盘江矿区煤矿瓦斯抽采综合利用与安全效益分析

唐志鹏龙祖根张梦雅马 曙

(1. 贵州大学矿业学院,贵州省贵阳市,550025; 2. 贵州省煤矿设计研究院,贵州省贵阳市,550025)

盘江矿区煤矿瓦斯抽采综合利用与安全效益分析

唐志鹏1龙祖根2张梦雅1马 曙2

(1. 贵州大学矿业学院,贵州省贵阳市,550025; 2. 贵州省煤矿设计研究院,贵州省贵阳市,550025)

结合盘江矿区煤矿瓦斯抽采利用“十三五”规划,采用安全经济学理论和采矿业生产安全性指标,建立评价模型,分析瓦斯抽采综合利用安全效益特征及安全直接经济效益。结果表明盘江矿区瓦斯抽采综合利用可以有效减小煤层瓦斯含量和瓦斯事故率;盘江矿区瓦斯抽采综合利用随着投入相应增加,瓦斯抽采量和伴生煤产量也相应增加,安全效益的直接经济效益明显,瓦斯抽采率和利用率达到相对较高水平后瓦斯抽采量将保持平稳,持续的安全投入将出现负效益;盘江矿区瓦斯抽采利用将有效提高煤矿企业的技术研发能力和安全生产环境水平以及采掘机械化水平,投资效益高,安全经济效益显著。

安全生产 瓦斯抽采 煤矿瓦斯 安全效益 盘江矿区

瓦斯灾害是煤矿最主要和最严重的事故灾害,同时也是煤矿安全治理投入最多和最主要的环节。贵州煤矿主要是高瓦斯突出矿井,瓦斯治理问题尤其突出。针对瓦斯灾害,2015年7月9日国家安全生产监督管理总局发布了第82号令《强化煤矿瓦斯防治十条规定》,规定强调要加强煤矿瓦斯抽采,突出矿井必须建立地面永久瓦斯抽采系统。国家在煤矿瓦斯治理上投入最大,瓦斯治理是煤矿安全治理的重头。

盘江矿区区域面积广阔,瓦斯资源丰富,根据贵州煤矿地质调查报告,预计盘江矿区瓦斯总储量1509亿m3。

当前煤炭市场低迷,根据《国务院关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》,煤矿瓦斯抽采综合利用成为煤矿发展转型的一个突破口。在此背景下,煤矿瓦斯抽采综合利用,一方面改变传统开采布局,最大限度开采保护层,全面实施沿空留巷、沿空掘巷、跨上山、跨石门等无煤柱自成巷开采技术,全面提高瓦斯抽采工艺、技术、装备管理及研发水平,提高企业机械化、自动化水平,推进企业科技进步;另一方面大规模实施瓦斯抽采利用项目,最大限度抽采卸压瓦斯,充分利用伴生煤炭资源优势,推动煤矿资源开发利用升级,促进企业结构调整,显著提高煤矿企业经济效益和社会效益。本文基于安全经济学理论和采矿业生产安全性指标,建立评价模型,并对瓦斯抽采综合利用安全效益进行了分析比较。

1 安全效益评价模型

(1)效益反映的是投入产出之间的关系,安全效益E(S)可以用安全所产生的功能(安全功能)F(S)与所用的安全投入(安全成本)C(S)的差值来表示,即:

式中:S——安全性;

E(S)——安全效益;

F(S)——安全功能;

C(S)——安全成本。

安全成本函数及效益函数关系如图1所示。从图1可以看出,在S0(S0指损失函数和增值函数交点对应的安全性,表示安全增值与事故损失相等)点附近,取到最佳安全效益,当S从S0－ΔS(ΔS指安全性增量)增至S0时,成本增值C1大大小于安全收益增值F1,持续的安全投入将产生较大的安全收益。因而当S＜S0时,提高S即增加瓦斯抽采利用投入是能直接增加安全经济效益的;但当S从S0增至S＋ΔS,成本增值C2将数倍于安全收益增值F2,出现负效益。

图1 安全成本函数及效益函数关系

(2)煤矿生产安全性水平是企业整体安全状态的表现,是一切影响企业安全的因素相互关系的总和。运用安全系统的方法分析安全生产因素,煤矿生产安全性水平影响因素包括矿山万元产值固定资产投入(X1)、矿山万人工程技术人员配备水平(X2)、矿山万人管理人员配备水平(X3)、采掘机械化程度(X4)、采矿业安全生产环境水平(X5)和采矿技术研发能力(X6)。谭海霞运用主成分分析法分析了采矿业生产安全性指数,指出采矿业6个方面的生产安全性指数发展状态是不一致的,采矿业不同方面的生产安全性投入是不稳定的。通过主成分分析计算,测得6个一级指标的方差贡献率依次为X6、X5、X4、X3、X2、X1,采矿技术研发能力(X6)、采矿业安全生产环境水平(X5)、采掘机械化程度(X4)的方差贡献率(权重)位居前三,真正能提高安全生产水平的是采矿技术研发能力(X6)、采矿业安全生产环境水平(X5)、采掘机械化程度(X4)等方面的投入。

