煤矿风井地面瓦斯抽采技术及综合利用技术研究应用

2021-03-27闫亮

山西冶金 2021年1期

闫亮

（西山煤电集团设计院（有限公司），山西太原 030000）

一直以来，煤矿安全生产备受煤矿企业的关注。影响煤矿生产安全性和可靠性的主要因素包括：综采工作面的瓦斯浓度、粉尘浓度、以及综采设备的可靠性和安全性等。其中，瓦斯是煤炭开采不可避免的威胁，其主要含量为甲烷。当瓦斯浓度在工作面空气中所占比例较高时，会导致作业人员呼吸不畅甚至窒息；当工作面瓦斯含量较高，且氧气相对密度大于12%时，容易导致瓦斯爆炸事故的发生[1]。因此，加强对工作面瓦斯的治理工作尤为重要，以瓦斯抽采方式为主。但目前采用抽采方式的瓦斯对其利用率较低，还处于低级阶段，主要应用于民用瓦斯天然、工业瓦斯锅炉以及瓦斯发电等领域。本文着重研究瓦斯的抽采技术及其瓦斯的综合再利用技术。

1 工程概况

本文以山西西山煤电股份有限公司下属的马兰矿为研究对象（全文简称马兰矿），该矿位于山西省太原古交市境内，于1983年11月开工兴建，1990年6月正式投产。根据证号为1000009920065的采矿许可证，马兰矿生产能力为4.0 Mt/a，核定生产能力为3.6 Mt/a，2015年瓦斯等级鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井，马兰矿的顶底板情况如表1所示。

经对马兰矿测量可知：该矿井煤炭资源储量为112 691.5 Mt；可采煤层的瓦斯储量为10 511.23 Mm3；不可采煤层的瓦斯储量为12 718.59 Mm3；围岩瓦斯的储量为1 156.24 Mm3。马兰矿属煤与瓦斯突出矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为229.81 m3/min，相对瓦斯涌出量为26.99 m3/t。因此，马兰矿瓦斯抽放是确保安全生产必不可少的生产环节。

表1 马兰矿顶底板情况

由此可见，马兰矿井的瓦斯储量十分丰富，若将煤层气作为新能源加以开发利用的话，不仅能够达到瓦斯再利用的目的，还能够节约马兰矿的日常生产成本。

2 瓦斯抽采的必要性分析

根据《煤炭安全规程》的相关规定要求，当综采工作面绝对瓦斯涌出量大于5 m3/min时，除了采用常规的通风措施后还需采用相应的瓦斯抽采系统降低工作面的瓦斯浓度；而且，对于如下三种情况在采用常规通风方式的情况下，还需采用永久或临时的瓦斯抽采系统：

1）对于矿井生产能力小于0.4 Mt，对应的瓦斯绝对涌出量大于15 m3/min时；

2）对于矿井生产能力大于0.4 Mt，小于0.6 Mt，对应的瓦斯绝对涌出量大于25 m3/min时；

3）对于矿井生产能力大于1 Mt，小于1.5 Mt时，对应的瓦斯绝对涌出量大于30 m3/min时；

4）对于矿井生产能力大于1.5 Mt时，对应的瓦斯绝对涌出量大于40 m3/min时[2]。

马兰矿的年生产能力为3.6 Mt，绝对瓦斯涌出量为229.81 m3/min，符合上述的条件4）。因此，需要对马兰矿采取相应的抽采方式降低工作面的瓦斯浓度。

3 瓦斯抽采方法的确定

目前，可应用我国矿井煤层瓦斯抽采的方法主要包括有开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采以及采空区瓦斯抽采。瓦斯抽采方法的确定需根据矿井瓦斯的主要来源、煤层的特点以及矿井所采用的采煤及掘进方式[3]。瓦斯抽采方式的确定需遵循如下原则：

1）根据矿井的地质条件、煤层特点、采煤工作面和掘进机工作面巷道的布置形式以及当前所采用的采煤技术初步确定瓦斯抽采方式。

2）根据矿井瓦斯的主要涌出方式及对应的涌出量，选择瓦斯抽采效果最佳的抽采方式。

3）综合考虑所选取瓦斯抽采方式的成本及工程量，最终确定所所选择的瓦斯抽采方法。

结合马兰矿的地质水文条件、煤层赋存条件、瓦斯涌出量等因素，最终采用斜向钻孔瓦斯抽采的方式。具体方法为：在综采工作面的回风侧打顺层斜向钻孔，在煤层开采前首先采用上述方式对瓦斯进行预抽采，当开采时采用泄压的方式对瓦斯进行抽放[4]。针对上述抽采方式所钻孔的参数如表2所示。

表2 斜向钻孔瓦斯抽采方式下钻孔参数

4 瓦斯的综合利用

目前，针对综采工作面采用抽采方式的瓦斯主要以民用为主，很少用于瓦斯发电。当前，针对抽放的瓦斯可应用于民用瓦斯燃气的使用、工业锅炉燃料的使用以及发电行业的应用。针对，马兰矿的现状及实际情况，拟开发建设马兰矿瓦斯发电项目。

4.1 瓦斯的运输方式

马兰矿南九瓦斯抽放站位于马兰矿南九风井工业广场东南角，马兰南九瓦斯发电站布置在抽放站北侧的场地内，抽放站设计敷设一根DN630的管道，依靠抽放站背压向发电站供气。

南九瓦斯抽放站出口高负压气源接口流量最高为80 m3/min，浓度为32%~33%，瓦斯管道按照一、二期20 MW装机容量进行设计，管道规格为D630 mm×8 mm，管道最大流速约为13.3 m/s。根据《煤矿瓦斯发电工程设计规范》GB 51134—2015要求，在气源接口后依次设置超压放散装置、气水分离器和干式阻火器。超压放散装置可在管道压力超过设定值时进行自动放散，放散口通过管道连接到抽放站内放散管出口。气水分离器可以除去瓦斯气中大部分的游离态水，该装置应尽量靠近预处理装置布置。干式阻火器主要用于阻断来自发电站的火焰，起到保护上游管道和抽放站的作用[5]。瓦斯输送系统的主要设备及参数如表3所示。