1、专题部分浅谈祁东矿6201工作面瓦斯抽采治理技术摘要:本文以祁东矿6201工作面为例，系统介绍了现场所采取的瓦斯抽采治理技术，即采用分源处理方法，针对综放面不同地方瓦斯各个击破，分别采用了顺层钻孔、扇形钻孔、斜向钻孔、高抽巷、瓦斯尾巷等措施，来保障工作面的安全生产。本文还对收集到的现场实测数据进行了分析，将瓦斯抽放过程分为三个时期，即瓦斯抽采原始期、瓦斯抽采增长期、瓦斯抽采衰减期。通过这一分析建议对于瓦斯抽采这一问题，针对我国煤层低透气性这一特点，一定要采取措施增大煤层透气性，并结合矿压规律，合理布置钻孔，随采随抽，以取得较好的经济效益。关键词：瓦斯抽采；煤与瓦斯共采；钻孔；分源；低透气性1
2、绪论1.1 引言我国是一个以煤为主要能源的国家，在一次能源的总资源量中，煤炭资源约占90%，在一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占比例长期保持在75%左右，尽管20世纪90年代大力进行了能源结构的调整，2000年煤炭生产和消费在一次能源中所占比重仍分别达67.2%和67%。从我国拥有及可能利用的能源资源类别来看，以煤为主的能源格局长期内不会有根本的改变，煤矿开采的规模还会很大。因此，要保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械水平，是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产
3、高效矿井数量大大增加，部分矿井经技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。但由于综合机械化采煤开采强度大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点，同时综采工作面由于采高较大，走向长度较长，推进速度较快，因而往往形成较大面积的采空区，在顶板周期来压时，常造成工作面及其回风流瓦斯超限，对安全生产构成了极大威胁。煤壁、落煤和采空区是工作面瓦斯涌出的三个部分，其中采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出中占有较大的比例。由于综采面多为长壁式回采工作面，而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的3040%以上，多者达7080%，采空区瓦斯
4、的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁和被迫停产。为了保证较高的产量，必须保证一定的割煤速度，因此工作面煤壁、落煤瓦斯涌出难以有效控制，同时，由于采空区瓦斯涌出受多种因素影响，涌出空间也比较大，所以通过对工作面及其采空区瓦斯运移规律的研究，可以有的放矢地采取有效措施，对综采工作面进行瓦斯治理，从而消除制约综采工作面高产高效的这一重要因素，使综采工作面充分发挥其优势，实现真正意义上的高产高效。1.2 国内外瓦斯抽采治理技术研究现状瓦斯事故是煤矿四大灾害之首，我国高瓦斯爆炸煤矿占矿井总数的44%，瓦斯事故死亡矿工占煤矿总死亡人数的30%40%，瓦斯事故又占煤矿重大伤亡事故的70%80%。采煤之前先采
5、气，可从根本上防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，同时，还可以减少矿井建设和生产通风费用1/51/4，有利于提高煤矿的经济效益。所以瓦斯的综合开发利用，不但对煤矿的安全生产和提高经济效益有重要作用，而且对我国的环境保护事业也有着非常深远的意义。我国从20世纪50年代就开始采用井下方法抽放煤层气，当时主要是作为安全措施，防治瓦斯事故的发生，采取的主要技术有本煤层抽放，邻近层抽放，采空区抽放，地面抽放等，但抽放率还不能令人满意。在国外，煤层气井下抽放技术也被广泛采用，如前苏联、德国等。无论是在国内和国外，矿井煤层气的抽放均作为开采安全技术来对待。煤层气主要不作为能源开采对象，因此抽放率往往以能
