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矿井可行性研究报告 瓦斯抽采及利用方案

第十三章 瓦斯抽采及利用方案

第一节 瓦斯抽采
一、矿井瓦斯灾害程度及抽采的必要性
（一）矿井瓦斯灾害程度
根据勘探地质报告及Ι1煤层瓦斯含量等值线示意图，矿井可采煤层为Ι1煤层，Ι1煤层瓦斯含量一般13~19 ml/g·r，在钻孔N21-3局部瓦斯含量大于19 ml/g·r。本矿井Ι1煤层瓦斯含量普遍偏高，瓦斯成分以沼气为主。
经预测，矿井绝对瓦斯涌出量47.35m3/min，相对瓦斯涌出量46.79m3/t，Ι1工作面绝对瓦斯涌出量20.48m3/min，相对瓦斯涌出量22.27m3/t，本矿井瓦斯涌出量较大。
本矿井按煤与瓦斯突出矿井进行设计，Ι1煤层煤与瓦斯突出危险性较大。
（二）瓦斯抽放的必要性
从以下几个方面来分析本矿井瓦斯抽采的必要性。
1、从煤层瓦斯含量和瓦斯涌出量的大小来看
根据勘探地质报告，煤层瓦斯含量大，经预测，+50m水平矿井最大绝对瓦斯涌出量为47.35m3/min，相对瓦斯涌出量为46.79m3/t，Ι1煤层工作面最大绝对瓦斯涌出量为20.48m3/min，相对瓦斯涌出量为22.27m3/t。按《煤矿安全规程》第145条规定，本矿井必须建立瓦斯抽采系统。
2、从工作面需风量和最大通过风量来看
本矿井Ι1煤层为中厚煤层，工作面采高1.91m，有效过风断面不大，工作面稀释瓦斯所需风量大于工作面的实际通过能力，如不考虑本煤层预抽和采空区抽放，难以保证工作面瓦斯不超限。因此，为保证安全生产，确保保护层工作顺利推进，必须抽放。
3、从防突的角度
本矿井按煤与瓦斯突出矿井设计，煤层瓦斯含量普遍较高，Ι1煤层煤与瓦斯突出危险性大，在开采Ι1煤层前先预抽本煤层瓦斯，解除Ι1煤层的煤与瓦斯突出的潜在威胁，同时可以有效地解决Ι1煤层开采时采掘工作面及回风巷等处瓦斯浓度超限问题，降低瓦斯爆炸的风险，因此从井下安全的角度考虑，也有必要进行瓦斯抽采。
4、从资源利用和环保的角度看
据初步估算，本井田的瓦斯储量约821Mm3，可抽瓦斯量约410.5Mm3，矿井瓦斯资源非常丰富。抽出的瓦斯是一种优质、清洁、高效的能源，用途较广。同时又减少矿井瓦斯排放量，减轻温室效应，达到保护矿区环境的目的。因此，从资源利用和环保的角度看也有必要进行瓦斯抽采。
二、煤层瓦斯抽采基本参数
（一）煤层瓦斯含量
在本井田范围内对Ι1煤层钻孔中采瓦斯样12 件，瓦斯压力测试6 层次，对3 层次煤芯样进行瓦斯突出参数测试。区内背斜轴部及东翼瓦斯含量高，西翼瓦斯含量较低。根据地质报告提供的Ι1煤层瓦斯含量等值线示意图，瓦斯含量一般为13～19 m3/t。
测得煤层瓦斯含量普遍较高，瓦斯自然成分中以沼气为主，其次为H2、N2、C2～ C6、CO2所占百分比很小。
井田位于华蓥山背斜北端，是井田的主体构造，东翼地层倾角在15～45°，西翼地层倾角在10～50°。区内未发现有次级小褶曲，地表未见断层，钻孔中有隐伏断层4 条，对煤层有一定的破坏作用，故构造复杂程度属中等偏简单。勘探区内为一近似对称背斜，按常规煤层中的瓦斯一般应沿倾斜面由深部向浅部运移，在倾向上瓦斯含量应由浅至深逐渐增高，在走向同标高点的瓦斯含量应大致相等。但在勘探区内出现了异常区，位于西翼焦煤区的N20-3 瓦斯中CH4 含量低于平均值，仅为9.86 m3/t，N21-2、N21-5 瓦斯压力值分为1.80MPa、1.56 MPa，远低于轴部及东翼的瘦煤区。影响该区瓦斯赋存和导致异常的主要地质因素为煤层的变质程度。地质报告中提供的瓦斯含量需要在生产实践中进一步检验。
（二）煤层瓦斯压力
根据地质报告，勘探的 6 个钻孔进行了瓦斯压力的测试，压力值为1.56～5.07MPa，平均值1.79 MPa。区内瓦斯压力在背斜两翼及轴部均有一定的变化，在轴部及东翼瓦斯压力值为2.20～5.07MPa，在背斜西翼瓦斯压力值均在2 MPa 以下。根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(MT 637-1996)，当瓦斯压力大于0.74MPａ时，煤层有突出危险。
