地面與井下共抽解析

1、地面與井下共抽 治理與利用并舉開(kāi)辟煤礦瓦斯治理與綜合利用新路子山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)晉城煤業(yè)集團(tuán)）是由山 西省國(guó)資委控股、多元股東持股的有限責(zé)任公司?，F(xiàn)有 7 對(duì)生產(chǎn)礦井，登記生 產(chǎn)能力3485萬(wàn)t/a, 2007年生產(chǎn)原煤3221萬(wàn)t。現(xiàn)有35個(gè)控股子公司和10 個(gè)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(jiān)定不移地加速實(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)期發(fā)展戰(zhàn)略，力爭(zhēng)到 2010 年生 產(chǎn)經(jīng)營(yíng)總額突破 500 億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)突破 40 億元，實(shí)現(xiàn)原煤產(chǎn)量 5000 萬(wàn) t、 煤層氣產(chǎn)量20億m3、發(fā)電裝機(jī)容

2、量1.5GW、煤化工總氨產(chǎn)量700萬(wàn)t、合成 油產(chǎn)量10萬(wàn)t以上。晉城礦區(qū)位于山西省東南部， 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(wú)煙煤的重要生產(chǎn)基地。礦區(qū)規(guī)劃面積 3273km 2，地質(zhì)儲(chǔ)量368億t,規(guī)劃建設(shè)13座礦井，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8520萬(wàn) t/a。規(guī)劃區(qū)煤層氣探明儲(chǔ)量1040億m3,可采儲(chǔ)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(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56m，屬近水平煤 層,蓋山厚度 300500m 。瓦斯賦存的特點(diǎn)是：瓦斯含量和煤層埋藏深度成正 比；瓦斯生成和保存條

3、件較好,儲(chǔ)量大,具有實(shí)施產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的資源基礎(chǔ)；具有較好的可抽采性，煤層滲透率為0.15mD，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(guò) 96，抽出的高純度瓦斯具有很高的開(kāi)發(fā)利 用價(jià)值。近幾年來(lái)，隨著礦井的逐步延深和開(kāi)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(lái)。 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346.85 m3/min、287.49 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量分別為 21.63 m3/t、 17.55 m 3/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(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“開(kāi)發(fā)新型能源，促

4、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(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，通過(guò) 10 多 年特別是近 5 年來(lái)的積極探索與實(shí)踐，瓦斯治理與利用取得了初步成效。一、堅(jiān)持理念創(chuàng)新 創(chuàng)造性地提出“采煤采氣一體化”“三級(jí)瓦斯治理”等理念 和方法理論是實(shí)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(shí)際，突破國(guó)外已有理論框架和技術(shù)路線(xiàn)的束縛， 創(chuàng)建了“采煤采氣一體化”、“三 級(jí)瓦斯治理”等新的理念和方法，為進(jìn)一步開(kāi)展瓦斯綜合治理技術(shù)的創(chuàng)新提供了 強(qiáng)有力的支撐。（一）采煤采氣一體化通過(guò)實(shí)施地面鉆井、井下順煤層長(zhǎng)鉆

5、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(kāi) 發(fā)、綜合利用及兩類(lèi)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(kāi)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（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(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

6、瓦斯含量仍大、壓力仍高、有突 出危險(xiǎn)的隱患。從給煤炭開(kāi)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(guò)程一 井真正能夠做到多用。（二）三級(jí)瓦斯治理根據(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16 m3/t的開(kāi)采煤層或區(qū)域，首先提前58年實(shí)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(duì)于瓦斯含量在816 m3/t的開(kāi)采煤層或區(qū)域, 根據(jù)煤層賦存特性，提前35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；對(duì)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(qiáng)通風(fēng)、監(jiān)

7、測(cè)監(jiān)控等綜合措施治理采掘活動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合礦井開(kāi)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?yàn)檫@些地方最容易導(dǎo)致煤礦煤與瓦斯突出事故的發(fā)生647.5SZ fSllf46SH047斜*03濫向向SH20 SH21：i:lSH25SJI036W.80SH034SHIUISI3O35S 112.7 SH28SHO42 SEI043 傘底SI1050$SHO45SH09 Sl/X SH044攀7

8、 r39&.T4 .?23 N S11053KjThr rn3 6SSII30SIJ3I河圖2地面抽采鉆井局部布置示意圖SI323 SH027.5-128Q.05SHIS SH19洼弊751112SH13SLII4 訂SH415SFI6二、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（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(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(kāi)發(fā)技術(shù)，在潘莊井田施工了7 口煤層氣試驗(yàn)井，10多年來(lái)單井日產(chǎn)氣能力始終保持在 2000 m3以上。從2004年開(kāi)始，開(kāi)發(fā)新井進(jìn)行了 放大試驗(yàn)，單井

