贵州小矿区煤层气抽采及发电为双回路供电电源之一的可行性研究

1、贵州小矿区煤层气抽采及发电为双回路供电电源之一的可行性研究汪东生摘要: 根据贵州小矿区的实际情况，论述了小矿区瓦斯抽采技术和抽采现状，阐述了小矿区煤层气抽采发电为双回路供电电源之一的可行性，存在的问题及解决对策，并对瓦斯利用前景进行分析。关键词: 瓦斯发电，双回路，可行性1贵州矿区瓦斯资源煤层气实际上是一种热值高、无污染的新能源，可用于发电燃料、工业燃料、化工原料和居民生活燃料。同时，对煤层气的回收利用有助于保护环境，因为煤层气随着煤炭开采泄漏到大气中会加剧全球温室效应。瓦斯事故是我国煤矿安全事故居高不下的主要矛盾，有效控制瓦斯事故是解决我国煤矿安全问题的关键。瓦斯发电的效益相当显著，在胜利油

2、田胜利动力机械有限公司的试验显示：如果是1立方米含量100%的瓦斯，可以发出3.23.3度电，如果是30%含量的1m3瓦斯可以发出1度电。贵州省已查明的煤炭资源保有储量为2400亿吨，埋深2000米以浅的煤层气资源量为31511亿立方米，约占全国煤层气资源量总量的，全年利用瓦斯5000万立方米，利用率仅为16%，达到75的目标，全年利用瓦斯可达23437.5万立方米。如果抽放瓦斯全部被利用，可缓解能源紧张局势，增加产值,同时还可减排二氧化碳，极大地减少大气污染。如果将这笔资金投入到煤矿安全设施设备改造以及技术研发升级中，则煤矿安全的现状将会极大地改善。 2贵州小矿区瓦斯赋存情况及抽采

3、可行性分析2.1 煤层气特征：含气量：总的趋势是甲烷含量随深度的增加而增加的趋势。压力：通过综合研究建立瓦斯压力与深度的关系式为：P=0.72h-1.024P瓦斯压力,Pa;h深度,m。根据关系式可以求得参数，再利用langemuner公式求得甲烷含量与瓦斯压力的关系为：甲烷含量与深度呈曲线关系变化，在500米深度内大体呈直线关系。可抽放率：可抽放率为31.5%53.16%，平均为40.93%。2.2 煤层气赋存特征：1）瓦斯含量高，煤层气含量一般>10m3/t，许多煤层气储存区域产生气井和涌水井或气水同喷，区域上的煤层气分布主要与构造，煤层深度，煤岩组分，煤阶，顶底板性质和水文地质条件

4、有关。2）构造因素，构造对煤层气的分布主要表现在三个方面：一是在其它条件近似，煤层围岩相对封闭较好的条件下，倾角平缓的煤层其煤层气含量较倾角陡的煤层高，而且断裂构造对煤层气的影响，取决于断裂发育程度和断裂性质，三是褶曲段或次一级褶曲发育部位，甲烷含量通常偏高。3）煤层厚度因素，一般情况下，煤层厚度越大，煤层气含量越高，桐锌贵阳紫云一线以西地区煤层气含量>15m3/t的区域内,大部分煤层厚度>30m的区域。4）煤岩组分因素，贵州西部盘县，水城等以半暗型为主，中部广大地区以半亮型为主，部分地区如纳雍，大方，金沙以光亮型，镜质组含量60%-90%，生气能力强。5）煤类因素，贵州西部地区一

5、般以肥煤为主，适用于煤层气勘探，按煤质牌号在平面和剖面上的分布，从NW向SE及由上至下煤的变质程度逐渐增高，含气量也逐渐增加。6）顶地板性质及盖层条件，西部地区富煤带内泥岩发育，煤层直接盖层往往为泥岩或砂质泥岩，间接盖层是煤系上覆地层下三叠统飞仙关组厚度100 m的泥岩和细碎屑岩，封盖性质好，这种盖层条件是导致该区高瓦斯的重要因素。2.3 瓦斯抽采的可行性贵州以小煤矿为主，小矿区有资源潜力的煤层，含气量一般都达到或接近地面的采气要求，但从约半数的钻井的试井的资料来看，原始储层压力一般属欠压或正常，超低、高压的储层少，气饱和度不等，一般欠饱和，煤层渗透率变化值很大，从0.0010 (m2/MPa