6、否保证安全为标准。抽放率低，大量煤层气排空而不进行抽放或抽放效果差的矿井，极易发生瓦斯爆炸事故。20世纪80年代以来，独立于矿井之外的地面煤层气开采技术有了长足发展，其中特别是美国、澳大利亚，由于煤层气埋藏条件优越，煤层气工业得到迅速发展。我国有丰富的煤层气资源，20世纪90年代中期，开展了一定的煤层气开发工作，但除极少数煤层渗透性较好的矿区，能收到较好效果外，绝大部分由地面打钻建立的煤层气开采企业收效不高，这也使煤层气地面开采陷入困境。近年来，国内开始引入了美国的多分支水平井钻井技术进行煤层气开采，但是一方面其钻井成本昂贵，每口井达7000万1亿元，另一方面其对煤层的扰动卸压范围和提高渗透性
7、的效果仍然有限，难以适合我国国情和煤层条件。近年来中国矿业大学煤矿矿山岩层控制理论和实践的学者，根据我国煤层特征、煤层气在煤体中的赋存状态等，从采动应力场、煤岩体损伤、裂隙发育与演化场、围岩运动的特征和规律出发，研究采动影响增加煤层渗透性、对煤层气解吸、运移的重要影响等，提出了利用采动卸压与岩层破裂增加煤层渗透性进行煤层气井下开采，实现煤炭与煤层气共同开采的新理念（图1-1），是煤矿开采理论与技术思想的重要创新。在煤层气运移规律方面，周世宁院士对煤层煤层气流动规律的研究表明：煤层气在煤岩体中的运移属于多孔介质中的渗流，符合达西定律。国内外学者如Bibhuti、赵阳升、缪协兴等对裂隙岩体、块裂岩
8、体以及破裂岩体的渗透特性进行了广泛的研究。丁广骧、蒋曙光、王继仁等分别就采空区煤层气流动规律开展了模拟与实测研究。由于对岩移过程中应力场和裂隙场的动态分布特征缺乏深入认识和定量描述，在采后卸压煤层气运移规律的理论分析与数值计算研究中，未能充分体现岩移过程中煤岩体应力场和裂隙场特征。于不凡、俞启香等对解放层开采的卸压作用机理开展了深入的研究，形成了我国独具特色的解放层开采与抽采煤层气相结合的综合防突措施。但就覆岩岩性及其组合对邻近层煤层气涌出及下解放层有效解放范围的影响研究不多。老采空区卸压瓦斯远距离煤层卸压瓦斯邻近层卸压瓦斯本煤层卸压瓦斯煤层卸压抽采煤层采前抽采煤与瓦斯共采提高瓦斯抽采率、降低
9、矿井瓦斯涌出量、消除瓦斯事故、瓦斯资源化利用、消除大气污染回风井风流瓦斯图1-1 煤与瓦斯共采技术体系在瓦斯抽采方面，一般瓦斯抽采方法可分为：地面钻井瓦斯抽采技术和井下瓦斯抽采技术。地面钻井瓦斯抽采技术，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。目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻井抽采瓦斯的实践。国内抽采主要靠采动卸压后井下抽采方法，包括有：本煤层钻孔抽采、邻近层钻孔卸压抽采、采空区钻孔抽采、穿层钻孔抽采和开掘专用瓦斯巷道密闭抽采等。经过近50年的发展，中国煤矿井下煤层气抽
10、采及其利用工作从无到有，从小到大。目前以钱鸣高院士为首的课题组提出了“煤与煤层气共采”技术，它是指利用煤层开采引起的岩层移动对煤层渗透性的增大作用，在采煤的同时高效开采卸压煤层气。在“煤与瓦斯共采”技术方面，岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙分布、离层规律对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要作用。但是，由于目前煤层气抽采理念仍停留在以安全为主的瓦斯抽采上，煤与煤层气共采理论基础尚未建立。目前中国煤矿井下煤层气抽采与其它煤矿井下煤层气抽采利用工作做得比较好的国家相比，还存在着一些差距，主要有:抽采煤层气总量少，利用率低；井下抽采率不高；吨煤煤层气抽采量少
