯著。深部煤層瓦斯賦存條件復雜，這使得瓦斯災害發生的誘因也越來越多樣化，并出現與其他災害復合發生的可能，煤層突出的可能性越來越大[15]。這不但給煤礦工人的生命及礦井財產安全造成巨大威脅，還嚴重制約著煤炭工業的發展。

瓦斯的抽采是瓦斯治理過程中的必要措施，一方面抽采瓦斯能夠顯著降低煤層瓦斯濃度，防止煤與瓦斯突出以及瓦斯的爆炸。另一方面，瓦斯作為一種具有優越性能的清潔資源有著多種多樣的應用方式。然而，現階段中國瓦斯抽采系統存在著諸如抽放系統位置不合理、監測設備不健全等問題。另外，大部分礦區煤層賦存條件較為復雜，瓦斯抽采存在抽采濃度、抽采效率、抽采能耗等方面效果不理想等問題。

隨著開采深度的增加，礦井地溫逐漸升高，高溫熱害逐漸顯現，并成為深部礦井煤炭開采過程中最為常見的自然災害，降低了煤炭開采的效率，威脅煤炭工人身體健康。現階段，礦井常規的緩解熱害的方法主要是局部制冷措施，這顯然無法解決深部礦井日益嚴重的熱害問題，且該方法降溫范圍小、運行成本高，很難進行大范圍的推廣及應用。

2 深部突出礦井瓦斯治理抽采發電制冷閉環系統架構

圖1 深部突出礦井安全、綠色、高效開發模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the safe,green and efficient development model of deep outburst mines

該研究根據首山一礦地質條件與現有巷道布置情況，并結合平頂山礦區深部突出礦井地質特征，進行了瓦斯治理巷道層位優選研究，建立了集底抽巷穿層鉆孔、本煤層順層鉆孔、高抽巷抽采采空區于一體的立體瓦斯綜合治理技術。其次，基于瓦斯抽采智能動態調控技術的分布式多源網絡化高效立體抽采系統，采用“一面多巷”立體抽采系統布置，構建了地面抽采系統、井下采區抽采系統、移動抽采系統三者互為備用和相互轉換的聯網抽采方法，保證瓦斯抽采參數與負壓在線監控并結合瓦斯抽采動態數據進行瓦斯抽采濃度的智能控制與主動控制，進而實現了瓦斯精細化與高效抽采的統一優化以及瓦斯的高效循環利用。最后，研究了瓦斯發電高效并網輸配方式，建設了首山一礦瓦斯發電站并網示范工程；分析了瓦斯抽采利用設備與瓦斯資源利用制冷系統的高效聯合工作機制，優選礦井集中制冷技術方案，對礦井集中制冷降溫系統關鍵技術參數進行優化；并對整套制冷系統進行礦井制冷降溫效果測試及系統運行綜合分析，進而完成瓦斯綜合治理與循環利用的有機結合與高效協同。首山一礦基于上述規劃進行了系統工程設計，具體現場布置如圖2所示。

圖2 首山一礦安全綠色高效開發現場布局Fig.2 The layout field of Shoushan No.1 Mine for safe,green,and efficient exploitation

3 深部突出礦井安全高效綠色開發模式工程示范

3.1 首山模式下大采高單一低透突出煤層瓦斯綜合治理技術

首山模式下大采高單一低透突出煤層瓦斯綜合治理技術是在低位巷穿層鉆孔(水力沖孔)治理瓦斯掩護煤巷安全掘進、順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯掩護采面安全回采的基礎上，對“一面四巷”“一面五巷”“一面六巷”以及“一面七巷”的瓦斯治理布置方式進行探索[16]，如圖3所示。在己15-12050工作面和己15-12090工作面采用“一面多巷”的區域治理模式，即在回采面分別布置抽放巷、煤巷、一條瓦斯高抽巷以及一條沿空掘巷。在實際生產中，采用穿層鉆孔(水力沖孔、水力造穴)的方法預抽煤巷條帶煤體瓦斯掩護采煤掘進，使用封閉高抽巷的方法抽采采空區瓦斯并利用煤巷預抽回采區域煤層中的瓦斯。

圖3 “一面多巷”立體抽采系統布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of “One side,Many lanes”three-dimensional extraction system

深部礦井工作面的“一面多巷”布置形式，針對單一突出煤層能夠做到“一面一策”，能夠有效改善礦井所面臨的瓦斯困境，進一步提高工作面煤炭儲量，有利于工作面集中機械化生產，并顯著降低噸煤瓦斯治理成本以及萬噸掘進率。首山一礦所有回采工作面現已實現順序開采，采掘接替正常。采面設計儲量由238.6萬t增至347.7萬t，瓦斯治理噸煤成本由原100.2～129.68元/t降低至85.11元/t，萬噸掘進率由48.8 m/萬t降至36.6 m/萬t。

