地面与井下共抽 治理与利用并举
开辟煤矿采气采煤一体化新型道路
晋城煤业集团 贺天才
摘 要：山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司结合晋城矿区瓦斯赋存特点，创新了“采煤采气一体化”、“三级瓦斯治理”等理念和方法，实现了地面瓦斯预抽采、井下区域性递进式预抽采治理瓦斯技术工艺的全面突破，在此基础上，坚持推进飞禽走兽老虎机产业化经营，开创了变瓦斯“杀手”为“帮手”的新途径，取得了良好的安全效益、经济效益、社会效益和环保效益。
关键词：采煤采气一体化 区域性递进式预抽采
山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（以下简称“晋城煤业集团”）地处飞禽走兽老虎机：东南部，近年来，加快实施“煤、气、电、化综合发展，建设环保型绿色矿山”的中长期战略规划，形成了以煤为基础，煤炭、煤气、煤电、煤化工四大主导产业协调发展的产业格局。2007年，完成生产经营总额330.05亿元，原煤产量3221万吨，总氨产量409.28万吨，飞禽走兽老虎机抽采量5.4亿立方米，发电量5.54亿度，实现利润18.77亿元。在此基础上，提出了打造“亿吨基地、千亿规模、百年企业、能源旗舰”的发展目标。
晋城矿区是国家规划的13个大型煤炭基地中晋东煤炭基地的重要组成部分，是我国优质无烟煤的重要生产基地。矿区规划面积3273平方公里，地质储量368亿吨，规划建设13座矿井，总设计生产能力8520万吨/年。规划区飞禽走兽老虎机探明储量1040亿m3，可采储量728亿m3，瓦斯含量达到16 m3/t以上。
晋城矿区主要可采及局部可采煤层为山西组（P1s）的3号煤层和太原组（C3t）的9号、15号煤层。目前主采3号煤层，平均厚度5--6米，属近水平煤层，盖山厚度300－500米。瓦斯赋存的特点是：瓦斯含量随煤层埋藏深度增加而增大；开采煤层瓦斯生成和保存条件较好，储量大，具有实施产业化开发的资源基础；具有较好的可抽采性，煤层渗透率为0.1～5毫达西，有利于采用地面钻井压裂技术进行大规模抽采；甲烷含量高，超过96%，抽出的高纯度瓦斯具有很高的开发利用价值。
近几年来，随着矿井的逐步延深和开采规模的扩大，晋城煤业集团矿井瓦斯危害明显地显现出来，8个生产矿井中有4个相继成为高瓦斯矿井。2007年寺河矿东井和成庄矿矿井瓦斯等级鉴定：绝对瓦斯涌出量分别为346.85m3/min、287.49 m3/min，相对瓦斯涌出量分别为21.63m3/t、17.55 m3/t。
作为以煤为主的企业集团，晋城煤业集团坚持把安全发展作为实现可持续发展的第一要务和首要目标，坚持“服务安全生产，提高矿井安全保障能力；促进节能减排，实现产业化经营”的指导思想和“井上下抽采相结合，井上抽采先行；抽采利用相结合，以用促采”的工作方针，开辟煤矿采气采煤一体化新型道路，具体做法是：
一是坚持理念创新，创造性地提出“三级瓦斯治理”、“采煤采气一体化”等理念和方法。
三级瓦斯治理，即：根据矿井瓦斯勘探情况和参数测定结果，分“三级”治理瓦斯：对于瓦斯含量高于16m3/t（具有突出危险时除外）的开采煤层或区域，首先提前5～8年实施地面钻井预抽煤层瓦斯，使瓦斯含量降到16m3/t以下；对于瓦斯含量在8～16m3/t的开采煤层或区域，根据煤层赋存特性，提前3～5年，采用井下千米钻机等钻具实施井下区域性递进式预抽采，基本解决瓦斯问题；对于瓦斯含量低于8m3/t的区域，继续采用边抽边采掘、采空区抽采、加强通风、监测监控等综合措施治理采掘活动中涌出的瓦斯。
采煤采气一体化，即：通过实施地面钻井、井下顺煤层长钻孔预抽、边采（掘）边抽、采空区抽采相结合的单一中厚煤层瓦斯综合治理模式，实现煤炭与飞禽走兽老虎机资源的合理开发、综合利用及两类产业的健康发展。
