煤與煤層氣共采技術(shù)——在晉煤集團的應用研究

轉化利用, 如R1中胞=好.1in4 wr堞與煤層氣共采技術(shù)在胥煤集團的應用研究都海龍1,21.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京100083;2.晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團有限責任公司,山西晉城048006)摘要:介紹了煤與煤層氣共采技術(shù)的形成與發(fā)展,闡述了煤與煤層氣共采技術(shù)的內涵與外延,并以晉城煤業(yè)集團經(jīng)驗及成果為例對實(shí)現煤氣共采的技術(shù)進(jìn)行了詳細論述,對今后煤炭開(kāi)采與煤層氣開(kāi)發(fā)的緊密結合提出了建議。關(guān)鍵詞:煤;煤層氣共采;應用研究中圖分類(lèi)號:TD845文獻標識碼:A文請編號:1006-6772(2007 )06-0032 -03煤炭工業(yè)以采煤為主的產(chǎn)業(yè)理念根深蒂固,盡1煤與煤層 氣共采技術(shù)的內涵和外延管煤礦瓦斯抽放已有半個(gè)多世紀悠久歷史,但煤炭工業(yè)界總是習慣地將瓦斯抽采作為煤礦瓦斯治理的1.1技術(shù)體系一項專(zhuān)項措 施,其出發(fā)點(diǎn)是治理煤礦瓦斯,保障煤礦按卸壓瓦斯的來(lái)源及卸壓瓦斯抽放方法的不安全生產(chǎn)。通常情況下,煤礦瓦斯抽采只注重瓦斯同,構建了“煤與煤層氣共采”技術(shù)體系如圖1所治理效果,很少關(guān)注所謂的資源與環(huán)境,因此導致許示。煤、氣共采為有效地開(kāi)發(fā)和利用同源同體的煤多煤礦抽采出的煤層氣未被利用。而煤層氣開(kāi)發(fā)則炭資源和煤層氣資源,必須堅持統籌規劃,煤炭資源相反,多數項目只注重采取獲利,沒(méi)有真正考慮未來(lái)和煤層氣資源共采的原則。切實(shí)做到以煤炭開(kāi)采為煤礦開(kāi)采的安全問(wèn)題,無(wú)論是區塊優(yōu)選還是開(kāi)發(fā)技中心,建立采煤采氣一體化開(kāi)發(fā)模式。術(shù)方案都沒(méi)有真正體現所謂的安全與環(huán)境。深層開(kāi)來(lái).晉煤集團在國內率先在寺河煤礦完成了煤層氣開(kāi)發(fā)的商業(yè)化過(guò)程,從勘探、開(kāi)發(fā)試驗、大規模開(kāi)發(fā)尿動(dòng)形成裂明到集輸和利用。由于晉煤集團實(shí)施寺河煤礦煤層氣廠(chǎng) 采動(dòng)區「. 相鄰未采店覆煤園采空區]開(kāi)發(fā)的初衷是所謂的煤礦瓦斯超前地面預抽,因此瓦斯卸壓動(dòng)瓦斯卸壓 瓦斯卸壓 積聚瓦斯項目的本質(zhì)是-一個(gè)地地道道的采煤采氣一體化示范地面鉆井抽放進(jìn)下鉆孔抽放工程項目。這一示范工程的成功，為中國能源工業(yè)謀層氣開(kāi)采創(chuàng )立了一種資源高效開(kāi)發(fā)模式。采煤采氣- -體化的圈1“煤與煤層 氣共采”技術(shù)體系實(shí)施,從根本上改變了以往的煤層氣開(kāi)發(fā)和煤炭開(kāi)采的傳統做法。煤炭工業(yè)不再將瓦斯抽采作為專(zhuān)項1.2煤與煤層氣共采措施,煤層氣地面開(kāi)發(fā)也不再作為單純的可燃烴類(lèi)煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低、壓力小和氣體資源的開(kāi)發(fā),而是將瓦斯抽采和煤層氣開(kāi)發(fā)視含氣飽和度低的特點(diǎn),70%以上煤層的滲透率小,這為煤礦安全生產(chǎn)體系的重要組成部分。對開(kāi)展煤尼氣采前預地極為不利_實(shí)踐表明， -且中國煤化工收稿日期:2007-08 -02YHCNMHG作者簡(jiǎn)介:都海龍(1977 -),男,山西沁水人,1997年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè),采礦工程師,山西晉城煤業(yè)集團技術(shù)中心工作,現于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院就讀工程碩土。3《潔凈煤技術(shù))2007年第13卷第6期轉化利用. 