地面与井下共抽解析

地面与井下共抽治理与利用并举开辟煤矿瓦斯治理与综合利用新路子山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（以下简称晋城煤业集团）是由山西省国资委控股、多元股东持股的有限责任公司。现有7对生产矿井，登记生产能力3485万t/a，2007年生产原煤3221万t。现有35个控股子公司和10个分公司。目前，集团公司正以科学发展观统领全局，坚定不移地加速实施“煤、气、电、化综合发展，建设环保型绿色矿山”的中长期发展战略，力争到2010年生产经营总额突破500亿元，实现利润突破40亿元，实现原煤产量5000万t、煤层气产量20亿m3、发电装机容量1.5GW、煤化工总氨产量700万t、合成油产量10万t以上。晋城矿区位于山西省东南部，是国家规划的13个大型煤炭基地中晋东煤炭基地的重要组成部分，是我国优质无烟煤的重要生产基地。矿区规划面积3273km2，地质储量368亿t，规划建设13座矿井，总设计生产能力8520万t/a。规划区煤层气探明储量1040亿m3，可采储量728亿m3。晋城矿区主要可采及局部可采煤层为山西组（P1s）的3号煤层和太原组（C3t）的9号、15号煤层。目前主采3号煤层，平均厚度5~6m，属近水平煤层，盖山厚度300~500m。瓦斯赋存的特点是：瓦斯含量和煤层埋藏深度成正比；瓦斯生成和保存条件较好，储量大，具有实施产业化开发的资源基础；具有较好的可抽采性，煤层渗透率为0.1～5mD，有利于采用地面钻井压裂技术进行大规模抽采；甲烷含量高，超过96％，抽出的高纯度瓦斯具有很高的开发利用价值。近几年来，随着矿井的逐步延深和开采规模的扩大，晋城煤业集团瓦斯危害明显地显现出来。2007年寺河矿东井和成庄矿矿井瓦斯等级鉴定：绝对瓦斯涌出量分别为346.85m3/min、287.49m3/min，相对瓦斯涌出量分别为21.63m3/t、17.55m3/t。作为以煤为主的企业集团，晋城煤业集团始终坚持把安全发展作为实现可持续发展的第一要务和首要目标，坚持“开发新型能源，促进环境保护，服务安全生产，提高矿区居民生活质量，实现产业化经营”的指导思想，和“井上下抽采相结合，井上抽采先行；抽采利用相结合，以用促采”的工作方针，通过10多年特别是近5年来的积极探索与实践，瓦斯治理与利用取得了初步成效。一、坚持理念创新创造性地提出“采煤采气一体化”“三级瓦斯治理”等理念和方法理论是实践的先导，是技术发展的基石。晋城煤业集团密切结合晋城矿区的实际，突破国外已有理论框架和技术路线的束缚，创建了“采煤采气一体化”、“三级瓦斯治理”等新的理念和方法，为进一步开展瓦斯综合治理技术的创新提供了强有力的支撑。(一)采煤采气一体化通过实施地面钻井、井下顺煤层长钻孔预抽、边采（掘）边抽、采空区抽采相结合的单一中厚煤层瓦斯综合治理模式，实现煤炭与煤层气资源的合理开发、综合利用及两类产业的健康发展。实施采煤采气一体化，一是在时间上，煤层气的抽采与矿井的开发协调一致；二是在空间上，地面煤层气井位的布置与矿井采掘衔接相一致；三是在功能上，煤层气井实现“地质勘探，采前抽、采动抽，采后抽”一井多用（图1）。1—地面钻井；2—回采工作面；3—冒落拱；4—裂隙带；5—煤层图1一井多用抽采模式图实施采煤采气一体化的关键，在于实现地面井下相互结合。布置地面抽采钻井，从钻井密度上讲：一要考虑单井的抽采效果；二要考虑允许抽采的时间；三要考虑使煤层瓦斯均匀地降低，不留下局部瓦斯含量仍大、压力仍高、有突出危险的隐患。从给煤炭开采创造安全条件角度讲：一要考虑避让井下采掘巷道和井筒硐室；二要考虑使采面抽采效果达到最佳；三要考虑在抽采全过程一井真正能够做到多用。(二)三级瓦斯治理根据矿井瓦斯勘探情况和参数测定结果，分“三级”治理瓦斯：对于瓦斯含量高于16m3/t的开采煤层或区域，首先提前5～8年实施地面钻井预抽煤层瓦斯，使瓦斯含量降到16m3/t以下；对于瓦斯含量在8～16m3/t的开采煤层或区域，根据煤层赋存特性，提前3～5年采用井下千米钻机等钻具实施井下区域性递进式预抽采；对于瓦斯含量低于8m3/t的区域，采用边抽边采掘、采空区抽采、加强通风、监测监控等综合措施治理采掘活动中涌出的瓦斯。