王俊紅,楊宏偉,高 婷,劉 科,鄧哲超

(1. 晉能控股裝備制造集團(tuán)成莊礦,山西 晉城 048000;2. 華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院, 北京 東燕郊 065201;3. 山西省能源局,山西 太原 030000)

0 引言

瓦斯是煤的伴生品,具有爆炸、窒息等特性,嚴(yán)重威脅煤炭安全生產(chǎn),在煤炭開采過程中,一般將其作為災(zāi)害進(jìn)行防治,并未將其作為高熱值清潔能源進(jìn)行開采及利用。隨著煤礦瓦斯治理技術(shù)水平的不斷提高、相關(guān)瓦斯利用技術(shù)水平有了長足的發(fā)展,國家及行業(yè)部門對環(huán)保的要求更高,煤與瓦斯綠色開采已提上國家煤礦行業(yè)發(fā)展議程。2016年,國家發(fā)改委發(fā)布的《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,明確提出“建設(shè)集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系”,“因地制宜推廣充填開采、保水開采、煤與瓦斯共采、矸石不升井等綠色開采技術(shù)”。2019年5月29日,中央全面深化改革委員會(huì)第八次會(huì)議審議通過了《關(guān)于在山西開展能源革命綜合改革試點(diǎn)的意見》,其中煤炭綠色開采是山西省開展能源革命綜合試點(diǎn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。煤炭綠色開采是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然趨勢,是走煤炭“減”、“優(yōu)”、“綠”之路的必然選擇,也是構(gòu)建人與自然和諧共生的新型能源供給體系的優(yōu)先選項(xiàng)。袁亮[1]分析了我國深部煤層煤與瓦斯共采現(xiàn)狀與面臨的問題,指出了我國深部煤層煤與瓦斯共采發(fā)展對策。王翰峰[2]論述了高瓦斯礦井零超限瓦斯防治體系,提出了“一超前三結(jié)合”的立體化瓦斯抽采體系。程志恒等[3]論述了近距離煤層群煤與瓦斯高效共采技術(shù)體系,并以山西呂梁沙曲礦區(qū)為例進(jìn)行了闡述。李琰慶等[4]以淮南礦區(qū)為例對常規(guī)的開采上、下保護(hù)層瓦斯治理模式進(jìn)行優(yōu)化研究。鄧明明等[5]對高瓦斯被保護(hù)層煤與瓦斯分源共采技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了“進(jìn)風(fēng)巷高層位超前攔截+回風(fēng)巷平鉆場分層位抽采的頂板走向鉆孔”的瓦斯治理技術(shù)。成莊礦針對單一厚煤層高效“抽—掘—采—用”問題,掌握礦井瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)上確定礦井合理的采掘規(guī)劃及布局,采用不同條件的瓦斯精準(zhǔn)抽采技術(shù)及方法,對瓦斯抽采過程信息化管控技術(shù),做到抽掘采銜接平衡,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯一體化安全高效綠色共采。

1 成莊礦概況

成莊礦是大型國有煤礦,于1989年12月20日開工建設(shè),1997年9月19日正式驗(yàn)收移交投產(chǎn),原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4Mt/a,2005年核定生產(chǎn)能力為8Mt/a。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳生產(chǎn)要素公告([2015]第202號文),礦井生產(chǎn)能力為8.0Mt/a,目前主要開采3號煤層,配采9號、15號煤層。

3號煤:位于山西組下部,沉積穩(wěn)定,屬全區(qū)穩(wěn)定主要可采的厚煤層;厚4.30～7.68m,平均6.44m,一般在6m以上。煤層含夾矸0～4層,一般1～3層,夾矸厚度不大,單層厚均小于0.35m,一般小于0.20m,夾矸總厚一般小于0.50m。煤層頂板多為粉砂巖,少數(shù)為泥巖,底板多為泥巖,少數(shù)為粉砂巖。

9號煤:位于太原組中部,沉積較穩(wěn)定,屬較穩(wěn)定的大部可采煤層;厚0.15～2.00m,平均厚1.09m。煤層頂板為粉砂巖,底板也為粉砂巖,局部為泥巖。