3.2 瓦斯分源網絡化立體抽采系統

通過底抽巷進行瓦斯預抽、本煤層進行順層鉆孔與水力造穴卸壓增透抽采、高抽巷解決采空區瓦斯大量涌入上隅角三位一體的分源網絡化立體抽采技術是提高工作面生產效率降低生產安全威脅的重要保障。

圖4為首山一礦瓦斯立體抽采綜合管路系統圖。瓦斯抽采綜合管網主要由地面抽采系統和各采區瓦斯管網組成且高低壓分離，實際運行中互為備用，從而實現預抽鉆孔高負壓低流量以及采空區低負壓大流量。以井下采面抽采管網為基礎、地面抽采系統為備用且二者可相互轉換的網絡化瓦斯抽采系統能夠有效保證回采工作面采面瓦斯抽采(高位巷抽采)需求，從而實現對不同性能抽放泵的充分利用，直接抽采并利用高濃度瓦斯并在井下抽采低濃度瓦斯并排空[17]。圖5為地面瓦斯抽放站。

圖4 瓦斯立體抽采綜合管路系統Fig.4 Integrated pipeline system of gas extraction

3.3 瓦斯抽采參數動態匹配技術

瓦斯抽采參數動態匹配技術是指瓦斯抽采系統具有自我診斷、自我調節、自我控制等能力，使系統能夠合理、節能、高效、安全地運行。通過對瓦斯濃度的預設值與實際監測數值的比較，自動調節運行參數，保持抽采瓦斯濃度穩定，實現目標濃度智能控制。

在實際的瓦斯抽采過程中，決定瓦斯抽采濃度的就是2個基本量，一是鉆孔內的瓦斯涌出量，二是鉆孔漏氣圈漏入的空氣的量。在集裝箱式瓦斯抽采系統中，采用瓦斯管路濃度監測裝置對整個系統進行監測，最終選擇合適的泵參數[18]。監控系統主要由遠程主機、井下控制設備、井下感知機構、動作執行機構等4部分組成，并根據其實現功能對其硬件進行選型，通過編程實現其總體功效，設計出便于操作的控制界面，整個系統可實現遠程控制，對管路的濃度、負壓、流量等在線監測。瓦斯抽采參數動態匹配技術原理如圖6所示。

在實際應用過程中，如圖7所示，泵站具備足夠的調節裕量使得工況達到最佳。目前共安裝6臺PGM-3-150型集裝箱式抽采泵，單臺額定流量150 m3/min,功率250 kW，電機最大轉速1 490 r/min。抽采泵可單臺、2臺或3臺并聯運行，管路抽采甲烷濃度30%以上。集裝箱式智能瓦斯抽采設備現場布置如圖7所示。瓦斯抽采的發展趨勢必然是智能化抽采，通過對瓦斯抽采狀態的監測，自動比較瓦斯濃度的預設值與實際監測數值，精確計算瓦斯殘存量并尋找最適宜的抽采參數進行自動調節，從而保持抽采瓦斯濃度穩定，實現目標濃度智能控制。該裝備具有遠程故障診斷、系統維護、系統升級更新的功能，相比水環真空抽放泵站節能30%，工作效率提高了48.6%，并能夠大范圍線性調節。

圖7 集裝箱式智能瓦斯抽采設備現場圖Fig.7 Container type gas extraction equipment

如圖8，9所示，集裝箱式瓦斯抽采泵開始運行以來，抽采濃度基本持續穩定在10%以上，最高濃度57.2%，特別是己15-17-12090采面回采以來，抽采濃度持續穩定在30%以上；平均流量34.2 m3/min，最高流量94.03 m3/min；日平均抽采量5.23×104m3，最高日抽采量1.627×105m3。己15-17-12090采面回采以來，日抽采量穩定在8×104m3以上，2019年5月份以來日平均抽采濃度47.87%、日平均抽采量1.368×105m3。截至2019年12月底，首山一礦集裝箱式瓦斯抽采泵已經累計抽采瓦斯7×107m3。

圖8 瓦斯抽采濃度與日抽采量Fig.8 Gas extraction concentration and daily volume

圖9 瓦斯抽采流量與混合流量Fig.9 Flow rate and mixed flow rate of gas extraction

3.4 瓦斯發電循環利用及并網輸配示范工程

隨著當今社會對節能減排及環境保護的重視日漸增加，可持續發展逐漸成為能源應用的主流觀念，當下電力發展的主要發展方向已經向更高效地利用瓦斯等可再生能源轉移。因此，瓦斯發電得到了越來越多的關注，各礦山瓦斯發電機組裝機容量逐年上升。發電并網瓦斯資源利用技術有著十分重要的意義。

首山一礦瓦斯發電站2014年5月開工建設，同年12月開始試運轉，2018年度進行二期加裝機組及改造。采用勝動集團生產制造的燃氣發電機組。瓦斯發電站裝機容量為11臺700 kW機組，共7 700 kW。瓦斯發電機組如圖10所示。整套設備由瓦斯進氣系統、柴油供給系統、空氣過濾系統、點火系統、排氣系統、潤滑系統、冷卻系統、發電機組控制系統組成。其電控混合技術、瓦斯與空氣先混合后增壓中冷技術、燃燒自動控制技術、柴油引燃發電技術，能保證機組有效適應瓦斯濃度和壓力的變化。

