1、专题部分第22页煤矿瓦斯区域治理技术研究摘要：矿井瓦斯是生产矿井中严重自然灾害的重要根源之一。井巷及采场瓦斯的超限存在可导致人员窒息、遇火爆炸等矿井重大安全事故。多年以来，为了彻底治理好矿井瓦斯隐患，国内外广大煤炭科技人员已经进行了长期的艰苦努力和技术探索。特别是近20多年来，随着矿井安全技术工作向纵深方向的逐步发展，攻克了一个又一个的瓦斯治理技术难题。关键词：瓦斯区域治理；煤与瓦斯共采；瓦斯抽放；钻爆抽一体化1 绪论1.1引言我国是世界第一产煤大国，煤炭产量占世界的37%，煤炭作为我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%。国家能源中长期发展规划纲要(20042020午)中
2、已经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”。显然，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。我国的煤矿瓦斯与煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出事故频繁发生，伤亡人数多，严重影响着煤矿的安全生产。目前，全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约9000多处，占生产矿井总数的30%左右。建国50多年来，我国一次伤亡100人以上的特别重大事故共发生71次，仅瓦斯爆炸事故就达49起，占全部特别重大事故的69%。可以说，矿井瓦斯灾害防治工作不论是过去还是将来，一直是煤矿安全工作的重中之重。我国煤矿开采深度平均每年增加1020m，随采深的增加，地应力、瓦斯压力、地温也越来
3、越高，煤矿自然灾害的威胁逐步加重，治理的难度也越来越大。煤层瓦斯压力平均过年增加0.10.3MPa，瓦斯涌出量每年增加约1.5Bm3。45户重点监控企业中高瓦斯和突出矿井的比例2005年比2004年增加了10%。瓦斯作为一种洁净能源，应予以开采和利用的科学采矿观，它既是我国煤矿生产过程中的主要灾害源，也是一种新型的洁净能源和优质化工原料，因此，对于煤矿瓦斯的灾害防治和治理利用应予以高度重视。煤矿瓦斯灾害防治的主要目的是防止瓦斯积累，消除瓦斯突出，防治瓦斯煤尘煤炸。防止瓦斯积聚的主要技术途径是减少瓦斯向采掘空间涌出和稀释采掘空间的瓦斯浓度，其中，瓦斯抽放是减少瓦斯涌山的一种最有效途径，加强矿井通
4、风是稀释采掘空间瓦斯浓度最有效的方法。消除瓦斯突出等动力现象的主要技术途径是释放煤岩层中的瓦斯和地压。瓦斯灾害防治的辅助手段主要是控制井下火源、建立防隔爆、抑爆和个人防护体系、加强瓦斯监测。电器防爆、使用抗静电和阻燃性材料、使用煤矿许用安全爆破器材、有效防治煤层自然发火、有效控制外因火灾等措施是控制井下火源的主要途径。随着煤炭工业的技术进步，我同的瓦斯抽放技术也得到了不断的提高和发展，我国的煤矿瓦斯抽放技术大致经历以下4个阶段：(1) 高透气性煤层抽放瓦斯阶段。20世纪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抽放瓦斯，获得了成功，解决了抚顺矿区高瓦斯特厚煤层开采的关键技术问题。在
5、煤层透气性远远小于抚顺煤田的其他矿区采用类似的方法抽放瓦斯时，未能取得抚顺矿区的抽放效果。(2) 邻近层抽放瓦斯阶段。20世纪50年代末，采用井下穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯在阳泉矿区获得成功，解决了煤层群开采首采煤层工作面瓦斯涌出量大的问题，且认识到利用采动卸压作用对未开采的邻近煤层实施边采边抽，可以有效地抽放瓦斯，减少邻近层瓦斯向开采层工作面涌出。该技术在具有邻近居抽放条件的矿区得到广泛应用取得了较好的抽放效果。(3) 低透气性煤层强化抽放瓦斯阶段：在低透气性高瓦斯和突出煤层，采用常规钻孔抽放瓦斯技术效果不理想。为此，从20世纪70年代开始，国内试验研究了煤层中高压注水、水力压裂、水力割缝、松
