阳煤集团瓦斯治理技术

山西阳煤集团瓦斯治理工程技术有限公司山西省煤矿瓦斯综合治理工程技术研究中心总工程师赵长春阳煤集团瓦斯治理技术个人简介高级工程师，注册采矿工程师，注册高级科咨询师国家科技进步奖评审专家国家一级安全质量标准化矿井评审专家煤炭工业优秀创新人才山西省委、山西省国资委联系的高级专家山西省科技专家山西省学科带头人山西省煤矿瓦斯治理会诊、能力评估、通风抽采验收专家阳泉市产业英才、科技功臣，享受政府津贴拔尖人才晋中市安全生产专家阳煤集团博士后工作站指导老师次煤层透气性差自然发火严重难抽采在阳煤集团的大型生产矿井中，通风大都采用多进风井、多回风井混合通风方式，一般主扇的负担的通风距离约5公里左右。均按要求实现了分区通风及采掘工作面独立供风。采区内一般有两条进风巷和两条回风巷，其中轨道巷和皮带巷用作进风巷，另在两侧布置两条回风巷回风。到目前为止共安设主要通风机65套，装机能力9.3万Kw，实际排风量约为51万m3/min，总回风瓦斯浓度一般在0.3%-0.4%。矿井通风局部通风在高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井，局部通风机均实现双风机双电源自动切换、智能瓦斯引排装置、三专两闭锁，高突矿井煤巷掘进安装45kw、55kw对旋局扇，配备直径800㎜、900㎜、1m、1.2m的防静电、阻燃风筒。出口风量均大于400m3/min。阳煤集团现有地面抽采泵站23座，装机能力38912.5m3/min。其中集团公司本部13座，抽采能力21903.8m3/min；寿阳公司4座，抽采能力6920m3/min，晋东公司6座，抽采能力10088.7m3/min。阳煤集团邻近层瓦斯抽采具有浓度高、抽放量大、且抽放量稳定的特点。是瓦斯利用的主要来源。通过高抽巷抽放的瓦斯占邻近层瓦斯涌出总量的95％。瓦斯抽采瓦斯抽采量统计2001至2013年，阳煤集团邻近层瓦斯抽采量累计达66亿m3阳煤集团建立了完备的矿井瓦斯储存及利用系统。地面共建成有瓦斯储气罐13座，总储气能力36万m3，系统管路长达520多公里，调压站84座，是目前全国利用矿井瓦斯规模最大的城市之一。主要用途：民用、瓦斯发电，氧化铝焙烧，2013年，阳煤集团矿井瓦斯进罐混合量68108万m3（甲烷平均浓度42%）利用混合量50400万m3，利用率74%，瓦斯利用瓦斯治理技术途径一、利用回采工作面通风排放瓦斯二、利用钻孔或巷道抽采煤层、采空区及开采卸压区瓦斯三、利用化学及生物技术消融煤层瓦斯四、利用物理化学技术置换驱替煤层瓦斯一、利用回采工作面通风排放瓦斯1、U型通风方式排放瓦斯瓦斯超限只能靠加大风量来解决，局限性大，只适合瓦斯涌出量较小的工作面2、U+L型通风方式排放瓦斯能解决上隅角瓦斯，专排行能将瓦斯排放浓度提高到2.5%，提高排放能力。可利用专排巷施工抽采钻孔或倾斜巷道3、U+I型通风方式排放瓦斯彻底解决落山角瓦斯，提高采空区瓦斯排放能力。4、U+Ⅱ型通风方式排放瓦斯工作面采长增加后，采空区面积增加，瓦斯涌出量也增大，增加一条内错尾巷，最大限度提高采空区排放能力。采用沿空留巷，实现无煤柱开采。可采用Y型通风方式，改变采空区风流方向，从而改变了采空区瓦斯运移规律，可从根本上解决上隅角瓦斯积聚和超限的问题。适合采空区瓦斯涌出量较小的工作面。5、Y型通风方式排放瓦斯6、其他通风方式排放瓦斯上述5种通风方式以外，还有几种方式，如双U型，U套U型，偏Y型，偏W型，U套U+L型等。1）双U型，就是提前将准备面构成后，利用准备面巷道给回采面专排巷供风。实际是U+L型的改变，利用其他巷道为专排巷供风。2）U套U型，工作面巷道全部是双巷，包括切眼。也是U+L型的改变，利用外圈巷道为专排巷供风。3）偏Y型是U+L型的改变，由一进两回改为两进一回，工作面回风巷一段进风一段回风。4）偏W型通风是W型通风和U+I通风的改变，W型通风中间巷偏向一侧，靠近回风巷；U+I型通风将内错巷放低，与进回风巷一样都布置在底板。回采时都始终过空巷。