寺河矿瓦斯抽采及利用现状与发展趋势

郝登云，王平虎

(1．中国矿业大学 (北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2．山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006)

寺河矿瓦斯抽采及利用现状与发展趋势

郝登云1，王平虎2

(1．中国矿业大学 (北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2．山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006)

介绍了寺河矿地质及生产技术条件，从寺河矿瓦斯钻孔施工设备、布孔方式、抽采系统及设备、年度瓦斯抽放量及瓦斯利用情况等方面，详细叙述了寺河矿瓦斯抽采及利用现状，在此基础上指出了寺河矿今后瓦斯高效开采及合理利用的发展趋势。

瓦斯抽采;瓦斯利用;发展趋势

Methane Drainage Status and Development Tendency of Sihe Colliery

1 概况

寺河煤矿是一座大型高瓦斯矿井，井田位于沁水煤田东南边缘，井田面积为91.2km2，地质储量1193Mt，可采储量773Mt，矿井核定生产能力为10.8Mt/a。该井田含煤地层为上石炭统太原群及下二叠统山西组，含煤11～21层，煤层平均总厚度为11.49～13.87m。其中主要可采煤层为3号、9号和15号煤层，其中3号煤层平均厚度6.2m，煤层倾角2～10°，一般5°左右。煤种为低硫－中灰份、高发热量、高机械强度的无烟煤，3号煤层自燃倾向性为不易自燃，煤尘无爆炸性。寺河矿各主要可采煤层特征见表1。

寺河矿井3号煤层顶、底板岩石的渗透率为0～0.000263md，致使煤层中的瓦斯难以向外逸散，而得以保存富集于煤层中［1－2］。据测定，寺河东区3号煤层平均瓦斯含量为7.67m3/t，寺河西区3号煤层平均瓦斯含量为16.6m3/t，煤层瓦斯压力0.29～2.12MPa，煤层透气性系数 0.0239～4.4529m2/(MPa2·d)。3号煤层的瓦斯基本参数测定结果见表2。

表1 主要可采煤层特征

寺河矿采用斜井、立井综合开拓方式。根据井田的构造及地面条件，整个寺河井田被分为东、西、北3个井区，东井区划分为3个盘区，西井区划分为4个盘区，北井区划分为4个盘区。盘区接替顺序按先近后远、先低瓦斯区后高瓦斯区的原则安排。

表2 寺河矿3号煤层瓦斯基本参数测定结果

寺河矿首先开采3号煤层，采煤方法为长壁后退式综合机械化一次采全高，全部冒落法控制顶板。目前寺河矿只有东井区在生产，西井区正在准备。近几年寺河矿东井区矿井瓦斯涌出量不断增加，瓦斯等级鉴定情况见表3。

2 寺河矿井下瓦斯抽采和利用现状

根据多年的瓦斯治理实践和探索，寺河矿形成了“三级瓦斯治理”体系，即对于瓦斯含量高于16m3/t的开采煤层或区域，首先提前5～8a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，要根据煤层赋存特性，提前3～5a或更长时间，采用井下千米钻机等钻具实施井下大面积区域递进式预抽采，将瓦斯含量降至8m3/t以下;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、加强通风等综合措施治理采掘活动中涌出的瓦斯。

表3 东井区瓦斯等级鉴定情况

2.1 寺河矿井下瓦斯抽采技术

2.1.1 井下区域递进式预抽采技术

在工作面巷道掘进过程中，利用千米钻机、MK钻机等机具，向邻近工作面施工顺层长钻孔，提前开始预抽采，抽采区域不仅包括相邻近的工作面，也包括与邻近工作面的巷道条带，为再下一个工作面的巷道掘进创造条件 (见图1)。根据目前千米钻机实际施工钻孔长度的水平，预抽区域至少能履盖1～2个工作面。区域性递进式预抽采技术能保证预抽工作面有足够的抽采时间，确保达到预抽效果，实现工作面有序衔接。同时通过超前抽采，也可有效消除工作面掘进中的突出危险性［3］。

图1 区域递进式预抽采

2.1.2 边掘边抽技术

边掘边抽技术 (见图2)就是随着巷道的掘进，在巷道两帮开钻场向煤巷掘进方向打顺层钻孔，对巷道周围卸压煤体内的瓦斯进行抽放，是拦截巷道周边煤体向掘进巷道释放瓦斯，减少掘进落煤、运煤过程释放瓦斯的有效手段，可有效解决巷道掘进工作面突出和掘进过程中的瓦斯异常涌出问题，确保安全生产。

