晋煤集团高突矿井的瓦斯抽采及利用

王会斌

（煤科集团沈阳研究院有限公司安全工程研究分院，辽宁沈阳 110000）

晋煤集团高突矿井的瓦斯抽采及利用

王会斌

（煤科集团沈阳研究院有限公司安全工程研究分院，辽宁沈阳 110000）

介绍了晋煤集团煤层气（瓦斯）的治理理念和治理模式，阐述了应用“采煤采气一体化”、“三级瓦斯治理模式”及相配套的治理手段，重点叙述了晋煤集团在煤层气抽采领域的高效转化及应用效果，开创了煤层气抽采利用的新局面，为其它煤炭企业集团的煤层气利用提供了借鉴思路。

瓦斯；采煤采气一体化；三级瓦斯治理；理念

晋煤集团矿区已探明的煤层气资源量有1 040亿m3，可采储量约728亿m3，吨煤瓦斯含量达到了16.8 m3以上，而煤层气（瓦斯）作为晋煤集团矿井开采中的最主要敌人，晋煤集团采取了“采煤采气一体化”、煤层气综合利用的瓦斯治理理念，有效杜绝了矿井开采期间安全事故的发生，减少了抽采瓦斯向大气排空导致雾霾、污染空气现象的发生，走出了一条高效、洁净的瓦斯治理之路。

1 瓦斯治理理念和模式

1.1 概况

瓦斯治理是煤矿安全生产的永恒主体，而提前抽采是煤矿防治瓦斯的最有效手段之一，地面抽采更为安全、更为主动。上世纪90年代初，晋煤集团在国内率先引进美国地面煤层气开发技术，从1995年在国内最早成功开发的潘庄井田七口煤层气试验井开始，到如今的成立专业煤层气公司，对地面煤层气进行专业化的开发与研究。地面煤层气抽采井开采起初是从地面垂直井开始，经过不断探索、实践、总结，掌握了“清水钻井、活性水压裂、定压排采、低压集输”的煤层气开发技术及工艺。再到已掌握地面垂直井、地面丛式井、地面水平羽状井的开发技术与工艺及煤层气的高效转化利用，晋煤集团的煤层气利用率已达到65%以上水平。

1.2 三级瓦斯治理模式

对于正在开采或建设的矿井，全面推行“三级瓦斯治理模式”，对瓦斯含量高于15 m3/t、瓦斯压力超过0.74 MPa的区域，至少提前5～10 a以上时间积极、有计划地实施地面钻井预抽采；对瓦斯含量大于8 m3/t小于15 m3/t、压力超过0.74 MPa的区域，提前3～5 a时间实施井上下联合抽采、区域递进式抽采；对瓦斯含量小于8 m3/t、瓦斯压力小于0.74 MPa的预开采区，通过顺煤层密集钻孔、穿层钻孔等手段，实行能抽尽抽、先抽后掘、先抽后采、边抽边采，确保瓦斯含量降至6～7 m3/t以下再开采。

1.3 地面钻井抽采

晋煤集团在充分发挥地面煤层气抽采技术优势、专业队伍优势、时空优势的基础上，按照“采气采煤一体化”的原则，结合矿区开发规划和矿井开采规划，对15至20年后计划开采的瓦斯含量高于15 m3/t的区域，提前实施地面钻井预抽采，先采气后采煤，降低瓦斯含量和压力，消除突出危险性，使矿井的生产建设由高突矿井向瓦斯矿井条件转化，确保安全建设、安全开采。

截止到2014年12月底，按晋煤集团统一审批的地面钻井抽采方案，完成了寺河、成庄、赵庄、长平等生产矿井和郑庄、东大、胡底等建设矿区的地面煤层气井施工，目前晋城矿区共有地面煤层气钻井2 221口，其中垂直井2 075口，丛式井144口，水平羽状井2口，现有在抽钻井1 037口，见图1和图2。通过寺河矿区对地面井抽采区域进行钻井取样测试，可将控制区域煤层瓦斯含量年降低约1～1.5 m3/t。同时煤层气地面开发业务也陆续拓展到西山矿区、阳泉矿区、潞安矿区、离柳矿区以及甘肃、内蒙、湖南、贵州等省区，日抽采煤层气总量达400万m3以上。

图1 丛式井抽采示意图

图2 水平羽状井抽采示意图

由于部分工作面虽抽采达标，但在工作面初采期间，由于生产次序不稳、工作面顶底板较难控制等因素，初采期间瓦斯较正常生产时瓦斯偏大。为了解决工作面初采期间导致的上隅角瓦斯超限问题，晋煤集团率先使用了L型井，见图3。在工作面初采前提前布置在工作面裂隙带内，并随着工作面的推进逐步垮落，抽采采空区裂隙带内的高浓度瓦斯，有效杜绝了工作面上隅角瓦斯超限问题，其抽采浓度达到70%左右，瓦斯抽采量每天达到1万m3甚至更高，抽采效果显著。

