地面與井下共抽 治理與利用并舉 開辟煤礦瓦斯治理與綜合利用新路子

地面與井下共抽 治理與利用并舉 開辟煤礦瓦斯治理與綜合利用新路子
山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡稱晉城煤業(yè)集團(tuán)）是由山西省國資委控股、多元股東持股的有限責(zé)任公司。現(xiàn)有7對生產(chǎn)礦井，登記生產(chǎn)能力3485萬t/a，2007年生產(chǎn)原煤3221萬t?，F(xiàn)有35個控股子公司和10個分公司。
目前，集團(tuán)公司正以科學(xué)發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)全局，堅定不移地加速實施“煤、氣、電、化綜合發(fā)展，建設(shè)環(huán)保型綠色礦山”的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，力爭到2010年生產(chǎn)經(jīng)營總額突破500億元，實現(xiàn)利潤突破40億元，實現(xiàn)原煤產(chǎn)量5000萬t、煤層氣產(chǎn)量20億m3、發(fā)電裝機容量1.5GW、煤化工總氨產(chǎn)量700萬t、合成油產(chǎn)量10萬t以上。
晉城礦區(qū)位于山西省東南部，是國家規(guī)劃的13個大型煤炭基地中晉東煤炭基地的重要組成部分，是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤的重要生產(chǎn)基地。礦區(qū)規(guī)劃面積3273km2，地質(zhì)儲量368億t，規(guī)劃建設(shè)13座礦井，總設(shè)計生產(chǎn)能力8520萬t/a。規(guī)劃區(qū)煤層氣探明儲量1040億m3，可采儲量728億m3。
晉城礦區(qū)主要可采及局部可采煤層為山西組（P1s）的3號煤層和太原組（C3t）的9號、15號煤層。目前主采3號煤層，平均厚度5~6m，屬近水平煤層，蓋山厚度300~500m。瓦斯賦存的特點是：瓦斯含量和煤層埋藏深度成正比；瓦斯生成和保存條件較好，儲量大，具有實施產(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0.1～5mD，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)瓦斯危害明顯地顯現(xiàn)出來。2007年寺河礦東井和成莊礦礦井瓦斯等級鑒定：絕對瓦斯涌出量分別為346.85 m3/min、287.49 m3/min，相對瓦斯涌出量分別為21.63 m3/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)始終堅持把安全發(fā)展作為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的第一要務(wù)和首要目標(biāo)，堅持“開發(fā)新型能源，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)，服務(wù)安全生產(chǎn)，提高礦區(qū)居民生活質(zhì)量，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營”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，通過10多年特別是近5年來的積極探索與實踐，瓦斯治理與利用取得了初步成效。
一、堅持理念創(chuàng)新 創(chuàng)造性地提出“采煤采氣一體化”“三級瓦斯治理”等理念和方法
理論是實踐的先導(dǎo)，是技術(shù)發(fā)展的基石。晉城煤業(yè)集團(tuán)密切結(jié)合晉城礦區(qū)的實際，突破國外已有理論框架和技術(shù)路線的束縛，創(chuàng)建了“采煤采氣一體化”、“三級瓦斯治理”等新的理念和方法，為進(jìn)一步開展瓦斯綜合治理技術(shù)的創(chuàng)新提供了強有力的支撐。
(一)采煤采氣一體化
通過實施地面鉆井、井下順煤層長鉆孔預(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。
實施采煤采氣一體化，一是在時間上，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，煤層氣井實現(xiàn)“地質(zhì)勘探，采前抽、采動抽，采后抽”一井多用（圖1）。

1—地面鉆井；2—回采工作面；3—冒落拱；4—裂隙帶；5—煤層
圖1 一井多用抽采模式圖

實施采煤采氣一體化的關(guān)鍵，在于實現(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)三級瓦斯治理
根據(jù)礦井瓦斯勘探情況和參數(shù)測定結(jié)果，分“三級”治理瓦斯：對于瓦斯含量高于16 m3/t的開采煤層或區(qū)域，首先提前5～8年實施地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯，使瓦斯含量降到16 m3/t以下；對于瓦斯含量在8～16 m3/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等鉆具實施井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采；對于瓦斯含量低于8 m3/t的區(qū)域，采用邊抽邊采掘、采空區(qū)抽采、加強通風(fēng)、監(jiān)測監(jiān)控等綜合措施治理采掘活動中涌出的瓦斯。
2007年之前，依據(jù)“每年每口煤層氣井可使0.1km2范圍內(nèi)噸煤瓦斯含量降低約1 m3”的經(jīng)驗數(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（圖2）。2007年之后，將地面鉆井由矩形布置方式改為菱形布置，將鉆井布置在瓦斯富集的地質(zhì)構(gòu)造地帶，因為這些地方最容易導(dǎo)致煤礦煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

