[度度关爱案例之十六]山西石泉煤业有限责任公司：构建瓦斯综合治理利用体系 打造绿色和谐矿区“责任品牌”

内容摘要：高瓦斯厚煤层低透气性矿区瓦斯综合治理属于世界性难题，2015年以来山西石泉煤业有限责任公司以下简称“石泉煤业公司”为确保矿井安全高效生产，不断强化矿井瓦斯综合治理，积极引进高压CO2煤层预裂增透解吸技术、高压水力压裂技术以及“两堵一注”囊袋式带压注浆高效封孔工艺技术等，矿井瓦斯治理取得巨大成效，综采工作面通风方式实现历史性变革，同时瓦斯抽采浓度达到瓦斯综合利用要求，与瓦斯发电单位签订了合作协议，取得了巨大经济效益、安全效益和社会效益，为公司赢得了良好的社会声誉。关键词：瓦斯治理 瓦斯发电 环境保护前言矿井瓦斯是有机物在约2.5亿年的碳化过程中形成的。这种无色无味的混合物虽然无毒，但当浓度在4%和16%之间时却具有高度爆炸性。一提到瓦斯人们自然会想到矿井爆炸，人员伤亡。瓦斯虽然是可怕的矿井杀手，但同时也是一种非常洁净的能源，能带来可观的利润。石泉煤业公司属高瓦斯矿井，现开采3号煤层，瓦斯含量大，其中蕴藏着巨大的瓦斯资源。履责行动1.积极引进瓦斯治理新工艺l高压CO2煤层预裂增透解吸技术工作原理：将液态的CO2注入CO2煤层预裂器内腔，关闭注液阀。在煤壁上打一适当的钻孔，将注入液态CO2的预裂器置于钻孔内，通过矿用发爆器在充排气阀上的两个电极上加脉冲电流约0.5-2秒，装置中的化学热反应材料迅速反应放热，液态CO2温度迅速升高。汽化致使其压力随之加大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，使得CO2气体高速喷出，从而使其能够在煤层裂隙中膨胀，导致煤层裂隙进一步扩大、透气增强。预裂后瓦斯抽采效果：从预裂钻场及顺层钻孔的瓦斯抽采浓度来看，凡是预裂过的钻场或钻孔，所抽出的瓦斯都能较长时间地保持在一个高浓度的水平上，其衰减要比未预裂的钻场慢得多且回风流中瓦斯得到了较好控制。l高压水力压裂技术工作原理：在煤层施工注水孔采用BZW6331.5-SZ型高压柱塞泵（额定注水压力31.5MPa，额定流量63Lmin）进行高压注水，当注水压力达到8MPa时，相邻抽采孔出现出水现象，顶板发出声响，掉渣现象，表明当注水压力达到8Mpa时，即可将抽采半径扩大到6m。压裂后瓦斯抽采效果：经过在30103胶带顺槽进行高压水预裂实验，预裂后钻孔瓦斯浓度在10%-40%，平均瓦斯浓度为19.43%，抽采纯瓦斯量在0.04m3min-0.1m3min，平均瓦斯抽采纯量为0.07m3min。高压水预裂后钻孔瓦斯抽采浓度随着时间的推移有增大的趋势。自2014年9月18日采集抽采参数起，至10月8日，历时20天，钻孔瓦斯抽采浓度处于相对平稳且有增大的趋势。因此可以判断，高压水预裂后，煤层透气性增强，瓦斯抽采浓度及抽采纯量明显增大。l“两堵一注”囊袋式带压注浆高效封孔工艺技术石泉煤业在封孔工艺变更前使用的是聚氨酯封孔，难以达到预期效果，抽采效率低下，严重制约矿井正常生产接续。经过实践采用“两堵一注”囊袋式带压注浆封孔工艺新技术，效果显著，单孔抽采钻孔衰减极慢，单孔瓦斯抽采钻孔浓度呈高倍数递增，抽采纯瓦斯量大幅度提升，为瓦斯利用所需气源呈梯次递增提供技术支撑，夯实高瓦斯矿井安全生产基础。结构特征：该抽采瓦斯用注浆式封孔器主要由注浆管、瓦斯抽采管、单向阀、爆破阀、囊袋、堵头、瓦斯抽采花管（集气段）等构成。