极薄煤层卸压瓦斯抽采与发电利用实践

刘益文

(四川安全技术中心, 四川 610041)

极薄煤层卸压瓦斯抽采与发电利用实践

刘益文

(四川安全技术中心, 四川 610041)

四川胜利煤矿开采极薄煤层, 采煤工作面隅角瓦斯经常超限, 矿井建立了地面抽采瓦斯系统后, 采用顶 (底) 板穿层钻孔抽采工作面采空区上 (下) 邻近层卸压瓦斯, 有效地治理了瓦斯灾害。瓦斯抽采系统运行稳定后, 将瓦斯进行发电利用, 实现了矿井生产和生活零电费, 取得了很好的安全与经济效益, 对相似条件下的煤矿具有重要借鉴意义。

极薄煤层 抽采瓦斯 顶 (底) 板穿层钻孔 卸压瓦斯 瓦斯发电

开采极薄煤层的小煤矿建立了地面固定抽采瓦斯系统后, 面临着极薄煤层施工顺层钻孔困难、煤层瓦斯含量高、煤层瓦斯透气性差、抽采瓦斯浓度低、抽采瓦斯量小等一系列技术难题, 这些难题是开采极薄煤层的小煤矿瓦斯抽采常遇到的技术问题, 必须研究解决。四川胜利煤矿进行了极薄煤层瓦斯抽采与发电利用实践, 取得了成功, 对相似条件下采煤工作面隅角瓦斯经常超限, 而采用正常通风又无法有效解决瓦斯超限问题的煤矿具有重要借鉴意义。

1 概况

四川犍为胜利煤业有限公司 (简称胜利煤矿)位于四川省乐山市犍为县罗城镇境内。矿井核定生产能力为90kt/a。矿井开采三迭系上统须家河组煤层, 煤层倾角8°～10°, 矿井可采或局部可采煤层自上而下分别为Kd10、KS10、K9煤层。Kd10煤层厚度为0．22～0．4m, 平均厚为0．33m, 赋存较稳定, 与KS10煤层间距3．7～4．0m。KS10煤层不含夹矸, 纯煤厚度为0．22～0．33m, 平均厚为0．30m, 赋存不太稳定, 与K9煤层间距9．5～16．6m。K9煤层为单一煤层, 纯煤厚度为0．12～0．35m, 平均0．28m, 赋存不稳定, 与10d煤层间距13．2～20．6m。目前,矿井开采±0m 水平的Kd10煤层, ±0m 水平埋深为350～400m。矿井采煤工作面采用走向长壁对拉布置, 对拉工作面长度为2 ×100m, “W+ Y”型通风, 条带充填法控制顶板。

矿井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。近十年矿井绝对瓦斯涌出量变化如图1 所示。

图1 胜利煤矿近十年矿井绝对瓦斯涌出量情况

矿井未建立地面固定瓦斯抽采系统前工作面回风隅角瓦斯经常超限, 瓦斯浓度高达0．8%～2%,矿井总回风瓦斯浓度经常达到0．6%～0．7%左右。矿井采用正常通风无法有效地解决瓦斯超限问题。瓦斯超限成了制约胜利煤矿安全生产的瓶颈。

2 瓦斯抽采工程实践

2．1 测定煤层瓦斯基础参数

煤层瓦斯基础参数主要是指煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性等参数, 是决定煤矿瓦斯储量、预测煤矿瓦斯抽采率、选择瓦斯抽采方法的主要依据。为了提高抽采瓦斯效果, 首先对胜利煤矿进行了瓦斯基础参数测定工作。

四川矿山安全技术培训中心与胜利煤矿一起于2007 年下半年进行了煤层瓦斯基础参数考察, 结果为： - 10m 水平煤层综合瓦斯压力为0．73MPa,瓦斯含量6．14m3/t (其中煤层吸附瓦斯量5．32m3/t , 游 离 瓦 斯 量 0．82m3/t) , 瓦 斯 压 力 梯 度0．00191MPa/m, 煤层透气性系数1．13m2/ (MPa2·d) , 钻孔瓦斯流量衰减系数0．1501d-1, 煤层系较难抽放煤层。

