1、专题部分浅谈高瓦斯煤层自我解放瓦斯抽采技术摘 要：瓦斯抽采是治理我国煤矿灾害的最主要技术措施。简要介绍了瓦斯抽采技术的研究现状，并阐明了其理论依据，回顾了中国煤矿瓦斯抽采技术的发展历程，较详细地阐述了适合于中国煤层瓦斯赋存条件的几种典型抽采方法，最后以晋城矿为例，简要介绍了该矿通过瓦斯的综合抽采实现煤矿安全高效开采的先进经验。关键词：矿井瓦斯；抽采技术；抽采方法0 引言我国是世界上少数几个一次能源以煤炭为主的国家。在我国生产和消费的一次商品能源中，煤炭约占74%，煤炭提供了78%的发电能源、70%的化工原料和近60%的民用商品能源。然而，瓦斯灾害，特别是瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出是我国煤矿井下
2、最严重的灾害之一，它直接威胁着井下人员的安全，并可摧毁矿井设施，迫使矿井停产。瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，我国政府及有关部门对此给予了高度重视。从20世纪50年代开始，我国就将瓦斯抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿井推广；2002年，国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯治理12字方针，强化了抽采治理瓦斯灾害的地位。半个世纪以来，我国实施瓦斯抽采的矿井数量和瓦斯抽采量逐年稳步上升。尽管如此，和煤矿瓦斯灾害治理对瓦斯抽采的要求相比，我国煤矿瓦斯抽采效果仍有待于待提高。因此，煤矿瓦斯抽采技术的研究对我国的煤矿安全具有十分重要的作用。1 我国
3、矿井瓦斯抽采现状及方法分类1.1我国矿井瓦斯抽采现状我国煤矿瓦斯抽采始于1938年，1952年开始工业应用，上世纪50年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展矿井抽采瓦斯，50年代末瓦斯抽采量约为100Mm3；60年代又相继在中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等局的矿井开展了抽采瓦斯工作，抽采瓦斯量达到170Mm3；70年代至90年代末期，抽采矿井总数和抽采总量都稳步增加。随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，因此需要抽采瓦斯的矿井越来越多，由此带动了我国煤矿瓦斯抽采技术的迅速发展，目前瓦斯抽采技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。
4、2000年底我国国有重点煤矿中共有141对矿井建立了地面永久瓦斯泵站进行瓦斯抽采，年抽采量达8.76亿m3，2002年抽采矿井数193对，年抽采量11.46亿m3，2006年全国重点煤矿抽采矿井达到264对，年抽采量达到26.14亿m3。到2009年全国重点煤矿抽采矿井达到300多对，年抽采量达64.5亿m3。1.2瓦斯抽采方法分类煤矿瓦斯抽采方法目前尚无统一分类，俞启香在矿井瓦斯防治中将瓦斯抽采方法分为：开采层抽采、邻近层抽采、采空区抽采和围岩抽采。于不凡在煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册中将瓦斯抽采方法分为：未卸压煤层和围岩抽采、卸压煤层和围岩抽采、采空区抽采和综合抽采。以上两种分类方法主要
5、依据开采煤层和邻近煤（岩）层的空间关 系，在次级分类方法上考虑开采时间关系。上述分类方法与煤矿瓦斯抽采基本指标中第4节，瓦斯抽采应达到的指标对应上存在困难。为了适应煤矿瓦斯抽采基本指标煤矿瓦斯抽采的考核要求，有关专家对煤矿瓦斯抽采方法进行了重新分类。分类的指导思想为：第1层次划分以煤层的开采时间为依据，第2层次以煤层开采的空间关系为依据。新的煤矿瓦斯抽采分类方法如图1所示。图1 煤矿瓦斯抽采方法分类煤矿瓦斯抽采方法分类共分为3个层次。第1层次分为：采前抽采（预抽）、采中抽采和采后抽采。第2层次分为：本煤层抽采、邻近层抽采、回采工作面抽采、掘进工作面抽采和采空区抽采。第3层次为具体瓦斯抽采方法，
6、如地面钻井抽采、穿层钻孔抽采、采空区埋管抽采方法等。这样的分类方法可能出现方法交叉的问题，例如邻近层抽采可能是采前抽采，也可能是采中抽采。如果邻近煤层是可采煤层，且在开采层开采过程中邻近煤层的可采性不被破坏，则对该煤层瓦斯抽采应视为采前抽采。如果邻近煤层是不可采煤层，或在开采层开采过程中其可采性被破坏，则对这些煤层的瓦斯抽采应视为采中抽采。在煤矿生产实践中，不可能通过单一的瓦斯抽采方法解决矿井瓦斯问题，往往需要采用多种瓦斯抽采方法的组合，实现对煤矿瓦斯的综合抽采。2 瓦斯抽采的理论基础微孔隙、低渗透、高吸附是我国大多数煤层的主要特点，这使得煤层采前预抽效果较差。由于我国含煤地层一般都经历了成煤