工艺原理：首先注浆式封孔器的注浆管与注浆泵连通，液浆在注浆泵压作用下进入注浆管，浆液经过单向阀进入囊袋1及囊袋2，囊袋迅速膨胀，将囊袋的外径紧固在煤层孔壁上，将封孔器两端的孔封闭；当压力大于1.6MPa时，中间爆破阀打开，液浆将两个囊袋中间的部分充满，并在压力作用下对孔周边裂隙进行充填，压力在2MPa持续一段时间后，周边裂隙注满，注浆泵自动注停，实现密实封孔，通过瓦斯抽采软管连接瓦斯抽采干管路抽采瓦斯。效果评价：现场试验表明“两堵一注”囊袋式带压注浆封孔一方面能使钻孔周围的裂隙得到充填；另一方面能使钻孔封孔段得到可靠支护，保证钻孔的稳定性，使钻孔周围不再产生新的漏气裂隙，抽采负压、抽采浓度、抽采能力大大提高且抽采浓度始终保持在较高水平，稳定性强。经过在30106工作面采用“两堵一注”囊袋式带压注浆试验，并通过对封孔效果及数据的跟踪测定分析，从主管路抽采参数、支管路抽采参数、单孔浓度方面均实现较大程度提高，且成效显著。目前矿井高低负压瓦斯抽采浓度、抽采纯瓦斯量、矿井瓦斯抽采率均呈现出跳跃式提升，主管路瓦斯浓度由3%提高到15%增幅近5倍多，主管路抽采纯瓦斯量由7m3min提高到36m3min增幅近5倍；干管路瓦斯浓度由2%提高到25%增幅近12倍，干管路抽采纯瓦斯量增幅近15倍，为公司瓦斯发电综合利用项目气源保障奠定坚实基础。2.创新综采工作面瓦斯治理技术为落实新版《煤矿安全规程》中取消了专用排瓦斯巷的各项条款，石泉煤业公司组织编制了《30106综放工作面“U”型通风技术方案》，通过聘请省内知名瓦斯专家会审后，取得华电煤业山西分公司批复。通过2016年30106工作面正常回采，工作面回采期间工作面、上隅角、回风流瓦斯浓度均得到有效控制，验证了方案的可行性。综采工作面采用本煤层预抽高位钻孔裂隙带抽采采空区埋管抽采综合工艺。本煤层抽采钻孔采用双排孔“A”型布置；优化高位钻孔设计参数及封孔工艺，充分发挥高位钻孔裂隙带抽采效率裂；同时采用高压CO2预裂增透技术及“两堵一注”囊袋式带压注浆封孔工艺。通过采取一系列切实可行的瓦斯治理新技术、新方法，探索符合石泉特色的低透气性煤层瓦斯治理模式。同时，引进澳大利亚VLD-1000型定向钻机技术进行试验，计划对矿井实施区域预抽，缓解矿井抽采衔接紧张的局面。3.积极开展瓦斯综合利用一方面，瓦斯中的甲烷是一种仅次于氟利昂占第二位的重要温室气体，能破坏大气的臭氧层，根据气候变迁跨国委员会研究报告，其温室效应是CO2的21倍。大量的瓦斯排入大气，会增强地球表面的温室效应，导致全球变暖，破坏地球的生态环境。另一方面，随着国民经济的快速发展，我国对能源的需求越来越大。据国家发展改革委能源所预测，我国油气缺口2020年将达到到2.2亿吨和1000亿立方米。在这样的能源背景下，需要寻找新的可替代能源，而瓦斯的主要成份是甲烷CH4，是很好的燃料，对瓦斯进行充分利用更具有重要意义。石泉煤矿富含瓦斯，抽排低浓度瓦斯若直接排空而不利用，既浪费大量洁净能源，又污染大气环境，十分可惜。低浓度瓦斯发电技术的开发与利用，不但可以有效利用煤矿抽排的洁净能源，而且具有良好的经济效益和环境效益。2015年以来，公司通过进行瓦斯抽放系统改造和钻孔采用新的封孔技术及装备，瓦斯高、低负压抽放系统抽放的瓦斯甲烷浓度在9-11%以上，可利用纯量超过22Nm3min，随着改造的进程，瓦斯甲烷浓度和可利用量在稳步提高。