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1、低透气性煤层瓦斯立体抽采和综合利用技术实践与探索潞安矿业集团公司一、概况潞安矿业集团公司是2000年 8 月由原来的潞安矿务局改制而成的国有独资有限责任公司。集团公司总资产346亿元，职工45000余人。 2007 年集团公司煤炭产量 3700万 t ，年销售收入 262 亿元，利税总额为15 亿元。现有石圪节、五阳、漳村、王庄、常村、慈林山、夏店、潞宁、司马、屯留10对生产矿井，1 对技改矿井（郭庄矿），2 对在建矿井（高河、李村） 。二、矿区瓦斯情况潞安集团原有生产矿井都处于低瓦斯区域。随着矿井开采水平的不断延伸，以及新矿井的建成投产，瓦斯涌出越来越大。目前，常村、五阳和屯留为高瓦斯矿井，
2、其它矿井的瓦斯涌出较以往均有明显增加。2000 年集团所属五对生产矿井（石圪节、五阳、漳村、王庄、常村）瓦斯绝对涌出量为89.31 m3/min ，相对瓦斯涌出量为3.57 m3/t 。2007 年集团公司 10 对生产矿井和1 对技改矿井瓦斯绝对涌出量为311.58 m3/min ，相对瓦斯涌出量为5.34 m3/t 。其中，屯留矿瓦斯涌出最大，绝对涌出量为130.24 m3/min ，相对涌出量为21.94 m3/t ；原有的 5 对生产矿井瓦斯绝对涌出量为157.84 m3/min ，与 2000 年相比产量增加了不到 1 倍，而矿井瓦斯涌出量增加了将近2倍。三、强化瓦斯抽采，努力打造本
3、质安全型矿井针对不同的瓦斯涌出情况，采取相应措施，实施分类治理。对低瓦斯矿井中瓦斯涌出较低的区域主要采取风排治理的方法。为了加大矿井风量，增加风排瓦斯量，加大投资力度，20032005 年分别建成了漳村西风井（ 1 对） 、五阳南峰井（ 1 对） 、王庄 62 风井和常村西坡风井（1 对） ，大大提高了原有矿井通风能力。对于高瓦斯矿井和低瓦斯矿井中瓦斯涌出较高的区域主要采取抽采治理的方法。采用本煤层预抽、边采边抽、裂隙带抽采、边掘边抽、地面预抽和地面采空区抽采等方法，初步构建起了上下结合、动静配合、采前、采中、采后全过程的立体瓦斯抽采体系。(一)矿井瓦斯抽采基本参数、煤层特性及瓦斯抽采系统根据
4、煤炭科学研究总院重庆分院对潞安矿区3 号煤层瓦斯基本参数测定为：透气性系数为 0.06051.7415 m2/(MPa2 d)， 钻孔瓦斯流量衰减系数为0.08110.6068d-1 ，坚固性系数为 0.300.56，煤质较软，属较难抽放煤层，在该煤层进行瓦斯抽采是世界性难题。通过与煤炭科研单位及院校合作，20042007 年集团公司建成了五阳矿井下临时抽采系统和地面永久抽采系统、漳村矿和常村矿井下临时抽采系统和地面永久抽采系统及屯留矿地面永久抽采系统，先后进行了本煤层预抽、边采边抽、边掘边抽、上隅角埋（插）管抽采、采空区裂隙带抽采等试验，采煤面最高抽采率达到41，矿井最高抽采率达到21.5，
5、实现了在难抽采煤层进行瓦斯抽采的技术突破。2004 年抽采瓦斯45 万 m3，2005年抽采瓦斯 340万 m3，2006年抽采瓦斯 710万 m3，2007 年抽采瓦斯 1300万 m3，抽采量逐年大幅提高。(二)矿井瓦斯抽采方式1. 地面瓦斯抽采2006 年启动了地面预抽瓦斯工程,在屯留矿区施工了10 口地面煤层瓦斯预抽试验井（直井），并进行了全部压裂，目前正在排采中。2007年又在屯留矿区施工了 10 口地面煤层瓦斯预抽井和1 口地面水平分支井，为进一步探索瓦斯抽采技术开辟了一条新工艺。2006 年为彻底解决屯留矿S2202综放面瓦斯涌出大问题，在地面施工了 2 口地面采空区瓦斯抽采井，
6、 2 口井井深 570m ，直径 320mm 。1 号井距切眼 39m ，距回风巷 126m ；2 号井距切眼 185m ，距回风巷 77m 。2 口井日抽采瓦斯量为14001500 m3，抽采瓦斯浓度为1422.5，基本解决了采空区瓦斯向上隅角涌出而发生瓦斯超限问题。2. 采煤工作面预抽与边采边抽采煤面煤层瓦斯预抽钻孔布孔方式主要有顺层平行钻孔和顺层斜交钻孔两种。为了缩短抽采时间，提高抽采效果，针对潞安3 号煤层特性，设计钻孔间距为 2.5m，钻孔长度为130170m ，根据煤层厚度布置2 排抽采钻孔。顺层钻孔布置如图 1 所示。利用煤体受采动影响， 工作面前方卸压（卸压带一般为12m左右）