2．2 建立地面瓦斯抽采系统

矿井采煤工作面隅角瓦斯经常超限, 而采用正常通风又无法有效解决瓦斯超限问题, 因此矿井决定建立地面瓦斯抽采系统。矿井于2008 年2 月建成地面瓦斯抽采系统, 投入试运行, 2008 年3 月10 日经四川煤矿安全监察局组织验收合格并投入抽采。

2．3 顶 (底) 板穿层钻孔抽采卸压瓦斯试验

胜利煤矿开采煤层纯煤平均厚度0．3m 以下,倾角8°～10°, 走向长壁对拉面开采。开采煤层为极薄煤层, 若沿对拉工作面布置倾向顺煤层预抽钻孔, 易穿顶板或底板岩石, 施工顺层钻孔困难; 考虑到开采煤层属较难抽放煤层, 煤层瓦斯含量低等因素, 结合邻近矿区汪洋煤矿极薄煤层顺煤层瓦斯抽采效果差的经验, 预抽煤层瓦斯的效果估计难以保证。

对现场进行了瓦斯来源分析, 认为采煤工作面隅角瓦斯经常超限的原因是采空区瓦斯涌出量大,而采空区瓦斯主要来源于顶 (底) 板上 (下) 邻近煤层卸压瓦斯, 因此采用了顶 (底) 板穿层钻孔抽采上 (下) 邻近煤层卸压瓦斯的方法来解决工作面隅角瓦斯超限。胜利煤矿除了从回风巷布置顶(底) 板钻孔外, 还在对拉工作面错开的巷道段布置相应钻孔, 如图2 所示。

在1103 对拉工作面施工顶 (底) 板穿层钻孔,即在回风顺槽内向上施工顶板穿层钻孔, 向下施工底板穿层钻孔、钻场间距10m, 钻孔同巷道中线夹角35°、50°、65°、80°, 钻孔长度40～60m, 即始终保持偏向正在开采的工作面 (或即将形成的工作面后方采空区) 一侧20m。现场试验过顶板穿层钻孔倾角为9°～24°, 底板穿层钻孔下向倾角为15°～20°, 得到终孔位置距顶板约15m, 距底板约18m时瓦斯抽采效果为最佳。

胜利煤矿2010 年4 月25 日经孔板流量计测定, 在抽的10 个顶板钻孔和10 个底板孔, 抽出瓦斯量 5．5m3/min, 平均每个孔抽放瓦斯量达0．275m3/min。一个回采工作面, 当邻近层卸压瓦斯涌向开采工作面时, 瓦斯量可从原有的1．2m3/min 上升到3．0m3/min, 经过顶板钻孔和底板钻孔强行抽, 工作面瓦斯抽采率可以达到60%。

现场观察发现, 工作面开采后, 距钻孔终孔点20～80m 区间内, 顶板穿层钻孔的抽采瓦斯量最大, 最大可达0．6m/min。其他区间的抽采瓦斯量相对较小, 一般小于0．1m3/min。

图2 胜利煤矿1103 工作面抽采瓦斯钻孔布置示意图

胜利煤矿在布置顶底板穿层钻孔的同时, 在1103 对拉工作面的中巷和上、下回风巷采用了保留原抽采管路的措施, 继续对采空区内瓦斯进行抽采, 延长了瓦斯钻场和瓦斯钻孔的使用时间, 减缓了采煤工作面隅角瓦斯的涌出, 保证了矿井通风瓦斯安全。

2．4 瓦斯抽采治灾效果

胜利煤矿抽采系统建立前, 矿井绝对瓦斯涌出量14．75m3/min, 矿井总回风瓦斯浓度经常达到0．65%～0．72%, 工作面尾巷瓦斯浓度为1．5%～4．5%左右, 隅角瓦斯浓度经常超过1%, 严重制约着矿井的安全生产。2008 年2 月28 日瓦斯抽采系统正式运行至2010 年年末, 矿井瓦斯抽采纯量保持在5．5～6．4m3/min, 抽采主管管内瓦斯浓度30%～40%, 胜利煤矿抽采前后瓦斯浓度变化情况见表1。

表1 胜利煤矿抽采前后瓦斯浓度变化

可见, 瓦斯抽采效果良好, 达到了治理瓦斯灾害的目的, 保证了矿井安全生产。

3 瓦斯发电

3．1 瓦斯发电工程建设

胜利煤矿瓦斯抽采系统建成后, 通过合理布置钻孔, 优化抽采工艺, 瓦斯抽采系统运行稳定可靠。对两个对拉采煤面实施瓦斯抽采, 抽采瓦斯浓度基本保持在33%～35%左右, 抽采瓦斯纯量基本保持在5．5～6．4m3/min。

