地面與井下共抽 治理與利用并舉

開辟煤礦采氣采煤一體化新型道路

晉城煤業(yè)集團(tuán)  賀天才  

摘  要：山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司結(jié)合晉城礦區(qū)瓦斯賦存特點(diǎn)，創(chuàng)新了“采煤采氣一體化”、“三級(jí)瓦斯治理”等理念和方法，實(shí)現(xiàn)了地面瓦斯預(yù)抽采、井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采治理瓦斯技術(shù)工藝的全面突破，在此基礎(chǔ)上，堅(jiān)持推進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)，開創(chuàng)了變瓦斯“殺手”為“幫手”的新途徑，取得了良好的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：采煤采氣一體化  區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采

山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“晉城煤業(yè)集團(tuán)”）地處山西省東南部，近年來，加快實(shí)施“煤、氣、電、化綜合發(fā)展，建設(shè)環(huán)保型綠色礦山”的中長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃，形成了以煤為基礎(chǔ)，煤炭、煤氣、煤電、煤化工四大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。2007年，完成生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)總額330.05億元，原煤產(chǎn)量3221萬噸，總氨產(chǎn)量409.28萬噸，煤層氣抽采量5.4億立方米，發(fā)電量5.54億度，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)18.77億元。在此基礎(chǔ)上，提出了打造“億噸基地、千億規(guī)模、百年企業(yè)、能源旗艦”的發(fā)展目標(biāo)。

晉城礦區(qū)是國(guó)家規(guī)劃的13個(gè)大型煤炭基地中晉東煤炭基地的重要組成部分，是我國(guó)優(yōu)質(zhì)無煙煤的重要生產(chǎn)基地。礦區(qū)規(guī)劃面積3273平方公里，地質(zhì)儲(chǔ)量368億噸，規(guī)劃建設(shè)13座礦井，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8520萬噸/年。規(guī)劃區(qū)煤層氣探明儲(chǔ)量1040億m³，可采儲(chǔ)量728億m³，瓦斯含量達(dá)到16 m³/t以上。

晉城礦區(qū)主要可采及局部可采煤層為山西組（P1s）的3號(hào)煤層和太原組（C3t）的9號(hào)、15號(hào)煤層。目前主采3號(hào)煤層，平均厚度5--6米，屬近水平煤層，蓋山厚度300－500米。瓦斯賦存的特點(diǎn)是：瓦斯含量隨煤層埋藏深度增加而增大；開采煤層瓦斯生成和保存條件較好，儲(chǔ)量大，具有實(shí)施產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的資源基礎(chǔ)；具有較好的可抽采性，煤層滲透率為0.1～5毫達(dá)西，有利于采用地面鉆井壓裂技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模抽采；甲烷含量高，超過96%，抽出的高純度瓦斯具有很高的開發(fā)利用價(jià)值。

近幾年來，隨著礦井的逐步延深和開采規(guī)模的擴(kuò)大，晉城煤業(yè)集團(tuán)礦井瓦斯危害明顯地顯現(xiàn)出來，8個(gè)生產(chǎn)礦井中有4個(gè)相繼成為高瓦斯礦井。2007年寺河礦東井和成莊礦礦井瓦斯等級(jí)鑒定：絕對(duì)瓦斯涌出量分別為346.85m³/min、287.49 m³/min，相對(duì)瓦斯涌出量分別為21.63m³/t、17.55 m³/t。

作為以煤為主的企業(yè)集團(tuán)，晉城煤業(yè)集團(tuán)堅(jiān)持把安全發(fā)展作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)和首要目標(biāo)，堅(jiān)持“服務(wù)安全生產(chǎn)，提高礦井安全保障能力；促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)”的指導(dǎo)思想和“井上下抽采相結(jié)合，井上抽采先行；抽采利用相結(jié)合，以用促采”的工作方針，開辟煤礦采氣采煤一體化新型道路，具體做法是：

一是堅(jiān)持理念創(chuàng)新，創(chuàng)造性地提出“三級(jí)瓦斯治理”、“采煤采氣一體化”等理念和方法。

三級(jí)瓦斯治理，即：根據(jù)礦井瓦斯勘探情況和參數(shù)測(cè)定結(jié)果，分“三級(jí)”治理瓦斯：對(duì)于瓦斯含量高于16m³/t（具有突出危險(xiǎn)時(shí)除外）的開采煤層或區(qū)域，首先提前5～8年實(shí)施地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯，使瓦斯含量降到16m³/t以下；對(duì)于瓦斯含量在8～16m³/t的開采煤層或區(qū)域，根據(jù)煤層賦存特性，提前3～5年，采用井下千米鉆機(jī)等鉆具實(shí)施井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采，基本解決瓦斯問題；對(duì)于瓦斯含量低于8m³/t的區(qū)域，繼續(xù)采用邊抽邊采掘、采空區(qū)抽采、加強(qiáng)通風(fēng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控等綜合措施治理采掘活動(dòng)中涌出的瓦斯。