图2 边掘边抽

2.1.3 边采边抽技术

由于采动影响，工作面的前方煤体出现3个不同的压力区域:卸压区域、应力集中区域和常压区域。在卸压区域内煤层的透气性系数与原始煤体透气性相比以数倍或数十倍的速度增长，为提高预抽瓦斯量，可在巷道掘进后方，向回采工作面打顺层钻孔，抽采回采工作面范围内煤层瓦斯，消除采面突出危险性和瓦斯超限。

根据回采工作面内抽采钻孔布孔方式的不同又分为顺层平行钻孔 (见图3)、顺层交叉钻孔和顺层斜交钻孔［4］。

图3 边抽边采顺层平行钻孔

交叉钻孔是指沿煤层倾向布置一个和回采工作面平行的顺层钻孔、一个斜向回采工作面方向约15～20°的钻孔组成一个交叉钻孔组。采用这种钻孔布置方式，钻孔相互交叉在交叉点增加了煤体卸压程度和范围，钻孔相互交叉影响可避免因某一钻孔坍塌堵塞通道而影响正常抽放。

2.2 寺河矿井下钻孔施工设备

寺河矿井下钻孔施工钻机主要有千米定向钻机和MK系列钻机2种，主要技术参数见表4。

表4 千米钻机和MK系列钻机主要技术参数

千米定向钻机使用水力驱动螺杆马达配合DGS导向装置进行定向钻孔施工，这种钻孔施工方式的优点是钻孔定向性好，可根据钻孔设计轨迹要求进行钻孔施工，钻孔成孔深度大，可使钻孔终孔间距均匀，有利于瓦斯的抽采。在寺河煤矿，千米钻机主要用于在2a以上不进行采掘活动的工作面进行递进式区域性抽放钻孔的施工以及在掘进巷道两侧进行长距离掩护钻孔的施工。

MK系列钻机由主机、泵站和操纵台3大部分组成，各部分之间以高压胶管相连，解体性好，设备较轻，搬迁运输方便。钻机采用全液压传动，无级调速，可满足不同的钻进工艺方法的要求。钻机的回转器采用通孔式结构，钻杆的长度不受给进行程的限制，可根据工作空间尽量使用较长的钻杆，减少拧卸次数。利用回转器和液压夹持器可以实现机械拧卸钻杆，减轻体力劳动，提高工作效率。根据寺河矿的经验，MK系列钻机主要用于2a以内有采掘活动的工作面顺层抽放钻孔、巷道的超前抽放钻孔、构造附近千米钻机未覆盖区域、岩巷穿层抽采钻孔、消突钻孔的施工［5］。

2.3 寺河矿瓦斯抽放系统

我国煤矿井下瓦斯抽采，一般采用1套瓦斯抽采系统进行抽采。但是，煤矿抽采井下瓦斯，一般是既要对煤层中的瓦斯进行预抽采，又要对采空区的瓦斯进行抽采。预抽煤层中的瓦斯要求抽采系统提供高负压、小流量的工况;采空区抽采要求抽采系统提供低负压、大流量的工况，显然1套抽采系统不可能同时满足截然不同的2种工况，因此，通常是牺牲抽采效果或抽采瓦斯浓度来满足工况的要求。为了克服1套抽采系统存在的不足，寺河矿采用了2套抽采系统，使煤层预抽瓦斯和采空区抽采系统相对独立，取得了良好的抽采效果。

寺河矿于2000年5月建成了矿井地面煤层瓦斯永久抽采系统，除此之外还建有2个井下瓦斯抽采泵站，各泵站运行参数见表5。

东区井下抽放站，共安装3台2BE1－705型水环式真空泵，运行模式两开一备，运行方法采用1台对东区各抽放面煤层进行预抽采，抽采后并入主系统，输送到地面进行利用;另外1台对回采面采空区进行抽采，抽采的瓦斯直接排至地面［6］。

表5 抽采泵站运行参数

为了利用采空区瓦斯，通过合理设计井下抽放泵站 (东区井下抽放站示意见图4)，当采空区抽采瓦斯浓度符合规定要求时，2套系统可通过调节，将采空区抽采的瓦斯并到主系统，输送到地面进行利用。

图4 东区井下抽放站

2.4 寺河瓦斯抽采量

寺河矿从建井到现在，随着瓦斯抽采设备和抽采工艺的不断发展，瓦斯年抽采量也逐年增加，促进了矿井的安全高效生产。2000～2010年的瓦斯年抽采量见图5。

图5 2000～2010年寺河矿瓦斯年抽采量统计

2.5 瓦斯利用

瓦斯作为一种清洁、高效、安全的新型能源，越来越受到人们的重视，具有广阔的利用前景。寺河瓦斯抽放站年设计抽放能力达3×108m3，瓦斯抽到地面后，经过储气柜储存稳压后，主要用于民用燃气和发电。

