HOU简析高瓦斯矿井实现瓦斯“零排放”途径

简析高瓦斯矿井实现瓦斯“零排放”的途径

摘要:高瓦斯矿井瓦斯涌出量大，瓦斯超限、瓦斯事故时有发生，严重制约了煤矿的安全、高效生产，另外大量的煤矿瓦斯由于得不到有效利用而排放到空气中，环境污染问题也在不断加重。瓦斯“零排放”作为一种理念，越来越引起煤炭行业的关注。文章根据高瓦斯矿井瓦斯抽采利用的有关经验，就煤矿瓦斯综合利用技术的现状及前景做了简要分析，为今后在我国实现煤矿瓦斯“零”排放的目标提供了一个技术思路。

关键词:瓦斯“零排放”; 地面抽采; 井下抽采; 综合利用

1 概述

在我国能源消费结构中煤炭占到70%以上，而在煤炭开采中瓦斯（即煤层气），作为煤矿安全事故的“头号”杀手，严重制约着煤矿的安全、高效生产。同时，大量煤层瓦斯随着井下抽放和矿井通风排放到空气中，不仅浪费了洁净能源，而且污染了生态环境。据统计，我国每年排空的瓦斯当量约100～150亿立方米，与西气东输的120亿立方米的天然气量相当，更相当于每年有1000～1500万吨原油或2000～3000多万吨煤炭被浪费掉。如果全部利用上，可以发电495亿千瓦时，这将是一个巨大的能源。因此，如何将瓦斯变废为宝，化害为利，成为我国煤炭企业共同探讨和试验的重点，国家有关部门也给予高度重视和多方面支持。论文以部分高瓦斯矿井瓦斯抽采利用为例，探讨高瓦斯矿井实现瓦斯“零排放”的可行性。

瓦斯“零排放”，是将煤炭开采过程中的抽采瓦斯和矿井乏风瓦斯全部有效利用和销毁，使其不排放到空气中，即“零排放”。实现瓦斯“零排放”，目前主要通过地面抽采、井下抽采、乏风利用等途径，实现最大限度地瓦斯收集和利用。由于瓦斯赋存的多样性、抽采利用的技术经济所限，目前尚难以真正做到“零排放”，因此“零排放”作为一种理念，更作为一种目标，值得专家学者去探索和努力。

2 瓦斯“零排放”途径

2. 1 地面抽采与利用

我国许多矿区，煤层瓦斯含量相对较高，加之煤层厚度大，渗透率高，具备瓦斯( 煤层气) 地面抽采的条件，应首先考虑地面抽采。瓦斯( 煤层气) 地面抽采及选区评价条件包括地质背景( 地层、构造、煤系、水文地质、地质发展史等) 、煤层特征( 厚度、埋深、产状、煤岩、煤质、煤级、煤体结构、顶底板及围岩等) 、煤层气储层条件( 含气性、吸附/解吸性、孔—裂隙、渗透率、储层压力及其梯度、原地应力及其梯度、吸附饱和度、临界解吸压力、临储比等) 、资源条件( 资源量、资源丰度、储量规模等) 、高产条件( 产能、产气高峰、生产稳定性、生产井年限、采收率等) ，需要根据矿井地质条件认真分析对比，做出能否进行地面抽采的可行性评价。一般来说，矿井构造和水文地质条件相对简单，目标煤层厚度大、埋藏适中、分布稳定、渗透率高、可抽性强，适合地面抽采。我国晋城、阳泉、柳林、黄陵、彬长等矿区，属煤体结构完整的中硬煤层矿区，一般可采用采煤前地面抽采。

经过40 多年的发展，我国煤层气( 瓦斯) 抽采技术工艺获得了长足进步，垂直井和丛式井的钻完井、射孔压裂和排采技术，水平井( 包括“U”型井、“V”型井和水平羽状井等)

定向钻井等技术工艺日益成熟并得到了广泛应用，多数井型应用效果较好。根据统计资料，我国煤矿地面抽采量逐年提高，2008 年我国地面瓦斯抽采量仅4. 4 亿m3 ，到2012 年已达到27 亿m3。我国部分矿区通过地面抽采，抽采率60%以上，吨煤瓦斯含量可降低1 ～ 2m3 ，为井下安全开采创造了一定条件。

地面抽采的瓦斯( 煤层气) 甲烷浓度高，一般在70% 以上，与常规天然气相当，此部分瓦斯可通过净化、提纯和压缩，作为民用燃气、汽车燃料或工业原料供应矿区和周边城镇。一是: 地面抽采瓦斯用于民用社会效益明显，利用附加值高，条件适宜的矿区应优先考虑; 二是: 作为液化或压缩天然气尚处于起步阶段，目前仅有几家公司处于研发阶段; 三是: 瓦斯电厂投资低，可与煤矿配套建设，也是目前利用的主要途径。通过对煤矿地面抽采瓦斯的充分利用，借以实现瓦斯“零排放”。

