白芨沟煤矿瓦斯综合利用技术及实践

摘 要：随着煤炭开采业的发展，瓦斯利用也逐步得到重视和应用。白芨沟煤矿是高瓦斯矿井，从1993年开始利用瓦斯，抽采的瓦斯经过瓦斯利用预处理系统脱水和调压后，主要供矿区居民炊事用气和各单位冬季取暖，同时也作为生产天然气半补强炭黑的原料。持续到2012年，白芨沟煤矿的瓦斯利用总量已经累积了5.14亿m3，瓦斯利用率为90%，我们在对瓦斯进行开发利用的同时也在保护着我们周围的生态环境，这样不仅能够节能环保，而且对瓦斯进行资源开发，可以获得良好的生产和社会效益白芨沟煤矿的瓦斯综合利用对其它矿井因地制宜地利用瓦斯具有一定的借鉴意义。

关键词：瓦斯；综合利用；预处理系统炭黑

瓦斯的危险性不容小觑，它在煤矿的五大自然灾害中占据着一部分，它的存在会对矿井的安全有很大的影响，如果在开挖过程中发生安全安全事故，其危害是不容小觑的，它会对工人的生命财产安全都造成不可磨灭的影响。

要想对瓦斯灾害从根本上进行治理的话，首当其冲的就是进行瓦斯的开挖抽采工作，目前来看，我国对瓦斯的抽采量已经有了很大的提升，但工人在进行瓦斯开采工作时随时都有着生命危险。

瓦斯是一种类似于二氧化碳的温室气体，但它所产生的温室效应却比二氧化碳的危害大的多，是CO2的25倍，而且对臭氧层也极具杀伤力，其破坏能力是CO2的7倍，所以如果想抽出后在大气中直接排出是不可取的，不仅对生态环境造成破坏，而且会对人们的身体造成影响。

如果从物理的角度分析瓦斯，瓦斯是一种高效、方便的易燃性气体，在前些年来看，我国对瓦斯的排放并不是很重视，使得排放量居于世界首位，这样一来，我国对瓦斯的认识较晚，在开发过程中没有珍惜瓦斯这种高效易燃的能源，相反，却使得温室效应加剧。

目前来看，很多工矿业企业为了能够可持续生产，大多数企业把瓦斯利用在发电、民用燃料、化工等方面。

就此状况，我国为了能够加强对瓦斯的利用和开发强度，提出了“以抽保用、以用促抽”的关于瓦斯利用的政策。

从图1中可以清楚的看到2006年到2011年，在这几年之间瓦斯的利用率的走向趋势可以清楚地看到，我国的瓦斯利用量呈上升趋势，但瓦斯利用率却呈下降趋势，从好的方向来说，这说明了我国在瓦斯的利用和开发上还有很大的潜力值得开发。

因此，我们根据对工况企业矿区开发的实际条件进行研究，分析当地适合开发瓦斯的先进技术，这样不仅对我国瓦斯能源进行充分的开发和利用，而且对产生经济效益也有着很大的帮助。

1 瓦斯抽采的基本状况分析

1.1 工矿区矿井情况分析

白芨沟煤矿的井田面积约为11.27平方千米，当地煤炭的总存储量高达1.4亿吨，位于汝箕沟矿区的背部，该地区因“三低六高”其高质量无煤烟而扬名，白芨沟的煤矿是工矿业冶金和化工生产中所需要的原料，同时这种，煤矿因为其高质量无煤烟的特点也是环保煤矿。目前来看，该煤矿主要开采二三层的煤矿，它的煤层的透气系数都在易抽采和可以抽采的范围中，同时，矿井内丰富的瓦斯资源高达20.27亿立方米，在这些丰富的瓦斯资源中可抽取的高达63.9%。也就是说，白芨沟煤矿是瓦斯资源非常肺腑的矿井，如果合理开采更有助于为工矿业造福。

1.2 瓦斯抽采

白芨沟煤矿的开采时间很早，是在20世纪90年代后期就已经开始抽放煤矿了，但其正式建立永久式开采是在1990年才开始的，直到2006年，白芨沟一共建成了三座永久性的抽采泵站，这三个泵站分别叫南二瓦斯泵站、中央瓦斯泵站和南三瓦斯泵站。应用到实际中去后发现，有两个瓦斯泵站的抽采瓦斯的能力很弱，它们分别是南二瓦斯泵站和南三瓦斯泵站，它们的能力不能够满足矿井每天日渐增大的抽采需求，因此在2010年该地建立了第三个瓦斯站叫做新南瓦斯泵站。时至今日，之前的两个能力较弱的泵站已经不再运行了，代替它们的是新建的泵站和中央泵站，随着技术的不断推进，这两个泵站基本上就可以满足了瓦斯站综合利用的抽采需求。