（三）煤层瓦斯吸附常数
在地质勘探期间，未采样进行工业分析，也未提供各煤层瓦斯吸附常数a、b值、各煤层孔隙率、瓦斯放散初速度和煤的坚固性系数等参数。有待于在下一步工作中补充完善。
（四）煤层透气性系数
地质报告未提供各煤层透气性系数、百米钻孔自然瓦斯涌出量及其衰减系数等参数。有待于在下一步工作中补充完善。
三、矿井瓦斯储量
（一）矿井瓦斯储量
根据《煤矿瓦斯抽采规范》（AQ1027-2006），矿井瓦斯储量系指煤田开发过程中，能够向开采空间排放瓦斯的煤岩层赋存的瓦斯总量，包括可采煤层、不可采煤层以及围岩中所赋存的瓦斯，其计算公式如下：
Wk＝W1 + W2 + W3
式中：Wk——矿井瓦斯储量，Mm3；
W1——可采煤层瓦斯储量总和，Mm3；
W1＝åA1i·X1i
A1i——每一可采煤层的煤炭储量，Mt；
X1i——每一可采煤层的瓦斯含量，m3/t；
W2——采动影响范围内不可采邻近层的瓦斯储量总和，Mm3；
W2＝åA2i·X2i
A2i——可采煤层采动影响范围内每一不可采煤层的煤炭储量，Mt；
X2i——可采煤层采动影响范围内每一不可采煤层瓦斯含量，m3/t；
W3——围岩瓦斯储量，Mm3；
W3＝K（W1 + W2）
K——围岩瓦斯储量系数，一般取K=0.05～0.20；
根据地勘报告，本矿井可采煤层仅有Ι1煤层，煤炭地质储量为43.351Mt。可采煤层瓦斯储量总和为714Mm3。
根据地勘报告，龙潭组地层均含2～3层煤层（线），除Ι1煤层可采外，其余均为煤线，厚度很薄，地勘报告未提供各不可采煤层煤炭储量，更未提供不可采煤层瓦斯含量，本次设计将其视同围岩。
根据相关规范，围岩瓦斯储量K取0.15，围岩瓦斯储量107Mm3。
故本井田瓦斯储量总和为：
W3＝714 + 0 + 107 =821Mm3
（二）矿井瓦斯可抽量
可抽瓦斯量系指矿井瓦斯储量中在目前的开采条件和技术水平下能被抽出来的瓦斯量。采用下式计算：
Wc＝Wk·K
式中：Wc——矿井可抽瓦斯量，Mm3；
Wk——矿井瓦斯储量，Mm3；
K——矿井瓦斯抽采率，%；
因地质报告未提供各煤层透气性系数、百米钻孔自然瓦斯涌出量及其衰减系数等参数，根据煤层赋存条件和煤层结构及裂隙发育情况，并结合邻近矿井抽采情况，本矿井Ι1煤层属于可以抽采煤层，抽采方式Ι1煤层预抽为主，采空区抽采为辅，所以取矿井瓦斯抽采率K=50%，则矿井瓦斯可抽量为：
Wc＝821×50% =410.5Mm3
四、矿井瓦斯抽采系统的选择
对于矿井瓦斯抽采系统一般分为地面钻井抽采系统、矿井地面集中抽采系统和井下临时抽采系统。
目前世界上主要产煤国对煤层气资源化开发利用程度较高，主要方法是地面钻井开采。美国自20世纪70年初首先利用地面钻井的方法开发煤层气资源获得成功；澳大利亚目前广泛应用地面采空区垂直钻孔抽采技术；德国1992年开始应用地面钻井技术开发鲁尔煤田的煤层气；英国煤层渗透率低，目前正在研究低渗透率瓦斯的开发技术。
我国地面钻井抽采瓦斯的开发仍处于勘探试验阶段。白沙、抚顺、焦作、阳泉等矿区曾在20世纪70年代打了40多个地面钻孔，并实施钻孔水力压裂等措施抽采瓦斯，但产气效果不理想。晋城矿区煤层裂隙发育、渗透性好、可抽采性好，从1995年开始进行地面煤层气开发，通过地面钻孔抽采地下煤层气，目前已形成规模，并实现了商业产销用体系。20世纪90年代两淮矿区在地面勘探和开采煤层气方面做了大量工作，先后共施工测试井14口，压裂试生产井8口，但产气效果均不理想，日产量达不到商业开发标准。2002年以来，淮南矿区不断创新抽采理念，积极试验地面钻井抽采采动区、采空区瓦斯，到目前为止，共施工地面钻井12口，其中7口取得成功，4口失败，1口正在考察中。
地面钻井抽采瓦斯技术，虽在国内外已作过研究和试验，但主要是针对煤层赋存稳定、渗透性好的煤层，少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等措施进行过地面钻井抽采瓦斯，但产气效果不理想。
