贵州盘江矿区煤矿瓦斯（煤层气）利用研究.pdf

分 类 号 TD712.67 密 级 学 号 G08096 硕士学位论文硕士学位论文 Thesis for Master’s Degree 贵州贵州盘江矿区煤矿瓦斯（煤层气）盘江矿区煤矿瓦斯（煤层气） 利用研究利用研究 申请人姓名 张文宏 指 导 教 师 伍永平 （校内） 张鸿基 （校外） 类 别 非全日制在职工硕 工 程 领 域 安全工程 研 究 方 向 煤瓦斯利用 2020 年 7 月 万方数据 万方数据 万方数据 少 CO2当量排放量 430 万 t。 盘江矿区瓦斯 （煤层气） 利用工程建设和生产后有利于矿区各矿井达到以煤层气利 用促进煤层气抽采， 以煤层气抽采保矿井安全生产的良性循环， 保证矿区各矿井掘进及 采煤的顺利进行，有效遏制瓦斯事故多发势头，最终实现煤矿安全生产。除此之外，利 用工程的建设会促进当地建材工业的发展，促进当地的运输业、建筑安装行业发展，带 动第三产业，增加地方税收收入，改善当地财政状况，有利于繁荣地方经济文化，促进 社会综合事业发展，社会效益良好。 关 键 词区域利用技术；煤层气利用；瓦斯利用；节能减排 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 strong, construction conditions are good, and market prospects are broad. 3 the utilization of coalbed methane in Panjiang Mining Area is carried out in different areas. The high concentration gas in the area is connected for civil use, and the rest is installed for power generation. The gas power plant built near the mine gas extraction station uses low concentration gas and residual civil gas to generate electricity, and 500 kW gas internal combustion engine generator set is recommended. The scale of gas power generation is 98 500 kW generating units installed in the early stage and 158 500 kW generating units installed in the later stage. 4 The total investment of gas coalbed methane utilization project in Panjiang Mining Area is 7.826.72 million yuan, and the total investment of pre-utilization project is 48.2032 million yuan. The internal rate of return after tax is 9.81, which is higher than the benchmark rate of return of 8, and the net present value of finance is 84.57 million yuan, which has certain economic benefits. With the implementation of this utilization project, the equivalent standard coal of annual utilization of CBM is 153,400 tce/a, and the equivalent standard coal is 313,800 tce/a. The utilization rate of gas is 71.93. The annual reduction of gas emissions is 2526.69 million m3, which can reduce SO2 emissions by 7788 t, smoke and dust emissions by 9892 T and CO2 equivalent emissions by 4.3 million T. 5 After the construction and production of gas coalbed methane utilization project in Panjiang mining area, it is beneficial for every mine in the mining area to achieve the virtuous circle of promoting coalbed methane extraction with the utilization of coalbed methane, ensuring the smooth progress of mine excavation and mining, effectively curbing the tendency of gas accidents, and finally realizing the safety production of coal mine. In