1、貴州小礦區煤層氣抽采及發電為雙回路供電電源之一的可行性研究汪東生摘要: 根據貴州小礦區的實際情況，論述了小礦區瓦斯抽采技術和抽采現狀，闡述了小礦區煤層氣抽采發電為雙回路供電電源之一的可行性，存在的問題及解決對策，并對瓦斯利用前景進行分析。關鍵詞: 瓦斯發電，雙回路，可行性1貴州礦區瓦斯資源煤層氣實際上是一種熱值高、無污染的新能源，可用于發電燃料、工業燃料、化工原料和居民生活燃料。同時，對煤層氣的回收利用有助于保護環境，因為煤層氣隨著煤炭開采泄漏到大氣中會加劇全球溫室效應。瓦斯事故是我國煤礦安全事故居高不下的主要矛盾，有效控制瓦斯事故是解決我國煤礦安全問題的關鍵。瓦斯發電的效益相當顯著，在勝利油

2、田勝利動力機械有限公司的試驗顯示：如果是1立方米含量100%的瓦斯，可以發出3.23.3度電，如果是30%含量的1m3瓦斯可以發出1度電。貴州省已查明的煤炭資源保有儲量為2400億噸，埋深2000米以淺的煤層氣資源量為31511億立方米，約占全國煤層氣資源量總量的，全年利用瓦斯5000萬立方米，利用率僅為16%，達到75的目標，全年利用瓦斯可達23437.5萬立方米。如果抽放瓦斯全部被利用，可緩解能源緊張局勢，增加產值,同時還可減排二氧化碳，極大地減少大氣污染。如果將這筆資金投入到煤礦安全設施設備改造以及技術研發升級中，則煤礦安全的現狀將會極大地改善。 2貴州小礦區瓦斯賦存情況及抽采

3、可行性分析2.1 煤層氣特征：含氣量：總的趨勢是甲烷含量隨深度的增加而增加的趨勢。壓力：通過綜合研究建立瓦斯壓力與深度的關系式為：P=0.72h-1.024P瓦斯壓力,Pa;h深度,m。根據關系式可以求得參數，再利用langemuner公式求得甲烷含量與瓦斯壓力的關系為：甲烷含量與深度呈曲線關系變化，在500米深度內大體呈直線關系。可抽放率：可抽放率為31.5%53.16%，平均為40.93%。2.2 煤層氣賦存特征：1）瓦斯含量高，煤層氣含量一般>10m3/t，許多煤層氣儲存區域產生氣井和涌水井或氣水同噴，區域上的煤層氣分布主要與構造，煤層深度，煤巖組分，煤階，頂底板性質和水文地質條件

4、有關。2）構造因素，構造對煤層氣的分布主要表現在三個方面：一是在其它條件近似，煤層圍巖相對封閉較好的條件下，傾角平緩的煤層其煤層氣含量較傾角陡的煤層高，而且斷裂構造對煤層氣的影響，取決于斷裂發育程度和斷裂性質，三是褶曲段或次一級褶曲發育部位，甲烷含量通常偏高。3）煤層厚度因素，一般情況下，煤層厚度越大，煤層氣含量越高，桐鋅貴陽紫云一線以西地區煤層氣含量>15m3/t的區域內,大部分煤層厚度>30m的區域。4）煤巖組分因素，貴州西部盤縣，水城等以半暗型為主，中部廣大地區以半亮型為主，部分地區如納雍，大方，金沙以光亮型，鏡質組含量60%-90%，生氣能力強。5）煤類因素，貴州西部地區一

5、般以肥煤為主，適用于煤層氣勘探，按煤質牌號在平面和剖面上的分布，從NW向SE及由上至下煤的變質程度逐漸增高，含氣量也逐漸增加。6）頂地板性質及蓋層條件，西部地區富煤帶內泥巖發育，煤層直接蓋層往往為泥巖或砂質泥巖，間接蓋層是煤系上覆地層下三疊統飛仙關組厚度100 m的泥巖和細碎屑巖，封蓋性質好，這種蓋層條件是導致該區高瓦斯的重要因素。2.3 瓦斯抽采的可行性貴州以小煤礦為主，小礦區有資源潛力的煤層，含氣量一般都達到或接近地面的采氣要求，但從約半數的鉆井的試井的資料來看，原始儲層壓力一般屬欠壓或正常，超低、高壓的儲層少，氣飽和度不等，一般欠飽和，煤層滲透率變化值很大，從0.0010 (m2/MPa