为推进我国煤层气勘探的进程，我国煤层气行业积极吸引外资、引进技术，煤层气开发对外合作十分活跃。如与本矿井同属西南的云南省新庄矿区观音山矿井开发业主云投粤电扎西能源有限公司与澳大利亚米切尔钻井公司已达成初步协议，将在观音山井田内试验地面钻井瓦斯抽采。试验主要内容如下：采用代麦克辛钻井技术，由地面钻两个分支水平井，再与垂直井汇接，进入煤层的水平孔沿煤层走向距离煤层顶板2m定向钻进，进入煤层的水平孔孔径120mm，每口分支井长1625m，煤层内水平孔长935m，非煤系孔长690m，垂直井深550m。据澳大利亚米切尔公司预计，在煤层内每米水平钻孔日产气10m3，两分支井在煤层内水平钻孔总长1870m，按此计算，一组代麦克辛井一年产气610万m3，预计连续抽采一年半后，可将代麦克辛井控制区域内煤体瓦斯含量降到5m3/t以下，其每组井投资约140万美元。。
地面钻井抽采与井下抽采相比具有以下优点：
①不受矿井建设时间和井下巷道延伸的限制，地面抽采与矿井建设可同步进行，抽采时间充分；
②抽采的瓦斯浓度高，产品商业价值大；
地面钻井抽采与井下抽采相比具有以下缺点：
①地面钻井对抽采技术、施工设备要求高，钻井施工成本较高；
②由于地面钻井数量有限，煤体内瓦斯抽采不均匀，靠近地面钻井附近区域瓦斯抽采比较充分，远离地面钻井区域瓦斯抽采效果不充分；
本井田主体结构为华蓥山背斜，井田横跨背斜两翼，井田内无次级褶曲。井田含煤地层为龙潭组(P2l )，该组含煤2－3 层，一般为1 层，从下至上煤层编号为I0、I1、I2 煤层，均位于龙潭组第一段(P2l 1)。I0 煤层厚0.00～0.15m，煤层结构简单，厚度变化大，仅在个别钻孔见有煤线，属不可采煤层。I1 煤层属全区可采煤层，该煤层为本次勘查的主要对象，煤厚0.68～3.40m，平均1.82m。 I2 煤层厚0.00～0.54m，煤层结构简单，厚度变化大，仅在勘查区南部边界的19-2、N19-1 号钻孔中达可采，为零星分布的孤立点，属不可采煤层。矿井煤层瓦斯含量高，根据地质报告提供的Ι1煤层瓦斯含量等值线示意图，瓦斯含量一般为13～19 m3/t.r，在+50m水平背斜轴部瓦斯含量为19 m3/t.r。在井田内 N21-6 号钻孔施工井深726.58m 处，在龙潭组四段（P2l4）石灰岩中发生井喷，井喷火焰高达6m，燃烧7 天后自然熄灭。经达竹煤电集团救护大队现场测定，其燃烧气体成分主要为沼气，在火熄灭后取气体样化验其成分：CH4、C2～C6、CO2、N2、H2 分别为83.62%、0.37%、7.03%、8.31%、0.67%。经对钻孔岩性分析N21-6 号位于背斜轴部，龙潭组四段（P2l4）与煤层顶板由于裂隙导通，由于龙潭组四段（P2l4）的上部龙潭组五段（P2l5）泥岩的隔气作用，煤层瓦斯气储藏于龙潭组四段（P2l4）与煤层上部的裂隙内。该井田为隐伏井田，埋藏最浅达460 米，最深近1200 m，依据瓦斯成分及其它一些指标该井田煤层中瓦斯属甲烷带。
建议本井田开发业主密切关注XX煤田地面抽采实验井地面抽采的进展状况，根据其试验情况，结合本井田的煤层赋存条件，在本矿井一采区背斜轴部，布置1～2个地面钻井，进行煤层气抽采实验，对本矿井地面钻井抽采煤层气是否可行进行验证。
本次设计仍采用目前成熟可靠的井下抽采方法。即在地面设瓦斯抽采泵站，井下建立煤层钻孔管路抽采系统。并且根据抽采方法的不同，为提高系统的抽采效率，分别设立高、低负压抽采系统，在地面泵房分别设泵独立抽采。在矿井生产中可根据需要在井下辅助增加移动抽采泵站配合地面集中抽采系统共同解决矿井的瓦斯问题。
五、瓦斯抽采方法
根据前面预测，+50m水平矿井最大绝对瓦斯涌出量47.35m3/min，相对瓦斯涌出量为46.79m3/t。在矿井瓦斯涌出来源构成中，以回采工作面瓦斯涌出量为主，掘进面和采空区瓦斯涌出量为辅。其中工作面绝对瓦斯涌出量为20.48m3/min，相对瓦斯涌出量为22.27 m3/t。在回采面瓦斯涌出来源构成中，上邻近层瓦斯涌出量占18%,本煤层瓦斯涌出量占82%。
根据瓦斯涌出来源构成，瓦斯抽采方法主要考虑Ⅰ1煤层工作面本煤层预抽，其次是采空区埋管抽采和掘进工作面预抽。具体如下：
（一）本煤层预抽
