煤层气综合利用工艺技术研究

闵文桂 杨杰

摘 要：分析了容光煤矿瓦斯赋存情况，研究了低浓度瓦斯发电利用原理，进行了煤层气发电分析研究，总结了煤层气发电利用的成功经验。

关键词：顺层抽放；穿层抽放；煤层气发电

0 概况

容光煤矿是贵州省2005年开工建设的35座大型重点煤矿之一，属国家“西电东送”配套煤矿，由徐州矿务集团有限公司和贵州红星发展股份有限公司共同投资建设。矿井位于于贵州省桐梓县城以西，直距32公里，属桐梓县容光乡、习水县桃林乡两乡所辖。

1 矿井情况

1.1 矿井地质

本井田位于仁怀背斜北西翼北东端，即官店向斜南东翼南西端。总体为一向北西倾斜的单斜构造。倾向300～350°，一般为330°左右，倾角8～28°，一般为18～22°。龙汞背至龙塘河一带，发育有背、向斜褶曲，即酥麻顶背斜、坪上向斜，此背、向斜系仁怀大背斜北东端北西翼上次级褶皱，在井田范围内延伸约4km，呈北东30～35°展布，构成井田北西边界。

1.2 煤层赋存情况

根据贵州省地矿局102地质大队2004年10月提交的《贵州省桐梓县容光井田煤矿勘探地质报告》（以下简称《容光井田勘探地质报告》），井田内的含煤地层为二叠系上统龙潭组（P2l），井田内含可采煤层为6层，由上而下编号依次为C5、C6、C8、C9、C11、C12煤层。

1.3 矿井瓦斯参数

根据煤炭科学研究总院沈阳研究院提供的《容光煤矿C5、C6、C8、C9、C11、C12煤层瓦斯基础参数测定报告》、《桐梓县容光煤矿C5、C6、C8、C9、C11、C12煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》：矿井开采煤层C5、C6、C8、C9、C11、C12均具有煤与瓦斯突出危险性，故矿井为煤与瓦斯突出矿井。

井田内煤层瓦斯含量总体较高，平面分布上无明显变化，随煤层埋深增加，瓦斯含量有明显递增趋势。矿井瓦斯涌出量的大小，随煤层开发强度、配采关系、开采顺序的不同而变化，设计预计矿井初期和后期的相对瓦斯涌出量分别为35.8m3/t和52.5 m3/t，绝对瓦斯涌出量分别为44.5 m3/min和65.3m3/min（包括抽放的瓦斯）。

煤层瓦斯含量在8.4 ～17.9（m3/t），其中C9煤层瓦斯含量最高，瓦斯含量达到12.32～17.90m3/t（见下表）。

2 矿井瓦斯抽采概况

2.1 瓦斯抽采系统概况

容光煤矿建立了地面瓦斯抽放系统，并配有高、低负压抽放系统各一套，高、低压抽放系统分别配备水环式真空泵各两台，高负压抽放泵型号为2BEC52型，配10KV、280KW矿用防爆电动机，其额定抽放流量为130m3/min，额定转速300r/min，一台运行，一台备用；低负压抽放泵型号为2BEC62型，配315KW、10KV矿用防爆电动机，其额定流量为236m3/min，额定转速380r/min，一台运行，一台备用。

高、低负压瓦斯抽放主管路均为直径630mm的无缝钢管，安装在回风井巷道两边，长度为2×870米；各分支瓦斯抽放管直径300mm，长度合计6800m。

2.2 瓦斯抽采方式

抽放方式有顺层抽放、穿层抽放、高位钻孔抽放、上隅角埋管抽放。

高负压瓦斯抽放系统主要抽放顺层钻孔、穿层抽放。低负压瓦斯抽放系统主要抽放高位钻孔、上隅角埋管抽放。各分支抽放管均安设了涡流（质量）传感器，测定抽放系统的瓦斯浓度、抽放负压、抽放温度、抽放瓦斯量等参数。

高负压瓦斯抽放浓度在10～25%，抽放纯瓦斯量为10～25m3/t；低负压瓦斯抽放浓度在5～10%，抽放瓦斯量为69～13m3/t。高负压瓦斯抽放瓦斯量在10～25%，每天抽放纯瓦斯1.8 ～3.5万m3，每月抽放纯瓦斯110万m3，每年抽放纯瓦斯1200万m3。

2.2.1 穿层抽放预抽煤层瓦斯

穿层抽放钻孔主要从位于茅口组灰岩中底板抽放巷中施工，钻孔将穿过C12、C11、C9、C8、C6、C5煤层，钻孔深度在60～120m，钻孔孔径为89mm，钻孔采用中煤科工集团西安分院生产的ZDY-1900S坑道全液压钻机，配直径为63.5mm的圆钻杆、直径为89mm钻头进行施工。

穿层钻孔分为预抽条带煤柱瓦斯钻孔和预抽回采区域煤层瓦斯钻孔。预抽条带煤柱瓦斯的穿层钻孔主要用于回采工作面两巷掘进期间的瓦斯治理，钻孔终孔间距为5×5m（见图1）；预抽回采区域煤层瓦斯的穿层钻孔主要适用于降低煤层瓦斯含量，钻孔终孔间距为10×10m（图2）。穿层钻孔采用马丽散（两种材料）封孔，封孔长度为5m。