9、產(chǎn)氣量最大達(dá)到 3萬(wàn)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(yùn)行 339 口，日產(chǎn)氣量80萬(wàn)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(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作。經(jīng)過(guò)不斷探索、實(shí)踐、總結(jié)，開(kāi)發(fā)出具有自 主知識(shí)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_(kāi)發(fā)技術(shù)體系，突破了無(wú)煙煤不適合地面煤層氣開(kāi)發(fā)的“禁 區(qū)；為我國(guó)煤層氣地面開(kāi)發(fā)利用創(chuàng)出了第一個(gè)成功范例，率先實(shí)現(xiàn)了井上井下 采煤采氣一體化。（二）井下區(qū)域性

10、遞進(jìn)式預(yù)抽采技術(shù)工藝晉城煤業(yè)集團(tuán)3號(hào)開(kāi)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(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（圖3）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。抽采達(dá)標(biāo)的回釆工作面圖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(guò)程中，即應(yīng)通過(guò)順槽巷道向鄰近工作面打鉆，提前開(kāi) 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，能盡快取得預(yù)抽效果，實(shí)現(xiàn) 工作面有序銜

11、接。尤其是通過(guò)超前抽采，可有效消除工作面掘進(jìn)及回采過(guò)程中 的突出危險(xiǎn)性。實(shí)施區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采之后，在掘進(jìn)和回采過(guò)程中，針對(duì)瓦 斯抽采不平衡和瓦斯涌出量大的問(wèn)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(guò)程中工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大， 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(lái)組織抽放，結(jié)果是本 煤層預(yù)抽負(fù)壓上不來(lái)，采空區(qū)抽采

12、流量達(dá)不到，效果大打折扣。因此，針對(duì)兩 種抽采的特點(diǎn)，開(kāi)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(duì) 2 套系統(tǒng)又 進(jìn)行了擴(kuò)容改造，東井區(qū)井下四盤(pán)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(hào)風(fēng) 井采空區(qū)抽采泵站， 2 號(hào)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

13、本煤層預(yù)抽采泵站安裝了 6臺(tái)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(tái) 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(hào)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(tái)CBF710水環(huán)式真空泵，井下3號(hào) 風(fēng)井瓦斯抽采泵站安裝 3 臺(tái) CBF630 和 2 臺(tái) CBF380 水環(huán)式真空泵。雙系統(tǒng)抽采工藝適合晉城礦區(qū)強(qiáng)化煤層預(yù)抽采和采空區(qū)抽采的特點(diǎn)三、堅(jiān)持煤層氣產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)，開(kāi)創(chuàng)變瓦斯“殺手”為“幫手”的新途徑 近年來(lái)，晉城煤業(yè)集團(tuán)本著開(kāi)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(zhǎng)點(diǎn)的理念，積

14、極探索煤層氣開(kāi)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(jī)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 xi08kWh。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)饨ǔ闪巳珖?guó)最大的煤層氣壓縮站，日壓縮能力達(dá) 50萬(wàn)m3，利用專(zhuān)用煤層 氣運(yùn)輸槽車(chē)，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。 2005 年，晉城煤業(yè)集團(tuán)

15、對(duì)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(hù) 4 萬(wàn)余戶(hù)，儲(chǔ)氣站 10 余座， 每日供氣量3萬(wàn)m3以上。為提高輸送能力，解決瓦斯利用中運(yùn)輸瓶頸問(wèn)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(zhǎng)輸管線(xiàn)為主。高濃度管道線(xiàn)路總長(zhǎng) 45.2km ，設(shè) 計(jì)輸氣能力10億m3/a,目前已進(jìn)入試運(yùn)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(chē)據(jù)測(cè)算，1 m3煤

16、層氣可代替1.13L 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。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(kāi)始改裝 CNG 汽車(chē)。目前，除晉城市外，汽 車(chē)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)，日供氣 7 萬(wàn) 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t 23臺(tái)、總蒸發(fā)量132t/h，年耗氣1500萬(wàn) 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(shí)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

17、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，年用氣1800萬(wàn)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(wàn) t/a 合成汽油項(xiàng)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(wàn) t/a 液化項(xiàng)目正在實(shí)施：一期工程預(yù)計(jì)2008年6月份投產(chǎn)，日處理瓦斯能力達(dá)30萬(wàn)m3;二 期工程預(yù)計(jì)2008年年底建成，日處理能力為60萬(wàn)m3。項(xiàng)目完成后，日處理瓦 斯能力總體達(dá)到 90 萬(wàn) m3。晉城煤業(yè)集團(tuán)在加大煤層氣規(guī)?；玫耐瑫r(shí)， 積極參與 CDM（ 清潔發(fā)展機(jī) 制）的運(yùn)作。 2004 年 12 月以來(lái)，晉城煤業(yè)集團(tuán) 120MW 煤層氣電廠項(xiàng)目所產(chǎn)生 的經(jīng)核證的溫室氣體減排項(xiàng)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(jī)制和英國(guó)愛(ài)思凱公司收購(gòu)，購(gòu)買(mǎi)該項(xiàng)目的減排量 1600 萬(wàn) t 等量 CO2 的減排額度，獲得收益 1.5 億美元。