地面與井下共抽 治理與利用并舉

開辟煤礦采氣采煤一體化新型道路

晉城煤業(yè)集團  賀天才  

摘  要：山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司結(jié)合晉城礦區(qū)瓦斯賦存特點，創(chuàng)新了“采煤采氣一體化”、“三級瓦斯治理”等理念和方法，實現(xiàn)了地面瓦斯預抽采、井下區(qū)域性遞進式預抽采治理瓦斯技術工藝的全面突破，在此基礎上，堅持推進煤層氣產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，開創(chuàng)了變瓦斯“殺手”為“幫手”的新途徑，取得了良好的安全效益、經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益。

關鍵詞：采煤采氣一體化  區(qū)域性遞進式預抽采

山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司（以下簡稱“晉城煤業(yè)集團”）地處山西省東南部，近年來，加快實施“煤、氣、電、化綜合發(fā)展，建設環(huán)保型綠色礦山”的中長期戰(zhàn)略規(guī)劃，形成了以煤為基礎，煤炭、煤氣、煤電、煤化工四大主導產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。2007年，完成生產(chǎn)經(jīng)營總額330.05億元，原煤產(chǎn)量3221萬噸，總氨產(chǎn)量409.28萬噸，煤層氣抽采量5.4億立方米，發(fā)電量5.54億度，實現(xiàn)利潤18.77億元。在此基礎上，提出了打造“億噸基地、千億規(guī)模、百年企業(yè)、能源旗艦”的發(fā)展目標。

晉城礦區(qū)是國家規(guī)劃的13個大型煤炭基地中晉東煤炭基地的重要組成部分，是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤的重要生產(chǎn)基地。礦區(qū)規(guī)劃面積3273平方公里，地質(zhì)儲量368億噸，規(guī)劃建設13座礦井，總設計生產(chǎn)能力8520萬噸/年。規(guī)劃區(qū)煤層氣探明儲量1040億m³，可采儲量728億m³，瓦斯含量達到16 m³/t以上。

晉城礦區(qū)主要可采及局部可采煤層為山西組（P1s）的3號煤層和太原組（C3t）的9號、15號煤層。目前主采3號煤層，平均厚度5--6米，屬近水平煤層，蓋山厚度300－500米。瓦斯賦存的特點是：瓦斯含量隨煤層埋藏深度增加而增大；開采煤層瓦斯生成和保存條件較好，儲量大，具有實施產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的資源基礎；具有較好的可抽采性，煤層滲透率為0.1～5毫達西，有利于采用地面鉆井壓裂技術進行大規(guī)模抽采；甲烷含量高，超過96%，抽出的高純度瓦斯具有很高的開發(fā)利用價值。

近幾年來，隨著礦井的逐步延深和開采規(guī)模的擴大，晉城煤業(yè)集團礦井瓦斯危害明顯地顯現(xiàn)出來，8個生產(chǎn)礦井中有4個相繼成為高瓦斯礦井。2007年寺河礦東井和成莊礦礦井瓦斯等級鑒定：絕對瓦斯涌出量分別為346.85m³/min、287.49 m³/min，相對瓦斯涌出量分別為21.63m³/t、17.55 m³/t。

作為以煤為主的企業(yè)集團，晉城煤業(yè)集團堅持把安全發(fā)展作為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的第一要務和首要目標，堅持“服務安全生產(chǎn)，提高礦井安全保障能力；促進節(jié)能減排，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營”的指導思想和“井上下抽采相結(jié)合，井上抽采先行；抽采利用相結(jié)合，以用促采”的工作方針，開辟煤礦采氣采煤一體化新型道路，具體做法是：