采煤采氣一體化，即：通過實(shí)施地面鉆井、井下順煤層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽、邊采（掘）邊抽、采空區(qū)抽采相結(jié)合的單一中厚煤層瓦斯綜合治理模式，實(shí)現(xiàn)煤炭與煤層氣資源的合理開發(fā)、綜合利用及兩類產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

實(shí)施采煤采氣一體化，一是在時(shí)間上，煤層氣的抽采與礦井的開發(fā)協(xié)調(diào)一致；二是在空間上，地面煤層氣井位的布置與礦井采掘銜接相一致；三是在功能上，煤層氣井實(shí)現(xiàn)“地質(zhì)勘探，采前抽、采動(dòng)抽，采后抽”一井多用（如圖1）。

實(shí)施采煤采氣一體化的關(guān)鍵，在于實(shí)現(xiàn)地面井下相互結(jié)合。布置地面抽采鉆井，從鉆井密度上講：一要考慮單井的抽采效果；二要考慮允許抽采的時(shí)間；三要考慮使煤層瓦斯均勻地降低，不留下局部瓦斯含量仍大、壓力仍高，有突出危險(xiǎn)的隱患。從給煤炭開采創(chuàng)造安全條件角度講：一要考慮避讓井下采掘巷道和井筒硐室；二要考慮使采面抽采效果達(dá)到最佳；三要考慮在抽采全過程一井真正能夠做到多用。

二是堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)地面煤層氣抽采、井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采、雙系統(tǒng)抽采等關(guān)鍵技術(shù)和配套工藝的全面突破。

地面煤層氣抽采技術(shù)工藝。早在1993年，我們就與美國(guó)美中能源公司合作，在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)了美國(guó)的地面煤層氣開發(fā)技術(shù)，在潘莊井田施工了7口煤層氣試驗(yàn)井，十多年來，單井日產(chǎn)氣能力始終保持在2000立方米以上。從2004年開始，開發(fā)新井進(jìn)行了放大試驗(yàn)。單井產(chǎn)氣量最大達(dá)到3萬m³/d。截至目前，已形成1200口煤層氣井組，其中投入運(yùn)行的480口，日產(chǎn)氣量120萬m³以上。預(yù)計(jì)今年底將形成1500口煤層氣井組，日產(chǎn)氣量150－180萬m³。

2007年之前，依據(jù)“每年每口煤層氣井可使0.1平方公里范圍內(nèi)噸煤瓦斯含量降低約1m³”的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合礦井開發(fā)規(guī)劃，按照300m×300m的模式進(jìn)行鉆井布局，2007年之后，我們縮小鉆井間距到200-250m，改進(jìn)矩形布置為菱形布置方式，將鉆井布置在瓦斯富集的地質(zhì)構(gòu)造地帶，因?yàn)檫@些地方最容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

為改進(jìn)和提高地面煤層氣井的抽采效果，2008年與奧瑞安公司合作，正在組織施工3口水平羽狀井，與壓裂垂直井抽采進(jìn)行比對(duì)分析。

井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采技術(shù)工藝。晉城礦區(qū)3^#煤煤層厚，屬近水平可抽煤層，煤質(zhì)較硬。適合于在煤層中施工長(zhǎng)鉆孔，組織區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采。

區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采（見圖2）就是利用千米鉆機(jī)等機(jī)具施工長(zhǎng)鉆孔，形成一個(gè)較大范圍的瓦斯預(yù)抽區(qū)域，根據(jù)目前千米鉆機(jī)實(shí)際進(jìn)尺水平，一個(gè)預(yù)抽區(qū)域至少應(yīng)涵蓋1個(gè)工作面。

在工作面順槽掘進(jìn)過程中，即應(yīng)通過順槽巷道向鄰近工作面打鉆，提前開始預(yù)抽采，抽采區(qū)域不僅包括鄰近工作面，也要包括與鄰近工作面相鄰的巷道條帶，從而為再下一個(gè)工作面的布置與預(yù)抽采創(chuàng)造條件。