addition, the construction of the project will promote the development of the local building materials industry, promote the development of the local transport industry, construction and installation industry, promote the tertiary industry, increase local tax revenue and improve the local financial situation, which is conducive to the prosperity of local economy and culture, promote the development of social comprehensive undertakings, and achieve good social benefits. Key words Regional utilization technology; Coalbed methane utilization; Gas utilization; Energy saving and emission reduction; Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题的背景及研究的意义 ............................................................................................. 1 1.2 煤层气（煤矿瓦斯）国内外利用现状 ......................................................................... 2 1.2.1 国内外利用现状 ...................................................................................................... 2 1.2.2 国内外利用发展趋势 .............................................................................................. 4 1.3 研究内容及技术路线 .................................................................................................... 4 2 矿区概况及煤层气资源开发利用现状 ................................................................................ 6 2.1 矿区概况及瓦斯赋存情况 ............................................................................................. 6 2.2 矿区煤层气抽采情况 ....................................................................................................11 2.3 矿区煤层气利用现状 ................................................................................................... 18 2.4 本章小结 ....................................................................................................................... 19 3 矿区煤层气资源抽采利用条件分析 .................................................................................. 20 3.1 矿区煤层气资源储量分析 ........................................................................................... 20 3.2 矿区抽采瓦斯规模及抽采瓦斯量分析 ....................................................................... 20 3.2.1 基于近几年瓦斯抽采量数据的矿区瓦斯抽采量预测 ........................................ 21 3.2.2 矿区瓦斯抽采量分析 ............................................................................................ 25 3.3 矿区煤层气利用市场条件分析 ................................................................................... 