四川白鹤煤矿抽采极薄煤层瓦斯与发电利用实践

刘益文 易佑前 刘生龙

(1.四川矿山安全技术培训中心,四川 610017;2.四川白鹤煤矿,四川 614400)

四川白鹤煤矿抽采极薄煤层瓦斯与发电利用实践

刘益文1易佑前2刘生龙1

(1.四川矿山安全技术培训中心,四川 610017;2.四川白鹤煤矿,四川 614400)

白鹤煤矿开采煤层为极薄煤层,采煤工作面隅角瓦斯经常超限,矿井建立了地面固定抽采瓦斯系统,采用顶(底)板穿层钻孔抽采工作面采空区卸压瓦斯,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。

极薄煤层 隅角瓦斯 抽采瓦斯 顶(底)板穿层钻孔 瓦斯发电

Abstract:Coal Mine Methane drainage systems have been established in Baihe Coal Mine in Sichuan Province because the methane concentration in the corners of workingfaces always exceeds the normal limit and the coal seam is thin.Drilling boreholes from roof and floor is adapted to relief the gas pressure and effectively reduce gas disaster.Using coal mine methane to generate electricity realizes free charge to electricity of coal production and household use and achieves safety and economic benefits.

Keywords:Thin coal seam;gas in the corners;gas drainage;drilling through roof or floor;CMMpower generation

我国南方省份开采极薄煤层的小煤矿,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,因此不少矿井建立了地面固定抽采瓦斯系统。开采极薄煤层的矿井建立瓦斯抽采系统后,面临着极薄煤层施工顺层钻孔困难、煤层瓦斯含量低、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。开采极薄煤层的小煤矿,如果能突破抽采瓦斯这一难关,提高瓦斯抽采效果,将从根本上保证这些煤矿治理瓦斯的高效率和高质量。本文介绍了白鹤煤矿进行的极薄煤层瓦斯抽采与发电利用实践,对相似条件的煤矿具有借鉴意义。

1 概况

四川白鹤煤矿有限公司(简称白鹤煤矿)位于四川省乐山市犍为县罗城镇境内,矿井现核定生产能力为150kt/a。矿井开采三迭系上统须家河组煤层,煤层倾角1～3°,矿井可采或局部可采煤层自上而下分别为K10d、K10S、K9煤层。K10d煤层厚度为0.22～1.0m,内含夹矸1～2层,纯煤厚度0.42～0.60m,平均为0.49m,赋存较稳定,与K10S煤层间距2.8～3.5m。K10S煤层不含夹矸,全层纯煤厚度为0.22～0.43m,平均为0.33m,赋存不太稳定,与K9煤层间距10～12.5m。K9煤层多见单一煤层,纯煤厚度为0.12～0.45m,平均0.33m,赋存不稳定。目前,矿井开采+274m水平的K10d煤层(一个单工作面)与K9煤层(一个对拉工作面)和+200m水平的K10d煤层(一个对拉工作面)。+274m开采水平埋深为110～160m,+200m开采水平埋深为260～300m。矿井采煤工作面采用倾斜长壁对拉布置,对拉工作面长度为2×100m,“W”型通风。

矿井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井,近几年瓦斯等级鉴定的矿井绝对瓦斯涌出量变化如图1所示。

图1 白鹤煤矿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、尾巷瓦斯经常超限,瓦斯浓度达0.8%～2%,矿井总回风瓦斯浓度经常达到0.7%～0.8%。矿井采用正常通风无法有效地解决瓦斯超限问题,瓦斯超限成为制约白鹤煤矿安全生产的瓶颈。

2 瓦斯抽采工程实践

2.1 考察煤层瓦斯基础参数

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,是决定煤矿瓦斯储量、预测煤矿瓦斯抽采率及相应瓦斯抽采方式的主要依据。四川矿山安全技术培训中心与白鹤煤矿一起于2007年下半年进行了煤层瓦斯基础参数考察,结果为:+200m水平煤层综合瓦斯压力为1.07MPa,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0.00375MPa/m,煤层透气性系数0.052m2/(MPa2.d),钻孔瓦斯衰减系数3.68d-1,根据参考文献可知,煤层系较难抽放煤层。

2.2 建立地面固定瓦斯抽采系统

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这个问题,因此矿井决定建立地面固定瓦斯抽采系统。白鹤煤矿于2008年5月2日建成地面固定瓦斯抽采系统,并投入试运行,2008年6月20日经四川煤矿安全监察局组织验收合格并投入抽采。

2.3 瓦斯抽采方法试验

2.3.1 顶(底)板穿层钻孔

白鹤煤矿开采煤层纯煤平均厚度0.5m以下,倾角1～3°,倾斜长壁对拉面开采。若沿对拉工作面布置走向顺煤层预抽钻孔,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。

通过在现场进行瓦斯来源分析,认为采煤工作面隅角瓦斯经常超限的原因是采空区瓦斯量大,而采空区瓦斯主要来源于顶(底)板卸压瓦斯,因此采用了顶(底)板穿层钻孔抽采卸压瓦斯的方法来解决工作面隅角瓦斯超限。

在1022对拉工作面施工顶(底)板穿层钻孔如图2所示,即在回风顺槽内向上施工顶板穿层钻孔,钻场间距10m,钻孔长度38.5m,同巷道中线夹角12°,即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5m。钻孔倾角45°时的瓦斯抽采效果为最佳(现场试验过钻孔倾角分别为20°、25°、30°、35°、40°、45°等六种钻孔倾角),即钻孔终孔点距煤层顶板约25m时瓦斯抽采效果最佳。

2009年4月28日统计,矿井投入抽采的顶板穿层钻孔计30个,矿井抽采瓦斯浓度为47%～50%,抽采纯量达3.89m3/min,即单孔抽采纯量为0.13m3/min。到2009年8月,利用顶板穿层钻孔抽采瓦斯,全矿抽采的瓦斯纯量为5～6m3/min。

