瓦斯调研报告YX.doc

二、我国瓦斯抽采和利用现状（一）抽采我国对煤炭的开采有较长的历史，也更早地采取了应对瓦斯灾害的措施。1637年据宋应星所著的天工开物一书所描述：矿工应用竹筒把煤矿瓦斯引向地面。建国之前期，对抚顺龙凤矿采空区瓦斯进行了机械抽采，也曾在该矿建造了一定容积的瓦斯罐，把抽上的瓦斯作为民用燃料使用。建国后我国在抚顺龙凤矿建设了正规的抽采瓦斯泵，并在以后形成了一定规模。我国矿井瓦斯抽采技术的发展主要经历了：高透气性煤层瓦斯抽采、邻近层卸压瓦斯抽采、低透气性煤层瓦斯强化抽采和综合抽采四个阶段。综合抽采主要包括：开采层采前预抽瓦斯、邻近层卸压瓦斯抽采及采空区瓦斯采后抽采等相结合的抽采方式，以增加矿井瓦斯的抽采量和提高矿井瓦斯的抽采率。我国瓦斯抽采技术经过几十年的发展，进行瓦斯抽采的矿井数量达到200个，瓦斯抽采量达到1.157109 m3以上。伴随着煤炭行业的迅猛发展，我国在煤矿瓦斯抽采技术、方法及抽采装备等都取得了长足的发展。目前针对高瓦斯矿井的瓦斯抽采可分为地面钻井抽采和井下抽采两大类：1）井下瓦斯抽采技术按照煤矿瓦斯抽采规范井下抽可分为：开采层瓦斯抽采方法（也称为本煤层瓦斯预抽），邻近层瓦斯抽采方法（邻近层卸压瓦斯抽采），采空区瓦斯抽采方法（采动卸压抽采、采空区埋管抽采等），围岩瓦斯抽采和综合抽采。(1)本煤层瓦斯抽采本煤层瓦斯抽采是指采用巷道或钻孔的方式直接抽采开采煤层瓦斯的方法。又分为“预抽”和“边抽”两种形式。在本煤层瓦斯抽采技术中，以顺层长钻孔成孔技术、长钻孔预裂控制爆破技术和水力扩孔技术为发展方向，取得了长足的进步。如，ZSM-250型顺层强力钻机、多级组合钻头、压风喷射装药、双雷管引爆双导爆索技术等。(2)邻近层的瓦斯抽采开采煤层群时，回采煤层的顶、底板围岩将发生冒落、移动、龟裂和卸压，透气系数增加，邻近层的瓦斯，会向工作面和采空区转移。可分为上邻近层和下邻近层瓦斯抽采。(3)采空区抽采采空区瓦斯抽采包括全封闭式抽采和半封闭式抽采两种。全封闭式抽采主要包括密闭式、钻孔式及钻孔与密闭相结合的综合抽采方式；半封闭式抽采指在工作面采空区上方开掘瓦斯抽采专用巷道，在巷中向下面的采空区打钻，抽采下部采空区中的瓦斯。在回采工作面采空区瓦斯抽采方面主要是采用密闭插管及地面钻孔抽采的办法，但是对于具有自燃倾向性的煤层，如何对采空区火灾标志性气体准确监测和对抽采负压和流量实现自动调节是解决采空区遗煤自燃和瓦斯抽采二者矛盾的关键所在。(4)围岩瓦斯抽采煤层围岩的裂隙（溶洞）中存在的高压瓦斯气体，在岩巷的掘进中，可能造成瓦斯喷出、突出危险。为了生产安全，可以在岩巷两侧、掘进工作面向前方的裂隙打钻，进行瓦斯抽采，以来降压解突。(5)综合瓦斯抽采技术随着我国煤炭工业的发展，在瓦斯抽采技术方面的研究也做了大量的工作。上世纪五十年代，基于抚顺地区特厚的高渗透煤层气的问题，在中国第一次成功使用密闭巷道和钻孔预抽瓦斯的瓦斯抽采措施，不仅解决了高透气性煤层气的提取问题，也为抚顺煤矿生产提供技术支持。到60年代中期至70年代，在抽采瓦斯上，除了继续研究邻近层抽采技术和本煤层高透气性煤层瓦斯抽采技术，核心是研究低透气性煤层的瓦斯抽采技术。因此，一段时间内，研究方向是煤层注水，水力割缝、水力压裂等增强瓦斯抽采的技术。