山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱“晉城煤業(yè)集團(tuán)”)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(shè)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(chǔ),煤炭、煤氣、煤電、煤化工四大主導(dǎo)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(chǔ)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(biāo)。
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(shè)13座礦井,總設(shè)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(dá)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(chǔ);具有較好的可抽采性,煤層滲透率為0.1~5毫達(dá)西,有利于采用地面鉆井壓裂技術(shù)進(jìn)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(kuò)大,晉城煤業(yè)集團(tuán)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(tuán),晉城煤業(yè)集團(tuán)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(wù)和首要目標(biāo),堅持“服務(wù)安全生產(chǎn),提高礦井安全保障能力;促進(jìn)節(jié)能減排,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營”的指導(dǎo)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(yù)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(jī)等鉆具實施井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)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(qiáng)通風(fēng)、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(yù)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(guān)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(dá)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(shù)創(chuàng)新,實現(xiàn)地面煤層氣抽采、井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采、雙系統(tǒng)抽采等關(guān)鍵技術(shù)和配套工藝的全面突破。
地面煤層氣抽采技術(shù)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(jìn)了美國的地面煤層氣開發(fā)技術(shù),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(jìn)行了放大試驗。單井產(chǎn)氣量最大達(dá)到3萬m3/d。截至目前,已形成1200口煤層氣井組,其中投入運(yùn)行的480口,日產(chǎn)氣量120萬m3以上。預(yù)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(jìn)行鉆井布局,2007年之后,我們縮小鉆井間距到200-250m,改進(jìn)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(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。
為改進(jìn)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(jìn)行比對分析。
井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采技術(shù)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(jìn)式預(yù)抽采。
區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采(見圖2)就是利用千米鉆機(jī)等機(jī)具施工長鉆孔,形成一個較大范圍的瓦斯預(yù)抽區(qū)域,根據(jù)目前千米鉆機(jī)實際進(jìn)尺水平,一個預(yù)抽區(qū)域至少應(yīng)涵蓋1個工作面。
在工作面順槽掘進(jìn)過程中,即應(yīng)通過順槽巷道向鄰近工作面打鉆,提前開始預(yù)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(yù)抽采創(chuàng)造條件。
區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采,可保證工作面抽采時間,盡快取得預(yù)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(jìn)及回采過程中的突出危險性。
在進(jìn)行抽采鉆孔施工時,我們要求必須嚴(yán)格遵循設(shè)計,并作好記錄,終孔位置不能達(dá)到設(shè)計要求時,要分析原因,作為掘進(jìn)巷道穿越時防治煤與瓦斯突出的重點進(jìn)一步采取措施。
為進(jìn)一步提高抽采效果和解決區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采過程中效果的不均衡性,巷道掘進(jìn)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(jìn)工作面瓦斯涌出量異常時,要停止工作面掘進(jìn),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(jìn)一步采取加密鉆孔、對打鉆孔、交叉鉆孔的方式強(qiáng)化“順煤層鉆孔抽采”。
雙系統(tǒng)抽采技術(shù)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(jìn)行預(yù)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(jìn)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(shù)工藝。
本煤層預(yù)抽的特點是高負(fù)壓、低流量,采空區(qū)卸壓抽采的特點是低負(fù)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(yù)抽負(fù)壓上不來,采空區(qū)抽采流量達(dá)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(jìn)行了擴(kuò)容改造,今年,東井區(qū)再行建設(shè)井下四盤區(qū)抽采泵站。
2007年,晉城煤業(yè)集團(tuán)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(tuán)累計抽采瓦斯量5.02億m3。目前,寺河礦單井抽采瓦斯量達(dá)到356m3/min,礦井的抽采率達(dá)到了60.4%;成莊礦的抽采瓦斯量159m3/min, 礦井的抽采率達(dá)到了55.8%。
多巷道、大風(fēng)量通風(fēng)工藝。高瓦斯礦井堅持“多巷道、大風(fēng)量、分區(qū)通風(fēng)”理念,不斷完善通風(fēng)系統(tǒng),采面、盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)完全獨立。寺河礦東井由5個井筒進(jìn)風(fēng),4個井筒回風(fēng),上莊回風(fēng)井裝備了燕京風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的BDK-10-NO4.0型主要通風(fēng)機(jī),風(fēng)葉直徑達(dá)到4m,最大供風(fēng)量可以達(dá)到37800m3/min,現(xiàn)供風(fēng)量為21040m3/min,運(yùn)行負(fù)壓3008 Pa,寺河礦東井的總風(fēng)量為58921m3/min,總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔行У乜刂圃?.3%以下。
采面通風(fēng)方面,我們創(chuàng)新出“三進(jìn)兩回偏Y”型通風(fēng)系統(tǒng)(見圖3),該系統(tǒng)最大通風(fēng)量可以達(dá)到9600m3/min,具有排除瓦斯能力大,工作面風(fēng)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(jī)容量1.5萬kW的瓦斯發(fā)電試驗廠,于2001年投運(yùn)。目前寺河12萬千瓦煤層氣發(fā)電廠已投入試運(yùn)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?xì)狻?/span>煤層氣用作民用燃?xì)?,有安全、清潔、熱值高等?yōu)點。晉城煤業(yè)集團(tuán)積極開拓周邊市場,利用專用煤層氣運(yùn)輸槽車,向晉城市、長治市、太原市以及河南省等居民供應(yīng)清潔、高效、安全的煤層氣,集團(tuán)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(yùn)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(wù)已拓展至長治、太原、焦作、洛陽、濟(jì)源、鄭州等地市場。
燃?xì)忮仩t代替燃煤鍋爐。晉城煤業(yè)集團(tuán)正在逐步以燃?xì)忮仩t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(tuán)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(tuán)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(dá)50萬m3。同時,為了擴(kuò)展煤層氣應(yīng)用的地域空間(CNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)半徑150公里左右,LNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)半徑約1000公里),與香港中華煤氣公司正在合作建設(shè)煤層氣液化項目,一期工程預(yù)計2008年8月份投產(chǎn),日用氣量30萬m3,二期工程預(yù)計2008年年底建成,用氣量達(dá)到90萬m3/d。
煤層氣輸送管網(wǎng)建設(shè)。目前,西區(qū)瓦斯(煤層氣)東輸管道工程項目已進(jìn)入試運(yùn)行階段。線路總長45.2公里,設(shè)計輸氣能力10億m3/a。山西能源煤層氣有限公司承擔(dān)建設(shè)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(tuán)進(jìn)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(xué)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(shù)培訓(xùn)方向首席專家,現(xiàn)任山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司黨委常委、董事、總工程師。