本煤层预抽一般有两种方式：底板巷道系统布置钻孔网格抽放和本煤层顺层钻孔抽放。由于本矿井开采一层煤，主要瓦斯涌出来源于本煤层，根据周边情况，煤层透气性较差，煤层为中厚煤层，平均厚度为1.77m。采用底板系统网格抽放，钻孔见煤长度小，无卸压瓦斯抽放，钻孔和井巷工程利用率低。本煤层顺层钻孔抽放是沿工作面顺槽布置本层钻孔对煤层进行大面积预抽，煤巷掘进条带采用先抽后掘，这种抽放方式，钻孔利用率高，增加钻孔密度，对抽放效果提高很大。根据本矿井的实际情况，设计推荐本煤层顺层钻孔抽放。
设计推荐本煤层顺层交叉钻孔抽采Ⅰ1煤层煤体内瓦斯，为确保抽放钻孔施工安全，防止施工钻孔时诱发煤与瓦斯突出，设计建议在运输顺槽内布置钻孔，即在掘进Ⅰ1煤层运输顺槽一定长度（如100m）后，垂直煤壁布置上向顺层交叉钻孔，在顺槽掘进、工作面安装期间，预抽Ⅰ1煤层内瓦斯。由于预抽时间较长，为保证预抽效果，设计提前布置一个预抽工作面，在预抽工作面运输顺槽内布置上向顺层交叉钻孔，预抽Ⅰ1煤层内瓦斯。由于预抽时间长短不一致，在工作面靠上山一侧钻孔间距暂按3～6m考虑，靠采区边界一侧，暂按2～4m考虑，钻孔长135m～145m，生产中可根据实际抽放效果调整。钻孔布置如图13-1-1。
图13-1-1 Ⅰ1煤层顺层交叉预抽钻孔布置示意图
（二）采空区埋管抽放
因目前尚无煤层透气性系数，Ⅰ1煤层瓦斯含量高，本煤层预抽时间有限，预抽效果难以保证，再加Ⅰ1煤层厚度存在变化，在局部区域工作面瓦斯涌出量较大，可考虑埋管抽放保护层工作面采空区瓦斯，即在上顺槽内埋管抽放Ⅰ1煤层工作面采空区、上隅角的瓦斯，具体方法为在工作面回风顺槽敷设瓦斯抽放管，抽放管每隔一定距离串接一个三通管件（带组合阀门）作为瓦斯吸入口。随工作面推进，吸气口阀门依次打开，使其处于最佳抽放位置。由于矿井开采自燃煤层，采空区抽放容易引起自然发火，设计对采空区抽放进行了监测和控制，控制抽放负压和抽放量，避免因抽放引起采空区自燃发火。
（三）掘进工作面先抽后掘
本矿井为煤与瓦斯突出矿井，掘进时煤层瓦斯含量高，掘进工作面推进速度快，其瓦斯涌出量大，为防止掘进工作面发生突出和通风安全需要，设计考虑掘进工作面先抽后掘。在掘进工作面向前方及煤壁布置扇形钻孔，钻孔控制范围为：工作面前方60m，巷道两侧10～15m，孔距暂按2～5m考虑，钻孔布置如图13—1—4所示。每次抽采循环掘进50m, 煤巷碛头前方至少保留10m超前距。
图13-1-2 掘进工作面先抽后掘钻孔布置示意图
4、裂隙瓦斯抽采
根据地质报告，在井田内 N21-6 号钻孔施工井深726.58m 处，在龙潭组四段（P2l4）石灰岩中发生井喷，井喷火焰高达6m，燃烧7 天后自然熄灭。经达竹煤电集团救护大队现场测定，其燃烧气体成分主要为沼气，在火熄灭后取气体样化验其成分：CH4、C2～C6、CO2、N2、H2 分别为83.62%、0.37%、7.03%、8.31%、0.67%。经对钻孔岩性分析N21-6 号位于背斜轴部，龙潭组四段（P2l4）与煤层顶板由于裂隙导通，由于龙潭组四段（P2l4）的上部龙潭组五段（P2l5）泥岩的隔气作用，煤层瓦斯气储藏于龙潭组四段（P2l4）与煤层上部的裂隙内。在井田南侧的龙滩井田在以往施工中的一个钻孔因瓦斯喷出并着火，发生将钻探设备烧坏事故。故推断矿井裂隙带瓦斯含量高，储量大，因此本设计考虑向裂隙带或局部瓦斯积聚区域布置钻孔进行预抽。
六、瓦斯抽放效果预计
（一）回采工作面
1、本煤层预抽
+50m水平Ⅰ1煤层瓦斯含量最大为19m3/t.r，根据《煤矿瓦斯抽采基本要求》（AQ1026-2006）的要求，Ⅰ1煤层在开采前其瓦斯含量最大为8.0 m3/t，因此+50m水平Ⅰ1煤层瓦斯含量最大预抽率为57.9%考虑，按一个预抽工作面和一个边采边抽工作面考虑，经预测，+50m水平最大预抽纯量为16m3/min。
2、采空区瓦斯抽采量
本矿井Ⅰ1工作面预计采空区抽放量，根据类似矿井经验，保护层工作面采空区瓦斯抽采纯量按2.67m3/min计。
回采工作面抽采前绝对瓦斯涌出量为20.48 m3/min，实施综合抽采后绝对瓦斯涌出量降为6.23 m3/min，设计最大的回采工作面抽采率可达70%。
（二）掘进工作面
