1、专题部分浅析矿井瓦斯抽采工艺及山脚树矿二次封孔技术应用摘要：随着我国各大产煤矿区开采历史延续,开采深度和强度的加大,瓦斯问题已经成为制约煤矿安全生产和高产高效“双高”目标实现的最大瓶颈,因此积极推进“十二五”我国煤矿瓦斯综合治理工作体系建设,有效遏制高瓦斯矿井瓦斯事故,确保煤矿安全生产意义重大,在由传统的“风排”瓦斯保安全向“抽采”煤层瓦斯治理瓦斯隐患方面已经成为一种技术和思维的方向性的转变,本文根据目前煤矿抽采瓦斯实际讲诉了抽采瓦斯的相关可行性方案,对于有效治理瓦斯隐患,确保安全生产具有现实指导意义。关键词：瓦斯抽采、综采工作面、高瓦斯矿井、钻孔布置、瓦斯治理0 引言广义的矿井瓦斯是指井下有
2、害气体的总称,其主要来源是煤层和围岩内赋存并能涌入到矿井的气体，是腐植型有机物在成煤过程中的伴生物。近几年来, 随着煤矿开采深度的增加和开采强度的增大,地应力越来越大，地质条件越来越复杂,瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全,制约着矿井生产的发展。同时,瓦斯又是一种经济的可燃气体,是一种清洁、方便、高效的能源,研究表明，瓦斯的主要成分CH4 也是一种温室气体，其温室效应比CO2 要强很多，大力抽采瓦斯,既可以充分利用地下资源, 又可以改善矿井安全条件和提高经济效益, 并有利于保护环境和遏制温室效应。因此,如何更有效地开发和利用煤层瓦斯,一直以来都是广大的科研工作者努力的方向和目标。煤炭是
3、我国的主要能源,要充分发挥高产高效工作面的优势,首当其冲的问题是必须解决高产高效工作面瓦斯综合治理技术,提高煤矿防止瓦斯灾害能力,减少瓦斯事故的发生。在全国目前现有的高产高效矿井中,有67%的工作面存在严重或严重的瓦斯问题。瓦斯灾害随着煤矿开采深度加大会进一步严重,现已成为制约煤矿高产高效开采的主要问题,低透气性煤层的瓦斯强化抽采技术,对治理矿井瓦斯至关重要。国内外大量的研究结果证实:释放煤体应力、抽排煤中瓦斯和提高煤体强度均能有效地防治瓦斯灾害。因此在煤矿传统由通风解决瓦斯问题向由抽采瓦斯解决矿井瓦斯是一个观念和技术以及管理方面的很大转变。高瓦斯矿井首先需要对采、掘工作面瓦斯涌出量进行预测,
4、分析抽采瓦斯必要性和工作面瓦斯来源和涌出构成,然后制定采掘面的瓦斯抽采方法,通过对国内先进煤层瓦斯抽采技术的考察,一般采取以下三种瓦斯抽采技术对煤层瓦斯进行抽采治理:(1)本煤层瓦斯抽采方法;(2)采空区瓦斯抽采方法;(3)本煤层、裂隙带和采空区综合瓦斯抽采方法。1 我国煤矿瓦斯抽采技术的新进展及问题1.1我国矿井瓦斯抽采现状及方法分类1.1.1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100 Mm3；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
5、斯工作，抽采瓦斯量达到170 Mm3；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。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200