抽采瓦斯浓度达到低浓度瓦斯发电的要求，公司积极与瓦斯综合利用相关单位开展合作，分别与兴边富民（北京）清洁能源技术有限公司、襄垣县泽源殷环能有限公司、北京君发节能环保技术有限公司、北京杨德环境科技股份有限公司召开专题会议。2015年7月石泉煤业与北京君发节能环保技术有限公司签订合作协议，在矿井主要通风机房附近建设一座高标准的瓦斯发电站。履责绩效1.经济效益实现了综采工作面通风方式变革，取得了巨大的经济效益，瓦斯治理成本逐年降低，经济效益十分可观，总体可以节约3409.28万元。取消专用排瓦斯巷经济效益测算专用排瓦斯巷施工按照一米5100元计算，30106工作面、30105工作面共节约3240米巷道施工，可节约资金1652.4万元；正在回采的30106工作面节约的专用排瓦斯巷节约打设木垛材料费用7.2万元；节约洒水灭尘、打设木垛人工费用8.58万元；矿井节约风量800-1000m3min，主要通风机总节约电费成本约35.6万元。取消专用排瓦斯巷直接可节约资金1707万元。l钻孔施工费用经济效益优化瓦斯钻孔施工技术，及时调整30105工作面本煤层抽采钻孔间距，预计减少施工钻孔440个，进尺52800米，节约瓦斯治理资金742.28万元。l实施瓦斯综合利用工程项目资金测算通过各项瓦斯治理新举措，矿井瓦斯抽采浓度、抽采纯瓦斯量、瓦斯抽采率均呈现出跳跃式提升。治理成果得到北京君发节能环保技术有限公司的认可，2015年7月石泉煤业与北京君发节能环保技术有限公司签订合作协议，在矿井主要通风机房附近建设一座高标准的瓦斯发电站。利用瓦斯发电，保护环境，节约用电支出，可获得财政补助，提升企业经济效益。正式投入运营后，每年可创造经济效益660万元左右。l实施瓦斯综合利用工程项目政府财政补贴资金测算可获得政府财政补贴0.3元立方米的补助，每年按抽采纯瓦斯量1000万立方米计算，每年可获得财政补助300万元。2.安全效益通过强化瓦斯综合治理，矿井瓦斯抽采量逐年提高，掘进工作面瓦斯不超限，实现了快速掘进；回采工作面、上隅角瓦斯浓度始终可控在控，提高了工作面单产水平，实现了安全高效开采，保障了矿井正常采掘衔接。工作面瓦斯抽采量逐年升高、风排瓦斯量逐年降低，实现“风排”瓦斯向“抽采”的转变，同时减低主通风机运行负荷，便于矿井风量分配、调节。3.社会效益显著利用瓦斯能源有助于加强煤矿瓦斯综合治理，可以有效减少甲烷等温室气体排放，减少环境污染，增加企业环境、经济及社会效益，因此该项目的建设是十分必要的。“两堵一注”囊袋式带压注浆高效封孔工艺技术和高压CO2煤层预裂增透解吸技术两项研究成果有效提高了矿井瓦斯抽采浓度和纯量，达到瓦斯发电的条件，可实现瓦斯抽采利用，从而降低了煤炭开采中瓦斯向大气的释放量。研究表明，甲烷的“温室效应”是二氧化碳的25倍多，有效降低瓦斯的排放，就是减少空气污染，降低“温室效应”，能保护环境。另外，新型封孔方法的利用，提高了煤层瓦斯抽采效率，降低了煤层瓦斯含量，缩短了瓦斯预抽时间，赢得瓦斯抽采时间和空间上的保证，实现工作面安全生产。两项科研成果获得华电煤业集团公司科技创新推广运用，并在煤炭领域得到大力推广。4.科技成果突出2016年，石泉煤业成功申报了瓦斯抽采和煤尘治理两项专利技术，三项瓦斯治理创新成果分别荣获中国华电集团公司一个科技进步二等奖、两个科技进步三等奖，一项管理创新成果荣获中国华电集团公司三等奖，一项青年创新创效成果荣获华电煤业集团公司三等奖。