Ⅰ1煤层掘进时设计推荐先抽后掘，根据《煤矿瓦斯抽采基本要求》（AQ1026-2006）的要求，Ⅰ1煤层掘进工作面巷道轮廓线外上帮8m、下帮5m、前方10m的范围内，在掘进前其瓦斯含量降到8.0 m3/t以内，因此Ⅰ1煤层掘进工作面瓦斯含量最大预抽率为62%考虑。根据类似矿井经验，全矿井布置1个Ⅰ1煤层掘进工作面考虑，掘进工作面预抽纯量为5.39m3/min。
（三）裂隙瓦斯抽采
本矿井裂隙带和局部区域瓦斯含量高，突出危险性大，工作面通风严整超限，设计考虑向该区域布置钻孔预抽。根据类似矿井经验，抽采瓦斯量按煤层瓦斯抽采量的50%考虑，裂隙瓦斯抽采为12.03m3/min。
（四）全矿井
本矿井建立高低负压双系统，其中高负压系统担负本煤层预抽、裂隙瓦斯抽采和掘进工作面抽采任务，抽放总量为33.42m3/min，预抽瓦斯抽放浓度按40%考虑，混合瓦斯抽放量为83.55m3/min；低负压系统担负采空区抽采任务，抽放总量为2.67m3/min，抽放浓度按8%考虑，混合瓦斯抽放量为33.4m3/min。
矿井高低负压双系统设计最大抽放量为36.09m3/min，最大矿井抽采率可达50%。
七、瓦斯抽放设备选型计算
（一）管材选择
以管路中最大混合瓦斯流量为依据，流速控制在5m/s～15m/s之间，计算公式采用：
d=0.1457×
式中：d——瓦斯抽放管直径，m；
Q——瓦斯管内最大混合瓦斯流量，m3/s；
V——瓦斯流速，选5～15m/s。
设计根据最大抽放量并考虑一个富裕系数选择抽放管路系统管径，经计算，高负压系统主管管径为500mm，干管管径为400mm，支管管径为250mm，低负压系统主管管径为400mm，支管管径为315mm。瓦斯抽放系统管材选用煤矿用钢丝网骨架聚乙烯管。选择的瓦斯管材必须有煤矿许用合格证、煤安标志（MA）和由质检部门出具的抗静电、抗冲击、耐腐蚀、阻燃的鉴定资料。
（二）管路阻力损失
计算公式：H=69×105(+192.2)0.25
式中 H——阻力损失（Pa）；
L——管路长度（m）；
Q0——标准状态下的混合瓦斯流量（m3/h）；
d——管路内径（mm）；
v0——标准状态下的混合瓦斯运动粘度（m2/s）；
ρ——管道内混合瓦斯密度（kg/m3）；
Δ——管路内壁的当量绝对粗糙度（mm）；
P0——标准大气压力（101325 Pa）；
P——管道内气体的绝对压力（Pa）；
T——管路中的气体温度为t时的绝对温度（K）；
T0——标准状态下的绝对温度（K）。
经计算，高负压系统抽放管路最大磨擦阻力损失为25215Pa，低负压系统抽放管路最大磨擦阻力损失为13660Pa。根据经验，局部阻力按磨擦阻力的20%计，即高负压系统局部阻力损失为5043Pa，低负压系统局部阻力损失为2732Pa。
本矿井抽采方式有预抽和采空区埋管抽，预抽钻孔的孔口负压取15～20kPa，采空区埋管抽孔口负压取3～7.5kPa。
（三）设备选型
瓦斯抽放设备选型详见第六章。

第二节 瓦斯利用
XX北煤矿属高瓦斯矿井，煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，随着矿井生产发展，瓦斯涌出量也将随之增加。煤矿瓦斯是一种优质清洁能源，利用抽出瓦斯作居民生活燃料、供热和发电，既保证矿井的安全生产，又可减少环境污染，改善居民生活条件，提高生活水平。
一、瓦斯利用的工程意义
（一）合理开发充分利用矿山资源，节约能源保护环境
XX北矿瓦斯是一笔宝贵的矿山资源，应该合理开发和有效利用。煤矿瓦斯是一种富含甲烷(CH4)的优质能源，是《京都议定书》明确的六种温室气体之一。其温室效应远高于二氧化碳，还具有破坏地球大气臭氧层作用。初步测算，以XX北煤矿年抽采1891.69×104m3矿井瓦斯为例，如不利用而将其排空，按温室效应折算二氧化碳当量约为268kt，将对大气环境造成一定污染。
另一方面，从节约能源的意义上说，大量优质煤矿瓦斯排入大气，也是一种能源的浪费。本矿井每年抽采1891.69万m3矿井瓦斯，如不利用而将其排空，相当于损失约23kt标准煤，可见，利用瓦斯既可以减轻对大气的污染，又具有较好的节能效益。