到80年代初至90年代中期，随着煤矿机械化程度提高，瓦斯灾害事故频发，开展了综采工作面邻近层瓦斯抽采技术的研究，成功地开发出了顶板布置岩巷、顶板水平长钻孔、煤矿和采面综合抽采瓦斯等新方法。到“九五”期间，在本煤层瓦斯抽采方面，研究了顺层长钻孔成孔技术、长钻孔预裂控制爆破技术、水力扩孔技术；在采空区瓦斯抽采方面，开采工作面采空区抽采主要采用埋管抽采、采空区靠切眼侧密闭抽采、地面、顶板、底板钻孔抽采等方法。2）地面钻井瓦斯抽采技术主要有两种开采方式：一是在未开采煤田内开采煤层气，适合高渗透率煤层开采，对于低渗透率煤层需采取压裂措施；二是在生产矿区内开采煤层气，由于开采所引起上覆煤岩层的下沉和错断，开采层上方岩层裂隙发育，透气性增加，开采比较容易。(1)钻井技术钻井技术分为普通回转和冲击回转。冲击回转使用空气或空气泡沫为循环介质来进行钻井；普通回转使用泥浆为循环介质进行钻井，使用地面打钻，对没有生产的矿井就行矿井预抽瓦斯，并取得较好的治理效果。并进行了泡沫压裂法抽采瓦斯试验，煤层7个地面钻孔的泡沫压裂结果表明:泡沫压裂使瓦斯抽采效率提高了近3倍，其它瓦斯抽采措施(边掘边抽、边采边抽、采空区抽采)应用相对较少，瓦斯抽采率达到5060%，保证了煤矿的安全生产，各采煤国家根据各自的煤田地质条件，采取对应的瓦斯抽采方法，例如煤层预抽采瓦斯，掘进面抽采瓦斯、工作面抽采瓦斯、采空区抽采瓦斯、和地面钻井抽采瓦斯等。(2)完井技术完井技术指开采气井与煤层的连通方式，主要包括裸眼、下套管、复合完井和定向羽状水平井。选择完井技术时应最大限度地保护煤层，防止对开采层造成破坏，降低瓦斯涌入井筒的阻力。目前，常用的完井方法有裸眼完井和下套管完井。裸眼完井是指钻至目标层后，套管下至煤层顶部，使煤层裸露；下套管完井则是在煤层裸露处安设有套管；复合完井增产技术洞穴完井是一种特殊裸眼完井，主要适于高渗透、高压、厚度中等和机械强度低的单煤层。对于多煤层，可将洞穴完井和压裂技术相结合，形成复合完井；定向羽状水平井技术是集钻井、完井和增产技术于一体的复合技术，适于开采低渗透煤层，增加煤层裂隙，降低气体在煤层裂隙中的流动阻力，提高采出率。按煤层瓦斯的抽采方法、卸压瓦斯的来源以及卸压瓦斯的抽采方法不同，我国煤矿形成了“煤与煤层瓦斯共采”技术体系。我国煤层低渗透率普遍比较低，利用开采所引起的岩层破坏，增加煤层的渗透率，在开采的同时对卸压瓦斯进行抽采是我国煤层瓦斯抽采的主要发展方向。（2） 利用 我国对煤矿瓦斯开发利用起步比较早，从20世纪50年代就开始利用煤矿瓦斯,但对其利用率却不高。据统计，目前瓦斯利用量仅占瓦斯抽采量的1/3左右。我国从1952年开始工业性抽放瓦斯并开展瓦斯利用工作，其途径主要是用作民用燃料。众所周知，瓦斯除可以用作民用燃料外，还可用作烧工业锅炉、生产炭黑、甲醛和发电等。目前，我国瓦斯利用主要集中在甲烷浓度大于30%的这一部分，2006年全国重点煤矿抽出的矿井瓦斯累计利用量为6.15108m3，利用率仅为25.53%，其中民用瓦斯4.74x108m3，占77.07% ;发电瓦斯1.41l08m3，占22.93%。可以看出，我国瓦斯利用仍以民用为主。 1)高浓度瓦斯利用 CH4浓度在30%以上的瓦斯,称为高浓度瓦斯。目前我国对瓦斯的利用主要集中在这部分。