2007年之前，依据“每年每口煤层气井可使0.1km2范围内吨煤瓦斯含量降低约1m3”的经验数据，结合矿井开发规划，按照300m×300m的模式进行钻井布局（图2）。2007年之后，将地面钻井由矩形布置方式改为菱形布置，将钻井布置在瓦斯富集的地质构造地带，因为这些地方最容易导致煤矿煤与瓦斯突出事故的发生。图2地面抽采钻井局部布置示意图二、坚持技术创新，实现地面煤层气抽采，井下区域性递进式预抽采双系统抽采等关键技术和配套工艺的全面突破(一)地面煤层气抽采技术工艺早在1993年，晋城煤业集团就与美国美中能源公司合作，在国内率先引进了美国的地面煤层气开发技术，在潘庄井田施工了7口煤层气试验井，10多年来单井日产气能力始终保持在2000m3以上。从2004年开始，开发新井进行了放大试验，单井产气量最大达到3万m3/d。截止2007年底，晋城矿区已形成880口煤层气井组规模，其中投入运行339口，日产气量80万m3以上，单井平均日产气量近2500m3，形成了年产6亿m3煤层气的生产能力。2003年8月，晋城煤业集团设立了“沁水蓝焰煤层气有限公司”，积极推进煤层气开发的专业化、产业化运作。经过不断探索、实践、总结，开发出具有自主知识产权的地面预抽瓦斯技术，初步掌握了清水钻井、活性水压裂、定压排采、低压集输的煤层气开发技术体系，突破了无烟煤不适合地面煤层气开发的“禁区”，为我国煤层气地面开发利用创出了第一个成功范例，率先实现了井上井下采煤采气一体化。(二)井下区域性递进式预抽采技术工艺晋城煤业集团3号开采煤层厚，属近水平可抽煤层，煤质较硬，适合于在煤层中施工长钻孔，组织区域性递进式预抽采。区域性递进式预抽采（图3）就是利用千米钻机等机具施工长钻孔，形成一个较大范围的瓦斯预抽区域，根据目前千米钻机实际进尺水平，一个预抽区域至少应涵盖1个工作面。图3区域性递进式预抽采示意图在工作面顺槽掘进过程中，即应通过顺槽巷道向邻近工作面打钻，提前开始预抽采，抽采区域不仅包括邻近工作面，也要包括与邻近工作面相邻的巷道条带，从而为再下一个工作面的布置与预抽采创造条件。区域性递进式预抽采可保证工作面抽采时间，能尽快取得预抽效果，实现工作面有序衔接。尤其是通过超前抽采，可有效消除工作面掘进及回采过程中的突出危险性。实施区域性递进式预抽采之后，在掘进和回采过程中，针对瓦斯抽采不平衡和瓦斯涌出量大的问题，仍然需要采取其他抽采措施。(三)双系统抽采技术工艺晋城矿区本煤层瓦斯含量大，透气性好，煤质较硬，厚度适中，整体性好，适合在本煤层布孔进行预抽采，以及在生产过程中工作面采空区瓦斯涌出量大，需针对性地进行采空区抽采的特点，决定了采取本煤层和采空区“双系统”瓦斯抽采技术工艺。本煤层预抽的特点是高负压、低流量，采空区卸压抽采的特点是低负压、大流量。实践中曾经将两种方式共用一个系统来组织抽放，结果是本煤层预抽负压上不来，采空区抽采流量达不到，效果大打折扣。因此，针对两种抽采的特点，开始建立2套抽采系统。寺河矿于2000年5月建成了矿井地面本煤层瓦斯永久抽采系统，于2002年底在井下东井区建成了井下采空区瓦斯抽采泵站系统，2006年对2套系统又进行了扩容改造，东井区井下四盘区抽采能力为0.8亿m3/a的泵站正在建设。成庄矿2002年底建成地面本煤层瓦斯永久抽放系统，2006年建成井下3号风井采空区抽采泵站，2号风井能力为0.4亿m3/a的抽采泵站正在建设之中。寺河矿地面本煤层预抽采泵站的抽采能力为2亿m3/a，东井区井下采空区抽采泵站抽采能力为1亿m3/a，地面本煤层预抽采泵站安装了6台CBF710型水环式真空泵，井下采空区瓦斯抽采泵站安装了5台2BE1-705水环式真空泵。