6、2·d)，总的来看，大多数矿井的渗透率较差。但从采气实验的结果来看，一般单井产气量都达到1000-2000m3/d，有的钻井可达6000-7000 m3/d，这充分反映这些煤田具有开发煤层气的有力条件。有些煤矿具有特殊优越的地质条件，有利于煤层气的生成，赋存，并易于开发。这些矿区适用于煤层气探井设计，根据94件煤芯瓦斯样品实测甲烷含量4.1437.66 m3/t（CH4>70%-80%），扣除瓦斯风化带样品后，平均甲烷含量15.57m3/t,上述钻孔煤芯实测含气量,依次利用美国矿业局Kim法,朗格缪尔气体吸附方程逐件样品实验论证,实测与计算两种数据拟合较理想,可信度相当高.贵州

7、西部的煤出现变质分带的异常突变现象,煤级的突然升高,使含气量也突然增高.有利于煤层气的开发.一些矿区具有生气率高,吸附量高(>15m3/t),可解析率高(>70%)的三高特点,具备煤层气高产富集的条件,所以煤层气的开发具有可行性.另外，贵州中部地区具有民用气用户市场前景,根据含煤情况,轿子山煤矿大硐口井田直接法测得瓦斯含量平均>10m3/t,除部分构造煤外,其余煤层镜质组分含量高,易于压裂激化,若能成功,可改善贵州省的煤层气利用市场的地理布局。2.4 适合贵州小矿区的抽采方法鉴于小矿区煤层的赋存特点,我国煤层气开发生产的重点应放在井下,利用煤矿井下的采掘巷道,并尽量利用采动影

8、响,通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的瓦斯抽采,现场测定和实验研究表明,采动后支承压力对开采煤层的渗透系数变化起主要作用,采场前方应力集中带的煤层渗透系数极低，而且瓦斯压力在增大,故其内部瓦斯涌出量会下降；当开采煤层卸压、围岩松动后瓦斯涌出量会急剧增加,渗透系数值增大很多,可达数百倍,并使解吸流量也增加很多,此即“卸压增流效应”。因此,不论原始渗透系数怎样低的煤层,在采动影响煤层卸压后,其渗透系数会急剧增加,煤层内瓦斯渗流速度大增,瓦斯涌出量也随之剧增,漏风影响会使涌出瓦斯升浮扩散至覆岩的采动裂隙带。采动裂隙带内外边界为一椭圆抛物面形状,故称此裂隙带为椭抛带。在三维直角坐标系下,椭抛带几何

9、形状可用数学方程表示为：x2/2a2+y2/2b2=2/c式中：a椭圆长轴之半,即采煤工作面推进距离之半,m;b椭圆短周之半,即工作面长之半,m;c岩层破断碎胀系数,可由模拟实验确定。在这里采动裂隙带不仅是瓦斯运移完成时的聚集场所,而且它还是瓦斯的运移通道。弄清采动裂隙带的分布规律则可进一步研究瓦斯的运移通道,进而研究瓦斯在覆岩采动裂隙带内的运移规律。在准确的确定瓦斯运移聚集区的基础上,合理的布置钻孔的位置和其它的有关参数,完全能够高效的抽采高浓度卸压瓦斯。2.4.1卸压瓦斯钻孔抽采方法因这些矿区含瓦斯煤层普遍存在着“两高三低”的特征,即煤层渗透系数低、煤层瓦斯压力较低、煤层在水力压裂等强化措

10、施下形成常规破裂裂隙所占比例低、煤层吸附瓦斯能力高、煤层瓦斯贮存量高,直接从地表钻井抽采瓦斯,虽成本低廉,但效果不佳。煤层开采及瓦斯抽采实践及研究表明,在瓦斯矿井,因采动引起煤系地层矿山压力发生变化,其中孔隙裂隙也有相应变化,结果瓦斯解析运移过程加速,同时,裂隙为瓦斯提供了运移后的聚集场所。科学利用采动矿压引起的围岩变化,有效地抽采瓦斯,可实现煤与瓦斯共采。2.4.2采动区井抽采采动区井是从地表向工作面上覆岩层施工的地面钻孔(井)。在开采影响下,覆岩形成跨落带、规则移动带和弯曲下沉带,在跨落带和规则移动带,存在相互贯通破断裂隙和离层裂隙。岩层在采空区中部的离层裂隙趋于压实,从而在采空区上部形成