图3 L型井采空区抽采示意图

1.4 井上下联合抽采

针对无法保证15 a以上预抽采的区域，在布置地面钻井预抽采的同时，积极创造条件，在煤层中施工水平定向长钻孔，将地面钻井压裂影响区与井下水平钻孔影响区相沟通，实施井上下联合抽采，充分发挥地面、井下两种抽采工艺的优势，提高抽采效果，有效降低煤体瓦斯含量，见图4。

图4 地面压裂工艺与井下定向长钻孔工艺技术优势相结合

目前地面压裂井下抽采技术在寺河矿、岳城矿、坪上煤业等中硬煤层取得了成效，单孔煤层气井抽气量最高超过了1万m3/d，可将井下钻孔控制区域的抽采时间缩短至少一个月上。在成庄矿、赵庄矿等软硬复合低透气煤层中试验正在进行，对改善煤层透气性，提高抽采浓度和抽采量具有一定效果。

1.5 区域递进式抽采为保障

对近年内即将开采的瓦斯含量大于8 m3/t煤层区域，主动采取井上下联合抽采工艺，在加快地面钻井抽采的同时，坚持应用定向钻机提前3～5 a，全面实施区域递进式预抽采。

井下区域递进式预抽采就是在工作面顺槽掘进过程中，利用定向钻机等机具，向邻近工作面施工长钻孔，提前开始预抽采，抽采区域不仅包括邻近工作面，也包括与邻近工作面相邻的巷道条带，为再下一个工作面的布置与预抽采创造条件。根据目前定向钻机钻进水平并考虑钻进效率，一个预抽区域至少可涵盖1～2个工作面。区域性递进式预抽采（见图5），可保证工作面抽采时间，尽快取得预抽效果，实现工作面有序衔接。

图5 井下区域递进式抽采瓦斯模式示意图

定向钻机钻进技术的成功应用，可以实现以下几个目标：一是可以有效避让或沟通地面钻井抽采区域，实现井上下立体抽采的结合；二是可以充分利用煤层的不同层位，实现钻孔的有效钻进和成孔；三是可以准确确定钻孔轨迹和终孔位置，实现煤体的均匀抽采达标。

目前寺河矿在一、四盘区，成庄矿在四、五盘区，岳城矿在一、三盘区已经形成多个定向长钻孔递进式抽采区域，保障了采掘工作面的良性接替。

2 抽采瓦斯的有效利用

晋煤集团不断拓展煤层气（煤矿瓦斯）利用途径，形成了煤层气勘探、抽采、输送、压缩、液化、化工、发电、汽车燃气、居民用气等完整的产业链，培育了国内最大规模的煤层气利用市场。

在低浓度瓦斯发电上，建成了世界最大的120 MW瓦斯发电厂，形成了总装机容量189 MW的瓦斯发电集群，年可利用煤层气约3.5亿m3；在民用燃气上，现已覆盖晋城、长治、晋中等地区，煤层气居民用户达15万余户、40余万人；在汽车燃料上，已在山西省的晋城、长治、太原、临汾，以及河南焦作等地建成了24座煤层气加气站点，拥有300余辆煤层气运输专用槽车，晋城及周边城市CNG、LNG汽车达到了8 000多台；在工业用气上，已实现向晋城市及周边地区的陶瓷、玻璃、钢铁等生产企业提供煤层气燃料，日供气量达到100万m3以上；在化工用气上，充分利用煤炭中碳含量多、煤层气中氢含量多的特点，积极培育和发展“煤-气-化”产业链，将煤炭与煤层气按相应比例，科学配比制甲醇，产生了“1+1＞2”的经济效果；在煤层气压缩（CNG）或液化煤层气（LNG）上，目前，煤层气主要销往山西、河南、河北、江苏、浙江、上海、广东等7个省、20多个地市。

3 结论

晋煤集团经过多年探索和实践，率先实施了“采煤采气一体化”及“三级瓦斯治理模式”，煤层气安全效益方面，有效减少了煤层瓦斯含量，降低了矿井瓦斯压力，为从源头上治理瓦斯灾害、保障矿井安全生产；在环保效益方面，使用煤层气作燃料的汽车可使一氧化碳排放量减少97%，碳是氢化合物减少72%，氮氧化合物减少39%，二氧化碳减少24%，二氧化硫减少90%；在经济效益方面，引入清洁发展机制（CDM），已争取CDM补贴2.78亿元；社会效益方面，促进了资源的综合利用，为社会提供了新型清洁能源。

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Gas Drainage and Application of Outburst Mine in Jincheng Coal Group

WANG Huibin
(Safety Engineering Division,Shenyang Research Institute for Coal Industry,Shenyang 110000,China)

Principles and patterns of coalbed methane(CBM,or gas)control in Jincheng Coal Group was introduced,including integrated coal mining and gas extraction,three-grade gas control pattern,and their matching treatments.The paper focuses on the efficient transformation and application effect of the gas drainage,which opened a new dimension for the gas drainage and application and provided references for the CBM application for other coal enterprises.

gas;integrated coal mining and gas extraction;three-grade gas control;principle

X936

A

1672-5050（2015）03-0041-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.015

（编辑：薄小玲）

2015-03-15

王会斌（1987-），男，河南鹤壁人，硕士，助理工程师，从事矿井瓦斯治理技术研究。