白芨沟采用的瓦斯抽取方法有以下几种方法，它们分别是，较远距离钻孔、穿层钻孔、顺层钻孔还有采空区瓦斯抽采。自1993年到2012年，这19年间，白芨沟煤矿抽采出大量丰富的瓦斯资源，据统计瓦斯的总量高达5.72亿立方米，这里面可利用的瓦斯总量高达5.14亿立方米，由此可见瓦斯的利用率在不断的增加。1999年至2012年的瓦斯具体抽采量请见图2。

2 怎样充分利用矿井瓦斯

白芨沟煤矿的瓦斯利用方式主要有两种，一种是用来民用，一种是用来工用。民用来说，矿区的煤矿瓦斯可以为整个矿区两千多户人口做饭、取暖，为人们供给所需要的能量，同时他还可以为矿区街道或者公安等单位取暖。工用则用瓦斯供给炭黑厂用来生产炭黑。所用的气的来源从目前来说，主要由中央泵站、新南三泵站担负。

2.1 在利用瓦斯前的處理

一般来说，在瓦斯泵站下抽取的瓦斯一定带有许多水分，这些水分如果不加以处理就直接的输送与利用，想必会出现以下几点问题：

1）首先瓦斯的热度会大幅度的降低，同时管道的运输能力也随之下降；

2）当温度降低而且运输能力下降的时候，瓦斯的水分会被迫用处导致管内出现积水的情况发生，这样一来就会增加了流动的阻力而且会增加管道被瓦斯气体中呈酸性气体侵蚀的几率，损害管道的质量；

3）在冬天温度下降，气温寒冷的情况下，瓦斯传送的管道很容易结冰，这样就会影响瓦斯输送的效率。

以上的这三个问题是经常会遇到的问题，我们一白芨沟煤矿为例子，白芨沟煤矿建立了一系列的瓦斯利用前的处理系统，把矿井中抽采的瓦斯利用这种系统进行脱水处理后在运输到用户和工业矿厂的手中，这样在瓦斯利用前对瓦斯进行处理，减少了很多不必要的麻烦和损失。和图3中所呈现的一样。

在瓦斯泵站输出的瓦斯温度小于200摄氏度的情况下，经过储气罐分离出来的水，接着通过风机把其压缩到0.2MPa为止，这样就能对瓦斯进行干燥处理后通过调压器调节压力，最后运送到瓦斯将要被利用的地点，完成这个瓦斯利用处理系统。此外，这个系统还可以解决管道出现积水或者冬天由于气温下降导致管内结冰等问题有很大作用。

2.1.1 从储气罐方面来看

储气罐一般采用的是10000m3低压式螺旋储气罐，它整体呈原型塔状结构，它的结构图为一个储水槽和三个塔层，如图4所示，它的直径如图，分别为26.4m、25.5m、24.6m和23.7m。

提到它的作用，主要有三个：

1）它能够将输送的瓦斯中的水和气分离；

2）如果瓦斯泵站要发生故障，可以及时的对瓦斯泵站补充一定的瓦斯，在一定程度上保证供气顺利进行，从而把供气系统的可靠性不断提高[ 5 ]；

3）可以使瓦斯泵站在输送过程中的瓦斯得到缓冲，从而降低其他因素对瓦斯输气系统的妨碍。

2.1.2从加压器方面来看

白芨沟煤矿一共划分了12个煤矿区域，并且在每个煤矿区域分别设有调压站，每个站点有几个专门的设备，比如：阀门、调节压力器、过滤器、安全设备等等，这些设备的核心就是调节压力器，它的目的就是为了把输气管网中不能够运送的压力调节到下一级管网中，利用用户所需要的压力值进行分配，这样就能够使瓦斯的压力保持稳定的状态。调节站作为一个枢纽作用，对管道的运输和安全稳定起到了保障性的作用。

2.2 如何合理利用瓦斯

2.2.1 生活中瓦斯的使用

瓦斯在生活中的使用用途广泛，以白芨沟煤矿的抽采为例，它的煤矿主要就是供矿区的两千多户居民进行炊事用气以及矿区的各单位在冬季取暖。每个灶头的用气量较小，每年矿区抽采的瓦斯足够居民在日常生活中的需要。