主要利用方式有民用瓦斯燃气、工业瓦斯锅炉和瓦斯发电。(1)民用瓦斯燃气。阳泉、抚顺矿区对其利用规模较大，年利用量达60106m3,以上，淮南矿区已具备同时向10万户居民供瓦斯燃气的储备能力。(2)工业瓦斯锅炉。晋城、淮南等矿区已应用工业瓦斯锅炉。(3)瓦斯发电。目前瓦斯发电技术已经基本发展成熟。我国自1989年在抚顺老虎台煤矿建成巧1500kw的瓦斯发电站后，贵州、山西等省的瓦斯突出(高瓦斯)矿井相继建设了瓦斯发电站,瓦斯发电机组已达10104 kw。 2)低浓度瓦斯利用 CH4浓度在6%一30%的瓦斯属于低浓度瓦斯，其可利用的潜力巨大。我国瓦斯利用率低的主要原因之一就是没有充分开发利用低浓度瓦斯。煤矿低浓度瓦斯利用的技术途径主要有低浓度瓦斯发电、瓦斯浓缩、掺混燃烧、瓦斯氧化利用。(1)低浓度瓦斯发电技术。利用甲烷浓度在6%一30%的瓦斯实现低浓度瓦斯发电，目前在技术上是可行的，也是低浓度瓦斯利用的最佳技术途径。例如，平煤集团与山东胜动集团合作，在平煤十矿、平煤十二矿建设的4500kw低浓度瓦斯发电站已经全部试验成功，并运行良好。(2)低浓度瓦斯提纯技术。瓦斯提纯主要采用变压吸附技术及低温液化分离技术，将低浓度瓦斯提纯为高浓度瓦斯，从而用作民用燃料和化工原料等加以利用。我国有多家科研单位和高校一直在进行煤矿低浓度瓦斯提纯技术及装备的研究。在变压吸附提纯技术方面，西南化工设计研究院在20世纪80年代就已经开发成功变压吸附法(PSA)提纯瓦斯中CH4的技术。此外，太原理工大学、北京科技大学也在进行变压吸附提纯技术研究。在低温液化分离技术方面，中科院理化技术研究所采用氮气膨胀制冷循环和低温精馏的方法完成了含氧瓦斯的分离与液化工业试验装置的设计工作。哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所天然气液化技术中心拥有日产5m3的瓦斯液化装置，该装置是针对低浓度瓦斯设计的，其包括瓦斯净化、液化、精馏和储存4个部分。(3)低浓度瓦斯燃(焚)烧技术。该技术主要是将低浓度瓦斯作为工业锅炉的辅助燃料，与煤炭掺混燃烧，从而进行发电等利用。目前,主要是煤炭科学研究总院重庆研究分院从事低浓度瓦斯燃(焚)烧技术的研究。(4) 瓦斯氧化利用。该技术主要是将抽排的低浓度瓦斯与煤矿乏风瓦斯相混合，进行氧化反应，利用其产生的热量进行发电、制冷和制热等。 3)矿井乏风瓦斯利用 CH4含量低于5%的煤矿瓦斯气体占80%以上，是瓦斯开发利用的难点，也是应引起高度重视的能源部分。目前，对矿井乏风瓦斯采取的主要措施是直接排空，以减少矿井的安全隐患。矿井乏风瓦斯利用技术主要分为两类:一类是辅助燃料利用技术，另一类是主力燃料利用技术。 (1)辅助燃料利用技术。辅助燃料技术有燃气轮机和内燃发动机。Northwest Fuel Development曾研发小型(225kw)天然气燃气轮机，利用矿井乏风瓦斯发电。1995年，BHP公司在澳大利亚阿平矿建造了瓦斯发电厂，该发电厂由54台1MW的内燃发动机组成。此外，矿井乏风瓦斯也可以用于矿井附近火电厂锅炉、砖窑炉的供风系统中。 (2)主力燃料利用技术。主力燃料利用技术主要有热力双向流反应器(TFRR)和催化媒双向流反应器(CFRR)。