（二）加强矿井瓦斯开采利用的科学管理，保证煤矿生产安全，促进煤矿瓦斯产业发展
根据本矿井采煤生产工艺，瓦斯的抽采依附于煤炭生产，其抽采量决定于矿井的煤炭产量。如果将矿井瓦斯用于发电和供热，将从根本上改变矿井瓦斯的抽采格局——变单纯为煤炭生产安全而被动抽采为矿山资源——煤和瓦斯的一体化开采，从而为促进矿井瓦斯开发利用的产业化创造条件。
另一方面，瓦斯利用工程建成后，作为煤矿资源综合利用项目的唯一气源，必须保证稳定可靠地向其承担的用户供气。这就要求XX北煤矿不断加强矿井瓦斯的开发和有效利用，做好矿井瓦斯抽采和利用系统各个环节的技术管理和生产、经营及用户管理，包括井下抽采工程的接续、地面抽采设备和管道的维护保证稳定运行、地面利用系统的管网和储气及调压计量设施的有效工作，减少浪费，保证将抽采的瓦斯气量送到各个用户！
（三）贯彻国家的有关政策
合理开采充分利用矿井瓦斯是贯彻国务院关于加快煤矿瓦斯抽采利用若干意见《国办发 〖2006〗第47号》和国家发改委主持制订的《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十一五”规划》的具体实施步骤。
《国办发〖2006〗第47号》主要精神是“贯彻以人为本，落实科学发展观，建设节约型社会。”国家要求加快煤矿瓦斯的抽采利用，坚持先抽后采、治理与利用并举，防范煤矿瓦斯事故，充分利用能源资源，有效保护生态环境。
我国是世界上最大的发展中国家，也是世界第一煤炭生产大国和消费大国，因而也是温室气体排放量最大的发展中国家。
2005年，我国煤矿共抽采瓦斯23亿m3，利用了10亿m3，约43％，其余约13亿m3，基本排入大气，约占全年抽采矿井瓦斯的57%。煤矿瓦斯富含甲烷，甲烷是除二氧化碳外最主要的温室气体，在全球温室效应中所占比例约为18％。其温室效应在100年期内，每克甲烷约为每克二氧化碳的21倍。
自我国政府1998年5 月签署并于2002年8月核准《京都议定书》以来，因采煤每年向大气排放大量的甲烷，不仅严重影响矿区环境安全，而且已经引起国际社会的普遍关注。要求我国承担温室气体减排指标的国际舆论给我国的压力越来越大！我国政府正积极采取有力的政策措施加快煤矿瓦斯抽采利用。
另从煤炭企业自身的生存和发展来看，加强矿井瓦斯开发利用也势在必行。《国办发〖2006〗第47号》和《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十一五”规划》均明确规定，我国煤矿将实行采煤采气一体化，必须先抽后采，并应使吨煤瓦斯含量降到规定标准以下才允许开采；国家鼓励和扶持开发利用煤矿瓦斯，对超标排放矿井瓦斯进行惩罚，要求国家税务总局和环保总局研究制订具体的优惠政策和相关标准。我国煤矿自由、无序排放瓦斯的状况，必将随着上述政策的贯彻实施，逐步变为制度化的自觉的企业行为。
（四）矿井供电的需要
本矿井瓦斯电站建成后，可为矿井提供8.0MW的第二电源，除满足矿井用电的需要外，可将富余电力上网外售，并将为矿井的进一步发展补充动力。
综上所述，无论从节约能源保护环境，或者扩大供电需求来看，建设矿井瓦斯电站都是十分必要的。
二、瓦斯资源及利用
（一）瓦斯资源
1、瓦斯含量、瓦斯梯度及涌出量
① 瓦斯含量
根据勘探地质报告及Ι1煤层瓦斯含量等值线示意图，矿井可采煤层为Ι1煤层，Ι1煤层瓦斯含量一般13～19 ml/g·r，在钻孔N21-3局部瓦斯含量大于19 ml/g·r。本矿井Ι1煤层瓦斯含量普遍偏高，瓦斯成分以沼气为主。
② 瓦斯涌出量
经预测，矿井绝对瓦斯涌出量47.35m3/min，相对瓦斯涌出量46.79m3/t，Ι1工作面绝对瓦斯涌出量20.48m3/min，相对瓦斯涌出量22.27m3/t，本矿井瓦斯涌出量较大。
2、矿井瓦斯等级
根据上述对本矿井瓦斯状况的分析，本矿井为高瓦斯突出矿井。有煤尘爆炸危险，煤层自然发火倾向为Ⅰ～Ⅱ级。
3、瓦斯储量、可抽采量及服务年限
根据矿井瓦斯抽采工程设计计算，全矿井瓦斯地质储量为4335.6×104t，全矿井瓦斯可抽储量为8.21×108m3。
矿井设计生产能力450kt/a，服务年限48.3a。
4、瓦斯抽采系统