2 盘江矿区煤矿瓦斯开发利用效益分析

2.1 盘江矿区煤矿瓦斯抽采利用效益

(1)煤矿瓦斯抽采利用直接经济效益。根据现有机械设备技术及《盘江矿区“十三五”规划》设计,盘江煤矿预计在2016－2020年煤层气瓦斯抽采量348220万m3,其中用于瓦斯发电的瓦斯64500万m3,用于瓦斯提纯283720万m3,按市价1.3元/m3计算,市场总值451174万元;同时伴生煤产量2082万t,按市价280元/t计算,市场总值582826～582960万元。盘江矿区煤矿瓦斯抽采利用效果预测统计如表1所示。

表1 瓦斯抽采利用实施效果预测统计

(2)煤矿瓦斯抽采利用环境效益。盘江煤矿2016－2020年预计共抽采瓦斯34.82亿m3,可减排瓦斯249.8万t,相当于减排二氧化碳5240万t,可节约标煤398万t,能大大减少瓦斯排放对大气环境造成的污染,有效减排温室气体。

(3)煤矿瓦斯抽采利用间接经济效益(安全效益)。把瓦斯作为资源、能源开采,通过抽采瓦斯和下保护层开采,实现矿井大范围消突,真正实现“高瓦斯突出矿井变为低瓦斯矿井”;通过大范围开采保护层和抽采卸压瓦斯,可解决煤矿隐蔽致灾危害(煤与瓦斯突出、地压危害、水害等问题),确保矿井安全生产;对煤层瓦斯抽采利用,有效降低了原始煤体的瓦斯含量和压力,能消除和降低突出危险性,减少了采掘工作面实施局部防突措施的工程量,为矿井生产布局提供了时间和空间,提高了生产效率,降低了后期生产成本;同时瓦斯抽采可减小矿井通风,提高矿井通风质量。

2.2 安全投入成本分析

安全投入包括人力、物力和时间的投入。物力投入主要包括技术、设施以及劳保用品投入(地面瓦斯抽采泵站、抽采管网、抽采计量装置、区域预抽巷、抽采设备、瓦斯抽采泵站及其附属设施等投入)。根据盘江矿区瓦斯抽采利用项目规划(2016－2020年),区域预抽巷长度新增1699 m,资金投入12084万元;抽采设备包括抽采钻机100台,三机配套采面20面,综掘机30台,运输设备45套,总资金投入147220万元;采区新增瓦斯泵18台,新增主管路长度36677 m,相应的总投资7545.62万元。

宣传教育及培训投入主要包括前期新工艺、新技能、新设备进行的相对应培训以及后期的考核再培训;再加上劳动保护用品、工业卫生等投入资金总计37万元。瓦斯抽采利用实施成本统计见表2。

表2 瓦斯抽采利用实施成本统计表

2.3 瓦斯抽采利用安全效益分析

(1)盘江矿区煤矿瓦斯抽采利用既是资源利用项目也是煤矿安全项目,其安全隐性效应和显性效应都比较明显。同时作为资源利用项目又有别于单纯的煤矿安全项目。作为资源利用项目优先考虑的是项目资源开采利用,项目的投入是以资源量和资源利用率为原则进行投入,只要项目的持续投入能带来直接产气量的增加就能带来直接经济效益的增加。瓦斯抽采利用投入产出关系如图2所示。由图2可以看出,随着安全投入的增加瓦斯抽采量先是不断增加随后趋于平缓,说明随安全投入的增加,抽采技术设备的不断完善,瓦斯抽采率和利用率达到相对较高水平,最大值取决于技术系统本身,瓦斯抽采量将保持平稳。当瓦斯抽采量增至82750.7 m3/a时,成本增值C1为－2555万元/a,C1大大小于功能增值F1(82750.70－82601.05)×1.3＝194.54万元,此后边际投入4618万元/a,边际产出－1641.77万元/a,瓦斯抽采率和利用率达到相对较高水平,持续的安全投入将很难产生相应的安全收益。

(2)盘江矿区煤矿瓦斯抽采综合利用相比其他安全项目经济效益明显,瓦斯抽采利用作为资源利用项目能直接产生瓦斯并作为能源直接销售产生经济效益,同时能有效增加伴生煤的产量产生直接经济效益。瓦斯抽采量和伴生煤产量跟成本投入关系如图3所示。从图3可以看出,随着瓦斯抽采量的增加,伴生煤的产量也在增加,这说明瓦斯抽采利用不仅增加瓦斯资源的直接经济效益,同时也增加伴生煤的直接经济效益,伴生煤产量由瓦斯抽采量直接决定。随设备技术不断提高,瓦斯抽采率和伴生煤产量达到相对最高值,投入的边际产出(指微小的安全投入带来的安全收益的增加)达到最大,随后开始逐步下降到达产出最大值。

