魏家地煤矿采空区地面钻孔瓦斯抽放发电的可行性及经济效益分析

寇宏杰

(甘肃煤田地质局一三三队，甘肃白银 730913)

魏家地煤矿位于白银市平川区东约7km处，西北与宝积山煤矿相接，西南与大水头煤矿为邻。煤矿于1971年开始建设，设计生产能力150万t/a，服务年限105a。后经改扩建后生产能力达到300万t/a，服务年限为40a。预计瓦斯总储量为2 767 Mm3，可抽瓦斯量为1 584 Mm3，自投产以来抽排瓦斯量为61Mm3，剩余可抽瓦斯量约为1 523Mm3。

1 采空区瓦斯抽放的必要性

煤层气在煤矿称为煤矿瓦斯,其成分主要是甲烷。甲烷在空气中的浓度达到5%～16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。魏家地煤矿是煤与瓦斯突出矿井，并且随着开采深度的加深，矿井相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量呈现上升趋势，绝对瓦斯涌出量由2003年的29.6m3/min上升至2008年的63.8m3/min， 相对瓦斯涌出量由2003年的15.6m3/t上升至2008年的26.4m3/t。1993年之前矿井共发生14次煤与瓦斯突出，其中最大突出强度为690t，平均突出强度209t，最大瓦斯涌出量约为2万m3。采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一，尤其是对于煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面，采用地面钻孔抽放瓦斯，成为回采工作面瓦斯治理的重要手段，如果能够瓦斯发电，不仅能够减少温室应，还可以将多余的电量上网。

2 瓦斯涌出规律

2.1 煤层瓦斯含量随煤层埋藏深度的增加而增大

在煤层埋藏较浅时，瓦斯容易沿岩层和煤层裂隙向地表释放，煤层埋藏越深，煤层中的瓦斯越不容易释放，保存在煤层中的瓦斯越多，故瓦斯涌出量越大。据统计，魏家地煤矿2003年瓦斯涌出总量1 531.9万m3， 2011年瓦斯涌出量3 394.8万m3， 2011年比2003年瓦斯涌出量增加了一倍多。

2.2 瓦斯涌出量随开采层数的增多而逐渐减小

厚煤层多采用倾斜分层采煤方法，根据煤层厚度一般分为4～5个分层开采。当开采上部分层时，由于压力平衡受到破坏，增加了瓦斯释放面积，加快了瓦斯释放速度，故瓦斯涌出量大；当开采下部分层时，煤层中的部分瓦斯已被释放，瓦斯含量减少，瓦斯压力相对较小，故瓦斯涌出量逐渐变小。

2.3 瓦斯涌出量随煤层厚度增大而增大

根据矿井瓦斯实测资料对比，魏家地煤矿中部煤层较厚，瓦斯涌出量相对较大；东西两端煤层厚度变小，瓦斯涌出量相对较小。说明煤层越厚，煤层中的裂隙、孔隙越多，瓦斯的储存空间越大，成煤过程中产生的瓦斯越多。

2.4 瓦斯涌出量一般在断层附近较大

矿区发育的断层均为压扭性逆断层，由于受强力挤压作用，在断层两侧的围岩及煤层中形成较大的构造裂隙带，储存了大量的瓦斯。当工作面掘进到断层附近时，瓦斯的压力平衡遭到破坏，瓦斯得以大量释放。

2.5 瓦斯涌出量随地应力的增大而增大

在地应力集中的地区如煤柱附近、向斜轴部，瓦斯涌出量往往较大。其主要原因是瓦斯压力受地应力的影响，地应力大的地区，瓦斯压力越大，当瓦斯压力平衡遭受破坏时，瓦斯涌出量增大。

2.6 瓦斯成分

根据魏家地煤矿1965—1976年度施工的24个钻孔采取了41个煤层瓦斯样， 1983—1986年施工的30个钻孔采取了72个瓦斯样。瓦斯含量化验结果，瓦斯成分中，CH4占10.7%～79.0%，平均31.3%；N2占20.6%～87.1%，平均62.9%；CO2占1.7%～15.6%, 平均5.8%。由此可以看出，魏家地煤矿瓦斯成分以N2为主，占60%以上；次为CH4，占31.3%；CO2含量最少，仅占5.8%。瓦斯分带为N2—CH4带。

3 采空区瓦斯抽放方法

目前，我国煤矿采空区抽放瓦斯方法较多，地面钻孔抽放方法已被大部分煤矿所采用，而且抽放效果也很好。

3.1 地面钻孔抽放采空区瓦斯的可行性

我国已出台一系列煤矿瓦斯强制性措施，并为煤层气产业发展给予很多优惠政策，抽采采空区瓦斯发电不仅可以大大改善井下安全生产条件，有效降低环境污染，还可以获得新型能源发电资金补助，既可以带来一定的经济效益，也具有良好的社会效益。

地面钻孔抽采采空区瓦斯就是通过地面钻孔打进裂隙带内，构建地面瓦斯抽采系统，将采空区瓦斯抽采到地面并进行发电[2]。自2012年中国矿业大学(北京)实施了“魏家地煤矿地面钻井抽采采动卸压技术与工程应用”项目至今，魏家地煤矿已施工了9个瓦斯抽放钻孔，布置在原始煤层通过采空区卸压抽采瓦斯发电技术已比较成熟，而对老采空区地面钻孔抽采瓦斯发电目前未进行实践。而采空区瓦斯抽采技术是将老采空区内遗煤、煤柱及邻近煤岩层不断解吸释放的瓦斯抽采至地面的煤矿瓦斯抽采技术。中国矿业大学秦伟博士通过对山西阳泉三矿老采空区的研究[3]，建立了采空区瓦斯储量预测模型，指导了阳泉三矿采空区地面钻孔孔位选择和井网布置。魏家地煤矿采空区和山西阳泉三矿采空区具有相似性，因此，在该煤矿采空区进行地面钻孔抽放瓦斯是可行的。