7、后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，塑变性大大增强，因而成为低透气性的高可塑性结构。对于原始煤体，可认为瓦斯在煤层中的流动符合达西定律，一般采用穿层钻孔或顺层钻孔进行煤层瓦斯抽采。在一定时间内，煤层瓦斯向钻孔的流动视径向流动。预抽煤层瓦斯效果与煤层透气性系数、抽采负压、钻孔直径等因素有关，但影响效果的程度不同。现场测定和实验研究表明，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。因此，利用井下的采掘巷道，并尽量利用煤层采动影响，通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的瓦斯抽采，比如深孔松动爆破、孔群水利增透、钻割一
8、体化等措施将煤层瓦斯径向流动改善为煤层裂隙钻孔的混合流动，可有效增加煤层瓦斯抽采效果。再保证一定的预抽时间，可降低煤层瓦斯含量，消除其突出危险性。3 煤矿瓦斯抽采技术的发展随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽采技术也得到了不断地提高和发展，我国煤矿瓦斯抽采技术大致经历了四个发展阶段。（1）高透气性煤层瓦斯抽采阶段50年代初期，在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯，获得了成功，解决了抚顺矿区向深部发展过程中的瓦斯安全问题，而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料进行利用。（2）邻近层卸压瓦斯抽采阶段50年代中期，在开采煤层群的矿井中，采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功，解决
9、了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后在阳泉又试验成功利用顶板收集瓦斯巷（高抽巷）技术抽采上邻近层瓦斯，抽采率达6070%。到了60年代以后，邻近层卸压瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。（3）低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及有突出危险的煤层采用通常的布孔方式预抽采瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁，为此，从60年代开始，试验研究了多种强化抽采开采煤层瓦斯的方法，如煤层注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径（扩孔）钻孔、网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布孔等。在这些方法中，多数方法在试验区取得了提高瓦斯抽采量的效果，但仍处于试验
10、阶段，没有大范围推广应用。（4）综合抽采瓦斯阶段所谓综合抽采瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用，使瓦斯抽采量及抽采率达到最高。从80年代开始随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有邻近层的工作面，其瓦斯涌出量的增长幅度更大。为了解决高产高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的问题，必须结合矿井的地质条件，实施瓦斯综合抽采。4 适合我国瓦斯赋存条件的抽采方法抽采瓦斯方法的选择，主要是根据矿井瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开