全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊(CAJ-CD規范}執行優(yōu)秀期刊-煤層開(kāi)采引起巖層移動(dòng),即使是滲透率很低的煤層，有一定優(yōu)越性。一是從安全角度講,因為人不直接其滲透率也將增大數十倍至數百倍,這就為煤層氣接觸瓦斯,地面壓裂抽放比井下打鉆抽放更安全。運移和開(kāi)采創(chuàng )造了條件.因而,卸壓煤層氣抽放將是二是經(jīng)濟方面講,雖然初期投人較大,一口抽氣井的煤層氣開(kāi)采的重要途徑。目前,卸壓瓦斯抽放總體施工預算為130萬(wàn)元。但是節省了井下通風(fēng)及瓦斯上仍存在抽出率低及鉆孔工程量大的問(wèn)題，瓦斯總抽放的巨額費用,保證了礦井的安全開(kāi)采,所產(chǎn)生的體抽出率僅為23%。如何基于巖層移動(dòng)規律進(jìn)行安全效益和社會(huì )效益是井下抽采不可比擬的。卸壓瓦斯抽放方案的優(yōu)化、提高瓦斯采出率將是中盡管煤層氣開(kāi)發(fā)的目的不同,但從技術(shù)層面看國煤礦卸壓瓦斯抽放進(jìn)- -步研究的主要方向。 基于煤礦瓦斯地面預抽與煤層氣地面開(kāi)發(fā)完全是一樣煤礦綠色開(kāi)采思想提出的“煤與煤層氣共采"的基的，其區別在于開(kāi)發(fā)的位置。煤礦瓦斯地面預抽是本觀(guān)點(diǎn)為:將煤層氣作為一種資源,充分利用采煤過(guò)在未來(lái)3 ~5a將要采煤的區域抽采煤層氣,煤層氣程中巖層移動(dòng)對瓦斯卸壓作用并根據巖層移動(dòng)規律地面開(kāi)發(fā)則是在遠離煤礦的煤層氣富集區開(kāi)采煤層來(lái)優(yōu)化抽放方案、提高抽出率,在煤層開(kāi)采時(shí)形成采氣資源。隨著(zhù)多分支水平井技術(shù)的發(fā)展,為煤層氣煤和采煤層氣2個(gè)完整的開(kāi)采系統,即形成“煤與開(kāi)發(fā)提供了更多的開(kāi)發(fā)方式選擇。煤層氣共采"技術(shù),從采掘部署上把瓦斯抽放當作(1)根據直井壓裂開(kāi)采所特有的生產(chǎn)年限長(cháng)、正規的開(kāi)采工藝流程,從時(shí)間、空間與資金上給予保日產(chǎn)量低的特點(diǎn),可以利用直井壓裂開(kāi)發(fā)模式形成證,對抽放瓦斯進(jìn)行利用。長(cháng)時(shí)期的穩定產(chǎn)能。1.3 井下抽采與地面開(kāi)發(fā)并舉、分區實(shí)施(2)根據多分支水平井具有單井產(chǎn)量高特點(diǎn)，從煤氣共采的角度,可根據煤礦開(kāi)采規劃的區實(shí)現短時(shí)期提升煤層氣開(kāi)發(fā)項目產(chǎn)能的目的。根據劃,可分為采空區、煤礦生產(chǎn)區、近期煤炭開(kāi)采區和開(kāi)發(fā)區的煤層氣地質(zhì)條件、地形地貌特征、國內目前煤礦規劃區。由于不同區域的煤層氣資源條件和開(kāi)具備的設備條件和工藝技術(shù)水平,可根據每口井的發(fā)條件差異較大,因此煤層氣開(kāi)發(fā)應采取不同的開(kāi)具體條件設計單翼、雙翼、三翼、四翼等各種類(lèi)型多發(fā)模式和開(kāi)發(fā)技術(shù)如圖2所示。分支水平井。2004年,寺河礦在全國首次采用煤與煤層氣共采空區抽采井下鉆孔抽采采技術(shù),采用網(wǎng)格布置方式,成功地完成了寺河礦井煤礦采空生產(chǎn)區北區30口新氣井的鉆井、壓裂工作,開(kāi)始產(chǎn)氣,全年區I排采氣量538萬(wàn)m'。到2006年5月20日,煤層氣近期規劃區地面鉆井開(kāi)采開(kāi)采區煤層氣地面開(kāi)采井總數為443口,累計抽放總量達到6185. 17萬(wàn)m',其中目前日抽放量在13000m'左右。圖2煤與煤層氣共采階段劃分及開(kāi)發(fā)模式2.2井 下煤層氣抽采煤礦井下瓦斯抽采是一種重要的“煤層氣開(kāi)發(fā)"方式,早已被廣泛應用于眾多的高瓦斯礦井。,2煤與煤層氣共采技術(shù)通過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展,煤礦井下瓦斯抽采技術(shù)已無(wú)論是為了治理煤礦瓦斯而實(shí)施的煤礦井下煤形成了較為完善的系列技術(shù)。