6、2·d)，總的來看，大多數礦井的滲透率較差。但從采氣實驗的結果來看，一般單井產氣量都達到1000-2000m3/d，有的鉆井可達6000-7000 m3/d，這充分反映這些煤田具有開發煤層氣的有力條件。有些煤礦具有特殊優越的地質條件，有利于煤層氣的生成，賦存，并易于開發。這些礦區適用于煤層氣探井設計，根據94件煤芯瓦斯樣品實測甲烷含量4.1437.66 m3/t（CH4>70%-80%），扣除瓦斯風化帶樣品后，平均甲烷含量15.57m3/t,上述鉆孔煤芯實測含氣量,依次利用美國礦業局Kim法,朗格繆爾氣體吸附方程逐件樣品實驗論證,實測與計算兩種數據擬合較理想,可信度相當高.貴州

7、西部的煤出現變質分帶的異常突變現象,煤級的突然升高,使含氣量也突然增高.有利于煤層氣的開發.一些礦區具有生氣率高,吸附量高(>15m3/t),可解析率高(>70%)的三高特點,具備煤層氣高產富集的條件,所以煤層氣的開發具有可行性.另外，貴州中部地區具有民用氣用戶市場前景,根據含煤情況,轎子山煤礦大硐口井田直接法測得瓦斯含量平均>10m3/t,除部分構造煤外,其余煤層鏡質組分含量高,易于壓裂激化,若能成功,可改善貴州省的煤層氣利用市場的地理布局。2.4 適合貴州小礦區的抽采方法鑒于小礦區煤層的賦存特點,我國煤層氣開發生產的重點應放在井下,利用煤礦井下的采掘巷道,并盡量利用采動影

8、響,通過打鉆孔和其它各種有效技術強化煤層的瓦斯抽采,現場測定和實驗研究表明,采動后支承壓力對開采煤層的滲透系數變化起主要作用,采場前方應力集中帶的煤層滲透系數極低，而且瓦斯壓力在增大,故其內部瓦斯涌出量會下降；當開采煤層卸壓、圍巖松動后瓦斯涌出量會急劇增加,滲透系數值增大很多,可達數百倍,并使解吸流量也增加很多,此即“卸壓增流效應”。因此,不論原始滲透系數怎樣低的煤層,在采動影響煤層卸壓后,其滲透系數會急劇增加,煤層內瓦斯滲流速度大增,瓦斯涌出量也隨之劇增,漏風影響會使涌出瓦斯升浮擴散至覆巖的采動裂隙帶。采動裂隙帶內外邊界為一橢圓拋物面形狀,故稱此裂隙帶為橢拋帶。在三維直角坐標系下,橢拋帶幾何

9、形狀可用數學方程表示為：x2/2a2+y2/2b2=2/c式中：a橢圓長軸之半,即采煤工作面推進距離之半,m;b橢圓短周之半,即工作面長之半,m;c巖層破斷碎脹系數,可由模擬實驗確定。在這里采動裂隙帶不僅是瓦斯運移完成時的聚集場所,而且它還是瓦斯的運移通道。弄清采動裂隙帶的分布規律則可進一步研究瓦斯的運移通道,進而研究瓦斯在覆巖采動裂隙帶內的運移規律。在準確的確定瓦斯運移聚集區的基礎上,合理的布置鉆孔的位置和其它的有關參數,完全能夠高效的抽采高濃度卸壓瓦斯。2.4.1卸壓瓦斯鉆孔抽采方法因這些礦區含瓦斯煤層普遍存在著“兩高三低”的特征,即煤層滲透系數低、煤層瓦斯壓力較低、煤層在水力壓裂等強化措

10、施下形成常規破裂裂隙所占比例低、煤層吸附瓦斯能力高、煤層瓦斯貯存量高,直接從地表鉆井抽采瓦斯,雖成本低廉,但效果不佳。煤層開采及瓦斯抽采實踐及研究表明,在瓦斯礦井,因采動引起煤系地層礦山壓力發生變化,其中孔隙裂隙也有相應變化,結果瓦斯解析運移過程加速,同時,裂隙為瓦斯提供了運移后的聚集場所。科學利用采動礦壓引起的圍巖變化,有效地抽采瓦斯,可實現煤與瓦斯共采。2.4.2采動區井抽采采動區井是從地表向工作面上覆巖層施工的地面鉆孔(井)。在開采影響下,覆巖形成跨落帶、規則移動帶和彎曲下沉帶,在跨落帶和規則移動帶,存在相互貫通破斷裂隙和離層裂隙。巖層在采空區中部的離層裂隙趨于壓實,從而在采空區上部形成