31 3.4 利用工程外部建设条件 ............................................................................................... 31 3.5 本章小结 ....................................................................................................................... 32 4 煤层气利用方案及规模分析 .............................................................................................. 34 4.1 矿区煤层气利用方案的确定 ....................................................................................... 34 4.2 煤层气民用规模 ........................................................................................................... 37 4.3 煤矿瓦斯发电规模 ....................................................................................................... 41 4.4 本章小结 ....................................................................................................................... 50 5 利用工程实施效益分析 ...................................................................................................... 52 5.1 经济效益分析 ............................................................................................................... 52 5.2 节能效果分析 ............................................................................................................... 55 5.3 环境效益分析 ............................................................................................................... 57 5.4 安全社会效益分析 ....................................................................................................... 59 5.5 本章小结 ....................................................................................................................... 60 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 62 万方数据 目录 II 6.1 主要结论 ....................................................................................................................... 62 6.2 展望 ............................................................................................................................... 63 致 谢 ....................................................................................................................................... 64 参考文献 ................................................................................................................................. 65 附录 ......................................................................................................................................... 67 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究的意义 我国煤矿瓦斯资源丰富，国有煤矿大多属于高瓦斯矿井。据粗略估计，地表以下 2000 米以上的煤层含气 35 万亿 m ，基本相当于中国的天然气资源[1]。