圖10 瓦斯發電機組Fig.10 Gas generator set

如圖11所示，自2017年發電機組調試運行以來，日平均利用瓦斯8.77×104m3，日平均發電1.32×105kW·h。目前所發電量5×104kW·h供地面制冷站使用，其余返回工業廣場使用。

圖11 瓦斯發電站日發電量Fig.11 Daily electricity generated by the power station

瓦斯發電循環利用及并網輸配溝通串聯了上游瓦斯治理、瓦斯抽采及下游純電制冷深井熱害治理，將廢棄的瓦斯“變廢為寶”轉變為電能，供給下游地面集中式降溫系統構建了“以用促抽，以抽促安全”的良性循環，安全、經濟、環保效益顯著。

3.5 瓦斯資源利用制冷技術及深井熱害治理

隨著開采深度的不斷延伸，礦井高溫熱害將越來越嚴重。礦井熱害除受地面大氣狀態季節性變化影響外，還受礦井圍巖散熱、機電設備散熱、氧化熱及壓縮熱等各種熱源的影響[17]。瓦斯資源利用制冷技術是指采用地面集中式純電制冷模式對礦井熱害進行治理，即地面集中式降溫系統匹配瓦斯發電系統，采用純電分級制冷的方式運行。

系統如圖12所示。地面集中式降溫系統基本實現全智能操控，通過制冷中心實現制冷機組互為調度切換、控制閥組自動連續切換、供給聯動、動態采集井上下設備數據、自動清理等功能。圖13為深井熱害治理現場。設備運行以來，在每個工作面對各巷道分支進行溫度、濕度的動態監控，表1為首山一礦己15-17-12120工作面各巷道監控位置溫度、濕度的全年均值，各巷道溫降均超過5 ℃、相對濕度下降約為25%，降溫系統運行后，煤層各巷道均保持在相對舒適的環境，杜絕了人員中暑現象。井下工作環境得到顯著改善，杜絕了由于深井巷道溫度、濕度高于《煤礦安全規程》而造成的停產，保障了工作面的高效安全生產。

圖12 地面集中式降溫系統示意圖Fig.12 Schematic diagram of ground centralized cooling system

圖13 深井熱害治理現場Fig.13 Field of the heat treatment of deep mine

表1 己15-17-12120工作面各巷道制冷情況Table 1 Refrigerating conditions of each roadway

4 深部突出礦井安全高效綠色開發模式的發展展望

1)深部突出礦井安全高效綠色開發基礎性支撐技術與裝備。煤礦的安全高效綠色開發必須以大量的高性能、高可靠性、更清潔的技術與裝備為支撐，主要包括：礦井開發各部分之間的協同合作，建立礦井循環經濟；繼續開發更可靠的深部突出礦井可視化及數值模擬軟件，提升采礦仿真模擬系統的性能，進而為瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯發電及高溫礦井制冷提供科學依據與方法支持，從根本上杜絕礦山生產中存在的安全問題。

2)研究統一的自動化控制方法。深部突出礦井安全高效綠色開發模式的基礎是礦井開采過程中多功能的協同統一，在對礦山各數據統籌分析的基礎上，將從關鍵采礦設備或單一系統的自動化向以采礦過程智能決策、瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯發電及高溫礦井制冷各子系統協同工作為特點的安全高效綠色智能開發模式發展，進而逐漸實現礦山的智能化。

5 結 語

作為煤礦“瓦斯”的煤層氣，長期以來是煤礦重特大事故的主要災害源，主要包括瓦斯爆炸事故、煤與瓦斯突出事故。中國國有煤礦的46%為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，瓦斯事故發生時會誘發冒頂、火災或透水等次生事故，煤礦重特大事故中瓦斯事故比例極高。隨著近些年對瓦斯治理、抽采技術的不斷探索，煤層氣正變廢為寶作為一種新型能源而被廣泛利用，但仍然存在統籌規劃整體性缺乏、瓦斯高效利用自動化控制程度不高等關鍵技術薄弱問題。平煤神馬集團以瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯發電、礦井制冷為架構，以“一面多巷”瓦斯治理方略、瓦斯分源網絡化立體抽采與動態調控技術、瓦斯抽采利用設備與制冷系統的高效協同技術為基礎的深部突出礦井安全綠色高效開發新模式，增強了煤與瓦斯突出礦井及高瓦斯礦井的安全基礎，降低煤礦瓦斯安全事故的發生次數，有力地促進礦井在防治煤與瓦斯事故方面的生產力水平，利于礦區社會環境的穩定和保障人員的生命財產安全。為礦區的可持續發展奠定了堅實的基礎，為集團其他存在類似工程問題礦井提供技術支持，為國內同類礦山提供有益的借鑒，具有顯著的經濟效益和社會效益，對推動中國礦業安全發展具有積極意義。