11、采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。我国煤层的主要特点是煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重、煤层群开采、地质构造复杂，我国的煤层赋存条件决定了我国的瓦斯抽采应以卸压抽采为主，由于矿井数量众多，且煤层赋存条件复杂多样，因此几乎所有的瓦斯抽采方法在我国都进行过试验和应用，下面仅介绍几种典型的瓦斯抽采方法。4.1顺层密集长钻孔抽采本层瓦斯顺层密集长钻孔用于区域性抽采，用于综放面或综采面降低煤层瓦斯含量或解决工作面消突问题，一般钻孔深80m以上，孔间距35m，预抽时间半年以上。为提高抽采效果，在布孔时往往采用斜向孔及交叉钻孔，斜向布孔有利于边采边抽，交叉式布孔可在不增加任何工程量的条件下
12、，提高本煤层瓦斯抽采的效果。经在焦作矿区及平顶山矿区开展顺层交叉钻孔抽采突出煤层瓦斯的试验，证明交叉布孔可避免由于钻孔坍塌、堵孔等影响抽采效果的现象发生，比平行钻孔抽采效果提高1.5倍。顺层密集长钻孔及交叉钻孔预抽本层瓦斯见图2。图2 顺层密集长钻孔及交叉布孔预抽本层瓦斯示意图4.2网格式穿层钻孔抽采本层瓦斯网格式穿层钻孔的优点是可解决突出煤层打顺层孔时钻喷孔、塌孔问题。网格式穿层钻孔大面积抽采瓦斯首先是在北票台吉矿10号煤层进行的，该煤层是我国透气性极低的松软突出煤层之一，大面积网格式穿层钻孔预抽试验表明，低透气性煤层尽管预抽瓦斯极为困难，但在合理布置钻孔、保证预抽时间等技术条件下，完全能够
13、达到预期的抽采效果，瓦斯抽采率可达到30%以上。目前网格式穿层钻孔成为我国单一松软低透严重突出煤层防突的主要方法，已在突出严重的白皖等矿区推广应用。网格式穿层钻孔需要在煤层底板打岩巷，抽采成本较高。网格式穿层钻孔布置见图3。图3 网格式穿层钻孔布置示意图4.3顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯顶板走向水平长钻孔抽采邻近层瓦斯技术就是针对高瓦斯无煤柱综采或综放工作面的特点，为解决瓦斯超限问题，采用沿开采层顶板岩层走向布置迎面定向水平长钻孔代替顶板瓦斯巷抽采上邻近层瓦斯。该抽采方法与顶板岩巷抽采法、顶板穿层短钻孔抽采法相比，技术和经济上具有显著的优越性，尤其对于采掘接续紧张的矿井，其优越性更为突出。钻孔
14、及钻场布置见图4。图4 顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯示意图顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯技术在安徽淮南、重庆、河南平顶山、辽宁阜新和铁法等20多个矿区（160对矿井）推广应用，瓦斯抽采量和抽采率大幅度提高，该抽采方法为我国高瓦斯煤层群抽采探索出一条新路子，为煤炭生产实现安全高效提供了技术保障。4.4厚煤层开采下的采空区煤层气抽采对于厚煤层分层开采或综放开采时，采空区内丢煤较多，加上邻近层、围岩瓦斯的涌出，使采空区瓦斯涌出量较大，因此，进行采空区瓦斯抽采非常必要。厚煤层半封闭采空区瓦斯抽采方法首先在抚顺矿区试验成功，主要在采空区后部采用埋管抽采或设引巷密闭插管抽采，埋管抽采法是将抽采瓦斯管埋设在采
15、空区起采线附近，如图5所示，该方法在抚顺矿区普遍采用，工作面瓦斯抽采率可达80%。图5 埋管抽采采空区瓦斯不意图工作面或采区回采结束后，还可对老塘进行全封闭瓦斯抽采。抚顺老虎台矿于1954年开始采空区全封闭抽采，40多年来共抽出瓦斯总量4亿多m3。4.5综合瓦斯抽采我国一些矿区的高产高效矿井在开采高瓦斯且有突出危险的煤层时，多采用综合抽采法，即在一个工作面或采区采用多种抽采方法进行抽采。以淮南矿业集团公司潘一矿1541 （3）综放工作面为例，该工作面开采煤层厚4.5m，煤层原始瓦斯含量10m3/t以上，煤层有突出性，工作面同时采用四种瓦斯抽采方法，见图6，顶板走向长钻孔用于抽采上邻近层瓦斯，工
16、作面顺层水平长钻孔抽采用于消除煤层的突出危险性并降低煤层瓦斯含量，上隅角插管抽采用于消除局部瓦斯积聚，工作面初采段由于预抽时间有限，采用深孔控制预裂爆破强化抽采，提高瓦斯抽采率同时缩短抽采时间，工作面开采完毕后还要对采空区进行全封闭抽采。图6 工作面综合抽采瓦斯示意图淮南矿业集团公司张集煤矿应用综合抽采，2002年，矿井瓦斯抽采率达到70%，当年投产，当年达产，产煤507万t，盈利5亿元，创同类矿井最好水平。目前瓦斯综合抽采已在全国范围内广泛应用。5 瓦斯抽采技术的一个应用实例5.1概述山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（简称晋城煤业集团）现有7对生产矿井，其中3对为高瓦斯矿井，公司年产量超过3000万t。2007年瓦斯鉴定结果确定集团公司的井下瓦斯涌出总量为1194.87m3/min，加上地面钻井抽采，矿区内总的瓦斯涌出