不幸的是，我国 煤层的透气性普遍很低，难以直接从原始煤层中提取瓦斯。只有在抚顺、辽宁、晋城、 山西等地区，煤层透气性较高，可实现瓦斯预采。这就造成了煤层原始含气量大而不能 抽采的困难局面。 掘进和开采工作进入煤层后， 富气煤层被地应力破坏， 造成大量裂隙， 瓦斯迅速从煤层中涌出，进入巷道空间。煤层气释放的瓦斯在巷道、采空区和层间裂隙 中由高压向低压流动。地下空间高浓度瓦斯气体的表现受地下空间大气压力分布的控 制，威胁着矿井生产安全[1-5]。 贵州省不仅是我国煤炭资源大省，还是我国煤层气资源大省。根据研究成果，贵州 煤层气资源总量为 3.15 万亿 m ，约占全国的 10，居全国第二位。根据省煤田局对煤 层气资源预测评价结论，根据单煤层煤层厚度大于最小可采厚度、甲烷含量大于 4m / 吨的标准测量， 埋深 2000 米以上的煤层气资源量为 31511 亿 m ， 平均资源丰度大约 2.6 亿 m /km ，大于全国平均水平[6-9]。 贵州省煤矿瓦斯含量很大，但利用状况不是很理想。据统计，2012 年 12 月瓦斯抽 采利用率为 22.57，2013 年 6 月瓦斯抽采利用率为 22.88[10]。 2016 年，煤矿井下瓦斯抽采量为 23.13 亿立方米，利用量为 7.67 亿立方米，利用 率为 33.16；瓦斯发电装机容量 34.37 万千瓦；民用户数 1.52 万户；瓦斯事故 1 起， 死亡 7 人[11]。 2017 年，煤矿井下瓦斯抽采量为 25.80 亿立方米，利用量为 8.87 亿立方米，利用 率为 34.38；瓦斯发电装机容量 39.14 万千瓦；民用户数 2.40 万户；瓦斯事故 4 起， 死亡 20 人[12]。 近些年，贵州瓦斯利用工作有很大的改善，但还有很大的提升空间。贵州煤层透气 性较差很少有矿区煤矿进行地面集中抽采瓦斯， 煤矿规模普遍较小单一煤矿瓦斯抽采量 较小。 煤矿抽采瓦斯多为消除矿井瓦斯灾害井工抽采， 煤层瓦斯降低到某一数值不影响 矿井生产安全时便停止抽采， 没有统一抽采规划， 抽采瓦斯浓度抽采量浓度波动性较大， 不便于瓦斯利用。如果能成片成区域统一考虑瓦斯利用，研究煤矿瓦斯（煤层气）区域 利用技术， 在现有瓦斯利用途径基础上从瓦斯利用角度考虑设置瓦斯利用点， 将调节瓦 斯利用量和浓度，增加煤矿瓦斯的利用量，提高煤矿瓦斯（煤层气）利用率，以利用推 动瓦斯治理增强矿井安全生产、 节约能源消耗改变社会能源消费结构、 减少有害气体排 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 放和推动社会和谐发展， 在贵州煤层气利用方面推广应用， 推动贵州瓦斯灾害治理建设 本质安全型矿井和节约减排工作有重大意义。 1.2 煤层气（煤矿瓦斯）国内外利用现状 1.2.1 国内外利用现状 1、瓦斯利用方式 矿井瓦斯是在煤的形成过程中，在高压和厌氧条件下产生的。其主要成分是甲烷， 吸附在煤上。在煤矿开采过程中，由于压力的降低，瓦斯从煤中释放出来。煤层气瓦斯 作为非常规天然气，其组成、用途、下游产品和市场与天然气基本相同。因此，煤层气 瓦斯开发利用开辟了广泛的领域，并已成功实施，许多具有良好经济、社会和环境效益 的工业化实例可作为天然气开发利用的参考。煤层气瓦斯不仅是一种高热值的清洁能 源，而且是一种有价值的合成化工原料。其加工利用前景十分广阔。这是近 20 年来世 界上兴起的一种新能源。 其总资源可与常规天然气相媲美。 下面以煤层气瓦斯作为化工 原料、燃料和发电等方面介绍了煤矿瓦斯利用的发展[18,19]。 （1）作为化工原料 瓦斯气的化工利用途径与天然气相仿， 用作化工原料开发系列化工产品 （见图图 1.1） ， 如甲醇、炭黑、生产乙炔等。 图图 1.1 瓦斯加工利用方向图瓦斯加工利用方向图 但不管是热解生成炭黑、乙炔；氨氧化生成丙烯烷、有机玻璃单体；硝化生成三氯 硝基甲烷；氯化生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷；氧化生成甲醛，还是 转化合成油、氨等，都需要一整套繁杂的化工程序，一般的小企业不但难以掌握，且效 率不高，浪费资源，容易造成二次污染，而本矿井的瓦斯远远不能满足建立一个大的化 工厂的要求。 如果把几个矿井的瓦斯集中起来建立化工厂， 但由于矿井瓦斯气甲烷的含 量一般都在 60以下，长距离管道输送、液化压缩都需要提纯，这无形中增加了矿井 瓦斯 万方数据 1 绪论 3 的运行成本[20-22]。 （2）瓦斯作为民用燃料 瓦斯是一种优质和卫生的能源， 1m 纯甲烷 （浓度 100的瓦斯） 发热量约 35.19MJ， 可折合 1.2kg 的标准煤。作为燃料直接为民用、燃气锅炉和燃气发电机的燃料是一个很 好的选择。作为民用燃料直接用管路供给矿井用燃料锅炉、职工和附近城镇居民之用， 可以替代其它燃料消耗，这是最好的方法，不但利用效率高，而且近距离输送瓦斯气， 不用提纯和液化，减少了输送费用[23]。 （3）瓦斯发电 就目前科技发展的现状，瓦斯气发电采用的主机设备主要有以下四种形式可供选 择蒸汽轮机发电机组、燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组、燃料电池发电[24]。 ①燃料电池发电 燃料电池发电与传统的发电系统不同， 传统的发电系统将燃料热量转化为电能并最 终发电。燃料电池像普通电池一样，通过电化学产生电能。与从储备化学物质中提取电 能的电池不同， 燃料电池通过使用氢燃料来连接电池的阴极和从空气中的氧气到阳极的 放电过程来发电。 它是通过电极反应将氢和氧的化学能直接转化为电能的装置。 该装置 最重要的特点是在反应过程中不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限 制。