11、层面展布为椭圆形圈的导气裂隙带。裂隙带内岩层垮落移动,支承压力减弱,瓦斯储层压力降低,煤体膨胀表面积增大,渗透性增加,本煤层和邻近层(含围岩)瓦斯得以解吸运移。按升浮和扩散理论,在裂隙带上部离层裂隙发育区漂浮、聚集着大量卸压瓦斯,在其周边(即层面上呈现的椭圆形圈)破断裂隙发育区则有大量游离瓦斯运移。因此,采动区井(孔)在施工时应根据裂隙带形成的特点,将井(孔) 的终孔位置确定在导气裂隙带内,则易于抽采瓦斯.2.4.3顶板水平钻孔抽采虽然顶板高位抽采巷对放顶煤开采工作面瓦斯防治具有较好的作用,尤其赋存有上邻近层的放顶煤工作面,其效果更为明显。但因其独头巷的距离长、工程量大、造价高等制约了它的推广

12、。用顶板大直径水平钻孔代替高抽巷,提高泵站抽采能力,即可达到抽出率高、抽采量大的目的。钻孔抽采本煤层瓦斯煤层瓦斯抽采难易程度取决于两方面因素,一是煤层瓦斯压力;二是煤层的渗透性。煤体卸压后,其透气性系数会增加。放顶煤开采时,采场前方支承压力峰值降低且向深部移动,煤壁前方卸压瓦斯涌出活跃区范围亦扩大,这给有效抽采瓦斯提供了新的途径。将钻孔位置布置在卸压瓦斯活跃区内,可以高效地抽采瓦斯。3 目前小矿区瓦斯抽放存在的问题及对策3.1小矿区瓦斯抽放存在的问题3.1.1瓦斯抽采技术与装备落后近年来虽然在瓦斯抽采理论与工程实践方面取得较大进展，但总体水平仍然较低。贵州小矿区瓦斯抽采率低虽然有煤层基础条件差

13、、透气性低等原因,但抽采技术与方法落后、抽采效果差却是其中的主要原因。如国外井下长钻孔预抽技术早已属于成熟技术,但在小矿区还存在不少障碍。3.1.2基础理论研究和技术创新不够贵州小矿区瓦斯抽采利用的技术支撑能力不足从理论和技术方上都存在许多关键性难题。如对煤与瓦斯突出机理还没有根本认识,特别是基础性研究和技术创新与实际差距很大。3.1.3煤矿瓦斯利用受制约由于小煤矿大多位于偏远落后地区,抽采出来的瓦斯难以充分得到利用,致使大量低浓度瓦斯只能稀释后排空。而煤矿瓦斯发电入网价格又低,企业无利可图,也在很大程度上限制了矿井瓦斯利用。3.1.4国家税收、财政等鼓励政策力度不足为有效鼓励煤矿抽采瓦斯和利

14、用,国家出台了一系列优惠政策。但由于税费优惠政策力度不够大,加之瓦斯抽采利用具有高投入、高风险的特点,尤其在勘探、开发的初期,投入资金较大,不仅难以吸引外部资金来矿区投资开发瓦斯资源,就连煤矿本身积极性也增加不大,不利于瓦斯利用工作的广泛开展。3.2 对策建议(1) 严格实施瓦斯治理的先抽后采方针提高思想认识，把瓦斯抽采利用真正摆到生命工程、资源工程的高度，正确处理采煤、掘进和瓦斯抽采的关系，确保瓦斯抽采工作先行。(2) 强制煤矿建立瓦斯抽采系统所有高瓦斯、高突出矿井，必须立即建设抽采系统;系统设施陈旧、运行不正常的要尽快进行更新改造,以使其真正发挥作用。新建煤矿必须同步建设瓦斯抽采系统，煤层