6、9 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。1.1.2 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一书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。以两种分类方法主要依据开采煤层和邻近煤(岩) 层的空间关系,程远平教授提出了先以煤层开采时间为依据，第2 层次再以煤层开采的空间关系为依据的分类方法，这里只对第一种分类方法做一介绍。煤矿瓦斯抽采按抽采瓦斯源的不同可分为四个类型，包括本煤层瓦斯抽采；邻
7、近层瓦斯抽采；采空区瓦斯抽采；围岩瓦斯抽采。1 本煤层瓦斯抽采技术本煤层瓦斯抽采主要包括穿层钻孔、平行钻孔、交叉布孔、穿层网格式钻孔、水力割缝、水力压裂、水力钻孔等方法。2 邻近层瓦斯抽采技术邻近层瓦斯抽采方法源于层外开采卸压，随着煤层的开采，边采边抽邻近层的大部分卸压瓦斯。按其与开采层的位置关系，可分为上邻近层抽采方法和下邻近层抽采方法两大类。这两类采用的抽采方法类似，包括钻孔抽采、巷道抽采及巷道- 钻孔混合抽采等方法。3 采空区瓦斯抽采技术采空区瓦斯虽然来源于开采层丢煤瓦斯、邻近层和围岩向采空区涌出的瓦斯，但由于各种瓦斯源积聚在一起，从采空区涌向开采空间，形成了二次瓦斯源，因此应采取独立的
8、瓦斯抽采措施。目前有巷道抽采、密闭抽采、埋管抽采、地面钻孔抽采等采空区瓦斯抽采方法。4 围岩瓦斯抽采技术围岩瓦斯涌出的方式有两类：一类是受开采层采动影响，开采层顶底板围岩中卸压瓦斯涌出；二是围岩裂隙中瓦斯喷出。第一类可采用邻近层瓦斯抽采方法，涌入采空区的则有采空区抽采系统抽采，对于第二类可采用钻孔抽采、封闭巷道插管抽采等方法。1.2 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
9、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
10、, 可降低煤层瓦斯含量, 消除其突出危险性。1.3 我国矿井瓦斯抽采技术的新进展我国煤炭资源总量5.57 万亿t，其中埋深在1 000 m以下的为2.95 万亿t, 占煤炭资源总量的53%；随着我国经济的快速发展，对煤炭资源的需求也在不断增大，随着浅部资源的不断开采，煤炭行业的开采深度不断加大，随之而来的高地应力，高瓦斯，高地温等灾害越来越严重，其中瓦斯灾害更是重中之重。为了有效解决瓦斯问题，实现煤炭行业安全高效生产，以中国矿业大学和淮南矿业集团为代表的一批科研院校和煤炭企业进行了大量的理论研究和现场试验，取得了较好的成效，下面介绍几种新的抽采技术。1.3.1 大间距上部煤层卸压瓦斯抽采技术研
11、究发现首采层卸压开采后，上向卸压范围为走向卸压角80.884.7，倾向卸压角8385，上向卸压层间距达10150 m，采用在被卸压煤层底板弯曲下沉带预先布置巷道钻孔抽采卸压瓦斯的技术方法，抽采率达65%以上5。巷道钻孔布置如图1 所示。前期在弯曲下沉带布置巷道，并使其随着下向首采层的推进很好的保留下来是此技术成功的关键。图1-1大间距上部煤层卸压瓦斯抽采示意图图1-2 多重开采下向卸压增透瓦斯抽采示意图1.3.2 多重开采下向卸压增透瓦斯抽采技术研究发现多重卸压开采后，下向卸压范围为走向卸压角99.3100.1，倾向卸压角为102110.0，下向卸压距离达15100 m，采用预先布置巷道和穿层