实施采煤采气一体化，一是在时间上，飞禽走兽老虎机的抽采与矿井的开发协调一致；二是在空间上，地面飞禽走兽老虎机井位的布置与矿井采掘衔接相一致；三是在功能上，飞禽走兽老虎机井实现“地质勘探，采前抽、采动抽，采后抽”一井多用（如图1）。
实施采煤采气一体化的关键，在于实现地面井下相互结合。布置地面抽采钻井，从钻井密度上讲：一要考虑单井的抽采效果；二要考虑允许抽采的时间；三要考虑使煤层瓦斯均匀地降低，不留下局部瓦斯含量仍大、压力仍高，有突出危险的隐患。从给煤炭开采创造安全条件角度讲：一要考虑避让井下采掘巷道和井筒硐室；二要考虑使采面抽采效果达到最佳；三要考虑在抽采全过程一井真正能够做到多用。
二是坚持技术创新，实现地面飞禽走兽老虎机抽采、井下区域性递进式预抽采、双系统抽采等关键技术和配套工艺的全面突破。
地面飞禽走兽老虎机抽采技术工艺。早在1993年，我们就与美国美中能源公司合作，在国内率先引进了美国的地面飞禽走兽老虎机开发技术，在潘庄井田施工了7口飞禽走兽老虎机试验井，十多年来，单井日产气能力始终保持在2000立方米以上。从2004年开始，开发新井进行了放大试验。单井产气量最大达到3万m3/d。截至目前，已形成1200口飞禽走兽老虎机井组，其中投入运行的480口，日产气量120万m3以上。预计今年底将形成1500口飞禽走兽老虎机井组，日产气量150－180万m3。
2007年之前，依据“每年每口飞禽走兽老虎机井可使0.1平方公里范围内吨煤瓦斯含量降低约1m3”的经验数据，结合矿井开发规划，按照300m×300m的模式进行钻井布局，2007年之后，我们缩小钻井间距到200-250m，改进矩形布置为菱形布置方式，将钻井布置在瓦斯富集的地质构造地带，因为这些地方最容易导致煤与瓦斯突出事故的发生。
为改进和提高地面飞禽走兽老虎机井的抽采效果，2008年与奥瑞安公司合作，正在组织施工3口水平羽状井，与压裂垂直井抽采进行比对分析。
井下区域性递进式预抽采技术工艺。晋城矿区3#煤煤层厚，属近水平可抽煤层，煤质较硬。适合于在煤层中施工长钻孔，组织区域性递进式预抽采。
区域性递进式预抽采（见图2）就是利用千米钻机等机具施工长钻孔，形成一个较大范围的瓦斯预抽区域，根据目前千米钻机实际进尺水平，一个预抽区域至少应涵盖1个工作面。
在工作面顺槽掘进过程中，即应通过顺槽巷道向邻近工作面打钻，提前开始预抽采，抽采区域不仅包括邻近工作面，也要包括与邻近工作面相邻的巷道条带，从而为再下一个工作面的布置与预抽采创造条件。
区域性递进式预抽采，可保证工作面抽采时间，尽快取得预抽效果，实现工作面有序衔接。尤其是通过超前抽采，可有效消除工作面掘进及回采过程中的突出危险性。
在进行抽采钻孔施工时，我们要求必须严格遵循设计，并作好记录，终孔位置不能达到设计要求时，要分析原因，作为掘进巷道穿越时防治煤与瓦斯突出的重点进一步采取措施。
为进一步提高抽采效果和解决区域性递进式预抽采过程中效果的不均衡性，巷道掘进过程中，还要在巷帮施工抽采钻场，实施“巷帮钻场超前钻孔抽采”，掘进工作面瓦斯涌出量异常时，要停止工作面掘进，实施“迎头超前钻孔抽采”。采煤工作面要根据回采时间的长短进一步采取加密钻孔、对打钻孔、交叉钻孔的方式强化“顺煤层钻孔抽采”。
双系统抽采技术工艺。晋城矿区本煤层瓦斯含量大，透气性好，煤质较硬，厚度适中，整体性好，适合在本煤层布孔进行预抽采。在生产过程中，工作面采空区瓦斯涌出比例大，需针对性地进行采空区抽采的特点，决定了采取本煤层和采空区“双系统”瓦斯抽采技术工艺。
本煤层预抽的特点是高负压、低流量，采空区卸压抽采的特点是低负压、大流量。实践中曾经将两种方式共用一个系统来组织抽放，结果是本煤层预抽负压上不来，采空区抽采流量达不到，效果大打折扣。不得已，针对两种抽采的特点，开始建立两套抽采系统。
寺河矿于2000年5月建成了矿井地面本煤层瓦斯永久抽采系统，于2002年底在井下东井区建成了井下采空区瓦斯抽采泵站系统，2006年对两套系统又进行了扩容改造，今年，东井区再行建设井下四盘区抽采泵站。