層氣抽采、采動(dòng)區抽采和地面預抽,還是煤層氣商業(yè)2.2.1巷道 掘進(jìn)抽采開(kāi)采,都必須納人到煤與煤層氣共采的軌道。由于在巷道掘進(jìn)過(guò)程中,進(jìn)行有計劃的煤層氣抽采煤層氣抽采目的、抽采對象、抽采條件和資源條件的不僅可以有效解決高瓦斯礦井掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯超不同,煤層氣開(kāi)發(fā)(瓦斯抽采)可分為煤礦井下抽限現象,而且為以后工作面回采和抽采做好了準備采、采動(dòng)區抽采和地面開(kāi)發(fā)。工作,在安全和效益上都有益處。2.1 地面抽采以寺河礦為例,該礦為高瓦斯礦井,新暴露的煤在井田采動(dòng)之前,布置地面鉆孔,對原始煤體進(jìn)體百米巷道瓦斯涌出量0.3 ~0.6 m'/min。如遇地行預抽放。主要工藝流程是鉆井、壓裂和排采。通質(zhì)構中國煤化工斯涌出可達10~過(guò)在地面打垂直井穿透所抽煤體,采取增產(chǎn)強化措5mMHCN M H ?m順槽掘進(jìn)僅靠施(壓裂)手段使煤體裂隙增加，可抽放半徑加大，通風(fēng)根本兀法解決凡斯問(wèn)題,必須采取抽采措施來(lái)預抽煤體中的瓦斯。相對于井下抽采,地面抽采具降低瓦斯涌出量。在巷道幫上每隔200 m布置鉆煤與煤層氣共采技術(shù)在晉煤集團的應用研究.轉化利用場(chǎng),鉆場(chǎng)內扇型布置鉆孔,鉆孔布置示意圖如圖3所示,減少掘進(jìn)頭瓦斯涌出和巷道煤壁的瓦斯涌出實(shí)煤層5煤層氣煤層氣電力踐證明,抽采效果明顯,獨頭巷瓦斯涌出量由最大9采家圖抽放系統-氣相(-[地面風(fēng)井熱風(fēng)坍~ 10 m'/min降到S m'/min以下,保證了安全掘進(jìn)。民用]圈4煤層氣利用工藝流程采動(dòng)區瓦斯抽采是- -種特殊的抽采方式,其技術(shù)要點(diǎn)包括;采煤前在采煤工作面中央施工大口徑直井(非抽采層段和含水層段套管固井,抽采層段采用篩管完井或裸眼完井),充分利用采煤后在采煤上圉3鉆孔布置示意方的采動(dòng)影響區來(lái)抽采主采煤層和上覆煤層及上覆2N,3N,4N-巷道編號:1一 抽放鉆孔;地層中的煤層氣,從而降低采煤工作面和井下巷道2一閥門(mén);3- -抽放管路;4- 負壓放水器的瓦斯濃度,以獲得防治煤礦瓦斯災害和開(kāi)發(fā)煤層2.2.2回采 工作面抽采氣資源的雙重效益。晉煤集團的主采煤層為3號煤層,該煤層的可3結論與建議抽性較好,加上礦井煤層氣主要來(lái)自煤體本身,3號煤層又是厚煤層,所以工作面抽采以本煤層順層布通過(guò)煤與煤層氣共采技術(shù)的應用研究,形成如置鉆孔抽采為主,采空區抽采為輔。通過(guò)提高封孔下結論和建議:質(zhì)量增加孔口抽采負壓,加強卸壓布置瓦斯抽采。(1)由于能源形勢和煤礦安全生產(chǎn)的需要,全寺河礦僅- -個(gè)綜采大采高工作面抽采煤層氣量就可面推廣 煤與煤層氣共采勢在必行。達60 ~70 m'/min,抽出率高達40%。(2)煤與煤層氣共采的理念是“安全一資2.2.3采空區抽采源一環(huán)境”。采面回采過(guò)程中隨著(zhù)工作面推進(jìn),采空區面積(3)煤層氣開(kāi)發(fā)必須堅持地面開(kāi)發(fā)與井下抽采不斷擴大,采空區丟煤瓦斯及鄰近煤層瓦斯的涌入并舉的方針,確保煤礦安全生產(chǎn)。等使采空區瓦斯浦出量也迅速增加,不僅嚴重影響(4)盡可能實(shí)施一井多用戰略(采前抽、采動(dòng)正常生產(chǎn),而且造成資源浪費。,抽、采后抽) ,實(shí)現煤層氣高效抽采。根據對成莊礦回采工作面瓦斯涌出分析,采空(5)建議各個(gè)煤礦根據當地的煤層特征和煤層區瓦斯涌出占到工作面總瓦斯涌出量的54. 73% ~氣資源條件,選用合適的煤層氣抽采技術(shù)進(jìn)行抽采，77.1 1% ,平均66.5%。成莊礦在3308工作面進(jìn)切莫盲目仿效。行了封閉尾巷抽放采空區瓦斯試驗。在工作面尾巷(6)建議煤層氣地面開(kāi)發(fā)企業(yè)認真考察地面開(kāi)敷設D300mm玻璃鋼管,抽放管路與礦井抽放系統發(fā)條件,采取適宜的開(kāi)發(fā)技術(shù),應盡可能地考慮未來(lái)連通,將尾巷分段密閉,通過(guò)尾巷深部聯(lián)絡(luò )巷對采空煤礦開(kāi)采問(wèn)題。