3.2 采空区地面钻孔抽放瓦斯方法

煤层开采过程中，地应力的改变导致岩层内裂隙发育、扩张，形成瓦斯流动通道，为抽采采空区及工作面涌出瓦斯创造了条件。根据卸压瓦斯O型圈抽放理论和国内其他钻孔经验，地面钻孔一般布置在距回风巷20～50m内，这样抽放瓦斯效果会更好。

地面钻孔孔身的稳定性主要受岩层变形差异和钻孔结构、性质的影响。岩层变形的差异主要来自地质条件的差异和采煤工程条件的差异。根据对国内外地面钻孔工程实践，一般对于采深大于500m的煤层赋存条件，地面钻孔孔身稳定性相对较差，需采取技术措施强化井身稳定性。 根据该矿工作面附近区域钻孔资料，依据有利于安全、高效钻井，并充分保证开采期间钻孔稳定性，提高瓦斯抽放量为原则，设计钻孔孔身结构(图1)。总之，利用地面钻孔抽放瓦斯要根据采空区实际情况，针对不同的瓦斯来源对症下药，才能达到预期目的。

图1 钻孔孔身结构简图Figure 1 A sketch of borehole configuration

4 瓦斯发电技术

煤矿瓦斯发电，既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又有利于增长洁净能源供给、削减温室气体排放，也达到保护生态环境的目的。

按国家煤矿安全管理部门的要求，瓦斯发电首先要安装瓦斯抽放体系，并且瓦斯抽放体系须正常运行；其次瓦斯抽放体系纯瓦斯抽放量在100万m3/a左右，瓦斯浓度在6%～25%[4-5]。只有达到了这2个条件就能具备建设瓦斯电站的基础，并且可实现“以行使促抽采、以抽采促安全”的煤矿良性循环发展。

4.1 地面钻孔瓦斯抽采发电的优势

我国煤矿瓦斯的利用主要集中在民用、发电、工业燃料及化工等方面，而瓦斯发电投资小，见效快，已成为目前煤矿瓦斯利用的一种主要方式。

瓦斯发电与其他形式发电相比，具有以下几方面的优势：

(1)瓦斯发电所用原料是把矿井作为废气排放的有害气体做为燃料，在一定程度上节约了资源、降低了成本、减少了环境污染。

(2)瓦斯发电技术成熟，设备可靠，并能获得减排资金支持，达到“以用促抽，以抽保安”的目的，保证了矿井安全生产。

(3)瓦斯发电站结构简单，规模小，尤其是集装箱式移动发电站，易于安装、搬迁，特别适合于抽排站和地面钻孔等使用。一般投资小，见效快，具有较高的经济效益。

4.2 瓦斯发电的经济性分析

以靖远煤业集团白银洁能热电有限公司地面抽采魏家地煤矿瓦斯发电为例，该公司集装箱式移动瓦斯发电站始建于2012年7月，使用2台(套)山东胜动集团制造的12V190ZLDK-2E型发电机组，正常运行了3年多时间,抽采了5个瓦斯孔，每个瓦斯孔抽采期在2～9个月之间，平均为6个月时间，发电约2万kW·h /d，每年发电约500万kW·h，上网电价为0.40元/kW·h，三年收入为600万元(0.40元/kW·h×3 a×500万kW·h/a)；国家财政补贴0.20元/m3，收入150万元(1 500万kW·h×0.5 m3/kW·h×0.20元/ m3)，收入总额约750万元。瓦斯发电不仅能保护环境取得良好的社会效益，而且能取得很好的经济效益。

4.3 建设集装箱式移动瓦斯发电站的投资和收益概算

建设一个集装箱式移动瓦斯发电站，按国家煤矿安全管理部门的要求，瓦斯抽放体系纯瓦斯抽放量在100万m3/年以上，一般要配置两台发电机组，预计投资约280万元(包括集装箱)，保证延续运行功率800kW，年运行时间可达300d以上；另外项目可行性的论证费、征用土地、安装管道及配套设施投资约90万元，合计投入资金370万元。施工瓦斯抽放孔2 个，按800m计算施工费用约120万元共需投入资金约490万元。

(1)两台发电机组年发电量：年发电量500万kW·h，收入200万元(电价按0.40元/kW·h计)；年消费纯瓦斯250万m3，国家财政补贴50万元(财政补贴0.20元/m3计)，合计收入为250万元。

(2)发电机组年运行成本(包括机油消费、人员工资、设备维护、设备折旧等)0.10元/ kW·h ；两台发电机组年运行成本50万元 ；2个瓦斯抽放孔施工费用120万元。

(3)年收益=年发电收入-年运行成本-钻孔费用=250万元-50万元-120万元=80万元。

5 结论

通过以上分析，利用采空区地面钻孔抽采瓦斯气体发电，符合国家能源政策，投资少，见效快，既能改善煤矿安全生产条件，又能充分利用清洁能源，削减温室气体排放，保护生态环境，也是国家能源发展的一个方向，市场前景广阔，具有良好的经济效益和社会效益。