鉴于瓦斯抽采浓度和抽采流量稳定, 矿井进行了抽采瓦斯的发电利用。矿井于2008 年3 月建成瓦斯发电系统, 装配2 台500kW 瓦斯发电机组。

3．2 瓦斯发电效果

胜利煤矿近两年来瓦斯发电情况见下表2。两年来利用瓦斯共发电8892200kWh, 平均每月发电370508kWh, 瓦斯发电机组发电情况见表2。

3．3 瓦斯发电量利用

胜利煤矿瓦斯发电系统并入犍为县供电网, 即瓦斯发出的电直接计量输给犍为县供电网。胜利煤矿生产生活用电直接从犍为县供电网上获得, 实行“发电量与用电量”相互“抵减”, 实现了矿井生产、生活用电零电费。

表2 胜利煤矿有限公司瓦斯发电统计

续表

胜利煤矿将抽采的瓦斯全部进行了发电利用,实现了抽采瓦斯“零排空”, 大大降低了环境污染,具有重要的环保效益。实现了经济效益、环境效益和社会效益共赢局面。

4 结论

通过在胜利煤矿进行的极薄煤层瓦斯抽采与发电利用实践, 可得到以下结论：

(1) 高位顶板钻孔或底板下向钻孔抽采邻近层的采动卸压瓦斯, 效果好, 单孔抽采瓦斯量大、浓度高, 是抽采极薄煤层瓦斯的有效方法。

(2) 卸压瓦斯主要来至上邻近层, 可主要采用顶板钻孔抽卸压瓦斯就能达到抽采瓦斯效果。卸压瓦斯主要来至下邻近层时, 因大量卸压瓦斯涌入开采层的时间较晚 (例如工作面煤壁推过20m) , 开采工作面通风对卸压瓦斯流动失去了控制, 若卸压瓦斯不至于造成回风隅角瓦斯超限, 且又能集中到顶板, 工作面开采后顶板钻孔还可以利用 (工作面为Y型通风) , 也可主要采用顶板钻孔抽达到抽采瓦斯效果; 否则顶板钻孔和底板钻孔应同时使用。

(3) 瓦斯抽采系统运行稳定可靠后, 将抽采瓦斯进行发电利用, “以用促抽、以抽保安”, 既安全、经济, 又环保。

[1] 刘益文、刘生龙．四川白鹤煤矿抽采极薄煤层瓦斯与发电利用实践 [J] ．中国煤层气, 2010： 32～35．[2] 刘益文、马心校、刘生龙．胜利煤业有限责任公司胜利煤矿瓦斯参数测定报告 [R] ．四川矿山安全技术培训中心．2007．

[3] 国家安全生产监督管理总局．AQ1027 - 2006 煤矿瓦斯抽放规范 [S] ． 北京： 煤炭工业出版社, 2007(1) ．

[4] 李维光、陈德松、刘益文等．汪洋煤矿瓦斯抽放的工程实践 [J] ．煤矿安全, 2009： 23～25．

[5] 马心校、刘益文、刘生龙等．四川省小煤矿提高抽采瓦斯效果关键技术研究 [R] ．四川矿山安全技术培训中心．2009．

Practice of Gas Drainage of Relaxed Adjacent Seam from Thin Coal Seam and Use of Gas for Power Generation

Liu Yiwen
(Sichuan Safety Technology Center, Sichuan 610041)

Gas emission from the corner of coal working face always exceeded the specified limitation in mining extremely thin coal seam in Shengli coal mine, Sichuan. After building of a fixed gas drainage system on the surface, cross-measure roof (or floor) boreholes were used to extract pressure - relief gas in the adjacent coal seams above (or below) the gob area of the working face, and obtained satisfactory safety and economic benefits, through achieving zero electricity fee for production and living, which is of important significance to mines with similar conditions.

Extremely thin coal seam; gas recovery; cross measure roof (floor) boreholes; pressure-relief gas; CMM power generation

四川省安全科技项目。(项目编号： 2007- 10, 2008- 22)

刘益文, 男, 工程师, 主要从事安全培训和煤矿瓦斯灾害治理方面的研究工作。

(责任编辑 桑逢云)