區瓦斯進(jìn)行抽放。3308 工作面風(fēng)排瓦斯涌出量下參考文獻:降34% ,工作面配風(fēng)量也分別下降25. 2%。目前,成莊煤層氣抽放系統就分為煤層氣抽放[1]錢(qián)鳴高,許家林,繆協(xié)興. 煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J].中國和采空區煤層氣抽放2套系統,抽放濃度達55%，礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003.目前純煤層氣抽放量為56. 6 m'/min,每天純煤層[2]許家林,錢(qián)鳴高. 地面鉆井抽放上覆遠距離卸壓煤層氣抽放量大約為10萬(wàn)m'左右,既能滿(mǎn)足礦井安全氣試驗研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報2000生產(chǎn)的需要,又能為煤層氣利用系統提供高純度煤[3]錢(qián)鳴高,繆 協(xié)興,許家林,等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,0030層氣量。其利用工藝流程圖如圖4所示。[4]許家林,錢(qián)鳴高.金宏偉基于巖層移動(dòng)的“煤與煤層2.3 - -井 多用、高效抽采與采動(dòng)區抽采中國煤化工,2004.4通過(guò)地面煤層氣開(kāi)發(fā)與井下瓦斯抽采相結合和一井多用(采前抽 采動(dòng)抽采后抽) ,實(shí)現煤層氣高PHCNMH G效抽采,以建立先進(jìn)的安全高效的綠色礦山。煤礦. (下轉第69頁(yè))34《法凈煤技術(shù))2007年第13卷第6期煤質(zhì)技術(shù)全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊《CA- CD規范}執行優(yōu)秀期刊一3] Anne-Gaelle Collot. Matching gasication technologiee toI Research and development on high-temperature gsif-coal properties [J]. International Joumal of Coal Geolo-cation technology of woody biomass for fuel cell powergy, 2006, 65(3-4): 191 ~212. .generation proces [M], Kagaku Ronbunshu, 2004,[4] Xiagjang wU, Nobusuke KOBAYASHI, Guilin PIAO,Vol.30, No.3 :385 -390.Yochinoni ITAYA, Shigekatsu MORI. Discusion of Chi- [6]Guilin PIAO, Michihiko HAMAI, Motohiro KONDO,nese coal resources and coal gasifcation process with highYoshinori ITAYA, Shigekatsu MORI. Research and de~ash fusion temperature coal [J]. The 43th coal confer-velopment on gasification technology of organic waste ma-ence in Japan. KAOCL. 2006,10:53 ~54.terial( 0WM)by using entrained-Low [J]. Jourmal of the[5] Guilin Piao, Agung Sri HENDARSA, Yasuo ADACHI,Japan Instiute of Energy, 2003 ,82 : 671 -678.Yoshinoni ITAYA, Michihiko HAMAI, Shigekatsu MOR-Change of ash fusing characteristic in char gasificationWEI Liang' , ZHANG Zhong xiao' , WU Xa-jang'2 , PIAO Gui-lin2 ,Nobusuke