15、中吨煤瓦斯含量要降到规定标准以下，应加大对瓦斯抽采利用方面的投资力度，同时，解决我国煤矿瓦斯抽采利用中的一些技术难题。科技部门应将煤矿瓦斯抽采与利用的研究开发列入重点研究项目之中。(3) 实施奖励制度，拨付专项费用为了充分调动企业抽采利用瓦斯积极性，必须制定瓦斯利用的长期科技发展规划，实施奖励制度，拨付专项费用。煤矿瓦斯抽采利用既有利于煤矿安全生产，还是环境保护所必须的，应将煤矿瓦斯利用作为新兴产业来支持，对税费征收、科技投入、产业政策等方面给予优惠政策。(4) 加大投入力度，推动瓦斯抽采与利用技术的发展，对于瓦斯抽采系统不健全的矿井要限期整改。3.3煤层气抽采与安全关系，煤层气发电简述3.3

16、.1煤层气抽采与安全关系高突与高瓦斯矿井瓦斯量越来越大。从开采安全角度考虑，无论是抽排、风排，还是地面打钻抽放，必须把瓦斯抽出来，这样才能保证井下安全；同时抽采排放瓦斯越多，可利用瓦斯量越大。为此,必须依靠国内外的先进工艺、技术、装备才能实现瓦斯零排放。3.3.2地面深孔打钻和井下卸压瓦斯抽放借鉴国外先进的石油压裂技术、二氧化碳驱赶技术，规模化抽采煤层气。利用煤层开采后，煤层气得到充分卸压，透气性大大增加的原理，布置井下钻孔抽采卸压瓦斯。3.3.3利用现有的低浓度发电技术 35个小矿区成为一组，达到规模化生产。3.3.4充分利用低浓度瓦斯发电余热在电站设计时就将余热利用考虑进去， 发电机组尾气

17、排放温度在450630，是很好的能源。可根据各矿装机情况逐步取消烧煤锅炉，改由发电厂的热水供应矿工洗澡、居民取暖，可以节约大量的原煤。还可以利用成熟的溴化锂技术，把热变成冷水4目前小矿区双回路供电电源存在的问题4.1存在的问题根据煤矿安全规程第441条:矿井应有两回路电源线路,当任一回路发生故障停止供电时,另一回路应能担负矿井全部负荷。矿井两回路电源线路上都不得分接任何负荷。正常情况下，矿井电源应采用分列运行方式，一回路运行时另一回路必须带电备用，以保证供电的连续性。但是对于小矿区来说短期内煤矿完成双回路供电有许多困难。目前的电网结构，只能为煤矿提供一趟电路且大都与农电混用，属专线供电的仅有几

18、个煤矿。若要实现真正的双回路供电，不仅要新建变电站，改造供电网路，就连煤矿现有的一趟供电线路也必须进行改造。若以现有的电网结构为煤矿提供双回路供电，仅凭目前的变电站根本无法出线。一是地形地貌限制架接困难，变电站间隔不足，二是线路较远，需要投资很大。初步估算，新建变电站约需投资5000万余万元；架设、改造线路需投资2000余万元，两项共计投资7000余万元。除此之外，煤矿还必须更新10KV高压室，每个10KV高压室平均投资约100余万元。若因双回路问题停产，不但造成工作面锈蚀损坏，而且造成支柱穿底，顶底和切顶等不安全隐患。所以必须尽快解决资金问题，以最快的速度完成双回路供电问题的整改工作。大多数

19、矿区由同一区不同的母线段供电,而有些矿三路进线有两路是在同一区变同一母线段。这些都不是规程要求的来自电力网中不同的区域变电所。还有的矿区提供的电压不能合环,如果需要换回路,只能停下一路,才能倒另一回路。若几个矿区上网变电所各自的两路进线也都在同一区变电。若其中一个矿区发生故障,使得其他几个生产矿井供电全部中断,就会给生产矿带来重大的经济损失和安全威胁。由此可以看出,矿井双回路电源应来自不同的区域变电所是非常重要的。4.2 小矿区煤层气抽采发电为双回路供电电源之一的可行性贵州小矿区煤炭资源比较丰富，瓦斯储量也比较高，利用贵州小矿区煤层气发电为双回路供电是可行的。4.2.1 利用瓦斯发电的可行性及