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,可达0.5m3/min。其他区间的抽采瓦斯量相对较小,一般小于0.3m3/min。

2009年6月到7月,在1022回风顺槽内试验17个底板穿层钻孔(如图2所示)抽采卸压瓦斯。钻孔孔长30m,倾角170～200°,与巷道的夹角200°(即向工作面后方采空区一则8～10m),钻场间距10m,一个钻场一个钻孔,注浆封孔长度6m。开始投入抽采的3个钻孔瓦斯浓度为70%～100%,单孔瓦斯流量0.1～0.2m3/min,持续20天后逐渐下降,一般在0.05m3/min。抽采瓦斯效果最好的钻孔单孔抽采瓦斯流量高达0.6m3/min,且维持时间达一个月。

图2 白鹤煤矿1022工作面抽采瓦斯钻孔布置

2.3.2 采空区埋管

白鹤煤矿在布置顶底板穿层钻孔的同时,在1022对拉工作面的回风隅角也布置了采空区埋管,采煤工作面采空区埋管布置示意图如图3所示。

图3 采煤工作面采空区埋管布置示意图

具体抽采工艺为:在工作面回风巷抽采管的末端设一弯管,使抽采管口抬高至回风巷顶,并设木垛对其管口进行保护,以此形成埋管口。接替管安装长度大于10m,并在工作面的后部抽采管上每隔30m安装一组三通、控制阀门及埋管口组件,在工作面推进过程中,将埋管口保留在工作面的采空区,通过抽采系统对采空区瓦斯进行抽采。当工作面推进至下一个埋管口三通处,埋管口已经埋在采空区内3～5m时,将埋在采空区里的前一埋管段控制阀门关闭,打开下一循环的埋管口阀门,以此达到利用埋管不断抽采采空区隅角瓦斯的目的。

2.4 瓦斯抽采效果

白鹤煤矿抽采系统建立前,矿井绝对瓦斯涌出量为13.06m3/min,矿井总回风瓦斯浓度经常达到0.7%～08%,工作面尾巷瓦斯浓度为1.5%～2.0%左右,隅角瓦斯浓度1%左右;2008年6月20日瓦斯抽采系统正式运行后,矿井瓦斯抽采纯量为4～5m3/min,抽采主管管内瓦斯浓度35%～55%,矿井风排瓦斯量为9m3/min,矿井总回风瓦斯浓度0.3%,工作面尾巷瓦斯浓度为0.8%,隅角瓦斯浓度0.4%～0.6%。

现场统计,2008年6月至12月矿井抽出瓦斯纯量为74.864万m3,同期风排瓦斯量为208.167万m3,矿井平均瓦斯抽采率26.5%,抽采瓦斯采煤工作面的同期风排瓦斯量为69.57万m3,采煤工作面平均瓦斯抽采率51.8%。2009年1月至10月,矿井抽出瓦斯纯量为160.558万m3,同期风排瓦斯量为449.56万m3,矿井平均瓦斯抽采率26.3%,抽采瓦斯采煤工作面的同期风排瓦斯量为123.025万m3,采煤工作面平均瓦斯抽采率56.6%。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

白鹤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,使瓦斯抽采系统的运行稳定可靠,抽采瓦斯浓度基本保持在40%左右,抽采瓦斯纯量基本保持在4～5m3/min(一对拉采煤面实施瓦斯抽采)。

鉴于瓦斯抽采浓度和抽采储量稳定,矿井进行了抽采瓦斯的发电利用。白鹤煤矿于2009年3月建成瓦斯发电系统,安装1台500KW瓦斯发电机组。白鹤煤矿现仅有一对拉采煤面实施瓦斯抽采,一台瓦斯发电机组发电,拟于2010年8月对又一对拉采煤面实施瓦斯抽采,届时,又将投入一台瓦斯发电机组发电,以达到“2台发电、1台备用”的设计规模。

3.2 瓦斯发电效果

白鹤煤矿2009年3月至10月,仅有一对拉采煤面实施瓦斯抽采,一台瓦斯发电机组发电(三台瓦斯发电机组轮流发电),共发电1781694kWh,平均每月发电254528kWh,瓦斯发电机组发电情况见下表1。

表1 白鹤煤矿有限公司瓦斯发电统计

3.3 瓦斯发电量的利用

白鹤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。白鹤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。

瓦斯为温室气体,白鹤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。

4 结论

通过在白鹤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)开采极薄煤层的小煤矿,矿井绝对瓦斯涌出量小于或接近15m3/min,建立地面固定抽采瓦斯系统后,取得较好的安全效益和经济效益。

(2)开采极薄煤层的采煤工作面隅角瓦斯超限,瓦斯主要来源于顶(底)板卸压瓦斯时,采取顶(底)板穿层钻孔抽采卸压瓦斯,辅以采空区埋管抽采隅角瓦斯,能很好地解决采煤工作面隅角瓦斯超限的问题。

(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,“以利用促抽放、以抽放保安全”,既安全又经济环保。

[1] 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(8):23～25.

[2] 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 on Coal Mine Methane Drainage from Thin Coal Seam and CMM Power Generation in Sichuan Baihe Coal Mine

Liu Y iwen1,Y i Y ouqian2,Liu Shenglong1
(1.Sichuan Mine Safety Technical Training Center,Sichuan 610017;2.Sichuan Baihe Coal Mine,Sichuan 614400)

刘益文,男,工程师,四川矿山安全技术培训中心矿山通风安全技术研究室主任,主要从事煤矿安全技术培训教学和煤矿瓦斯抽采研究与技术服务工作。

(责任编辑 桑逢云)