其能量转换率高达 60-80，实际使用效率是普通内燃机的 2-3 倍。但由于其容 量小，仅适用于小型燃气发电的应用。矿井瓦斯一般较大，这种方式作为矿井瓦斯发电 是不合适的，不考虑[25-27]。 ②蒸汽轮机发电机组 这种发电方式多采用传统的火电机组形式，技术成熟，运行可靠。然而，燃气锅炉 使用燃气作为燃料，目前仅限于小型工业锅炉。由于抽气波动较大，燃气锅炉在大型发 电厂的应用也受到限制。 部分电站锅炉采用煤气混合燃烧技术， 但辅助系统庞大、 复杂、 占地面积大。这种装机发电效率也很低，启动运行时间长，不灵活，所以目前规划的燃 气发电厂基本上不采用这种装机形式[28-30]。 ③燃气气轮机发电机组 该系统虽然复杂、占地面积大，但可以增加余热锅炉和蒸汽轮机联合循环发电，但 可以大大提高发电效率。目前，天然气发电厂的使用较多。 燃气轮机发电限于高瓦斯浓度矿井。 由于井下采气系统的瓦斯浓度变化较大， 随着 工作面的推进、煤层的不同以及煤炭产量的变化，瓦斯浓度也会发生变化。但这些装置 受抽气浓度波动的影响，经常因抽气浓度达不到安全要求而不得不不时启停。因此，近 年来，该装置已广泛应用于具有一定规模、开采效果好、气量和浓度稳定的矿区[31]。 ④燃气内燃机发电机组 近几十年来，特别是近 10 年来，100kW 到 2000kW 的燃气内燃机的应用有了很大 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 的提高。 随着产品技术的不断成熟和环境控制要求的日益严格， 往复式发动机将继续作 为一种低成本的发电产品在燃气发电市场上发挥重要作用。 燃气内燃机的用户增长是由 于其在成本、效率、可靠性和废气排放等方面的长足进步，主要体现在输出功率的提高 和污染物排放的减少上。 在输出功率提高方面， 由于提高了相对输出功率， 因此减少了与柴油发动机在输出 功率及相对价格之间的差距。 在污染物控制方面， 燃气发动机采用两种基本的废气排放 控制方法， 分别应用于化学计量比运行和稀薄燃烧运行。 燃气内燃发动机经过严格维护， 完全可以实现热电联产。从使用的经验来看，功率范围在 500～2000 kW 的燃气发动机 特别适合气源不稳定的煤矿瓦斯使用[32,33]。 2、贵州瓦斯利用现状 贵州瓦斯利用工作有很大的改善， 但还有很大的提升空间。 贵州煤层透气性较差很 少有矿区煤矿进行地面集中抽采瓦斯， 煤矿规模普遍较小单一煤矿瓦斯抽采量较小。 煤 矿抽采瓦斯多为消除矿井瓦斯灾害井工抽采， 煤层瓦斯降低到某一数值不影响矿井生产 安全时便停止抽采，没有统一抽采规划，抽采瓦斯浓度抽采量浓度波动性较大，瓦斯利 用率较低。瓦斯主要利用方式为发电和民用。 1.2.2 国内外利用发展趋势 国外大多数国家都是地面开采煤层气， 其浓度较高， 一般把煤层气当作天然气使用 于工业和民用领域。 我国由于大多数地方煤层透气性差， 增强煤层透气性技术还没有取得突破， 大多煤 层气抽采是煤矿井下钻孔抽采， 抽采的瓦斯浓度比较低。 在我国煤层气利用以后将首先 解决煤层气的浓度问题， 科研攻关煤层气透气问题， 从地面抽采煤层瓦斯或对煤矿井下 抽采低浓度瓦斯进行提纯，把煤层气当作天然气使用于工业和民用领域。 煤矿瓦斯（煤层气）储藏量巨大，如果其能被很好的抽采出来，将改变贵州及周边 煤炭、石油为主的能源消费结构[34-43]。 1.3 研究内容及技术路线 本文以贵州盘江矿区为例，针对盘江矿区 8 对矿井，分析煤矿煤炭资源、瓦斯赋存 预测计算矿区瓦斯储量；分析煤矿瓦斯抽采情况，通过二次指数平滑模型、灰色数列动 态模型预测了矿区各个矿井最近几年瓦斯抽采量； 分析利用市场和外部建设条件， 针对 现有的瓦斯利用技术， 整个盘江矿区统一整体考虑， 根据各矿实际情况和矿井分布情况， 提出经济合理可行的利用方案，预判经济、节能、减排、安全和社会效益，来研究贵州 盘江矿区煤矿瓦斯（煤层气）利用技术。 具体研究内容及技术路线详见图 1.2。 万方数据 1 绪论 5 贵州盘江矿区煤矿瓦斯（煤层气）利用技术研究 现场资料收集 矿区概况及瓦斯赋存情况 煤炭资源及开发情况 煤层气抽采利用现状 煤层气资源利用条件分析 煤层气储量 抽采量及抽采规模 利用市场 外部建设条件 查阅文献并进行理论分析 确定矿区煤层气利用方案及规模 煤层气利用方案 煤层气民用规模 煤层气发电规模 抽采量及抽采规模 利用工程实施效益分析 经济效益 节能效果 环境效益 安全社会效益 结论 图图 1.2 研究内容及技术路线图研究内容及技术路线图 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 2 矿区概况及煤层气资源开发利用现状 2.1 矿区概况及瓦斯赋存情况 1、矿区交通位置 盘江矿区位于贵州省西部， 行政区划分大部份隶属贵州省六盘水市盘县， 西与云南 省富源县毗邻。根据国家大型煤炭基地云贵基地规划的矿区划分，盘江矿区位于东 经 10434′～10459′、北纬 2520′～2604′。矿区走向长 251.95km，倾斜宽 2.6km，面积 706km2。 矿区公路已基本成网，道路等级大部分为二、三级公路，规划建设中的 GZ65 国道 主干线也由东向西从矿区经过。再加上各县乡道路均与国、省道路连通，公路交通十分 方便。 盘江矿区及各矿井交通位置见图图 2.1。 2、矿区瓦斯赋存概况 矿区 5 对是煤与瓦斯突出矿井（土城矿、火铺矿、老屋基矿、月亮田矿、金佳矿）， 1 对是高瓦斯矿井（山脚树矿）；响水矿是煤与瓦斯突出矿井，松河矿根据邻近矿井开 采情况， 预计是煤与瓦斯突出矿井。 