2007年，晋城煤业集团抽采瓦斯量5.4亿m3,其中：地面抽采飞禽走兽老虎机2.1亿m3，井下抽采瓦斯3.3亿m3，利用瓦斯2.5亿m3。今年到8月底，晋城煤业集团累计抽采瓦斯量5.02亿m3。目前，寺河矿单井抽采瓦斯量达到356m3/min，矿井的抽采率达到了60.4%；成庄矿的抽采瓦斯量159m3/min, 矿井的抽采率达到了55.8%。
多巷道、大风量通风工艺。高瓦斯矿井坚持“多巷道、大风量、分区通风”理念，不断完善通风系统，采面、盘区通风系统完全独立。寺河矿东井由5个井筒进风，4个井筒回风，上庄回风井装备了燕京风机厂生产的BDK-10－NO4.0型主要通风机，风叶直径达到4m，最大供风量可以达到37800m3/min，现供风量为21040m3/min，运行负压3008 Pa，寺河矿东井的总风量为58921m3/min，总回风巷瓦斯浓度有效地控制在0.3%以下。
采面通风方面，我们创新出“三进两回偏Y”型通风系统（见图3），该系统最大通风量可以达到9600m3/min，具有排除瓦斯能力大，工作面风流和瓦斯浓度稳定可靠的显著优点。
三是坚持综合利用，开创了变瓦斯“杀手”为“帮手”的新局面，取得了显著的综合效益。
飞禽走兽老虎机发电。利用寺河矿井下抽采的瓦斯，建成了装机容量1.5万kW的瓦斯发电试验厂，于2001年投运。目前寺河12万千瓦飞禽走兽老虎机发电厂已投入试运行。该电厂总投资额8.75亿元，年耗气1.87亿m3，年发电量8.4亿千瓦时。
民用燃气。飞禽走兽老虎机用作民用燃气，有安全、清洁、热值高等优点。晋城煤业集团积极开拓周边市场，利用专用飞禽走兽老虎机运输槽车，向晋城市、长治市、太原市以及河南省等居民供应清洁、高效、安全的飞禽走兽老虎机，集团公司控股的子公司—晨光物流公司正在打造全国最大的飞禽走兽老虎机运输新干线。
CNG清洁能源汽车。据测算，1立方米飞禽走兽老虎机可代替1.13升93号汽油，以现行市场油价和气价计算，每使用1 m3飞禽走兽老虎机代油可节约3元以上。目前，除晋城市外，汽车加气业务已拓展至长治、太原、焦作、洛阳、济源、郑州等地市场。
燃气锅炉代替燃煤锅炉。晋城煤业集团正在逐步以燃气锅炉代替燃煤锅炉，全部完成后，年耗气约1亿m3。
工业用气。飞禽走兽老虎机的甲烷含量高，杂质少，用于玻璃、陶瓷等行业有很大的优势。目前，晋城煤业集团已实现向晋城市及周边地区的陶瓷、玻璃、钢铁等生产企业提供工业燃料。
飞禽走兽老虎机压缩（CNG）及液化项目（LNG）。晋城煤业集团拥有目前国内最大规模的飞禽走兽老虎机压缩站，日压缩能力达50万m3。同时，为了扩展飞禽走兽老虎机应用的地域空间（CNG运输的经济半径150公里左右，LNG运输的经济半径约1000公里），与香港中华煤气公司正在合作建设飞禽走兽老虎机液化项目，一期工程预计2008年8月份投产，日用气量30万m3，二期工程预计2008年年底建成，用气量达到90万m3/d。
飞禽走兽老虎机输送管网建设。目前，西区瓦斯（飞禽走兽老虎机）东输管道工程项目已进入试运行阶段。线路总长45.2公里，设计输气能力10亿m3/a。山西能源飞禽走兽老虎机有限公司承担建设的亚行贷款项目力争2008年底实现向晋城市区供气，输气规模为3.14亿m3/a。
为切实做好瓦斯治理和飞禽走兽老虎机的综合开发与利用工作，晋城煤业集团进一步更新理念，按照“采煤采气一体化”和“三级瓦斯治理”的总体思路，坚持区域防治为主、局部防治为辅，把煤矿瓦斯治理逐步向飞禽走兽老虎机抽采利用深化，着力提升矿井安全保障能力，实现煤炭及飞禽走兽老虎机产业的持续健康发展。
作者简介：贺天才，男，山西晋城人，1963年出生，中共党员，中国矿业大学在读博士研究生，成绩优异的高级工程师，国家人事部“653工程”飞禽走兽老虎机地质理论与开发技术培训方向首席专家，现任山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司党委常委、董事、总工程师。