(1)瓦斯发电 寺河矿井下抽放的瓦斯主要用于发电，建立了2个瓦斯发电厂，装机容量分别为1.5×104kW和12×104kW。燃汽轮机利用瓦斯气发电后，其尾气通过余热锅炉产生蒸汽，进而带动汽轮机进行发电。冬季利用余热为矿区供暖，实现热电联供。

(2)民用燃气 瓦斯在寺河矿锅炉供暖、食堂和职工洗浴等方面得到了广泛应用。寺河矿还建有全国最大的瓦斯压缩站，利用车载形式，将地面抽采的瓦斯压缩后送至集团公司其他住宅小区或周边农村区域，代替水煤气用作洁净燃料。

3 瓦斯开发和利用技术发展方向

3.1 地面垂直钻孔抽放采空区瓦斯技术

采煤工作形成的采空区内残留大量的遗煤，致使采空区内集聚了大量瓦斯，为减少采空区瓦斯涌向采掘空间或矿井而影响生产，寺河矿采用的采空区瓦斯抽采技术主要是埋管抽采和高位钻孔抽采，这两种方法抽出的瓦斯浓度都较低，不能很好地利用。为了有效地利用瓦斯资源提高瓦斯抽放率，应开展地面垂直钻孔抽放采空区瓦斯技术研究。

3.2 低浓度瓦斯输送和利用技术

寺河矿在瓦斯抽采和利用上都取得了不错的成绩，2010年日抽瓦斯量已达到1×106m3，并运用于发电和民用燃气，但是瓦斯利用率并不高，其主要原因是低浓度瓦斯得不到很好地利用。低浓度瓦斯在抽采和输送过程中存在着重大的安全隐患，因此，应开展低浓度瓦斯输送、利用环节的安全保障技术研究，可重点研究低浓度瓦斯发电技术，以实现节能减排和循环经济的目标。

3.3 人为强化卸压增透技术

随着煤层开采深度的增加，煤层瓦斯含量增高、压力增大，煤层透气性减小，从而严重影响了煤层瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。为了提高瓦斯抽采效果，寺河矿主要采用加密钻孔抽采瓦斯的方法，但该方法施工工程量大，工人劳动强度大，影响工作进度，应开展人为强化卸压增透技术研究，比如水力压裂、水力割缝、深孔预裂爆破等。

3.4 软煤层区长钻孔施工工艺及技术

寺河矿煤层较硬，适合长钻孔施工，但也有部分软煤区，在软煤层区钻孔施工中容易出现堵钻、卡钻等现象，钻孔效率低、长度短，不利于瓦斯的抽采。应开展软煤层区长钻孔施工工艺技术研究，可以采用新的钻孔施工装备及施工工艺技术。

4 结论

通过近十年的研究和实践，寺河矿在瓦斯抽采技术方面取得了显著的成绩，但仍面临技术、装备、工艺等许多难题。必须研究推广瓦斯抽采的新技术、新工艺、新装备，力争在较短时间内大幅度提高瓦斯的抽采水平，实现稳定的抽采量。寺河矿瓦斯主要用于发电和民用，但瓦斯利用率较低，一方面是因为低浓度瓦斯不能充分地利用;另一方面是采空区抽出的瓦斯直接排空。应寻求新技术，开发新途径，对煤矿抽采瓦斯进行合理利用，对于改善寺河矿瓦斯抽采利用现状，意义重大。

［1］王平虎.寺河矿瓦斯治理与利用技术 ［J］.煤炭科学技术，2006，34(8):20－22.

［2］贺天才.晋城寺河矿煤层气抽采实践与展望 ［J］.中国煤层气，2005，2(3):16－18.

［3］李海贵.递进式瓦斯抽采技术的研究及应用 ［J］.矿业安全与环保，2009，36(6):58－60.

［4］程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(2):127－139.

［5］陈 健，姚宁平，殷新胜.MK系列钻机及其在煤矿瓦斯抽放中的应用 ［J］.煤炭科学技术，2003，31(2):12－14.

［6］赵向东.井下抽放泵站在寺河矿的应用［J］.矿业安全与环保，2003，30(6):47－55.

TD712.6;TD712.67

B

1006-6225(2012)03-0105-04

2011－09－28

郝登云 (1988－)，男，河南辉县人，在读研究生，研究方向为防灾减灾和安全防护。

［责任编辑王兴库］

特殊采煤与矿区环境治理