15號煤層:位于太原組下部,屬全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層;厚2.17～5.20m,平均3.73m,一般在3.00m以上。煤層頂板為K2石灰?guī)r,個(gè)別地段為泥巖,底板為泥巖,局部為粉砂巖。

2 單一厚煤層煤與瓦斯共采技術(shù)體系

成莊礦通過科研創(chuàng)新及工程實(shí)踐,開展了區(qū)域瞬變電磁、三維地震勘探、地面微震,局部利用定向鉆機(jī)全覆蓋施工鉆孔探測,已圈定的回采區(qū)域,采用無線電波透視、槽波、井下瞬變電磁、鉆孔窺視等手段探測的礦井“三級”地質(zhì)勘測,形成規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、回采區(qū)、采空區(qū)“四區(qū)”聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合立體抽采、煤炭高效開采、煤與瓦斯共采抽采效果評價(jià)及信息管控、瓦斯的分類梯級利用等技術(shù)研究,形成了成莊礦煤與瓦斯共采綠色開采技術(shù)體系,如圖1所示。

圖1 單一厚煤層煤與瓦斯共采技術(shù)體系

3 地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探測

成莊礦在地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探測方面進(jìn)行了深入的研究和探索,形成了一套適合于礦井生產(chǎn)需要的“物探先行、鉆探驗(yàn)證”地質(zhì)構(gòu)造超前探測技術(shù)體系。在區(qū)域地面探測方面采用瞬變電磁、三維地震勘探、地面微震等探測手段開展相關(guān)工作,包括探測設(shè)備、探測方法、探測結(jié)果、數(shù)據(jù)圖表處理等。井下局部利用定向鉆機(jī)全覆蓋施工鉆孔抽采煤層瓦斯的同時(shí),對采掘工作面前方煤體地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行探測。已圈定的回采區(qū)域,采用無線電波透視、槽波、井下瞬變電磁、鉆孔窺視等手段對工作面陷落柱、小構(gòu)造等進(jìn)行精細(xì)化探測。在地質(zhì)超前預(yù)測管控方面編制回采工作面地質(zhì)信息卡片、巷道掘進(jìn)時(shí)的巖層信息現(xiàn)場記錄和地質(zhì)編錄、回采工作面推進(jìn)過程中推行“測繪技術(shù)進(jìn)采煤工作面”技術(shù)、工作面 “三維立體化”測繪等工作,形成“地質(zhì)先行”超前預(yù)報(bào)技術(shù)管理體系。

4 瓦斯高效精準(zhǔn)抽采

成莊礦采用煤炭開采規(guī)劃區(qū)地面井超前預(yù)抽、準(zhǔn)備區(qū)區(qū)域遞進(jìn)式模塊抽采及條帶井下區(qū)域遞進(jìn)式模塊抽采是以綜采工作面作為單個(gè)模塊,利用現(xiàn)有巷道,采用千米定向鉆機(jī)向相鄰采煤工作面布置長鉆孔,進(jìn)行長時(shí)間預(yù)抽,超前治理將來接替工作面的瓦斯。采用區(qū)域抽采、生產(chǎn)區(qū)順層密集鉆孔強(qiáng)化抽采及采空區(qū)多層位全時(shí)段立體化抽采的模式治理瓦斯,建立了“四區(qū)聯(lián)動(dòng)”抽采體系,實(shí)現(xiàn)了針對不同瓦斯源的高效精準(zhǔn)抽采,有效的控制了工作面上隅角瓦斯?！八膮^(qū)聯(lián)動(dòng)”抽采模式如圖2所示。從以下方面對四區(qū)聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合立體式抽采進(jìn)行論述。

圖2 “四區(qū)聯(lián)動(dòng)”抽采模式

瓦斯含量高于12m3/t的煤炭開采規(guī)劃區(qū)的瓦斯抽采方法包括地面直井、采動(dòng)區(qū)井、 U型井、L型井等。地面井網(wǎng)圖如圖3所示。