圖2 地面抽采鉆井局部布置示意圖

二、堅持技術(shù)創(chuàng)新，實現(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
(一)地面煤層氣抽采技術(shù)工藝
早在1993年，晉城煤業(yè)集團(tuán)就與美國美中能源公司合作，在國內(nèi)率先引進(jìn)了美國的地面煤層氣開發(fā)技術(shù)，在潘莊井田施工了7口煤層氣試驗井，10多年來單井日產(chǎn)氣能力始終保持在2000 m3以上。從2004年開始，開發(fā)新井進(jìn)行了放大試驗，單井產(chǎn)氣量最大達(dá)到3萬m3/d。截止2007年底，晉城礦區(qū)已形成880口煤層氣井組規(guī)模，其中投入運行339口，日產(chǎn)氣量80萬m3以上，單井平均日產(chǎn)氣量近2500 m3，形成了年產(chǎn)6億m3煤層氣的生產(chǎn)能力。
2003年8月，晉城煤業(yè)集團(tuán)設(shè)立了“沁水藍(lán)焰煤層氣有限公司”，積極推進(jìn)煤層氣開發(fā)的專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化運作。經(jīng)過不斷探索、實踐、總結(jié)，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地面預(yù)抽瓦斯技術(shù)，初步掌握了清水鉆井、活性水壓裂、定壓排采、低壓集輸?shù)拿簩託忾_發(fā)技術(shù)體系，突破了無煙煤不適合地面煤層氣開發(fā)的“禁區(qū)”，為我國煤層氣地面開發(fā)利用創(chuàng)出了第一個成功范例，率先實現(xiàn)了井上井下采煤采氣一體化。
(二)井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采技術(shù)工藝
晉城煤業(yè)集團(tuán)3號開采煤層厚，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（圖3）就是利用千米鉆機等機具施工長鉆孔，形成一個較大范圍的瓦斯預(yù)抽區(qū)域，根據(jù)目前千米鉆機實際進(jìn)尺水平，一個預(yù)抽區(qū)域至少應(yīng)涵蓋1個工作面。