图2 瓦斯抽采利用投入产出关系

图3 瓦斯抽采量和伴生煤产量跟成本投入关系

(3)盘江矿区瓦斯抽采利用项目间接安全效益明显。煤矿瓦斯抽采综合利用可以有效减少开采时的瓦斯涌出,实现突出矿井向非突矿井的转变,高瓦斯矿井向低瓦斯矿井的转变,可以有效减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故。通过大范围开采下保护层和抽采卸压瓦斯,极大程度上解决了下保护层保护范围内煤层瓦斯的突出;通过下保护层瓦斯抽采,煤层的开采及下保护层卸压范围内瓦斯的抽采可使被保护的煤层瓦斯压力得到有效释放,被保护煤层中的集中应力得以释放,避免开采上覆被保护煤层时煤层瓦斯突出和矿压危害;通过优先开采下保护层,再开采上覆被保护的煤层,这样自下而上的开采顺序使得矿井水在首采工作面就得以释放,开采上覆被保护煤层时,就避免了水害问题。同时,煤层瓦斯含量的降低有利于降低矿井巷道通风设施投入以及矿井瓦斯治理的相关投入,能降低煤矿安全总投入。

2.4 盘江矿区煤矿瓦斯抽采利用对企业生产安全性的影响

根据盘江矿区瓦斯抽采利用的效益分析可知,在瓦斯抽采利用上新增抽采设备的投入最大,抽采设备及采掘系统的增加提高了企业的技术储备,能有效提高企业采掘机械化程度及自动化程度;煤矿瓦斯抽采利用可大幅度降低矿井风排瓦斯涌出量,改善矿井通风环境,2014年盘江矿区6对生产矿井平均瓦斯涌出量为638.46 m3/min(其中抽采瓦斯量为387.1 m3/min,平均风排瓦斯量为251.36 m3/min),平均风排瓦斯浓度为0.22%,矿井总瓦斯涌出量为3.36亿m3,抽采瓦斯量为2.04亿m3。通过技术途径和规模抽采,加强现场管理,使矿井瓦斯风排瓦斯涌出量降低50%以上,矿井安全生产环境得到根本性的改变。

由此,在瓦斯抽采利用上的投入将有效提高煤矿企业的技术研发能力、煤矿的安全生产环境水平以及采掘机械化水平,真正提高煤矿安全生产水平;同时瓦斯抽采利用能产出瓦斯资源,增加伴生煤产量,带来直接经济效益,瓦斯抽采利用投资效益高、安全经济效益显著。

3 结论

(1)盘江矿区瓦斯抽采综合利用可以有效减小煤层瓦斯含量和瓦斯事故率,降低煤矿瓦斯灾害治理以及矿井通风的安全投入,改善矿井开采环境,降低煤矿总的安全投入,且能带来瓦斯销售方面的收入。盘江矿区瓦斯抽采综合利用随着投入相应增加,瓦斯抽采量和伴生煤产量也相应增加,可直接转化为经济效益,安全效益的直接经济效益明显,安全效益的滞后性弱。

(2)随着安全投入的增加,抽采技术设备的不断完善,瓦斯抽采率和利用率达到相对较高水平,瓦斯抽采量将保持平稳,持续的安全投入将很难产生相应的安全收益。

(3)盘江矿区瓦斯抽采利用将有效提高煤矿企业的技术研发能力和安全生产环境水平以及采掘机械化水平,真正提高煤矿安全生产水平,瓦斯抽采利用投资效益高,安全经济效益显著。

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Comprehensive utilization and safety benefits of gas drainage in Panjiang mining area

Tang Zhipeng1,Long Zugen2,Zhang Mengya1,Ma Shu2
(1.School of Mining Engineering,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025,China; 2.Guizhou Coal Mine Designing Research Institute,Guiyang,Guizhou 550025,China)

Aiming at studying on comprehensive utilization and safety benefits of gas drainage in panjiang mining area,this paper used safety economics theory and mining production safety index to establish evaluation model and analyze comprehensive utilization safety benefits characteristics and direct economical benefits of gas drainage,combined with the 13thfive-year plan of panjiang mining area gas drainage and utilization.The results showed that comprehensive utilization of gas drainage in panjiang mining area could effectively reduce the content of gas in coal seams and gas accident rate;with the increasing of related investment,the amount of gas drainage and associated coal production also increased and the direct economic profits of safety benefits was apparent;when gas drainage rate and utilization rate reached the relatively high level,the drainage amount would be steady and the continued safety input would achieve negative benefits; comprehensive utilization of gas drainage in panjiang mining area could effectively enhance technical development and research abilities and occupational safety environment and mechanization level of coal mines,which essentially improve coal mine safety production level and financial safety profits.

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TD712.6

A

唐志鹏(1990－),男,湖南祁阳人,硕士研究生,研究方向:矿业安全经济。

(责任编辑 张艳华)

唐志鹏,龙祖根,张梦雅等．盘江矿区煤矿瓦斯抽采综合利用与安全效益分析[J]．中国煤炭,2017,43(1): 111－115．Tang Zhipeng,Long Zugen,Zhang Mengya,et．al．Comprehensive utilization and safety benefits of gas drainage in Panjiang mining area[J]．China Coal,2017,43(1):111－115．