5）U套U+L型，是U套U型与偏Y型的组合，实现多进多回，如三进两回，工作面回风巷一段进风一段回风。二、煤矿瓦斯抽采技术瓦斯抽采方法：1、地面钻孔抽采技术：垂直井、水平多分枝井、U型井。2、本煤层预抽技术：掘进预抽、回采面预抽、区域千米长钻孔预抽。3、邻近层卸压瓦斯抽采技术：顶板岩巷（走向、倾向）、底板岩巷配合穿层孔、倾向穿层钻孔，地面钻孔。1、地面钻孔抽采瓦斯地面压裂井筛管完井方式示意图地面垂直钻井结构示意图水平多分枝井抽采瓦斯A：生产井，负压抽采，高压氮气通、吹扫井B：排水井，煤粉，污泥出口。ＢA水平段煤层始终处以裸露状态并始终低于解吸压力上分层中分层下分层O2f底板顶板U型井结构及布置2、本煤层预抽技术掘进预抽技术钻场掘进工作面预抽钻孔边掘边抽钻孔掘进工作面预抽和边掘边抽布孔方式回采工作面预抽本煤层瓦斯千米钻机长钻孔条带预抽回风顺槽位置钻孔切眼位置运输顺槽位置3、邻近层卸压抽采技术冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷走向高抽巷走向高抽巷布置顶板走向高抽巷抽采邻近层瓦斯冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷倾向高抽巷倾向高抽巷布置倾向高抽巷抽采邻近层瓦斯冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷倾向穿层孔穿层倾斜钻孔布置穿层钻孔抽采邻近层瓦斯冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷地面钻井地面钻孔抽采煤层采动卸压瓦斯顶板钻场高位钻孔抽采邻近层瓦斯埋管+走向高位钻孔抽采邻近层瓦斯冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷底板巷穿层钻孔底板岩巷抽采卸压煤层瓦斯冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷底板巷穿层钻孔底板岩巷抽采卸压煤层瓦斯三、利用化学及生物技术消融煤层瓦斯专利发明人高传友，在农村生产队管理沼气池期间偶然发现有一种物质可以使沼气池中的沼气消失。后来在煤矿上班时，知道沼气和甲烷、瓦斯是一回事，就琢磨，经过上百次调整配方、反复实验，发现了能产生“吞噬瓦斯”的菌体的物质。该物质通过高压被注入进入煤层后，可以使瓦斯含量迅速减少，瓦斯压力大大降低，从而从源头上消除了煤层内瓦斯突出的动力源，降低了煤层瓦斯含量和工作面瓦斯浓度，有效起到了防爆防突作用。瓦斯消溶剂是由生物发酵技术进行发酵、筛选、培育、驯化的一种绿色无毒无害的液态嗜瓦斯菌。使用时先在井下采掘工作面煤层中按设计打注液钻孔并按要求封孔，然后用高压注液泵将勾兑好的瓦斯消溶剂注入煤层，使瓦斯消溶剂与煤层中的瓦斯直接接触，在高压（压力不小于2MPa)的条件下、在瓦斯消溶剂所含相关成份的催化、活化、助溶作用下，瓦斯消溶剂发挥以下作用：1.助溶作用。2.催化作用。3.化合转化作用。4.隔断作用。5.减少工作面瓦斯涌出量。6.卸压防突作用。7.浸润煤体防尘作用。瓦斯消融剂工艺流程瓦斯消溶剂是通过煤层注水技术注入煤层的，其施工工艺流程为：设计方案→打孔→封孔→连接管路→调试设备→调配药剂→开泵注液。整个流程关键环节就是封孔，目前合适的封孔工艺是：特种水泥浆封孔。消融剂压注工艺瓦斯消溶剂使用设备1.20MPa以上的乳化液压泵或者高压注水泵（电机功率不小于35-75千瓦、80-120型乳化泵），箱体容积须大于0.6m³，距工作面不大于200米；2.水泥注浆泵一台，封孔专用特种水泥（厂家技术员认可的水泥型号）3.承压在20MPa以上的Ф25mm、Ф19mm的液压管若干；液压管连接件及阀门；4.压力表、高压水流量表、低压水流量表、时间表，工作面和泵有电话；5.能承受20Mpa压力的封孔技术。瓦斯消溶剂的适用范围1.高突矿井的的采掘工作面，降低瓦斯含量，降低瓦斯压力2.石门揭煤防止煤与瓦斯突出；3.