12、钻孔抽采卸压瓦斯，瓦斯压力可以大幅度降低，煤层透气性系数也可以增加五百多倍，抽采率可达50%以上，巷道布置示意图如图2所示。1.3.3 沿空留巷煤与瓦斯共采技术所谓沿空留巷是随着采煤工作面的推进，采用适当的巷旁充填方法，隔绝采空区，沿采空区留下巷道，采用这种方法可以在回采工作面，采空区侧留下一条尾巷，形成Y 形通风，通过这条巷道排放瓦斯和热量，在瓦斯涌出量比较大时，有利于安全生产和改善工人的劳动环境。另外，在所留的尾巷里可以布置瓦斯抽采钻孔，实现前面开采本煤层煤炭资源，后面同时抽采上下邻近层卸压解吸瓦斯的煤与瓦斯共采布局。沿空留巷瓦斯共采技术示意图如图3 所示。图1-3 Y 型通风和沿空留巷煤
13、与瓦斯共采示意图采用Y 型通风，将空气压力场能位和瓦斯场流动运移向采空区后方挪移，很好的解决了上隅角瓦斯治理的问题。通过对Y 型通风采空区顶底板瓦斯浓度及瓦斯场分布规律的研究，确定瓦斯抽采钻孔技术参数，通过淮南矿区现场试验，上向被卸压煤层瓦斯抽采率72以上，瓦斯压力降至0.20.4 MPa 以下; 瓦斯抽采浓度达60%95%。下向卸压煤层瓦斯抽采浓度85%100%；采一层被卸压煤层，瓦斯抽采率46以上，多层开采后可达70%以上。另外，采用沿空留巷留下的巷道还可作为开采下一个工作面的顺槽，一巷两用，节省掘进巷道的费用，避免采掘失调、接续紧张。同时省去了工作面的煤柱，大大提高了资源回收率。上面几种
14、技术是针对煤层群开采条件下的瓦斯抽采技术，下面介绍几种针对单一的低透气性煤层的瓦斯抽采技术。1.3.4 钻割一体化增透卸压抽采技术我国煤层基本上都是低透气性煤层，瓦斯抽采困难，特别是单一的低透气性煤层，常规的瓦斯抽放方法难以发挥作用，主要存在的问题是：钻孔有效影响范围小，工作面钻孔施工工作量大，抽放效率低，需要采取卸压增透的方法，扩大钻孔有效影响范围，提高瓦斯抽放效果。钻割一体化技术是将高压磨料射流技术与钻孔施工技术相结合在钻机钻进过程中，由钻机配合钻杆内送入的风或者低压水进行排粉，与钻机共同完成钻进作业。钻进结束后，钻机停止转动，只进行退钻作业，高压泵站加压，水压达到预定压力值后，清水与高压
15、磨料发生装置产生的磨料粒子相混合，与此同时钻头压控装置完成射流直向钻孔到侧向割缝的切换，进行割缝作业。通过阀门控制高压磨料射流水的开、关,达到随时钻进随时割缝的要求,从而实现钻割一体化。具体现场布置如图4 所示。图1-4 钻割一体化卸压抽采示意图此项技术能够使钻孔内煤体卸压、增透，进而增强煤层的可抽才性，提高抽采效率。1.3.5 网格式穿层钻孔孔群增透瓦斯抽采技术目前网格式穿层钻孔成我国单一松软低透严重突出煤层防突的主要方法, 此方法需要在进行瓦斯抽采的煤层区域内设定网格式穿层钻孔位置，对设定的网格式穿层钻孔位置逐个实施钻空，形成孔群，钻孔直径一般为90 mm，以煤层中厚面为准，钻孔间距为58
16、 m，网格式穿层钻孔布置示意图如图5所示：图1-5 网格式穿层钻孔孔群增透瓦斯抽采示意图当钻孔施工进入煤层后，用水压为510MPa、流量为10 m3/h 的高压水冲孔，诱导钻孔喷孔，使煤层孔与孔之间形成裂隙，以增加煤层的透气性，当钻孔穿透煤层0.5 m 后，退出钻杆，插入封孔管实施封孔，封孔长度不小于10 m，封孔管长度不小于12 m、直径40 mm，通过封孔管、汇流管、集气箱和支管将钻孔连入抽采管网，对煤层进行瓦斯抽采。该技术煤层预抽率可由原先的20%提高到40%以上，实现单一低透气性煤层瓦斯的安全、高效、均匀抽采，变高瓦斯突出危险煤层为低瓦斯无突出危险煤层，具有广泛的实用性。2 高瓦斯矿井采掘工作面瓦斯抽采工艺2.1 高瓦斯矿井采掘工作面瓦斯抽采技术方案2.1.1本煤层瓦斯抽采1 掘进工作