圖3 地面井網(wǎng)圖

瓦斯含量在8～12m3/t的煤炭開采準(zhǔn)備區(qū)的瓦斯抽采方法包括地面壓裂與井下長鉆孔聯(lián)合抽采、遞進(jìn)式模塊抽采、條帶區(qū)域抽采等。遞進(jìn)式模塊抽采,如圖4所示。

圖4 遞進(jìn)式模塊抽采

瓦斯含量在8m3/t以下的煤炭開采生產(chǎn)區(qū)的抽采方法包括順層密集鉆孔抽采、采空區(qū)瓦斯抽采等。順層密集鉆孔抽采方法,如圖5所示。

圖5 順層密集鉆孔抽采

采空區(qū)高位鉆孔抽采是利用千米定向鉆機(jī)向采空區(qū)裂隙帶施工大直徑定向高位鉆孔,采空區(qū)中位鉆孔抽采是利用普通鉆機(jī)向采空區(qū)施工中位鉆孔,主要抽采垮落帶瓦斯,改變采空區(qū)瓦斯流場,減少采空區(qū)瓦斯向上隅角轉(zhuǎn)移,如圖6所示。

圖6 采空區(qū)高位鉆孔抽采

采空區(qū)大流量埋管抽采是隨綜采工作面推進(jìn)橫川逐個(gè)進(jìn)入采空區(qū),密閉橫川的同時(shí)埋設(shè)絕緣瓦斯抽采管路,工作面回風(fēng)巷安設(shè)DN600抽采管路,利用井下臨時(shí)瓦斯泵站羅茨真空泵特有的低負(fù)壓、大流量抽采系統(tǒng)對采空區(qū)進(jìn)行大流量瓦斯抽采,以改變采空區(qū)深部瓦斯流場,避免上隅角積聚瓦斯,如圖7所示。

圖7 采空區(qū)大流量埋管抽采

成莊礦利用已建設(shè)的三座地面瓦斯泵站(矸井地面瓦斯抽放泵站、白沙地面瓦斯抽放泵站及段河地面瓦斯抽放泵站)及三座井下臨時(shí)瓦斯泵站(四盤區(qū)井下移動(dòng)泵站、段河井下瓦斯泵站、四盤區(qū)下部井下移動(dòng)泵站)進(jìn)行井下抽采,配合地面井進(jìn)行四區(qū)聯(lián)動(dòng)立體空間全方位多源瓦斯抽采。

5 瓦斯治理過程管控

成莊礦在瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判方面開展了包括抽采達(dá)標(biāo)的指標(biāo)體系建設(shè)、檢驗(yàn)測試與計(jì)算方法研究、管理控制程序等工作。利用瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量、進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分析的評價(jià)。利用礦井通風(fēng)監(jiān)測及決策系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了與礦井現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)獲取、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的模擬仿真、通風(fēng)隱患的及時(shí)報(bào)警等。

從瓦斯參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、通風(fēng)隱患、礦井管理等方面入手建立了礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警指標(biāo),構(gòu)建了多指標(biāo)疊加預(yù)警模型,設(shè)計(jì)了“綠色”、“黃色”、“紅色”三級預(yù)警機(jī)制,研發(fā)了井下數(shù)據(jù)錄入終端,開發(fā)了基于GIS的瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)[6-10]。

6 煤炭高效開采

通過加大回采工作面傾向及走向長度,從而減少工作面數(shù)量來降低采煤工作面煤柱損失。通過優(yōu)化,成莊礦2323回采工作面與5307放頂煤工作面傾向長度增加到220m,5312回采工作面與5314大采高工作面傾向長度增加到300～350m,工作面走向長度最大達(dá)3600m。

綜采工作面引進(jìn)了綜采工作面液壓自移滑靴式電器列車,大采高工作面溜子變頻一體化電動(dòng)機(jī)系統(tǒng), 1.4m帶式輸送機(jī)永磁電機(jī)取代傳統(tǒng)“異步電機(jī)+減速機(jī)”驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),安裝了一套智能集中控制系統(tǒng),使各部帶式輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)顯示在一部機(jī)頭顯示器上。