7、煤体开展边采边抽，抽采效果比较明显。图 1 顺层钻孔布置图3. 边掘边抽为截流掘进工作面巷帮瓦斯涌出及对掘进面前方卸压预抽，采取了3 种边掘边抽方式。一是在掘进巷道两帮煤层内每隔50m布置一个抽采钻场，呈两帮交错布置，钻孔长度 70m ，每个钻场内沿巷道掘进方向布置2 排 6 个钻孔，钻孔距工作面水平投影距离始终保持不小于15m （布置方式见图2） ，这种方式在常村煤矿N3/2号回风巷掘进面实施后，瓦斯涌出量减少了40（从4.5 m3/min降到2.7 m3/min ） ，降低了工作面配风量。二是利用现有巷道向掘进工作面前方巷道打预抽钻孔，减少掘进工作面掘进时瓦斯涌出，钻孔长度为超过掘进工作面
8、10m （布置方式如图3） 。三是为增加采煤工作面预抽时间，在钻场内不但布置边掘边抽钻孔，同时对上下两个采煤工作面提前实施预抽， 钻场间距为 80m ， 边掘边抽钻孔长度100m ，掘进预抽钻孔长度130170m （布置方式如图4） ，实现了边掘边抽和采前预抽相结合。图 2 五阳、常村矿边掘边抽钻孔布置图图 3 屯留矿边掘边抽钻孔布置图图 4 屯留矿采前预抽和边掘边抽钻孔布置图4. 采煤工作面采空区裂隙带抽采根据煤层顶板“三带”分布规律，结合潞安3 号煤层顶板岩层特性实际情况，进行了采煤工作面采空区裂隙带抽采。沿工作面回风巷每隔80m左右施工一个钻场，钻场选择在顶板完好、岩性良好的地点，钻场底
9、板为煤层顶板，每个钻场内布置6 个钻孔，钻孔长度100m ，两钻场之间钻孔压茬20m ，钻孔终孔位于煤层顶板上方2030m 的顶板裂隙较为发育带内，控制范围为采煤工作面上隅角采空区 25m左右，钻孔终孔距回风巷外帮投影距离依次为25m 、20m 、15m 、10m 、5m 、0m 。钻孔布置如图5 所示。图 5 采空区裂隙带抽采钻孔布置图5. 采煤工作面上隅角埋（插）管抽采采空区埋（插）管抽采是解决上隅角及采煤工作面回风流瓦斯超限的手段之一，但由于埋（插）管抽采量较小，特别是上隅角插管属于开放式抽采，而潞安 3 号煤层瓦斯吸附性较强，需要高负压进行抽采，所以这两种方法一般应用于低瓦斯矿井中瓦斯
10、相对涌出较高的采煤工作面。采空区埋（插）管抽采方式如图 6、图 7 所示。图 6 采空区埋管抽采方式图 7 采空区插管抽采方式四、瓦斯综合利用情况针对抽采难度大、瓦斯浓度低的特点，在全面实施瓦斯抽采的基础上，有针对性地考虑低浓度瓦斯的利用问题，实施并完成了五阳矿低浓度瓦斯发电项目。攻克了瓦斯浓度低于30不能用于发电的技术难关，在全省、全国率先实现了 616低浓度瓦斯发电示范项目。 电站设计 4 台 500GF1-3RW 型机组，前期安设 2 台，装机容量2500kW 。2007 年 10 月中旬后期 2 台机组建成投运，达到了电站设计规模。工作原理：地面抽采系统抽出的瓦斯，经管道进入瓦斯发电机
11、组缸体，点燃处于爆炸范围（ 516）内的低浓度瓦斯，利用其爆炸性推动活塞运动，产生机械能，进而转化为电能。关键技术：低浓度瓦斯发电最重要的环节是安全问题。为此，在发电站总进气管上设置了2 个水封式阻火器、 1 个干式阻火器将瓦斯发电机组与瓦斯抽采系统隔离； 3 个水雾输送装置确保低浓度瓦斯安全输送至发电机组；在机组进气总管处、混合器前的燃气管线上、中冷器和增压器之间、进气管和调速节气门之间设置专用瓦斯阻火器，确保了发电安全。截止 2007年底，低浓度瓦斯发电机组共计发电921.7 万度，平均每天运行22.5h ，发电功率为 860900kW ，发电效率控制在88左右，机组运行平稳。五阳低浓度瓦斯发电站综合效益明显。按目前4 台机组发电量计算，年发电量可达 1100 多万度。尤其是将低浓度瓦斯发电将瓦斯利用范围扩大了24 个百分点，突破瓦斯浓度低于30不能用于发电的技术难关，拓展了瓦斯综合利用的空间，有效地利用了资源，形成了循环经济产业链，减少了温室气体排放，保护了环境，具有创效、节能、安全和环保等综合效益，意义重大。根据集团公司循环经济理念，借鉴五阳矿瓦斯综合利用的成功经验，2008年集团公司考虑在常村和屯留2 个高瓦斯矿井进行瓦斯综合利用，目前利用方案已完成，到“十一五”末，瓦斯发电厂总体建设规模为120MW。