一是堅持理念創(chuàng)新，創(chuàng)造性地提出“三級瓦斯治理”、“采煤采氣一體化”等理念和方法。

三級瓦斯治理，即：根據(jù)礦井瓦斯勘探情況和參數(shù)測定結(jié)果，分“三級”治理瓦斯：對于瓦斯含量高于16m³/t（具有突出危險時除外）的開采煤層或區(qū)域，首先提前5～8年實施地面鉆井預抽煤層瓦斯，使瓦斯含量降到16m³/t以下；對于瓦斯含量在8～16m³/t的開采煤層或區(qū)域，根據(jù)煤層賦存特性，提前3～5年，采用井下千米鉆機等鉆具實施井下區(qū)域性遞進式預抽采，基本解決瓦斯問題；對于瓦斯含量低于8m³/t的區(qū)域，繼續(xù)采用邊抽邊采掘、采空區(qū)抽采、加強通風、監(jiān)測監(jiān)控等綜合措施治理采掘活動中涌出的瓦斯。

采煤采氣一體化，即：通過實施地面鉆井、井下順煤層長鉆孔預抽、邊采（掘）邊抽、采空區(qū)抽采相結(jié)合的單一中厚煤層瓦斯綜合治理模式，實現(xiàn)煤炭與煤層氣資源的合理開發(fā)、綜合利用及兩類產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

實施采煤采氣一體化，一是在時間上，煤層氣的抽采與礦井的開發(fā)協(xié)調(diào)一致；二是在空間上，地面煤層氣井位的布置與礦井采掘銜接相一致；三是在功能上，煤層氣井實現(xiàn)“地質(zhì)勘探，采前抽、采動抽，采后抽”一井多用（如圖1）。

實施采煤采氣一體化的關鍵，在于實現(xiàn)地面井下相互結(jié)合。布置地面抽采鉆井，從鉆井密度上講：一要考慮單井的抽采效果；二要考慮允許抽采的時間；三要考慮使煤層瓦斯均勻地降低，不留下局部瓦斯含量仍大、壓力仍高，有突出危險的隱患。從給煤炭開采創(chuàng)造安全條件角度講：一要考慮避讓井下采掘巷道和井筒硐室；二要考慮使采面抽采效果達到最佳；三要考慮在抽采全過程一井真正能夠做到多用。

二是堅持技術創(chuàng)新，實現(xiàn)地面煤層氣抽采、井下區(qū)域性遞進式預抽采、雙系統(tǒng)抽采等關鍵技術和配套工藝的全面突破。

地面煤層氣抽采技術工藝。早在1993年，我們就與美國美中能源公司合作，在國內(nèi)率先引進了美國的地面煤層氣開發(fā)技術，在潘莊井田施工了7口煤層氣試驗井，十多年來，單井日產(chǎn)氣能力始終保持在2000立方米以上。從2004年開始，開發(fā)新井進行了放大試驗。單井產(chǎn)氣量最大達到3萬m³/d。截至目前，已形成1200口煤層氣井組，其中投入運行的480口，日產(chǎn)氣量120萬m³以上。預計今年底將形成1500口煤層氣井組，日產(chǎn)氣量150－180萬m³。

2007年之前，依據(jù)“每年每口煤層氣井可使0.1平方公里范圍內(nèi)噸煤瓦斯含量降低約1m³”的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，結(jié)合礦井開發(fā)規(guī)劃，按照300m×300m的模式進行鉆井布局，2007年之后，我們縮小鉆井間距到200-250m，改進矩形布置為菱形布置方式，將鉆井布置在瓦斯富集的地質(zhì)構(gòu)造地帶，因為這些地方最容易導致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

為改進和提高地面煤層氣井的抽采效果，2008年與奧瑞安公司合作，正在組織施工3口水平羽狀井，與壓裂垂直井抽采進行比對分析。

井下區(qū)域性遞進式預抽采技術工藝。晉城礦區(qū)3^#煤煤層厚，屬近水平可抽煤層，煤質(zhì)較硬。適合于在煤層中施工長鉆孔，組織區(qū)域性遞進式預抽采。

區(qū)域性遞進式預抽采（見圖2）就是利用千米鉆機等機具施工長鉆孔，形成一個較大范圍的瓦斯預抽區(qū)域，根據(jù)目前千米鉆機實際進尺水平，一個預抽區(qū)域至少應涵蓋1個工作面。