XX北矿为高瓦斯突出矿井，按有煤与瓦斯突出设计，建立永久瓦斯抽采系统。抽采系统分高负压抽采系统和低负压抽采系统。
① 高负压抽采系统：浓度40%的混合瓦斯抽采量为83.55m3/min，瓦斯纯量：33.42m3/min。总阻力（包括井下钻孔负压、管道阻力损失和局部阻力损失）为45258Pa。
瓦斯抽采设备为2台2BEC72型水环式真空泵，配YB2—4507—4型电动机（450kW，10kV），1用1备。泵的工况流量为326m3/min，入口绝对压力为39018.1Pa。
② 低负压抽采系统：浓度8%的混合瓦斯抽采量为33.4m3/min，瓦斯纯量：2.67m3/min。总阻力（包括井下钻孔负压、管道阻力损失和局部阻力损失）为23892Pa。
瓦斯抽采设备为2台2BEC40型水环式真空泵，配YB2—315S—4型电动机（110kW，380V），1用1备。其工况流量为79m3/min，入口绝对压力为64657.3Pa。
③ 瓦斯抽采泵出口正压：3500Pa。
（二）矿井瓦斯抽采量的分配利用
根据煤矿安全规程有关规定，当矿井抽采的瓦斯浓度达到30% (CH4：30%)及以上时，可以利用。本矿井高负压抽采系统的瓦斯浓度为40%，低负压抽采系统的瓦斯浓度8%。按两系统抽采瓦斯量计算的混合浓度为31.24%，混合瓦斯纯量为38.09 m3/min。本次可研按矿井达产后．以正常年两系统抽采纯瓦斯38.09m3/min作为计划分配的基数，按照“发电为主，富余他用”的原则进行分贝。考虑的要点：
①瓦斯富余量的计算，以保证电站设计规模8.0MW所需矿井瓦斯量为依据，且与瓦斯电站的建设期相对应；
② 发电富余的瓦斯，直接供应矿井民用；
③瓦斯发电的余热利用，可研阶段暂以就地供矿井浴室及地面建筑物采暖；
三、建设规模及建设工期
（一）建设规模的确定
燃气电站的规模根据电热负荷、燃料气源供应能力、资金条件及业主建设计划等因素综合确定。
1、用电负荷
矿井主变压器为2×6300kVA，生产能力达到450kt/a时，矿井含选煤厂用电负荷补偿后视在功率为5660.94kVA，有功功率为5292.42kW。
2、燃料供应能力
根据瓦斯气量平衡结果，按矿井计划达产450Kt/a后，瓦斯抽采能力为38.09 m3/min纯瓦斯(CH4：100%)，即121.95m3/min混合瓦斯(CH4：31.24%)计算，每年发电4791.6×104kW·h，需要混合瓦斯5243.5×104m3/a(CH4：32.027%)，占年抽采量的6055.34×104m3/a 的 86.6%，瓦斯抽采量满足要求。
3、建设规模
根据以上建设条件，综合确定瓦斯电站建设规模为8.0MW。
（二）建设工期
按照业主建设安排，本瓦斯电站与矿井同步建设。具体安排为开工以后三年矿井建成投产，预计矿井达产时，瓦斯抽采量达到设计能力38.09m3/min (CH4：100%)，即121.95m3/min (CH4：31.24%)，电站也达到设计规模8.0MW。
四、工艺技术方案及工程内容
（一）系统构成及工作原理
1、系统构成
本电厂的热力系统由简单循环发电加余热回收利用系统构成。
2、系统工作原理
从矿井瓦斯抽采站送来的瓦斯进入经安全水封、切断阀、瓦斯专用阻火器等安全装置，进入预处理系统，经脱水、脱硫净化后，送入内燃机喷燃，形成高温高压燃气推动内燃机活塞作功驱动同轴发电机发电。其高温排气（满负荷状态下可达530 oC），可引入排气换热器回收余热后，冷却到190 oC左右通过排气消声器经烟囱排入大气。
发电机发电过程中产生的热量，通过自身的高、低温冷却器与高低温水泵送来的冷却水通过间接热交换后，循环水经玻璃钢冷却塔冷却后循环使用。当不回收排气余热时，可将高温排气通过冷却塔降温后排入大气。
国产1000GF-WK燃气发电机组发出的400V、50Hz 、8000 kW电能，通过升压后接入矿井35kV/10.5kV/6.3kV 变电所10kV或6kV母线上网自用。
（二）发电机组选型及配组方案
选用8台XX公司1000GF-WK型燃气内燃机发电机组，加配套8台余热回收装置，正常情况下，8台发电机组运行。
·输出电功率：8×1000 kW=8000 kW.