11、層面展布為橢圓形圈的導氣裂隙帶。裂隙帶內巖層垮落移動,支承壓力減弱,瓦斯儲層壓力降低,煤體膨脹表面積增大,滲透性增加,本煤層和鄰近層(含圍巖)瓦斯得以解吸運移。按升浮和擴散理論,在裂隙帶上部離層裂隙發育區漂浮、聚集著大量卸壓瓦斯,在其周邊(即層面上呈現的橢圓形圈)破斷裂隙發育區則有大量游離瓦斯運移。因此,采動區井(孔)在施工時應根據裂隙帶形成的特點,將井(孔) 的終孔位置確定在導氣裂隙帶內,則易于抽采瓦斯.2.4.3頂板水平鉆孔抽采雖然頂板高位抽采巷對放頂煤開采工作面瓦斯防治具有較好的作用,尤其賦存有上鄰近層的放頂煤工作面,其效果更為明顯。但因其獨頭巷的距離長、工程量大、造價高等制約了它的推廣

12、。用頂板大直徑水平鉆孔代替高抽巷,提高泵站抽采能力,即可達到抽出率高、抽采量大的目的。鉆孔抽采本煤層瓦斯煤層瓦斯抽采難易程度取決于兩方面因素,一是煤層瓦斯壓力;二是煤層的滲透性。煤體卸壓后,其透氣性系數會增加。放頂煤開采時,采場前方支承壓力峰值降低且向深部移動,煤壁前方卸壓瓦斯涌出活躍區范圍亦擴大,這給有效抽采瓦斯提供了新的途徑。將鉆孔位置布置在卸壓瓦斯活躍區內,可以高效地抽采瓦斯。3 目前小礦區瓦斯抽放存在的問題及對策3.1小礦區瓦斯抽放存在的問題3.1.1瓦斯抽采技術與裝備落后近年來雖然在瓦斯抽采理論與工程實踐方面取得較大進展，但總體水平仍然較低。貴州小礦區瓦斯抽采率低雖然有煤層基礎條件差

13、、透氣性低等原因,但抽采技術與方法落后、抽采效果差卻是其中的主要原因。如國外井下長鉆孔預抽技術早已屬于成熟技術,但在小礦區還存在不少障礙。3.1.2基礎理論研究和技術創新不夠貴州小礦區瓦斯抽采利用的技術支撐能力不足從理論和技術方上都存在許多關鍵性難題。如對煤與瓦斯突出機理還沒有根本認識,特別是基礎性研究和技術創新與實際差距很大。3.1.3煤礦瓦斯利用受制約由于小煤礦大多位于偏遠落后地區,抽采出來的瓦斯難以充分得到利用,致使大量低濃度瓦斯只能稀釋后排空。而煤礦瓦斯發電入網價格又低,企業無利可圖,也在很大程度上限制了礦井瓦斯利用。3.1.4國家稅收、財政等鼓勵政策力度不足為有效鼓勵煤礦抽采瓦斯和利

14、用,國家出臺了一系列優惠政策。但由于稅費優惠政策力度不夠大,加之瓦斯抽采利用具有高投入、高風險的特點,尤其在勘探、開發的初期,投入資金較大,不僅難以吸引外部資金來礦區投資開發瓦斯資源,就連煤礦本身積極性也增加不大,不利于瓦斯利用工作的廣泛開展。3.2 對策建議(1) 嚴格實施瓦斯治理的先抽后采方針提高思想認識，把瓦斯抽采利用真正擺到生命工程、資源工程的高度，正確處理采煤、掘進和瓦斯抽采的關系，確保瓦斯抽采工作先行。(2) 強制煤礦建立瓦斯抽采系統所有高瓦斯、高突出礦井，必須立即建設抽采系統;系統設施陳舊、運行不正常的要盡快進行更新改造,以使其真正發揮作用。新建煤礦必須同步建設瓦斯抽采系統，煤層