11、，吨煤钻孔量少；综合抽采工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。事实上，采动条件下的煤层气运移规律除与煤层气赋存地质条件相关外，主要取决于采动煤岩体应力场与裂隙场的变化。采动后煤岩体应力场和裂隙场的动态研究规律与开采技术条件和覆岩岩性结构及组合紧密相关。对于我国的实际情况，基于采动岩体移动规律研究采动岩体应力场与裂隙场动态演化对煤层气解吸、运移的影响规律及其耦合效应，探讨煤与煤层气共采的理论与技术是今后一个时期在煤层气开采中必然的选择。1.3 我国矿井瓦斯抽放方法及其分析瓦斯抽放方法的发展为高瓦斯和突出危险矿井生产能力的提高以及采煤方法的发展提供了重要保障。矿井瓦斯抽放方法按瓦斯来源可分为开采
12、（本）层抽放、邻近层抽放、采空区抽放、围岩抽放和综合抽放瓦斯法等，按汇集抽采瓦斯的方法可分为钻孔法、巷道法以及钻孔和巷道混合法；按瓦斯抽放原理可分为未卸压抽放、卸压抽放和强化抽放（人为提高煤层透气性或增加涌流暴露面积和连通空道）；按地上、下施工位置可分为地面抽放和矿井抽放瓦斯法等。瓦斯抽放方法的选择主要决定于煤层的地质采矿条件、透气性、瓦斯含量、瓦斯来源构成以及技术经济等因素。1.3.1 未卸压抽放法利用煤巷和钻孔（穿煤钻孔或煤层内沿煤钻孔）对含瓦斯未卸压煤层进行瓦斯抽放。1952年和1954年抚顺龙凤矿在我国首次分别试验成功煤巷和穿层钻孔预抽煤层瓦斯方法，不仅有效地解决了抚顺矿区转入深部开采
13、时的瓦斯灾害防治问题，促进了煤炭生产，而且抽出的瓦斯得到利用，方便了居民生活，改善了矿区环境。该方法适用于煤层透气性好或较好的煤层，这种方法没能在煤层透气性普遍较差的高瓦斯和突出矿井推广应用。1.3.2 邻近层卸压瓦斯抽放煤层群中一个煤层开采以后，受其采动影响，邻近煤层发生程度不同的变形、破坏，产生离层裂隙、垂向破断裂隙和卸压，其透气性成几个数量级地增加，引起卸压瓦斯沿这些裂隙向开采层采空区流动，利用钻孔或巷道对一定距离以内的邻近层卸压瓦斯进行抽放，可以大幅度地减少采煤工作面的瓦斯涌出。阳泉矿务局采煤工作面瓦斯涌出量大，70%以上的瓦斯来源于上邻近层及围岩的卸压瓦斯。1957年阳泉四矿在瓦斯涌
14、出量大于11 m3/min的4011采煤工作面试验顶板穿层钻孔抽放卸压瓦斯获得成功，随后又在4016工作面利用顶板尾巷与地面钻孔，以及4032工作面利用顶板高位尾巷抽放上邻近层卸压瓦斯均获成功，从此，开创了我国上邻近层瓦斯抽放先例，这种“边采边抽”的方法成为该局主要的瓦斯抽放方法。20世纪70年代后期他们采用加密钻孔的方法来提高抽放量，但仍满足不了综采发展和生产集约化要求大抽放量的需要。这时阳泉一矿北头嘴井试验成功抽放能力更大的顶板倾斜岩巷抽放法（高抽巷法），它将上邻近层抽放率提高到85%以上，该方法适用于上邻近层瓦斯涌出量大于30 m3/min的采煤工作面。邻近层卸压瓦斯抽放法在全国得到普遍
15、推广应用，并有很大发展，众多不同方式的邻近层卸压瓦斯抽放都取得良好的效果和巨大效益。长壁式全部垮落法开采，其上覆邻近层中采动裂隙张开闭合动态过程不同的2个分区，大致可用“回”字来描述：中间口字为核心区，它对应于采空区冒落岩石逐渐压实区，该区的采动裂隙经历骤然形成、张开、逐渐闭合的动态过程，在这一过程中，该区煤层的透气性系数和卸压瓦斯也相应地经历着急剧增大、达到峰值、然后逐渐减小的过程；而回字形中大小口之间的环形通道是由不同岩性煤、岩层下沉弯曲度的差异形成的离层裂隙孔洞所构成，这里由于下方的一侧有未采煤柱及悬臂梁的支撑，离层裂隙孔洞得以长期保持敞开而无压实，故环形区成为卸压瓦斯汇集流动的通道。抽
16、放卸压瓦斯的效果与成败取决于汇集瓦斯源那部分钻孔或巷道所在的位置：当钻孔或巷道位于回字形以外的未卸压区时，无卸压瓦斯流；当位于回字形环形区时，可获得最佳的卸压瓦斯流，不仅抽放期长，而且卸压瓦斯来源充足，既有环形区的卸压瓦斯源，又有中间核心区向环形区补给的卸压瓦斯；当位于中间核心区时，可获得开始卸压、充分卸压以及随压实过程而衰减的卸压瓦斯流。1.3.3 采空区瓦斯抽放我国大多数采煤工作面的瓦斯主要来源于采空区，近年来采空区瓦斯抽放成为防治瓦斯向工作面涌出的有效方法与主要措施。其抽放方法主要有低位顶板走向或斜交钻孔、冒落拱钻孔、采空区埋管、开切眼引巷埋管或插管和工作面上隅角插管抽放等。随着无煤柱开采的发展，松藻打通、铁法大兴、淮南潘一、潘三等煤矿成功试验低位顶板走向或斜交
