煤与瓦斯共采及瓦斯综合利用分析

李春刚

（中煤昔阳能源有限责任公司 ，山西 晋中 045300）

0 引言

瓦斯是漫长成煤过程中伴生的产物，是制约煤矿高产、高效安全生产的条件之一，而且瓦斯还能造成灾害，给企业带来经济损失。黄岩汇煤矿经过长期的瓦斯治理工作，最终确定顶板走向高抽巷（简称高抽巷）抽采瓦斯，配备相应设施综合利用瓦斯，变害为宝，实现煤与瓦斯共采，主要表现瓦斯上网发电的社会效益（环保方面）和经济效益。

1 黄岩汇煤矿煤与瓦斯共采

1.1 主采煤层15#煤及上覆含瓦斯煤岩层概况

表115 #煤层上覆含瓦斯煤/岩层特征表 单位：m

黄岩汇煤矿15#煤层综合柱状图厚度2.7～6.0m，平均厚度4.9m，实际可采厚度5m左右。煤层顶板主要以砂岩、砂质泥岩为主；上覆 8#、9#、11#、12#、13#、14# 等煤层；上覆 K2、K3、K4 灰岩，其中 K2 灰岩巷道揭露赋存大量瓦斯，K3、K4灰岩局部裂隙非常发育，赋存大量游离状态的瓦斯。

1.2 煤与瓦斯共采

1）煤与瓦斯共采机理：随着综采工作面的推进，工作面老顶初次来压和周期来压后，顶板充分跨落，顶板冒落带、裂隙带、弯曲下沉带逐渐形成，并与高抽巷构成畅通的抽采通道；上覆邻近煤/岩层中瓦斯解析并大量释放出来；高抽巷瓦斯抽采系统利用地面瓦斯抽采泵站提供的动力，改变瓦斯流场，采出瓦斯。高抽巷瓦斯抽采见图1。

图1 高抽巷瓦斯抽采示意图

2）瓦斯抽采系统：高抽巷+井下抽采管路+地面抽采泵站；

3）高抽巷技术参数：高抽巷层位、平面位置是抽采效果好坏的技术关键。层位：位于裂隙带中的9#煤层；平面位置：水平投影距回风巷是工作面斜长的1/4，并随煤层倾角的增大而减小；断面：4.5m×3.8m矩形断面，采用锚网索支护。

4）瓦斯特性：瓦斯对空气的相对密度是0.554，渗透能力是空气的1.6倍，决定了采空区的上部空间及裂隙是瓦斯积聚的地方。

1.3 黄岩汇煤矿生产系统

1）准备工作面：现准备工作面15113，设计轨道顺槽、胶带顺槽、高抽巷；掘进方式：三一重工EBZ200h综掘机（三台）+800mm胶带输送机；

2）回采工作面：现回采工作面15108采用一次采全高采煤工艺。

表215108 综采工作面主要设备配置表

3）矿井煤流运输系统：中央胶带大巷带宽1m强力胶带输送机+井底煤仓+主斜井带宽1.2m强力胶带输送机。

黄岩汇煤矿采掘机械化装备满足高产、高效矿井条件，能够完成矿井核定产能。

2 黄岩汇煤矿高抽巷瓦斯抽采效果

2.1 回采期间高抽巷抽采效果

黄岩汇煤矿15109工作面回采期间，分别对高抽巷抽采瓦斯浓度、抽采量等进行实测，实测结果：

第一阶段：工作面上覆岩层老顶跨落前，该阶段由于瓦斯抽采通道没有完全形成，故高抽巷抽采的瓦斯浓度、混合量等都较低，效果不佳；

第二阶段：工作面老顶初次来压和周期来压后，顶板充分跨落，并产生大量裂隙，瓦斯抽采通道形成并更加畅通，邻近层瓦斯大量涌出。随工作面推进瓦斯抽采趋于稳定，瓦斯浓度为30.85%～47.93%，平均约 39%，混合量为 121.5～151.5Nm3/min，平均136.5Nm3/min，抽采纯量42～66.04Nm3/min，平均55Nm3/min。

2.2 历年瓦斯抽采量效果分析

统计黄岩汇煤矿 15105、15109、15102、15107、15111、15108工作面及高抽巷瓦斯抽量，分析抽采效果：

表3 工作面瓦斯抽采期间抽采量分析表 单位：万m3

其中：15105是尾巷抽采，15109是尾巷+高抽巷抽采，其它为高抽巷抽采。

1）矿瓦斯总量：工作面高抽巷+本煤层+上隅角+高位钻孔+低位钻孔等瓦斯抽采量总和，不含15105尾巷抽采瓦斯量；

2）除15109是尾巷+高抽巷布置、15102工作面较短、15108刚开始回采外，该表可以说明高抽巷抽采效果要好于尾巷，尤其15111与15107的抽采效果；

3）对比分析：由表2可知，各年高抽巷瓦期抽采量占矿工作面瓦斯抽采总量比率74%、74%、85%、92%、96%、87%、90%，平均87%，该数据说明高抽巷抽采效果较好且稳定，对治理工作面回风流瓦斯超限问题起到了决定性的作用。