20、经济效益分析若以一个每分钟抽放 30m3的煤矿为例 , 1h产气 30× 60=1800m3。按瓦斯浓度 50%计算 ,根据热值每 m3可发电约 1. 5kwh(燃气发电机效率以 30%计 ) ,则每 h可发电 1800× 1. 5=2700k Wh,可建设一个装机容量约 2700k W的电站。如果考虑到发电运行等因素 ,采用6台 500k W机组开5备 1的方案,5台机组每小时持续发电2500KW，使用寿命20年以上，每年净收益558.5万元。年产15万吨的煤矿每小时用电量约为400kW，5个年产15万吨的煤矿每小时用电量约为2000kW，采用5台 500kW机组开5备

21、1的方案，1h耗瓦斯量30×60=1800m3，每天耗瓦斯量43200 m3，建一个5万m3的储气罐能够满足瓦斯抽放循环利用，瓦斯发电就能作为一回路供电电源。表1以抽放 30m3/min的煤矿为例进行瓦斯发电的经济效益分析。表1 以抽放 30m3/min的煤矿为例进行瓦斯发电的经济效益项目单位数值年发电量万k Wh/a30 m3/min× 60min/h× 24h× 500× 1. 5=3240年电费收入万元 /a0. 21元× 3240万 =680.4人工成本万元 /a3管理费万元 /a按人工费的 80%计为2.4机油消耗万元 /a

22、33.27配件万元 /a每台每年按 2万元计 ,需要 12资产折旧万元 /a按 20a折完，23.5财务费用万元 /a年利率按 5. 9%计算，27.73不可遇见费用万元 /a20总费用万元 /a121.9年度利润万元 /a558.5图1为发电机组运行工艺流程图。瓦斯从井下抽出后经调压至2 0004 000 Pa之间,依次经过防爆器、两级防回火装置,气水分离器、压力过高电磁阀、浓度过低电磁阀、铜网阻火器等,进入瓦斯发动机空混室混合,然后进入气缸,最后在缸内爆炸做功。 4.2.2 瓦斯发电的社会效益利用瓦斯发电不仅具有良好的经济效益,还具有良好的社会效益。a)有利于环境保护。瓦斯的主要成分是甲烷

23、，而甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍,利用瓦斯发电不但可以变废为宝，而且可以减少瓦斯排放造成的环境影响，保护人类的生存环境。b)可以充分利用能源，延长产品链，实现就地转化，有效实现能源的综合利用，提高经济效益。c)可以改善煤矿供电条件,增加一趟供电电源，实现煤矿安全生产双回路供电。d)由于贵州小矿区瓦斯储量十分丰富，同时大部分矿井位于远离城市的农村地区，民用项目的规模有限，为了提高瓦斯的工业利用水平、利用率，可以大力发展瓦斯发电，扩大瓦斯利用领域，从而解决矿区对电力消耗的需求，有利于煤炭生产。5 需进一步解决的问题5.1 如何提高瓦斯抽放效率由于瓦斯的爆炸极限，煤矿安全规程要求瓦斯利用的浓度不

24、低于30 %。国外进口机组对进气浓度有严格要求,即不低于30 %，否则自动停机。因此，如何提高瓦斯抽放效率成为瓦斯利用急需解决的问题。5.2 低浓度瓦斯如何利用全国抽采的瓦斯中,低浓度的瓦斯（浓度低于30 %）的约占50%，对于这部分瓦斯采取什么样的技术措施及设备进行利用成为难题。目前情况下，低浓度瓦斯发电主要利用的是流转反应器技术，该技术能在较低浓度下实现自热氧化燃烧，当入口气流速度、浓度等在短时间内发生剧烈波动时，仍能保持稳定操作，具有较高的转化率和热回收率。但以流转反应器技术为基础建立的低浓度瓦斯发电厂，投资主要包括设备、厂房、运营成本等比较高，短期内难以回收成本。5.3 余热利用瓦斯发电的燃料热值利用率只有40 %左右,还有