居民在做饭时使用的燃气灶也可以用瓦斯气灶来代替，这样的用途相对来说比较方便还节约，假如使用液化气灶，那么就需要把气孔大小与供气压力进行一定的调整。

2.2.2 关于天然气半补强炭黑

天然气半补强炭黑的生产技术是利用气炉法生产的，它是一种生产炭黑的技术，在国内来说，天然气半补强的生产大多都是利用天然气作为生产原料，在原料中可占到94%的比例，我国目前只利用瓦斯煤矿来生产天然气半补强太黑的就只有白芨沟煤矿厂，自白芨沟煤矿厂建厂至今天，已经拥有了两条生产天然气半补强炭黑的生产线技术。

天然气半补强炭黑有其独特的原理：当把矿井的瓦斯当作燃料的时候，在炭黑的反应过程中会产生不完全燃烧、分裂、解析，从而制成一种类似于软质的炭黑产品，它的主要应用就是在橡胶行业汇总。在生产炭黑的时候瓦斯浓度的需求很高，瓦斯的浓度不能够低于60%，利用瓦斯作为原料的优势就是煤矿瓦斯中没有二氧化硫，这样生产出来的产品它的物理性能和化学性能都很稳定，这样就会加强了橡胶的补强性能，而且减少了会腐蚀的可能性。

天然气半补强炭黑的生产过程是：运输管道中的瓦斯在经过阀门控制的同时进入到火嘴箱中与炭黑进行反应，这个时候，供风机可以把空气预热器传送到风壳中进行反应，在反应炉中，瓦斯和空气燃烧发生反应，一部分瓦斯在高温下裂变成炭黑，通过冷水结束反应，在经过冷却塔和换热设备冷却进入最终的收集系统进行系统收集。所得到的炭黑经过进一步的加工包装成制成品，最后把剩余的气体燃烧之后进行过滤，在排放到大气中，这样就节约了经济和资源。具体工艺流程见图5 。

2.3 两大效益：经济与社会

白芨沟煤矿自从上个世纪90年代起就使用瓦斯，并且使用瓦斯的利用率很高，在1998年之后还建成了很多二期工程的炭黑厂，使瓦斯的利用率大幅度的提升到百分之百，在近些年中，因为采空区的瓦斯抽取的浓度不符合利用的要求，所以瓦斯的利用率有所下降，直到2012年，白芨沟的瓦斯利用量已经高达5.14亿m3，同时瓦斯的利用率也高达90%之多，瓦斯的利用量和瓦斯利用率如图6所示。

白芨沟煤矿充分利用瓦斯，这样不仅能够缓解瓦斯对环境造成的不良影响，同时把瓦斯充分利用，促进了瓦斯的抽采工作，产生了很大的经济效益和社会效益：

1）在居民日常使用瓦斯上，瓦斯为整个矿区两千多户居民提供了生活用气和冬天的取暖条件，瓦斯提供的能源与煤炭资源相比每年大约可以节省4000t，节省的资金高达100多万。

2）每年白芨沟煤矿的年产天然气的直接经济效益约为100万元，新型生产方式同时也解决了目前就业难的问题，减轻了当代大学生就业难的问题。

3）瓦斯的充分利用能够促进煤层的资源开发，同时瓦斯的利用会逐渐改善工矿区的生态环境，从而提高空气质量。

3 结论

目前在我国来说，对矿井瓦斯进行资源的综合利用和开发是一条可行的道路，也是坚持可持续发展道路的重要措施。瓦斯使白芨沟获得经济效益的同时，兼顾了对周围环境的影响，可以说是一石二鸟的方法。瓦斯在民用和工用两个方面，不仅能使瓦斯对环境的影响减少，同时排放也大幅度的减少，从而促进了我国工矿业对瓦斯资源的开发，創造了很高的经济效益和社会效益。

但是，纵向来看，白芨沟煤矿在瓦斯利用的深度与广度层次来说，还是相对欠缺些东西，要对观念进行彻底的转变、对可利用的范围进行探索欲与扩大、实时的提高利用率等，从而促进瓦斯资源的综合发展，为矿区的经济、“绿色”做出更大贡献。

参考文献：

[1] 龙伍见.我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望[J]. 矿业安全与环保，2010.8，37（4）：74-77.

[2] 陶明信，高波，李晶莹.煤层气：新兴的能源资源及其灾害于环境问题[J].矿物岩石地球化学通报，1999，18（3）：182-188.

[3] 吴财芳，曾勇，秦勇.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展[J].中国矿业大学学报，2004，33（2）：137-140.

[4] 马晓钟.煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践[J].中国煤层气，2007，7（3）.

[5] 马良涛.燃气输配[M].北京：中国电力出版社，2004.

作者简介：

郑学军（1972），男，宁夏贺兰人，现任神华宁夏煤业集团有限责任公司汝箕沟无烟煤分公司治安保卫二队队长，助理工程师，本科，从事矿井“一通三防”工作10年。