15、中噸煤瓦斯含量要降到規定標準以下，應加大對瓦斯抽采利用方面的投資力度，同時，解決我國煤礦瓦斯抽采利用中的一些技術難題。科技部門應將煤礦瓦斯抽采與利用的研究開發列入重點研究項目之中。(3) 實施獎勵制度，撥付專項費用為了充分調動企業抽采利用瓦斯積極性，必須制定瓦斯利用的長期科技發展規劃，實施獎勵制度，撥付專項費用。煤礦瓦斯抽采利用既有利于煤礦安全生產，還是環境保護所必須的，應將煤礦瓦斯利用作為新興產業來支持，對稅費征收、科技投入、產業政策等方面給予優惠政策。(4) 加大投入力度，推動瓦斯抽采與利用技術的發展，對于瓦斯抽采系統不健全的礦井要限期整改。3.3煤層氣抽采與安全關系，煤層氣發電簡述3.3

16、.1煤層氣抽采與安全關系高突與高瓦斯礦井瓦斯量越來越大。從開采安全角度考慮，無論是抽排、風排，還是地面打鉆抽放，必須把瓦斯抽出來，這樣才能保證井下安全；同時抽采排放瓦斯越多，可利用瓦斯量越大。為此,必須依靠國內外的先進工藝、技術、裝備才能實現瓦斯零排放。3.3.2地面深孔打鉆和井下卸壓瓦斯抽放借鑒國外先進的石油壓裂技術、二氧化碳驅趕技術，規模化抽采煤層氣。利用煤層開采后，煤層氣得到充分卸壓，透氣性大大增加的原理，布置井下鉆孔抽采卸壓瓦斯。3.3.3利用現有的低濃度發電技術 35個小礦區成為一組，達到規模化生產。3.3.4充分利用低濃度瓦斯發電余熱在電站設計時就將余熱利用考慮進去， 發電機組尾氣

17、排放溫度在450630，是很好的能源。可根據各礦裝機情況逐步取消燒煤鍋爐，改由發電廠的熱水供應礦工洗澡、居民取暖，可以節約大量的原煤。還可以利用成熟的溴化鋰技術，把熱變成冷水4目前小礦區雙回路供電電源存在的問題4.1存在的問題根據煤礦安全規程第441條:礦井應有兩回路電源線路,當任一回路發生故障停止供電時,另一回路應能擔負礦井全部負荷。礦井兩回路電源線路上都不得分接任何負荷。正常情況下，礦井電源應采用分列運行方式，一回路運行時另一回路必須帶電備用，以保證供電的連續性。但是對于小礦區來說短期內煤礦完成雙回路供電有許多困難。目前的電網結構，只能為煤礦提供一趟電路且大都與農電混用，屬專線供電的僅有幾

18、個煤礦。若要實現真正的雙回路供電，不僅要新建變電站，改造供電網路，就連煤礦現有的一趟供電線路也必須進行改造。若以現有的電網結構為煤礦提供雙回路供電，僅憑目前的變電站根本無法出線。一是地形地貌限制架接困難，變電站間隔不足，二是線路較遠，需要投資很大。初步估算，新建變電站約需投資5000萬余萬元；架設、改造線路需投資2000余萬元，兩項共計投資7000余萬元。除此之外，煤礦還必須更新10KV高壓室，每個10KV高壓室平均投資約100余萬元。若因雙回路問題停產，不但造成工作面銹蝕損壞，而且造成支柱穿底，頂底和切頂等不安全隱患。所以必須盡快解決資金問題，以最快的速度完成雙回路供電問題的整改工作。大多數

19、礦區由同一區不同的母線段供電,而有些礦三路進線有兩路是在同一區變同一母線段。這些都不是規程要求的來自電力網中不同的區域變電所。還有的礦區提供的電壓不能合環,如果需要換回路,只能停下一路,才能倒另一回路。若幾個礦區上網變電所各自的兩路進線也都在同一區變電。若其中一個礦區發生故障,使得其他幾個生產礦井供電全部中斷,就會給生產礦帶來重大的經濟損失和安全威脅。由此可以看出,礦井雙回路電源應來自不同的區域變電所是非常重要的。4.2 小礦區煤層氣抽采發電為雙回路供電電源之一的可行性貴州小礦區煤炭資源比較豐富，瓦斯儲量也比較高，利用貴州小礦區煤層氣發電為雙回路供電是可行的。4.2.1 利用瓦斯發電的可行性及