在工作面順槽掘進過程中，即應通過順槽巷道向鄰近工作面打鉆，提前開始預抽采，抽采區(qū)域不僅包括鄰近工作面，也要包括與鄰近工作面相鄰的巷道條帶，從而為再下一個工作面的布置與預抽采創(chuàng)造條件。

區(qū)域性遞進式預抽采，可保證工作面抽采時間，盡快取得預抽效果，實現(xiàn)工作面有序銜接。尤其是通過超前抽采，可有效消除工作面掘進及回采過程中的突出危險性。

在進行抽采鉆孔施工時，我們要求必須嚴格遵循設計，并作好記錄，終孔位置不能達到設計要求時，要分析原因，作為掘進巷道穿越時防治煤與瓦斯突出的重點進一步采取措施。

為進一步提高抽采效果和解決區(qū)域性遞進式預抽采過程中效果的不均衡性，巷道掘進過程中，還要在巷幫施工抽采鉆場，實施“巷幫鉆場超前鉆孔抽采”，掘進工作面瓦斯涌出量異常時，要停止工作面掘進，實施“迎頭超前鉆孔抽采”。采煤工作面要根據(jù)回采時間的長短進一步采取加密鉆孔、對打鉆孔、交叉鉆孔的方式強化“順煤層鉆孔抽采”。

雙系統(tǒng)抽采技術工藝。晉城礦區(qū)本煤層瓦斯含量大，透氣性好，煤質(zhì)較硬，厚度適中，整體性好，適合在本煤層布孔進行預抽采。在生產(chǎn)過程中，工作面采空區(qū)瓦斯涌出比例大，需針對性地進行采空區(qū)抽采的特點，決定了采取本煤層和采空區(qū)“雙系統(tǒng)”瓦斯抽采技術工藝。

本煤層預抽的特點是高負壓、低流量，采空區(qū)卸壓抽采的特點是低負壓、大流量。實踐中曾經(jīng)將兩種方式共用一個系統(tǒng)來組織抽放，結(jié)果是本煤層預抽負壓上不來，采空區(qū)抽采流量達不到，效果大打折扣。不得已，針對兩種抽采的特點，開始建立兩套抽采系統(tǒng)。

寺河礦于2000年5月建成了礦井地面本煤層瓦斯永久抽采系統(tǒng)，于2002年底在井下東井區(qū)建成了井下采空區(qū)瓦斯抽采泵站系統(tǒng)，2006年對兩套系統(tǒng)又進行了擴容改造，今年，東井區(qū)再行建設井下四盤區(qū)抽采泵站。

2007年，晉城煤業(yè)集團抽采瓦斯量5.4億m³,其中：地面抽采煤層氣2.1億m³，井下抽采瓦斯3.3億m³，利用瓦斯2.5億m³。今年到8月底，晉城煤業(yè)集團累計抽采瓦斯量5.02億m³。目前，寺河礦單井抽采瓦斯量達到356m³/min，礦井的抽采率達到了60.4%；成莊礦的抽采瓦斯量159m³/min, 礦井的抽采率達到了55.8%。

多巷道、大風量通風工藝。高瓦斯礦井堅持“多巷道、大風量、分區(qū)通風”理念，不斷完善通風系統(tǒng)，采面、盤區(qū)通風系統(tǒng)完全獨立。寺河礦東井由5個井筒進風，4個井筒回風，上莊回風井裝備了燕京風機廠生產(chǎn)的BDK-10－NO4.0型主要通風機，風葉直徑達到4m，最大供風量可以達到37800m³/min，現(xiàn)供風量為21040m³/min，運行負壓3008 Pa，寺河礦東井的總風量為58921m³/min，總回風巷瓦斯?jié)舛扔行У乜刂圃?/span>0.3%以下。