區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采，可保證工作面抽采時(shí)間，盡快取得預(yù)抽效果，實(shí)現(xiàn)工作面有序銜接。尤其是通過超前抽采，可有效消除工作面掘進(jìn)及回采過程中的突出危險(xiǎn)性。

在進(jìn)行抽采鉆孔施工時(shí)，我們要求必須嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)，并作好記錄，終孔位置不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，要分析原因，作為掘進(jìn)巷道穿越時(shí)防治煤與瓦斯突出的重點(diǎn)進(jìn)一步采取措施。

為進(jìn)一步提高抽采效果和解決區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采過程中效果的不均衡性，巷道掘進(jìn)過程中，還要在巷幫施工抽采鉆場(chǎng)，實(shí)施“巷幫鉆場(chǎng)超前鉆孔抽采”，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量異常時(shí)，要停止工作面掘進(jìn)，實(shí)施“迎頭超前鉆孔抽采”。采煤工作面要根據(jù)回采時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)一步采取加密鉆孔、對(duì)打鉆孔、交叉鉆孔的方式強(qiáng)化“順煤層鉆孔抽采”。

雙系統(tǒng)抽采技術(shù)工藝。晉城礦區(qū)本煤層瓦斯含量大，透氣性好，煤質(zhì)較硬，厚度適中，整體性好，適合在本煤層布孔進(jìn)行預(yù)抽采。在生產(chǎn)過程中，工作面采空區(qū)瓦斯涌出比例大，需針對(duì)性地進(jìn)行采空區(qū)抽采的特點(diǎn)，決定了采取本煤層和采空區(qū)“雙系統(tǒng)”瓦斯抽采技術(shù)工藝。

本煤層預(yù)抽的特點(diǎn)是高負(fù)壓、低流量，采空區(qū)卸壓抽采的特點(diǎn)是低負(fù)壓、大流量。實(shí)踐中曾經(jīng)將兩種方式共用一個(gè)系統(tǒng)來組織抽放，結(jié)果是本煤層預(yù)抽負(fù)壓上不來，采空區(qū)抽采流量達(dá)不到，效果大打折扣。不得已，針對(duì)兩種抽采的特點(diǎn)，開始建立兩套抽采系統(tǒng)。

寺河礦于2000年5月建成了礦井地面本煤層瓦斯永久抽采系統(tǒng)，于2002年底在井下東井區(qū)建成了井下采空區(qū)瓦斯抽采泵站系統(tǒng)，2006年對(duì)兩套系統(tǒng)又進(jìn)行了擴(kuò)容改造，今年，東井區(qū)再行建設(shè)井下四盤區(qū)抽采泵站。

2007年，晉城煤業(yè)集團(tuán)抽采瓦斯量5.4億m³,其中：地面抽采煤層氣2.1億m³，井下抽采瓦斯3.3億m³，利用瓦斯2.5億m³。今年到8月底，晉城煤業(yè)集團(tuán)累計(jì)抽采瓦斯量5.02億m³。目前，寺河礦單井抽采瓦斯量達(dá)到356m³/min，礦井的抽采率達(dá)到了60.4%；成莊礦的抽采瓦斯量159m³/min, 礦井的抽采率達(dá)到了55.8%。

多巷道、大風(fēng)量通風(fēng)工藝。高瓦斯礦井堅(jiān)持“多巷道、大風(fēng)量、分區(qū)通風(fēng)”理念，不斷完善通風(fēng)系統(tǒng)，采面、盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)完全獨(dú)立。寺河礦東井由5個(gè)井筒進(jìn)風(fēng)，4個(gè)井筒回風(fēng)，上莊回風(fēng)井裝備了燕京風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的BDK-10－NO4.0型主要通風(fēng)機(jī)，風(fēng)葉直徑達(dá)到4m，最大供風(fēng)量可以達(dá)到37800m³/min，現(xiàn)供風(fēng)量為21040m³/min，運(yùn)行負(fù)壓3008 Pa，寺河礦東井的總風(fēng)量為58921m³/min，總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔行У乜刂圃?/span>0.3%以下。

采面通風(fēng)方面，我們創(chuàng)新出“三進(jìn)兩回偏Y”型通風(fēng)系統(tǒng)（見圖3），該系統(tǒng)最大通風(fēng)量可以達(dá)到9600m³/min，具有排除瓦斯能力大，工作面風(fēng)流和瓦斯?jié)舛确€(wěn)定可靠的顯著優(yōu)點(diǎn)。