在生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化方面開展了大量的工作,包括采用了采煤機(jī)智能化控制系統(tǒng)、液壓支架電液智能化控制系統(tǒng)、負(fù)荷中心綜合保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)警系統(tǒng)、井下膠輪車信號系統(tǒng)、礦車定位監(jiān)控系統(tǒng)及排水監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)等。采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控如圖8所示。

圖8 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控框架示意圖

7 瓦斯利用

成莊礦建立了較為完善的煤礦瓦斯規(guī)?；A梯利用技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了不同濃度抽采瓦斯的多渠道、多途徑利用。包括高濃度18MW發(fā)電廠的建設(shè)、12MW低濃度瓦斯發(fā)電廠的建設(shè),46MW高濃度發(fā)電廠的建設(shè)等。

成莊礦地面井預(yù)抽瓦斯?jié)舛仍?0%以上,且全部進(jìn)入了國家“西氣東輸”管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了100%利用;地面泵站抽采濃度為30%以上的瓦斯,進(jìn)入了18MW高濃度瓦斯發(fā)電廠、46MW高濃度發(fā)電廠、瓦斯供暖系統(tǒng)、瓦斯燃?xì)庀到y(tǒng)、一體化直燃機(jī)空調(diào)等,實(shí)現(xiàn)了100%利用;地面泵站抽采濃度為30%以下的瓦斯,進(jìn)入了低濃瓦斯提濃站、12MW低濃度瓦斯發(fā)電廠等。

8 煤與瓦斯共采綠色開采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,成莊礦完成了煤與瓦斯共采綠色開采技術(shù)體系及該體系應(yīng)達(dá)到的指標(biāo),為相似條件礦井開展煤與瓦斯共采綠色開采技術(shù)研究提供示范。

根據(jù)《煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》(DZ/T 0315-2018)規(guī)定要求,在數(shù)字礦山方面:應(yīng)建立礦山生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng);宜建立數(shù)字化資源儲(chǔ)量模型,進(jìn)行礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理和經(jīng)濟(jì)評價(jià),實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量利用的精準(zhǔn)化管理;宜采用計(jì)算機(jī)和智能控制等技術(shù)建設(shè)智能化礦山,實(shí)現(xiàn)信息化和工業(yè)化的深度融合。成莊礦煤與瓦斯共采綠色開采達(dá)到的指標(biāo)見表1。

表1 成莊礦煤與瓦斯共采綠色開采完成指標(biāo)

9 結(jié)論

(1) 成莊礦以“瓦斯抽采全覆蓋”和“三級瓦斯治理”為指導(dǎo),構(gòu)建形成了以地面鉆井抽采、井下遞進(jìn)式模塊抽采、條帶區(qū)域抽采、順層密集鉆孔抽采和采空區(qū)抽采五種模式為主的“四區(qū)聯(lián)動(dòng)”井上下聯(lián)合立體式抽采瓦斯治理體系。

(2) 通過瓦斯災(zāi)害的預(yù)測與預(yù)報(bào),地質(zhì)構(gòu)造的精準(zhǔn)探測,瓦斯治理過程的全面管控,從而實(shí)現(xiàn)了煤炭規(guī)模化綠色安全開采。礦井瓦斯抽采率、瓦斯利用率、噸煤鉆孔工程量、采區(qū)回采率、工作面回采率、斷層(2m以上)預(yù)測精準(zhǔn)率、陷落柱(15m以上)預(yù)測精準(zhǔn)率等指標(biāo)均高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求或處于行業(yè)較高水平。

(3) 成莊礦已建設(shè)完成瓦斯提濃裝備及高、低濃度瓦斯電廠,基本實(shí)現(xiàn)“先采氣、后采煤,形成了成莊礦煤與瓦斯共采綠色開采工程示范,為成孔條件好的類似煤礦提供示范作用。