成庄矿地面抽采泵站抽采能力为1亿m3/a，井下3号风井采空区抽采泵站抽采能力为0.4亿m3/a，地面抽采泵站安装6台CBF710水环式真空泵，井下3号风井瓦斯抽采泵站安装3台CBF630和2台CBF380水环式真空泵。双系统抽采工艺适合晋城矿区强化煤层预抽采和采空区抽采的特点。三、坚持煤层气产业化经营，开创变瓦斯“杀手”为“帮手”的新途径近年来，晋城煤业集团本着开发新型能源、保护大气环境、保障煤矿安全、提高职工生活质量、培育经济增长点的理念，积极探索煤层气开发利用的新途径，取得了良好的效益。(一)煤层气发电2001年寺河矿利用井下抽采瓦斯，建成了装机容量15MW的瓦斯发电厂，目前利用亚行贷款建成的亚洲规模最大的12MW煤层气发电厂已进入调试阶段,该电厂年耗气将达到1.87亿m3，年发电量8.4×108kWh。此外，晋城煤业集团成庄矿18MW尾煤电厂和金驹股份公司的36MW煤矸石电厂正在进行使用煤层气发电改造。(二)民用燃气建成了全国最大的煤层气压缩站，日压缩能力达50万m3，利用专用煤层气运输槽车，向晋城市、长治市、太原市以及河南省等居民供应清洁、高效、安全的煤层气。2005年，晋城煤业集团对矿区内民用燃气系统进行了用煤层气代替水煤气改造。目前晋城市范围内约有煤层气用户4万余户，储气站10余座，每日供气量3万m3以上。为提高输送能力，解决瓦斯利用中运输瓶颈问题，集团公司正在建设西部煤层气产地至东部利用基地的高浓度、低浓度煤层气输送两趟管道，将供气方式变为以长输管线为主。高浓度管道线路总长45.2km，设计输气能力10亿m3/a，目前已进入试运行阶段。此外，2007年晋城煤业集团控股了山西能源煤层气有限公司，该公司承担了亚行贷款山西省沁水煤田煤层气利用工程，负责集团公司向周边区域瓦斯利用管网的建设。(三)CNG(压缩煤层气)清洁能源汽车据测算，1m3煤层气可代替1.13L93号汽油，以现行市场油价和气价计算，每使用1m3煤层气代油可节约3元以上。2005年7月，晋城煤业集团在晋城市建成了第一座CNG加气站，并开始改装CNG汽车。目前，除晋城市外，汽车加气业务已拓展至长治、太原、焦作、洛阳、济源、郑州等地市场，日供气7万m3以上。(四)燃气锅炉代替燃煤锅炉晋城煤业集团已新上燃气锅炉23台、总蒸发量132t/h，年耗气1500万m3。目前正在逐步以燃气锅炉代替燃煤锅炉，全部完成后年耗气约1亿m3。同时各抽采矿井建设燃气暖风炉、空调等，为矿区生产、生活服务。(五)工业用气煤层气的甲烷含量高，杂质少，用于玻璃、陶瓷等行业有很大的优势。目前，晋城煤业集团已实现向晋城市及周边地区的陶瓷、玻璃、钢铁等生产企业提供工业燃料，年用气1800万m3左右。(六)以煤层气为原料建设煤化工晋城煤业集团规划建设以高硫煤为原料的10万t/a合成汽油项目，可以参烧煤层气。(七)煤层气液化（LNG）为了扩展煤层气应用的地域空间，利用煤层气为原料的10万t/a液化项目正在实施：一期工程预计2008年6月份投产，日处理瓦斯能力达30万m3；二期工程预计2008年年底建成，日处理能力为60万m3。项目完成后，日处理瓦斯能力总体达到90万m3。晋城煤业集团在加大煤层气规模化利用的同时，积极参与CDM(清洁发展机制)的运作。2004年12月以来，晋城煤业集团120MW煤层气电厂项目所产生的经核证的温室气体减排项目分别被世行托管的碳化基金（PCF）、日本碳基金(JCF)、荷兰清洁发展机制和英国爱思凯公司收购，购买该项目的减排量1600万t等量CO2的减排额度，获得收益1.5亿美元。2007年，又依托瓦斯电厂改造项目，与英国气候变化资本集团签订“减排购买协议”，再获收益950万欧元。“十一五”期间，晋城煤业集团规划在寺河、成庄、长平、赵庄等高瓦斯生产矿井施工煤层气井2000口，提前5～8年或更长时间布置地面钻孔抽采，实施地面钻孔预抽采，维持一定的地面抽采钻井数量，为井下开拓布置抽采钻场创造条件，进行地面、井下抽采充分结合；加大千米钻机考核力度，全面推广实施区域性递进式预抽采、加大抽采的覆盖面和强度；同时