Kobayashi' , Shigekatsu Mori? ，Yoshinori Iatya2(1. Deartment of Poner Energy( University of Shanghai for Science and Tehnlogy) , Shanghai 20093, China; .2. Department of Chemical Enginering(Nagoya Unitersity) , Nagoya 464 - 8603, Japan)Abstract:Two typical coals which one is high ash fusion temperature coal and the other is low ash fusion tempera-ture, were selected for being gasified in oxygen , carbon dioxide and steam separately with using TGA - 51H. Theprocess of melting char was studied under various gasification conditions with SEM and mechanism of that was ana-lyzed with EDX. The results showed that ash melting point in deoxidized atmosphere was lower than that in oxida-tion atmosphere; Comparison on ash fusibility temperature was made between gasification in coal-COz reducing at-mosphere and in coal-H20 reducing atmosphere, of which result showed that ash fusibility temperature in coal-CO2reducing atmosphere is lower. Due to the intense decalescence that most of heat was supplied to gasification, it isthe reason of high ash fusibility temperature that there is hardly any Ca and Fe can be deoxidized in gasification.Keywords: coal gasification; gasification reagent; ash fusibility(上接第 34頁(yè))The application research about the coal and coalseam gas technology in Jinmei GroupDU Hai-long'"(1. Resource and sofety enginering cllge of Chinese Mining University( Beijing) , Bejing 10083 ,China;2. Jincheng anthracie mining group limied labliy company, Jincheng 048006 ,China)Abstract: The text explains the form, development and connotation and extension of the coal and coal seam gastechnology, and ilustrates the technology of coal and gas picki中國煤化工rience and fruit ofJincheng Coal Group, at the same time, it also brings forward suYHCN M H Gation of the coal 0-pening and coal gas opening.Keywords:coal and coal gas opening together; technology; application research煤焦氣化反應過(guò)程中灰的熔融特性變化59.