黄岩汇煤矿采掘装备、高抽巷瓦斯抽采效果，说明该矿井实现了煤与瓦斯共采。

3 黄岩汇煤矿抽采瓦斯综合利用

黄岩汇煤矿瓦斯综合利用主要以瓦斯发电和瓦斯锅炉为主，其它还有食堂等用气。

3.1 瓦斯发电

黄岩汇发电站装机容量14MW（7×2MW），发电机组为美国卡特彼勒C3520C型燃气内燃发电机组。

瓦斯发电工艺流程：瓦斯抽采泵站水循环真空泵抽采矿井瓦斯→湿式柜储存4-5kPa瓦斯气体→预处理系统除尘、除湿（初级过滤：≥20um的杂质及液态水；精密过滤≥2um的杂质）→C3520C型燃气内燃发电机组并网发电→瓦斯发电余热供站区采暖、湿式储气柜保温防冻、供热主管并入煤矿供热管线。

表4 黄岩汇瓦斯电站近3年发电量及耗气量统计表

3.2 瓦斯锅炉

黄岩汇煤矿煤改气，安装两台瓦斯锅炉，型号：10T WNS10-1-25-Y；6T WNS6-1-25-YQ。其中 6T瓦斯锅炉纯瓦斯消耗8Nm3/min；10T瓦斯锅炉纯瓦斯消耗12Nm3/min。瓦斯锅炉保障矿洗煤厂、井口、机机修车间、综采库、设备库等单位四个半月的供暖。年纯瓦斯消耗量：388.80万m3；瓦斯来源：湿式储气柜。

瓦斯锅炉常年供应客人浴池、职工浴池的热水，方便全矿职工升井后的洗浴。该部分利用瓦斯没有计入瓦斯消耗量。

4 瓦斯综合利用效益分析

黄岩汇煤矿瓦斯治理多措并举，即将瓦斯危害降到最低限度，又综合利用瓦斯创造经济效益。

表5 年度瓦斯抽采量与消耗量表 单位：万m3

4.1 安全效益

井下瓦斯达到一定浓度会制约采掘生产，甚至导致瓦斯燃烧或爆炸，更有甚者，采掘活动可能诱发瓦斯、煤与瓦斯突出，造成更大的损失。黄岩汇煤矿条带预抽+顺层孔抽采+高抽巷抽采等瓦斯综合治理措，即防范了瓦斯灾害，又保障了采掘的安全生产。主要效益如下：

1）利用瓦斯特性设计的高抽巷，改变了工作面采空区瓦斯流场，有效控制了工作面上隅瓦斯，解决上隅角瓦斯对工作面回采的影响，达到均衡、连续生产。图1：高抽巷瓦斯抽采示意图。

2）高抽巷抽采模式替代尾巷（U+L）抽采模式，解决了尾巷与回风顺槽横贯及尾巷内瓦斯管理过程中，可能引发的自燃发火、瓦斯燃烧甚至瓦斯爆炸的风险，即高抽巷抽采较尾巷抽采更安全可靠。

4.2 经济效益

1）黄岩汇瓦斯发电站利用高抽巷抽采瓦斯发电，发电量即可上网，又可按规定部分自用，降低运营成本；含税上网电价0.509元/kWh，并按国家政策瓦斯发电享受退税。表6为黄岩汇煤矿瓦斯发电上网电量收入。

表6 黄岩汇煤矿瓦斯发电上网电量收入

2）瓦斯锅替代燃煤锅炉供暧，一个供暧期可节约3500-4000吨供热燃煤。

3）高抽巷替代尾巷，即可以节约尾巷、横贯工程量（约两条顺槽）的投资，又可回采尾巷与顺槽间煤柱，提高矿井煤炭回收率，增加经济收入。

4.3 环保效益

瓦斯气体温室效应是二氧化碳的21倍，瓦斯空排和瓦斯火炬燃烧产生的气体，都会造成大气污染，即影响大气环境，又促进温室效应。黄岩汇煤矿一方面最大限度利用瓦斯，降低瓦斯空排量，另一方面煤改气，大大降低了煤炭不完全燃烧对大气的污染。

5 结语

随着采掘机械化的全面深入，高产高效矿井已很普遍，同时瓦斯治理与综合利用问题也突显出来。黄岩汇煤矿进行高抽巷瓦斯抽采的设计，并配套瓦斯发电、瓦斯锅炉等设施，在有效综合利用瓦斯的同时，即保障了安全生产、提高了经济效益增长点，又实现了煤与瓦斯共采。