热力双向流反应器原本用于消除有机挥发物排放，该技术应用了气体(矿井乏风)与固体间再热交换原理，是将其氧化并生热的一个工艺过程。催化媒双向流反应器的结构设计及运行模式与TFRR基本相同，不同之处在于床体两端增加了惰性材料。此外，还有稀薄燃气轮机、带催化燃烧室的稀薄气轮机、稀薄燃料催化微型汽轮机、浓缩器利用矿井瓦斯乏风。三、国外瓦斯抽采和利用现状（一）抽采世界上对煤矿内瓦斯的抽采研究有很长的时间，资料显示，十八世纪三十年代，英国的WhiteHaven煤矿中就有工人利用直径50 mm管密闭后将立井掘进过程中涌出的瓦斯排出井外，供当地的一名学者研究使用；在1912年的前苏联，马克耶夫救护站的工作人员曾尝试把喷出的瓦斯排出矿井；1923年，日本仔夕张煤矿，在其最上部密闭的坑道内，技术人员用接管的办法把喷出的瓦斯排到了地面。另记载，二十世纪四十年代初德国鲁尔煤田Mansfeld煤矿，在工作面向前推进时，同时进行打孔，并向孔内伸入80mm直径的联管，之后用水泥砂浆封住孔洞，正式抽采煤层中的瓦斯。目前，全球至少17个国家在进行瓦斯抽采技术研究，并将其应用于实际矿井内的瓦斯抽采，许多国家的年抽采量都非常大，其中前苏联、欧洲多国、中国、美国等国家年抽采瓦斯总量超过1109 m3，仅前苏联瓦斯抽采总量就达到2324109 m3，大大提高了其国内矿井的安全生产系数。随着煤矿工业的发展和矿井的下延，瓦斯灾害成为制约矿业发展的主要问题。各国都针对相应的瓦斯灾害进行研究，形成了一套相对完整的矿井瓦斯治理技术体系。在瓦斯治理技术研究中主要有：矿井瓦斯抽采、煤与瓦斯突出防治、上隅角瓦斯积聚治理。1）矿井瓦斯抽采美国于1953年就在圣胡安煤田开始了第一口地面抽采煤层瓦斯的钻井。7080年代，制定了煤层气开发计划，开始大规模的开发与利用。同时，德国、日本、苏联、英国都对矿井内瓦斯的抽采方法进行了研究。后期，加拿大和波兰等多个国家也加入了对矿井瓦斯抽采的研究中，使得矿井瓦斯抽采技术成为高瓦斯矿井瓦斯治理的核心技术。当前主要研究方向集中于增加低渗透率煤层的透气性，松软煤层抽采钻机研究，抽采钻孔成型技术和提高抽采钻孔密封性能等方面。伴随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量也越来越大，因而如何卸载瓦斯压力、增加煤层透气性、加快瓦斯抽采速度、提高其抽采效率成为各国治理重点。欧洲首次工业规模抽采瓦斯是1943年在德国鲁尔矿区曼斯弗尔得矿进行的。自20世纪50年代初开始，煤矿抽采瓦斯在德、英、前苏联、法、日等国迅速发展，抽采瓦斯的矿井数和抽采瓦斯量日益增多，抽采瓦斯技术及装备也迅速发展，随着煤矿开采深度的增大，回采工作面开采强度的提高，矿井、采区和工作面瓦斯涌出量急剧增大，抽采瓦斯已成为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安全生产的必要技术措施。2）煤与瓦斯突出防治煤与瓦斯突出防治是在世界各主要产煤国家研究的一个热点问题。其中前苏联、波兰、日本和德国是发生比较多的国家，其他产煤国家也都有突出事故发生。对于煤与瓦斯突出的防治技术主要体现于：安全开采方法，如，前苏联顿巴斯矿区形成的技术体系包括工艺性措施、技术性措施以及组织性措施，德国伊本比伦煤矿采用刨煤机代替滚筒采煤机