抽放地点主要分布在1101底抽巷、1103底抽巷、1104底抽巷、1105底抽巷、1106底抽巷，共有穿层瓦斯抽放钻孔3000多个，穿层抽放瓦斯浓度在10～25%，抽放瓦斯量为17m3/min，占矿井高负压抽放瓦斯总量70%左右。

2.2.2 顺层钻孔预抽煤层瓦斯

顺层钻孔预抽煤层瓦斯主要在回采工作面两巷向采煤工作面施工钻孔预抽煤层中瓦斯，由于煤层透气性较差，顺层钻孔的间距控制在1～2m，钻孔封孔采用马丽散封孔，封孔长度为8m。现主要抽放C5、C12煤层，钻孔间距为1.5m，抽放瓦斯浓度为5～8%，抽放瓦斯量为6～8m3/min，占矿井高负压抽放瓦斯总量30%左右。

3 瓦斯发电及综合利用

为时间节能环保和资源综合利用，达到综合效益最大化，在多次考察比较的基础上，选择了胜动集团500GF1型低浓度瓦斯发电机组。矿井地面低浓度瓦斯发电厂房设计按10台低浓度瓦斯发电机组设计，首期两台500GF1-3RW正式并网运行，一次试机成功；二期工程共安装500kW低浓度发电机组四台。目前，矿井共安装6台低瓦斯发电机组，总装机容量为3000kW，每台发电机组安装了一台针形管换热器，可以直接将发电机组排出的高温尾气直接引入针形管换热器。利用发电机组的高温尾气的热量，产生95℃左右热水通过水水换热器产生65℃热水供矿区洗浴。

3.1 低浓度发电技术

（1）燃气发电机组工作原理：内燃机利用燃料燃烧产生的热能来做功，空气和燃料经过气管进入气缸，电启动曲轴带动活塞上下运动，压缩进入气缸的混合气体，然后通过火花塞点燃烧，燃气受热膨胀产生巨大推动活塞下移，并通过连杆驱动曲轴旋转，而通过联结轴带动发电机工作，输出电力。

（2）瓦斯输送系统工艺流程：瓦斯输送系统工艺流程：抽放泵站放散口→闸阀→水位自孔是水封阻火器→丝网过滤器→瓦斯管道专用阻火器→低温湿式放散阀→防爆电动蝶阀→水雾输送系统→泡罩式脱水水封阻火器→电动放散→流量计→进气支管→闸阀→旋风重力脱水器→手动蝶阀→发电机组

（3）500GF1-3RW发电机采用电控技术，实现了空燃比闭环自动调节，提高了机组对可燃气浓度变化的适应能力；可燃气体成份浓度9%以上都能被有效利用，适应低压力的燃气，不必增压，投资少和提高有效发电量；机组适合多台并车运行，并车后可自动调整各机组的负荷分配，无需人工调整。

3.2 实施效果

（1）低浓度瓦斯发电机组自2011年1月份运行以来，设备状态一直处于较好的运行状态，截止2013年9月，矿井瓦斯发电站已累计瓦斯发电3096.217万KWh。

（2）经瓦斯抽采并发电，有效地降低了煤层的瓦斯压力饿瓦斯含量，减少了工作面瓦斯涌出量，减轻了矿井通风负担，提高了矿井安全生产程度和原煤产量。

3.3 效益分析

瓦斯发电机组自2011年7月投入运行，累计发电3096.217万KWh，电力价格按0.52元/ KWh计算（剔除瓦斯发电运行费用、上网费用），则产生的经济效益为：783.47万元（包含国家政策补助）。产生的热水完全满足矿井职工洗浴需求，自2011年10至2013年9月共节约标准煤2160t。标准煤价格按400元/t，产生经济效益为86.4万元。对企业效益十分可观。还能使用排放的瓦斯灾害有利，减少瓦斯气对大气的污染，降低地球表面温室效应，保护地球生态环境，提高煤矿安全开采程度，社会效益和安全效益十分明显。

4 结语

低浓度瓦斯发电技术室矿井瓦斯抽采利用的新兴技术，可以有效的解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又减少了温室气体向大气的排放，保护人类赖以生存的环境，节约宝贵的煤炭资源，是一项利国、利民的环保工程，符合国家清洁生产的产业政策，具有广阔的推广前景。

参考文献：

[1]国家发展和改革委员会.《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》[Z]. 北京：国家发展和改革委员会，2006.

[2]国家安全生产监督管理总局.《防治煤与瓦斯突出规定》[Z]. 北京：国家安全生产监督管理总局，2009.

[3]国务院办公厅.《关于进一步加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用意见》[Z].北京：国务院办公厅，2013.

[4]权景伟.《夹河矿低浓度瓦斯安全抽采及发电利用技术研究》[J]. 能源技术与管理，2010（03）：57-58.

作者简介：闵文桂（1967—），男，江苏金湖人，助理工程师，本科。