采面通風方面，我們創(chuàng)新出“三進兩回偏Y”型通風系統(tǒng)（見圖3），該系統(tǒng)最大通風量可以達到9600m³/min，具有排除瓦斯能力大，工作面風流和瓦斯?jié)舛确€(wěn)定可靠的顯著優(yōu)點。

三是堅持綜合利用，開創(chuàng)了變瓦斯“殺手”為“幫手”的新局面，取得了顯著的綜合效益。

煤層氣發(fā)電。利用寺河礦井下抽采的瓦斯，建成了裝機容量1.5萬kW的瓦斯發(fā)電試驗廠，于2001年投運。目前寺河12萬千瓦煤層氣發(fā)電廠已投入試運行。該電廠總投資額8.75億元，年耗氣1.87億m³，年發(fā)電量8.4億千瓦時。

民用燃氣。煤層氣用作民用燃氣，有安全、清潔、熱值高等優(yōu)點。晉城煤業(yè)集團積極開拓周邊市場，利用專用煤層氣運輸槽車，向晉城市、長治市、太原市以及河南省等居民供應清潔、高效、安全的煤層氣，集團公司控股的子公司—晨光物流公司正在打造全國最大的煤層氣運輸新干線。

CNG清潔能源汽車。據(jù)測算，1立方米煤層氣可代替1.13升93號汽油，以現(xiàn)行市場油價和氣價計算，每使用1 m³煤層氣代油可節(jié)約3元以上。目前，除晉城市外，汽車加氣業(yè)務已拓展至長治、太原、焦作、洛陽、濟源、鄭州等地市場。

燃氣鍋爐代替燃煤鍋爐。晉城煤業(yè)集團正在逐步以燃氣鍋爐代替燃煤鍋爐，全部完成后，年耗氣約1億m³。

工業(yè)用氣。煤層氣的甲烷含量高，雜質(zhì)少，用于玻璃、陶瓷等行業(yè)有很大的優(yōu)勢。目前，晉城煤業(yè)集團已實現(xiàn)向晉城市及周邊地區(qū)的陶瓷、玻璃、鋼鐵等生產(chǎn)企業(yè)提供工業(yè)燃料。

煤層氣壓縮（CNG）及液化項目（LNG）。晉城煤業(yè)集團擁有目前國內(nèi)最大規(guī)模的煤層氣壓縮站，日壓縮能力達50萬m³。同時，為了擴展煤層氣應用的地域空間（CNG運輸?shù)慕?jīng)濟半徑150公里左右，LNG運輸?shù)慕?jīng)濟半徑約1000公里），與香港中華煤氣公司正在合作建設煤層氣液化項目，一期工程預計2008年8月份投產(chǎn)，日用氣量30萬m³，二期工程預計2008年年底建成，用氣量達到90萬m³/d。

煤層氣輸送管網(wǎng)建設。目前，西區(qū)瓦斯（煤層氣）東輸管道工程項目已進入試運行階段。線路總長45.2公里，設計輸氣能力10億m³/a。山西能源煤層氣有限公司承擔建設的亞行貸款項目力爭2008年底實現(xiàn)向晉城市區(qū)供氣，輸氣規(guī)模為3.14億m³/a。

為切實做好瓦斯治理和煤層氣的綜合開發(fā)與利用工作，晉城煤業(yè)集團進一步更新理念，按照“采煤采氣一體化”和“三級瓦斯治理”的總體思路，堅持區(qū)域防治為主、局部防治為輔，把煤礦瓦斯治理逐步向煤層氣抽采利用深化，著力提升礦井安全保障能力，實現(xiàn)煤炭及煤層氣產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

作者簡介：賀天才，男，山西晉城人，1963年出生，中共黨員，中國礦業(yè)大學在讀博士研究生，成績優(yōu)異的高級工程師，國家人事部“653工程”煤層氣地質(zhì)理論與開發(fā)技術培訓方向首席專家，現(xiàn)任山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司黨委常委、董事、總工程師。