煤层透气性差，抽放效果不好的高瓦斯矿井；4.瓦斯抽放后残余瓦斯量较大，影响正常生产的矿井；5.低瓦斯矿井的局部高瓦斯区域；6.煤层薄打孔困难的采掘工作面；7.瓦斯太大导致打孔困难的采掘工作面(可以解决打钻难的问题）。8.因现代化设备使采掘速度快而导致绝对涌出量大的低瓦斯矿井。四、利用物理化学技术置换驱替煤层瓦斯1、利用N2和CO2气体注气进行置换驱替技术2、利用CO2炮预裂驱替置换技术1、利用N2和CO2气体注气进行置换驱替技术根据研究煤对气体吸附能力由大到小的顺序为：CO2CH4N2；煤层注气驱替机理主要有：气体置换吸附作用、气流、载携作用、气流稀释扩散作用和膨胀增透作用。其中气流载携作用占主导地位；1）注气工艺：2）钻孔布置：胶囊手柄3.5m（a）注气系统（b）封孔器500160070016005001000180090019001234567894800250050090011001234567848002500500100010006004001360165018009006001400123456480025006009001000600600200090013001900（a）第一组（b）第二组（c）第三组、第四组利用空压机对N2和CO2注气进行置换驱替技术空压机利用高压钢瓶（钢瓶压力12.0MPa）注纯N2/CO2+排放1）注气工艺：2）试验结果：压力表煤体封孔器N2/CO2钢瓶钢瓶注纯N2/CO2注气系统示意图800200015002500123433001000注气孔钻孔布置00.10.20.30.000.100.200.300.400.500.60时间（h）流量（m3/min）020406080100120浓度（%）纯流量混合流量浓度注气前注气后00.20.40.60.800.10.20.30.40.50.60.70.8时间(h)流量(m3/min)0510152025浓度(%)混合量纯量浓度注气前注气钢瓶注纯N2试验结果钢瓶注纯CO2试验结果自然抽采条件下注N2+抽放注CO2+抽放0.1250→0.0122m3/min0.0122→0.1103m3/min。↗8.34倍0.0122→0.1232m3/min。↗10.10倍注气+抽放，钻孔的纯瓦斯流量变化00.020.040.060.080.10.120.1404896144192240time/hQ/m3/minCH400.020.040.060.080.10.120.1404896144192240time/hQ/m3/minCH4+N2N2CH400.040.080.120.160.204896144192240Time/hQ/m3/minCCCCH4CO2CH4+CO22、利用CO2炮预裂驱替置换技术“高压CO2炮主要由二氧化碳预裂组件、连接件、联线件、封孔器、引出杆、可调式顶杆及封孔注液泵组成。51CO2炮的工作原理管腔内预先固定发热装置，将液态CO2注入组装好的组件腔内，通过矿用发炮器激活发热装置内的发热材料，对腔体内的液态CO2进行加热，使得液态CO2气体受热膨胀，待CO2气体达到设定压强时，卸压片开启，高压二氧化碳气体从组件内瞬间释出，最终达到预裂煤层和驱替置换瓦斯的目的。52CO2炮的有效作用半径可达30米，影响半径可达100余米。瓦斯抽采量可提高40倍。预裂驱替置换区域瓦斯抽出浓度也大大提高，一般都达到30%以上。而且抽采浓度可保持长时间的稳定。结束语应该说阳煤集团在煤矿瓦斯综合治理与利用方面，为我国煤矿安全生产做出了积极贡献。至今，高位巷道法抽采邻近层瓦斯技术和专用排瓦斯巷通风方式仍然是煤层群开采条件下解决上邻近层瓦斯和采空区瓦斯的好方法。随着开采深度不断加深，开采强度不断加大，矿井瓦斯涌出越来越大，突出威胁越来越严重，邻近层和本煤层瓦斯抽采技术、低透气煤层增透技术、突出煤层消突技术仍然是实现煤矿瓦斯零超限目标的重要技术手段。今后，通风方式改革，抽采技术优化，化学生物技术推广、物理化学方法试验等，都将始终是我们不懈努力的方向。