瓦斯发电示意图

步骤：

①液化气罐向液化气装置输送液化气，点火加温。

②抽放泵抽取瓦斯，在氧化装置温度达到800℃时输入氧化装置。

③反应进行中，氧化装置中的温度将达到1000℃，高压气包实时调控氧化装置内的气压。

④氧化装置中形成高温水蒸汽，作为动力传输给发电机发电。

2. 2 井下抽采与利用

井下抽采，不仅是资源利用的需要，而且更重要的是安全生产的需要。我国松藻、淮南、淮北、平顶山、焦作、鹤壁、韩城等矿区，属构造煤发育的软煤层矿区，煤储层渗透率低，可抽性差，较少采用地面预采的开发方式，多采用井下瓦斯抽采方式。

根据瓦斯涌出来源和涌出量构成，设计一般采用综合瓦斯抽采方法，抽采效果显著。具体为:

(1)采煤( 掘进) 工作面抽采。在工作面巷道掘进及工作面准备期间，利用高负压瓦斯

抽采系统打顺层钻孔抽采瓦斯; 或在煤层底板做专用瓦斯抽采巷，打向上穿层网格钻

孔，抽采开采层及其下邻近层瓦斯。

(2)采后抽采。利用低负压瓦斯抽采系统，初期在各工作面的上巷埋管抽采和工作面高

位钻孔抽采开采层工作面上隅角及采空区的瓦斯; 后期对已采区实行密闭抽采。

井下抽采是目前瓦斯抽采中应用最多、瓦斯抽采量最大、效果最好的方法，在部分矿井瓦斯抽采率一般可达到40% ～ 70%，可以满足《煤矿瓦斯抽采基本要求》的要求。

井下抽采瓦斯的甲烷浓度一般在1% ～ 25%，可规划建设低浓度瓦斯发电厂，投资低，周期短，可与煤矿配套建设; 对甲烷浓度大于8%的井下抽采瓦斯进行发电利用，通过热电联供，为矿区和周边城镇提供电能和热能。对于甲烷浓度低于8% 的抽采瓦斯，将作为掺混瓦斯用于乏风发电。此外，甲烷浓度在爆炸极限( 5% ～ 15%) 以外的低浓度抽采瓦斯也可以用来助燃燃煤锅炉。充分利用煤矿井下抽采瓦斯，实现瓦斯“零排放”。

2. 3 井下乏风瓦斯收集利用

根据瓦斯浓度的不同，煤矿一般采用3种方式处理瓦斯：对浓度高于90%的，通过地面钻井开采；对浓度在3%—80%之间的，实行井下抽排；对浓度在0.75%以下的瓦斯，则采取通风的方式排出——这种瓦斯就是风排瓦斯，俗称煤矿乏风

风排瓦斯虽然浓度极低，但总量特别巨大，所含的甲烷约占我国煤矿瓦斯甲烷总量的81%，1年的排放量在150亿立方米以上。由于浓度太低，利用技术难度特别大，所以长期以来风排瓦斯都被白白排到空气中了。

地面抽采和井下抽采难以收集的剩余瓦斯，将在矿井开采、煤炭井下转运中，进入矿井回风流，通过回风井排出，进入大气，成为温室效应的罪魁祸首。因此，试验和研究井下乏风瓦斯的收集利用技术，对于节能减排、实现瓦斯“零排放”意义重大。

矿井乏风瓦斯( 乏风) 的甲烷浓度一般为0. 1% ～0. 75%左右，利用难度较大，此部分瓦斯可通过乏风氧化装置进行供热和发电、助燃燃煤锅炉，高峰期也可以通过乏风瓦斯燃烧等途径进行利用和销毁。近年来，陕西彬长矿业( 集团) 有限公司和胜利油田动力机械集团有限公司共同实施了煤矿乏风瓦斯氧化利用技术及装置的研发工作，成功研制出60000m3 /h 煤矿乏风氧化装置和技术。该装置是目前全国单台处理能力最大的乏风瓦斯氧化装置，利用乏风中的微量甲烷与其中的氧气进行氧化反应、产生热量。通过试验应用乏风氧化利用技术，虽然企业经济效益差，但可有效利用矿井风排瓦斯，大大减排温室气体，具有较高的社会效益、环保效益和煤矿生产安全效益，符合国家“绿色发展、循环发展、低碳发展”的相关产业导向，具有示范和引导作用。随着技术发展和技术进步，热电联供、乏风瓦斯氧化供热、高峰乏风瓦斯燃烧等乏风瓦斯利用新技术将更加完善和成熟。对乏风瓦斯的充分利用也是瓦斯“零排放”的一条重要途径。

3 矿区瓦斯“零排放”规划与评价

我国某矿区围绕瓦斯治理，通过地面煤层瓦斯抽采及压缩利用、井下瓦斯抽采及低浓度瓦斯发电、矿井乏风瓦斯综合利用，逐步摸索出一条煤矿瓦斯治理和煤矿生产瓦斯“零排放”的绿色开采之路，编制了矿区瓦斯“零排放”规划，分阶段推广到整个矿区，最终可实现整个矿区瓦斯“零排放”。

初期主要规划工程有:

(1)地面抽采与利用: 地面瓦斯抽采工程，包含施工地面抽采井若干口、建设瓦斯集输利用工程，将抽采的高浓度瓦斯输送至周边工业利用或民用。