三是堅(jiān)持綜合利用，開創(chuàng)了變瓦斯“殺手”為“幫手”的新局面，取得了顯著的綜合效益。

煤層氣發(fā)電。利用寺河礦井下抽采的瓦斯，建成了裝機(jī)容量1.5萬kW的瓦斯發(fā)電試驗(yàn)廠，于2001年投運(yùn)。目前寺河12萬千瓦煤層氣發(fā)電廠已投入試運(yùn)行。該電廠總投資額8.75億元，年耗氣1.87億m³，年發(fā)電量8.4億千瓦時(shí)。

民用燃?xì)狻?/span>煤層氣用作民用燃?xì)?，有安全、清潔、熱值高等?yōu)點(diǎn)。晉城煤業(yè)集團(tuán)積極開拓周邊市場(chǎng)，利用專用煤層氣運(yùn)輸槽車，向晉城市、長(zhǎng)治市、太原市以及河南省等居民供應(yīng)清潔、高效、安全的煤層氣，集團(tuán)公司控股的子公司—晨光物流公司正在打造全國(guó)最大的煤層氣運(yùn)輸新干線。

CNG清潔能源汽車。據(jù)測(cè)算，1立方米煤層氣可代替1.13升93號(hào)汽油，以現(xiàn)行市場(chǎng)油價(jià)和氣價(jià)計(jì)算，每使用1 m³煤層氣代油可節(jié)約3元以上。目前，除晉城市外，汽車加氣業(yè)務(wù)已拓展至長(zhǎng)治、太原、焦作、洛陽(yáng)、濟(jì)源、鄭州等地市場(chǎng)。

燃?xì)忮仩t代替燃煤鍋爐。晉城煤業(yè)集團(tuán)正在逐步以燃?xì)忮仩t代替燃煤鍋爐，全部完成后，年耗氣約1億m³。

工業(yè)用氣。煤層氣的甲烷含量高，雜質(zhì)少，用于玻璃、陶瓷等行業(yè)有很大的優(yōu)勢(shì)。目前，晉城煤業(yè)集團(tuán)已實(shí)現(xiàn)向晉城市及周邊地區(qū)的陶瓷、玻璃、鋼鐵等生產(chǎn)企業(yè)提供工業(yè)燃料。

煤層氣壓縮（CNG）及液化項(xiàng)目（LNG）。晉城煤業(yè)集團(tuán)擁有目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的煤層氣壓縮站，日壓縮能力達(dá)50萬m³。同時(shí)，為了擴(kuò)展煤層氣應(yīng)用的地域空間（CNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)半徑150公里左右，LNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)半徑約1000公里），與香港中華煤氣公司正在合作建設(shè)煤層氣液化項(xiàng)目，一期工程預(yù)計(jì)2008年8月份投產(chǎn)，日用氣量30萬m³，二期工程預(yù)計(jì)2008年年底建成，用氣量達(dá)到90萬m³/d。

煤層氣輸送管網(wǎng)建設(shè)。目前，西區(qū)瓦斯（煤層氣）東輸管道工程項(xiàng)目已進(jìn)入試運(yùn)行階段。線路總長(zhǎng)45.2公里，設(shè)計(jì)輸氣能力10億m³/a。山西能源煤層氣有限公司承擔(dān)建設(shè)的亞行貸款項(xiàng)目力爭(zhēng)2008年底實(shí)現(xiàn)向晉城市區(qū)供氣，輸氣規(guī)模為3.14億m³/a。

為切實(shí)做好瓦斯治理和煤層氣的綜合開發(fā)與利用工作，晉城煤業(yè)集團(tuán)進(jìn)一步更新理念，按照“采煤采氣一體化”和“三級(jí)瓦斯治理”的總體思路，堅(jiān)持區(qū)域防治為主、局部防治為輔，把煤礦瓦斯治理逐步向煤層氣抽采利用深化，著力提升礦井安全保障能力，實(shí)現(xiàn)煤炭及煤層氣產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

 

作者簡(jiǎn)介：賀天才，男，山西晉城人，1963年出生，中共黨員，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀博士研究生，成績(jī)優(yōu)異的高級(jí)工程師，國(guó)家人事部“653工程”煤層氣地質(zhì)理論與開發(fā)技術(shù)培訓(xùn)方向首席專家，現(xiàn)任山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司黨委常委、董事、總工程師。

 

 

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