6、动爆破、大直径钻孔多种强化抽放技术；90年代又试验研究了网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布扎等抽放新技术。网格式密集布孔在煤矿得到了应用，但多数方法因存在工艺复杂、实用性差等问题，在煤矿未能得到广泛应用。(4) 综合抽放瓦斯阶段。20世纪纪80年代开始，随着机采、综采，尤其是放顶煤采煤技术的应用，采掘速度加快、开采强度增大，工作面瓦斯涌出量大幅度增加。为了解决高产、高效工作面瓦斯涌出问题，开始实施综合抽放瓦斯，即在时间上，将预抽、边采边抽及采空区抽放相结合；在空间上，将开采层、邻近层和围岩抽放相结合；在工艺方式上，将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽放与地面钻孔抽放相结合、常规抽放与强化抽放相
7、结合。实施综合抽放瓦斯方法最大限度地提高瓦斯抽放效果。中国的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、成为低透气性的高延性结构，煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点，70%以上煤层的渗透率小于110-3mD，其透气性比美国和澳大利亚低23个数量级，这使得地面钻井完孔后采气效果差，水力压裂增产效果不明显。地面钻孔有效排放半径和钻孔瓦斯流量小，衰减快，透气性最好的抚顺煤层井下水平钻孔与美国同类条件相比，钻孔影响范围仅3050m，而美国可达到100m以上。煤层的低渗透率特点，决定了我国地面开发煤层气的难度很大。虽然地面钻井开采煤层气在个别高透气性煤层的矿区(
8、沁水煤田)试验取得成功，但是我国70%以上矿区的煤层赋存在高地应力、高瓦斯、低透气性复杂地质条件下，先采气后采煤技术没有突破，采用现行煤层气开采技术难以实现国家制定的“先抽后采”安全开采方针和“煤与瓦斯共采”能源战略。实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为瓦斯运移和抽放创造了条件。我国煤层的主要特点是地质构造复杂、煤层群开采，煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重，我国的煤层赋存条件决定了我同的瓦斯抽采应以卸压抽采为主，瓦斯抽采的重点应放在井下，利用井下的采掘巷道，通过采矿活动引起的采动影响，卸压增透，用拙采钻孔和各种有效配套技术强化
9、卸压煤层的瓦斯抽采。因此若在开采时形成采煤和采瓦斯两个既相对独立又相互依赖的完整系统，即形成“煤与瓦斯共采”的开采体系，则不仅有益矿井的安全，而且实现了在采煤的同时采出了洁净的瓦斯能源。因此必须创新设计理念，实现安全高效开采在矿井设计理念和技术的突破，寻求科学的深部开采技术难题的解决方法，创新煤与瓦斯共采技术、在开采煤炭的同时，利用采矿技术的基本原理将瓦斯安全高效地开采出来，是我国煤炭和瓦斯资源开发的一条重要途径。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状瓦斯在煤层及采动裂隙岩体中的运移和聚积规律，是煤矿瓦斯防治和抽放技术发展的基础，而这项研究涉及渗流力学、岩石力学、采矿及安全工程学等多学科，
10、但关键却在于力学学科的渗流理论。自1947年前苏联学者P. M.克里切夫斯基将渗透理论用于描述煤层内瓦斯运移过程，得出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流规律，为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础，到现在，煤岩瓦斯耦合作用理论已经发展了近60年。目前，在国内外指导煤矿瓦斯防治和抽放瓦斯机理的数学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯渗流一扩散规律以及多物理场、多相煤岩瓦斯祸合规律、煤层卸压瓦斯越流理论和采动裂隙带瓦斯运移规律等方而的研究。从理论、实践及其结合上，几十年来国外都对矿井瓦斯灾害防治工作进行了广泛而深入的研究与探索，现简单分述如下。对矿井瓦斯预测工作的研究在对矿井瓦斯预测工