·年发电量：8000 kW×7260 h×0.95＝5517.6×104 kW.h
发电机输出电压0.4kV，频率50Hz
·回收余热量：
a.蒸气形式：0.8MPa饱和蒸汽
余热量： (530-190)×0.268×5250×0.98×8=3750491kcal/h
蒸汽量：3750491÷(662-20)=5841 kg/h
b.热水形式：系统工作压力1.0MPa，进水温度20 oC，出水温度90oC
余热量： (530-120)×0.268×5250×0.98×8=3750491kcal/h
热水量： 3750491Kcal/h÷(90-20) =53578kg/h
（三）主厂房及辅助生产间布置
1、主厂房
主厂房由燃气发电机间、集中控制间、高低压配电间、值班室等组成。主厂房长约55m（包括预留1台位置）、宽约23.7m、主跨高6.5m，辅助间高3.3m。
①燃气发电机间
燃气发电机间内，燃气内燃机、发电机、起动励磁机等连同底座安装在一整体的隔振混凝土基础上，内燃机和发电机通过挠性联轴器
连接。余热回收装置和排气消声器布置在机组靠燃气发动机端后水平排烟道上。发电机组的润滑油箱和油泵布置在发电机房一侧的辅助间内；集中控制室设在发电机房靠发电机的一侧，室内布置发电机组的集中控制柜和多台高低压开关柜。
②内燃机润滑油系统
润滑油系统为发电机组提供具有合适温度和经过过滤的润滑油。燃气内燃机润滑油系统由油箱、循环泵、过滤器、冷却器、回油指示器进回油温度传感器，以及管道阀门等组成。润滑油箱采用高位安装，可通过位差使进入燃气内燃机润滑油具有一定的预压。
系统有关参数如下：
润滑油品种；32#透平油
润滑油最高温度；80℃
过滤精度：20μm
润滑油消耗量：≤1.0g/ kW·h
2、燃料气脱水间
燃料气脱水间在发电机房靠瓦斯气柜端，室内安装2套燃气（瓦斯）预处理系统，用以脱除进入燃机前燃料气中的水分、硫分及其他杂质。
（四）辅助生产系统
1、燃料气供应系统
为确保燃气内燃机燃料的供应要求，设置了燃料气净化、脱水系统，以满足燃气内燃机的使用要求。其有关参数如下：
进气压力：500～3000 mm H2O
流量： 7216.8m3/h (8台发电机组合计)，120.28Nm3/min
过滤精度：40μm（经内燃机燃气组件精滤后可达到3μm）
燃料气来自矿井瓦斯抽采站，利用瓦斯抽采泵余压送至主厂房前，经预处理系统净化、脱水后进入发电机间燃气发动机的燃气组件，调压至3～5kPa后进入内燃机喷燃，推动活塞作功。
燃气脱水、净化：瓦斯电厂采用一套燃气预处理系统。
2、给水及消防系统
① 供水水源及管网
水源直接取自各矿井工业场地给水系统。电厂的补充水及消防用水由矿井统一考虑。通过DN150的给水管道送至各用水点。
② 用水量
a.工业用水
瓦斯电厂采用镍基钎焊热管式余热回收装置。单台1000kW机组高温烟气余热可以产生8kgf/cm2饱和蒸汽约0.626ｔ/h。8台1000kW机组共产生8kgf/cm2饱和蒸汽约5.1ｔ/h。考虑排污等因素。补充软水量共约5.5ｔ/h，每台发电机组除出口高温烟气用来产生饱和蒸汽需耗软水外，其自身机体需用水冷却（一级内循环），因为闭路循环，水量损失很小，单台补充水量按0.004ｔ/h计算，8台机组共需补充水量为0.032ｔ/h，水质为软化水。8台机组共需软水量为5.82ｔ/h。考虑排污等因素。补充软水量共约5.83ｔ/h。为满足余热锅炉及机组内循环给水水质要求，水处理设备采用钠离子交换器，发电厂设LDZN-6型自动切换钠离子交换器一台，处理水量为6～9t/h;同时满足余热锅炉及机组内循环系统补水需求。
8台1000kW机组外循环水量共计1600t/h。其中高温循环水量：
单台120t/h，8台共960 t/h；低温循环水量：单台80t3/h，8台共640 t/h，合计1600t/h，补充水量按2.5%，8台共需40m3/h，880 m3/d（普通水）。
b. 生活用水
电厂三班制，每班共3人，用水指标100L/人.班
电厂生活用水仅为值班运转工人少量饮用水，设1台YR-5-X(16LK-SX)饮水机（热水5L/h，额定功率500W）解决。
c. 消防用水
根据《筑设计防火规范》，电厂内最大消防用水量共2×15=30L/S。火灾延续时间按2小时，一次火灾用水量共216m3。在主厂房四周设置室外地上式消火栓，能满足规范要求。
矿井瓦斯电厂总用水量估算如下表13-2-1：
表13-2-1 矿井瓦斯电厂总用水量估算表
用水项目
用水指标
小时耗量（t/h)
水量(m3/d)
工作时间
备注
冷却循环补充水 （普通水）
循环水量的2.5％
40
880
22
由矿井统一提供
余热装置内循环补充水 （软水）
产生蒸汽量的1.15倍
6.716
148
22

生活用水
100L/人.班
0.0375
0.9
24
每班3人
未预见水量
总量的10％
4.68
102.87
24

合计

51.43
1131.52

电厂总用水量约1130t/d
其中软水148t/d
3、冷却循环水系统
电厂的主厂房内共设有8台燃气发电机组，单台发电机组的高、低温冷却循环水量共200t/h，8台合计1600 t/h，其中：高温冷却循环水量960t/h，低温冷却循环水量640t/h，经高、低温冷却塔冷却后，分别进入高、低温循环水池，通过高、低温循环水泵加压后送至发电机冷却系统循环利用。
根据气象参数资料，瓦斯电厂高温系统选用LRCM-HS-700型方形玻璃钢冷却塔2台（额定冷却水量700m3/h，电机功率2×2×11kW），低温系统选用LRCM-HS-500型方形玻璃钢冷却塔2台（额定冷却水量500m3/h，电机功率2×2×7.5kW），
冷却水池：净空2×6m×6m×4=288m3（两格：高、低温各一格）。
瓦斯电厂内设循环水泵房一座（砖混结构），内设循环水泵6台，四用二备，高、低温循环水系统各3台，分别为二用一备。
循环水泵房建筑面积：（4×3＋2×3）m×4m=18m×4m=72m2。
4、排水
电站场区设排水管道系统，采用清污分流制