圖3 區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采示意圖

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間，能盡快取得預(yù)抽效果，實現(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性。實施區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采之后，在掘進(jìn)和回采過程中，針對瓦斯抽采不平衡和瓦斯涌出量大的問題，仍然需要采取其他抽采措施。
(三)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，以及在生產(chǎn)過程中工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大，需針對性地進(jìn)行采空區(qū)抽采的特點，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)抽的特點是高負(fù)壓、低流量，采空區(qū)卸壓抽采的特點是低負(fù)壓、大流量。實踐中曾經(jīng)將兩種方式共用一個系統(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。因此，針對兩種抽采的特點，開始建立2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2套系統(tǒng)又進(jìn)行了擴(kuò)容改造，東井區(qū)井下四盤區(qū)抽采能力為0.8億m3/a的泵站正在建設(shè)。成莊礦2002年底建成地面本煤層瓦斯永久抽放系統(tǒng)，2006年建成井下3號風(fēng)井采空區(qū)抽采泵站，2號風(fēng)井能力為0.4億m3/a的抽采泵站正在建設(shè)之中。
寺河礦地面本煤層預(yù)抽采泵站的抽采能力為2億m3/a，東井區(qū)井下采空區(qū)抽采泵站抽采能力為1億m3/a，地面本煤層預(yù)抽采泵站安裝了6臺CBF710型水環(huán)式真空泵，井下采空區(qū)瓦斯抽采泵站安裝了5臺2BE1-705水環(huán)式真空泵。成莊礦地面抽采泵站抽采能力為1億m3/a，井下3號風(fēng)井采空區(qū)抽采泵站抽采能力為0.4億m3/a，地面抽采泵站安裝6臺CBF710水環(huán)式真空泵，井下3號風(fēng)井瓦斯抽采泵站安裝3臺CBF630和2臺CBF380水環(huán)式真空泵。
雙系統(tǒng)抽采工藝適合晉城礦區(qū)強化煤層預(yù)抽采和采空區(qū)抽采的特點。
三、堅持煤層氣產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，開創(chuàng)變瓦斯“殺手”為“幫手”的新途徑
近年來，晉城煤業(yè)集團(tuán)本著開發(fā)新型能源、保護(hù)大氣環(huán)境、保障煤礦安全、提高職工生活質(zhì)量、培育經(jīng)濟(jì)增長點的理念，積極探索煤層氣開發(fā)利用的新途徑，取得了良好的效益。
(一)煤層氣發(fā)電
2001年寺河礦利用井下抽采瓦斯，建成了裝機容量15MW的瓦斯發(fā)電廠，目前利用亞行貸款建成的亞洲規(guī)模最大的12MW煤層氣發(fā)電廠已進(jìn)入調(diào)試階段,該電廠年耗氣將達(dá)到1.87億m3，年發(fā)電量8.4×108kWh。此外，晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊礦18MW尾煤電廠和金駒股份公司的36MW煤矸石電廠正在進(jìn)行使用煤層氣發(fā)電改造。
(二)民用燃?xì)?BR>建成了全國最大的煤層氣壓縮站，日壓縮能力達(dá)50萬m3，利用專用煤層氣運輸槽車，向晉城市、長治市、太原市以及河南省等居民供應(yīng)清潔、高效、安全的煤層氣。2005年，晉城煤業(yè)集團(tuán)對礦區(qū)內(nèi)民用燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行了用煤層氣代替水煤氣改造。目前晉城市范圍內(nèi)約有煤層氣用戶4萬余戶，儲氣站10余座，每日供氣量3萬m3以上。為提高輸送能力，解決瓦斯利用中運輸瓶頸問題，集團(tuán)公司正在建設(shè)西部煤層氣產(chǎn)地至東部利用基地的高濃度、低濃度煤層氣輸送兩趟管道，將供氣方式變?yōu)橐蚤L輸管線為主。高濃度管道線路總長45.2km，設(shè)計輸氣能力10億m3/a，目前已進(jìn)入試運行階段。此外，2007年晉城煤業(yè)集團(tuán)控股了山西能源煤層氣有限公司，該公司承擔(dān)了亞行貸款山西省沁水煤田煤層氣利用工程，負(fù)責(zé)集團(tuán)公司向周邊區(qū)域瓦斯利用管網(wǎng)的建設(shè)。
(三)CNG(壓縮煤層氣)清潔能源汽車
據(jù)測算，1 m3煤層氣可代替1.13L 93號汽油，以現(xiàn)行市場油價和氣價計算，每使用1 m3煤層氣代油可節(jié)約3元以上。2005年7月，晉城煤業(yè)集團(tuán)在晉城市建成了第一座CNG加氣站，并開始改裝CNG汽車。目前，除晉城市外，汽車加氣業(yè)務(wù)已拓展至長治、太原、焦作、洛陽、濟(jì)源、鄭州等地市場，日供氣7萬m3以上。
(四)燃?xì)忮仩t代替燃煤鍋爐
晉城煤業(yè)集團(tuán)已新上燃?xì)忮仩t23臺、總蒸發(fā)量132t/h，年耗氣1500萬m3。目前正在逐步以燃?xì)忮仩t代替燃煤鍋爐，全部完成后年耗氣約1億m3。同時各抽采礦井建設(shè)燃?xì)馀L(fēng)爐、空調(diào)等，為礦區(qū)生產(chǎn)、生活服務(wù)。
(五)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。目前，晉城煤業(yè)集團(tuán)已實現(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，年用氣1800萬m3左右。
(六)以煤層氣為原料建設(shè)煤化工
晉城煤業(yè)集團(tuán)規(guī)劃建設(shè)以高硫煤為原料的10萬t/a合成汽油項目，可以參燒煤層氣。
(七)煤層氣液化（LNG）
為了擴(kuò)展煤層氣應(yīng)用的地域空間，利用煤層氣為原料的10萬t/a液化項目正在實施：一期工程預(yù)計2008年6月份投產(chǎn)，日處理瓦斯能力達(dá)30萬m3；二期工程預(yù)計2008年年底建成，日處理能力為60萬m3。項目完成后，日處理瓦斯能力總體達(dá)到90萬m3。
晉城煤業(yè)集團(tuán)在加大煤層氣規(guī)?；玫耐瑫r，積極參與CDM(清潔發(fā)展機制)的運作。2004年12月以來，晉城煤業(yè)集團(tuán)120MW煤層氣電廠項目所產(chǎn)生的經(jīng)核證的溫室氣體減排項目分別被世行托管的碳化基金（PCF）、日本碳基金(JCF)、荷蘭清潔發(fā)展機制和英國愛思凱公司收購，購買該項目的減排量1600萬t等量CO2的減排額度，獲得收益1.5億美元。2007年，又依托瓦斯電廠改造項目，與英國氣候變化資本集團(tuán)簽訂“減排購買協(xié)議”，再獲收益950萬歐元。
“十一五”期間，晉城煤業(yè)集團(tuán)規(guī)劃在寺河、成莊、長平、趙莊等高瓦斯生產(chǎn)礦井施工煤層氣井2000口，提前5～8年或更長時間布置地面鉆孔抽采，實施地面鉆孔預(yù)抽采，維持一定的地面抽采鉆井?dāng)?shù)量，為井下開拓布置抽采鉆場創(chuàng)造條件，進(jìn)行地面、井下抽采充分結(jié)合；加大千米鉆機考核力度，全面推廣實施區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采、加大抽采的覆蓋面和強度；同時，將煤層氣開發(fā)利用作為三大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，使煤層氣更加廣泛地應(yīng)用于發(fā)電、民用、工業(yè)、汽車燃料及化工等項目。