11、作的研究中，美国、澳大利亚、波兰、德国、英国等世界主要产国家围绕地质开采因素、煤岩结构应力及井巷面区瓦斯预测预报等方面开展了大量而深的实验室和现场试验研究工作，取得了令人瞩目的巨大成就。各国所研发的许多矿井瓦预测方法己经在生产实际中得到了广泛使用并取得实际成效。特别是近年来计算机技术应用则显著提高了矿一井瓦斯预测计算的速度和精度，使矿井瓦斯预测工作更加及时和准。对矿井瓦斯涌出量方面的研究矿井瓦斯涌出量方面的研究内容主要包括:研究煤层瓦斯的形成和迁移规律;测定煤瓦斯含量;预测矿井瓦斯涌出量，等等。煤层瓦斯成分研究。煤层瓦斯通常指甲烷(沼气)，因为甲烷CH4是主要成分，一般占总量的80%以上，但是
12、，即使在室温下，煤层瓦斯也含有其他小分子的碳氢化合物及CO2、N2、O2和H2等气体物质。煤层瓦斯含量测定。目前各国主要采用的是解吸法测定煤层瓦斯含量。矿井瓦斯涌出量测定。生产矿井中的瓦斯来源主要包括井巷煤岩中的缓慢析出瓦斯、掘进区瓦斯、采煤区瓦斯以及采空区瓦斯。目前进行矿井瓦斯涌出量预测时所采用的方法主要有三类:矿山统计法、煤层瓦斯含量法和瓦斯分源法等。矿井瓦斯等级划分。国外大多数国家都划分矿井瓦斯等级，目的时便于采取相应的矿井安全技术措施。例如，俄罗斯矿井瓦斯等级的划分方法是:按照平均日产1t煤涌出的瓦斯量划分为四个等级:一级瓦斯矿井，5 m3/t以下;二级瓦斯矿井，5-10 m3/t;三
13、级瓦斯矿井，1015 m3/t;超级瓦斯矿井，15 m3/t以上。德国所有的烟煤矿井都划分为瓦斯矿井;工作面绝对瓦斯涌出量大于20 m3/min时，视为特大瓦斯工作面。有关矿井瓦斯抽放方面的研究在许多国家，矿井瓦斯抽放己经成为降低工作面瓦斯涌出量和防止矿井瓦斯突出的一项主要措施。前苏联一年的瓦斯抽放量为25亿m3;德国的平均抽放率达50%，其年抽放量约为6亿m3。1.2.2国内研究现状早在20世纪50年代初期至60年代中期，随着我国煤炭工业的发展，煤矿瓦斯问题逐渐严重。对此，我国煤矿一方面开展矿井通风系统技术改造，改善生产矿井的通风条件和加强瓦斯管理;另一方面开始在瓦斯防治技术上全面进行试验研
14、究，在瓦斯含量和瓦斯涌出量预测、瓦斯抽放等多个方面同时进行了实验室和现场研究工作。60年代中期至70年代末，我国在瓦斯抽放等方面进行了大量的基础理论和实用技术措施的研究，均取得了较大进展。例如，在瓦斯预测方面，针对地面钻孔密闭式和集气式岩芯取样器的采芯率低、瓦斯损失量大、预测结果偏低的问题，研究了解析法直接测定煤层瓦斯含量的方法，开拓了直接测定瓦斯含量的新领域。与此同时，在瓦斯涌出量预测研究方面也有所发展，除了广泛采用矿山统计法外，还开始采用一般计算法来预测矿井瓦斯涌出量。但由于缺乏必要的试验研究，这一时期的计算式中采用的参数值多为国内外经验数据，瓦斯涌出量预测采用计算法还处于开始阶段。在瓦斯
15、抽放方面，除了继续对邻近层抽放技术和开采层高透气性煤层抽放技术进行研究外，重点转入低透气性煤层抽放技术的研究。在这个时期，瓦斯抽放研究的方向是煤层注水、水力割缝、水力压裂等强化型瓦斯抽放技术。为从根本上消除瓦斯根源，广泛开展了本层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放、低透气性煤层强化瓦斯抽放等技术装备和工艺，以及包括瓦斯泵、钻机钻具、抽放系统配套装置和抽瓦斯监测系统等装备;“九五”、“十五”时期在突出危险预测方面，试验研究了突出危险区域无线电波透视技术:利用无线电电波在不同煤岩介质中吸收系数的变化探测预测区域范围内的构造异常带、煤层厚度变化带、煤层强度变化带、瓦斯富集带等，然后利用专家系统
16、等专用软件综合分析判断煤岩区域的突出危险性。另外这个时期研制的KJ系列煤矿安全监测系统已经具备了能够实现环境监测与突出危险性实时监测的功能，在一定程度上实现了突出预测的自动化。与此同时，在研究和改进瓦斯抽放技术方面，特别是本煤层瓦斯抽放技术和采空区瓦斯抽放技术等方面，均取得了重大进展，产生了良好的经济效益和社会效益。在瓦斯含量和瓦斯涌出量预测方面，目前已经较为完善地建立了地勘瓦斯含量测定方法及装置、解吸法测定煤层瓦斯含量方法及装置、瓦斯涌出量分源预测法、计算机绘制瓦斯地质图件的技术及软件，并制定了相应的技术规范，使预测精度达到了80%以上，为矿井通风设计、瓦斯管理提供了必要的技术依据。1.2.3本文主要研究内容本文立足阳煤集团的新元煤矿，主要研究基于区域瓦斯治理的抽采方案的研究，以及针对煤层透气性低和封孔质量差是造成高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采效果普遍较差的情况，提出钻爆抽一体化技术。针