20、經濟效益分析若以一個每分鐘抽放 30m3的煤礦為例 , 1h產氣 30× 60=1800m3。按瓦斯濃度 50%計算 ,根據熱值每 m3可發電約 1. 5kwh(燃氣發電機效率以 30%計 ) ,則每 h可發電 1800× 1. 5=2700k Wh,可建設一個裝機容量約 2700k W的電站。如果考慮到發電運行等因素 ,采用6臺 500k W機組開5備 1的方案,5臺機組每小時持續發電2500KW，使用壽命20年以上，每年凈收益558.5萬元。年產15萬噸的煤礦每小時用電量約為400kW，5個年產15萬噸的煤礦每小時用電量約為2000kW，采用5臺 500kW機組開5備

21、1的方案，1h耗瓦斯量30×60=1800m3，每天耗瓦斯量43200 m3，建一個5萬m3的儲氣罐能夠滿足瓦斯抽放循環利用，瓦斯發電就能作為一回路供電電源。表1以抽放 30m3/min的煤礦為例進行瓦斯發電的經濟效益分析。表1 以抽放 30m3/min的煤礦為例進行瓦斯發電的經濟效益項目單位數值年發電量萬k Wh/a30 m3/min× 60min/h× 24h× 500× 1. 5=3240年電費收入萬元 /a0. 21元× 3240萬 =680.4人工成本萬元 /a3管理費萬元 /a按人工費的 80%計為2.4機油消耗萬元 /a

22、33.27配件萬元 /a每臺每年按 2萬元計 ,需要 12資產折舊萬元 /a按 20a折完，23.5財務費用萬元 /a年利率按 5. 9%計算，27.73不可遇見費用萬元 /a20總費用萬元 /a121.9年度利潤萬元 /a558.5圖1為發電機組運行工藝流程圖。瓦斯從井下抽出后經調壓至2 0004 000 Pa之間,依次經過防爆器、兩級防回火裝置,氣水分離器、壓力過高電磁閥、濃度過低電磁閥、銅網阻火器等,進入瓦斯發動機空混室混合,然后進入氣缸,最后在缸內爆炸做功。 4.2.2 瓦斯發電的社會效益利用瓦斯發電不僅具有良好的經濟效益,還具有良好的社會效益。a)有利于環境保護。瓦斯的主要成分是甲烷

23、，而甲烷的溫室效應是二氧化碳的20倍,利用瓦斯發電不但可以變廢為寶，而且可以減少瓦斯排放造成的環境影響，保護人類的生存環境。b)可以充分利用能源，延長產品鏈，實現就地轉化，有效實現能源的綜合利用，提高經濟效益。c)可以改善煤礦供電條件,增加一趟供電電源，實現煤礦安全生產雙回路供電。d)由于貴州小礦區瓦斯儲量十分豐富，同時大部分礦井位于遠離城市的農村地區，民用項目的規模有限，為了提高瓦斯的工業利用水平、利用率，可以大力發展瓦斯發電，擴大瓦斯利用領域，從而解決礦區對電力消耗的需求，有利于煤炭生產。5 需進一步解決的問題5.1 如何提高瓦斯抽放效率由于瓦斯的爆炸極限，煤礦安全規程要求瓦斯利用的濃度不

24、低于30 %。國外進口機組對進氣濃度有嚴格要求,即不低于30 %，否則自動停機。因此，如何提高瓦斯抽放效率成為瓦斯利用急需解決的問題。5.2 低濃度瓦斯如何利用全國抽采的瓦斯中,低濃度的瓦斯（濃度低于30 %）的約占50%，對于這部分瓦斯采取什么樣的技術措施及設備進行利用成為難題。目前情況下，低濃度瓦斯發電主要利用的是流轉反應器技術，該技術能在較低濃度下實現自熱氧化燃燒，當入口氣流速度、濃度等在短時間內發生劇烈波動時，仍能保持穩定操作，具有較高的轉化率和熱回收率。但以流轉反應器技術為基礎建立的低濃度瓦斯發電廠，投資主要包括設備、廠房、運營成本等比較高，短期內難以回收成本。5.3 余熱利用瓦斯發電的燃料熱值利用率只有40 %左右,還有