矿区土城矿等矿不同煤层的瓦斯含量情况见表表 2.1； 响水矿煤层瓦斯含量情况见表表 2.2；松河矿煤层瓦斯含量情况见表表 2.3。 矿区各煤层瓦斯含量随着煤层埋深的增加，瓦斯含量逐渐增大，瓦斯含量梯度为 0.0352～0.0844m /t m。在现有开采水平以上，即煤层埋深在 500m 以内，煤层瓦斯压力 在 0.50～5.76MPa 之间，瓦斯含量为 3.69～28.77m /t。煤层透气性系数为 3.485 10-4～ 67.586m2/MPa2 d。 万方数据 2 矿区概况及煤层气资源开发利用现状 7 图 2.1 矿区交通位置图 土城煤矿 松河煤矿 响水煤矿 火铺煤矿 老屋基煤矿 山脚树煤矿 月亮田煤矿 金佳煤矿 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 表表 2.1 矿区生产矿井不同煤层瓦斯含量表矿区生产矿井不同煤层瓦斯含量表 煤层 矿井 标高 （m） 1 2 3 4 5 6 7 9 10 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 火铺矿 1660 3.70 3.69 3.72 4.1 3.24 4.97 4.27 6.16 4.66 5.75 5.57 5.21 5.31 6.16 1400 10.30 10.40 10.51 11.20 9.40 11.54 14.44 12.98 9.79 11.38 11.70 10.72 10.96 12.61 1200 15.9 16.92 16.41 20.20 14.98 17.46 14.46 19.31 14.44 16.80 17.48 15.80 16.14 18.47 老屋 基矿 1350 8.73 9.11 7.98 9.46 9.69 10.07 9.00 8.82 8.94 10.04 9.76 10.7 10.39 10.03 10.99 10.31 1100 14.04 14.18 12.58 14.67 15.05 15.68 14.03 13.75 13.52 15.48 15.06 15.88 15.92 15.32 16.78 15.72 山脚 树矿 1450 6.18 5.84 5.70 5.76 5.70 5.99 5.61 5.99 5.60 5.59 5.72 5.73 6.76 6.15 6.20 6.11 1350 6.65 7.35 6.53 7.32 6.56 7.24 6.16 7.65 6.13 7.16 6.73 7.93 9.08 8.24 9.59 7.68 1100 12.05 13.42 11.93 13.20 12.04 13.25 11.49 13.45 11.25 13.07 12.17 14.25 15.62 14.75 16.44 13.26 月亮 田矿 1400 5.33 5.64 6.70 6.89 7.68 6.96 6.77 7.58 7.49 7.86 1100 11.34 11.76 13.72 14.07 15.64 14.09 13.25 15.25 14.78 15.23 土城矿 1500 5.47 3.54 4.71 5.04 5.13 5.35 4.91 5.72 5.63 6.33 5.42 5.90 4.65 1300 13.79 9.13 11.65 12.01 12.43 12.71 11.07 13.24 13.31 14.64 12.68 13.11 10.52 12.11 11.91 1100 18.80 12.87 15.85 15.99 16.71 16.85 14.46 17.59 17.34 18.95 16.57 17.67 13.77 16.03 15.36 金佳矿 1721 1.31 6.92 0.08 15.92 8.92 9.18 19.52 17.02 14.35 万方数据 2 矿区概况及煤层气资源开发利用现状 9 表表 2.2 响水矿瓦斯成分及其含量分析成果表响水矿瓦斯成分及其含量分析成果表 煤层 编号 钻孔 编号 采样深度 （m） 瓦斯自然组分（％） 瓦斯含量（ml/g r） N2 CO2 CH4（含重烃） CO2 CH4 其中重烃 3 J1515 163.45 1.16 98.84 11.60 J1508 470.21 4.44 95.56 10.40 5-2 J1314 308.23 4.75 95.25 11.34 J1315 411.52 4.06 24.43 71.51 4.79 11.76 J1427 340.20 20.39 79.61 7.83 J1515 203.06 1.45 98.55 2.17 9.55 0.15 J1508 525.86 2.43 97.57 1.63 11.82 0.06 J1604 260.79 10.20 89.80 11.10 5-3 J1314 314.38 1.33 98.67 13.97 7 J1427 356.79 11.06 2.60 86.34 1.31 7.42 J1508 545.45 2.73 97.27 15.29 12-1 J1215 452.08 2.96 97.04 9.11 J1314 354.49 2.54 97.46 13.78 J1515 253.78 9.90 90.10 12.47 J1508 578.16 4.80 95.20 12.83 J1604 307.50 10.71 89.29 8.31 17-1 J1215 482.83 0.30 7.82 91.88 2.51 13.82 J1314 369.60 3.42 5.66 90.92 1.56 11.38 0.07 J1315 487.07 7.75 92.25 21.35 J1427 4