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Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望 王耀锋 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 瓦斯抽采是减少矿井风排瓦斯量、 防治瓦斯灾害的治本措施。基于前期研究及大量文献 调研, 对现有煤矿瓦斯抽采技术进行了系统分类梳理，简要回顾了中国煤矿瓦斯抽采技术装备 发展历程， 综述了 6 种典型瓦斯抽采技术的研究进展与应用情况。在总结分析我国瓦斯抽采发 展现状与技术瓶颈的基础上， 展望了其未来发展趋势， 认为大功率、 高可靠性、 高效率、 智能化煤 矿钻探技术与装备和煤层增渗技术、 瓦斯抽采钻孔提浓增量技术、 瓦斯抽采参数精准监控与智 能控制抽采关键技术、 煤矿瓦斯 （煤层气） 与煤炭协调开发技术、 废弃 （关闭） 矿井瓦斯 “甜点” 资 源区评判及高效抽采技术等是未来中国煤矿瓦斯抽采技术装备的主要发展方向。 关键词 瓦斯抽采； 煤层气开发； 煤与瓦斯共采； 抽采装备； 发展趋势 中图分类号 TD712.63文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0067-11 Current Situation and Prospect of Gas Extraction Technology and Equipment for Coal Mines in China WANG Yaofeng1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Gas extraction is an essential measure to reduce the amount of gas discharged by mine air and prevent gas disasters. Based on the previous research and a large number of literature research, the existing coal mine gas extraction technology is systematically sorted out, the development history of coal mine gas extraction technology and equipment in China is briefly reviewed, and the research progress and application of six typical gas extraction technologies are summarized. On the basis of summarizing and analyzing the development status and technical bottlenecks of gas extraction in China, looking forward to its future development trend, high power, high reliability, high efficiency, intelligent coal mine drilling technology and equipment and increased permeability of coal seam and gas extraction from drilling technology and the key technologies of gas extraction including accurate monitoring and intelligent control of gas extraction parameters, coordinated development of coal mine gas （CBM）and coal, uation of abandoned（closed）mine gas“sweet spot”resources and efficient extraction technologies are the main development directions of gas extraction technology and equipment in China’ s coal mines in the future. Key words gas extraction; development of coalbed methane; coal and gas co-mining; pumping equipment; development trend 煤矿瓦斯， 又名煤层气， 是成煤过程中由有机质 演化生成并赋存于煤系地层内的烃类气体，它兼具 优质清洁能源、主要温室气体和矿井致灾气体三重 属性。作为我国重要的非常规天然气资源，其储量 十分丰富[1]， 我国仅埋深在 2 000 m 以浅的煤层气 地质资源储量就有 36.811012m3，其中可采资源量 为 10.871012m3（约占 30） 。作为主要温室气体之 一， 煤层气的主要成分是甲烷 （CH4） ， 甲烷的温室效 应是二氧化碳 （CO2） 的 21 倍。作为矿井主要致灾气 体，瓦斯是瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和瓦斯燃烧等 事故的主要诱因之一，且瓦斯事故往往具有发生突 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.011 王耀锋.中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 67-77. WANG Yaofeng. Current Situation and Prospect of Gas Extraction Technology and Equipment for Coal Mines in China ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 67-77. 移动扫码阅读 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （2016ZX05045- 004- 001） ； 煤科集团沈阳研究院有限公司科技创新 基金资助项目 （SYYD- 20WS- 002， SY- 19- 004） 67 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 然、 破坏强度大、 范围广等特点。根据黄继广等[2]对 20092018 年间全国煤矿各类死亡事故的不完全 统计，在所发生的各类死亡事故中，共发生瓦斯事 故 722 起 （占事故总起数的 10.2） ， 瓦斯事故死亡 人数为 3 433 人 （占总死亡人数的 28.1） 。因此， 能 同时满足能源供应、环保和安全生产 3 个方面需求 的煤矿瓦斯 （煤层气） 高效开发利用技术， 一直是国 内外采矿界关注的热点和关键科学问题。 目前， 我国煤矿开采以每年约 10～20 m 的速度 向深部不断延深[3]， 随着煤炭开采新兴技术与装备 的不断投用，矿井的开采强度和延深速度将进一 步加大。 再者， 煤层的原始瓦斯含量和瓦斯压力也 在一定范围内随开采深度的增加而增大。综合考虑 以上因素， 在全国煤炭总产量基本保持稳定的前提 下， 我国煤矿的总瓦斯涌出量也将持续增大。据统 计[4-5]， 2017 年我国煤矿风排瓦斯量达 170 亿 m3， 井下瓦斯抽采量为 128 亿 m3，地面煤层气产量为 50 亿 m3。如忽略地面抽采的影响， 则 2017 年我国 煤矿的年总涌出量达到近 300 亿 m3。煤层瓦斯抽 采是继机械通风后在煤矿瓦斯灾害防治技术上的 又一次巨大进步， 是减少矿井风排瓦斯量、 防治瓦 斯灾害的治本措施。国家先后出台的一系列加强 煤矿瓦斯防治工作的重要举措， 有力地推动了煤矿 瓦斯 （煤层气） 抽采水平的不断提升。特别是 “十二 五” 以来， 我国煤矿区煤层气开发利用取得了令人 瞩目的成就，煤层气产量由 2011 年的 115 亿 m3提 高至 2018 年的 184 亿 m3，科技进步对产业发展贡 献巨大[5]。 然而， 我国煤矿瓦斯 （煤层气） 的赋存条件具有 “三低一高”（低饱和度、 低渗透性、 低储层压力， 高 变质程度） 的特点，此类条件下的瓦斯抽采属于世 界性难题，传统的技术难以支撑该产业持续快速发 展，直接移植国内外其他地区的成功经验也难以奏 效。对照我国煤层气 （煤矿瓦斯） 开发利用 “十三五” 规划[6]的发展目标， 到 2020 年， 我国煤层气 （煤矿瓦 斯） 抽采量达到 240 亿 m3（其中地面 100 亿 m3、 井下 140 亿 m3） 。若按近年来煤层气产量的增率来估算， 到 2020 年末，地面煤层气产量难以突破 70 亿 m3， 这将造成连续 3 个 “五年规划” 完不成产量目标的局 面。基于此，对我国现有煤矿瓦斯抽采技术进行了 系统分类梳理，简要回顾了其发展历程，在总结分 析其发展现状与技术瓶颈的基础上，展望了其未来 发展趋势， 以期为 “十四五” 期间我国煤矿瓦斯抽采 技术的发展提供建议。 1煤矿瓦斯抽采方法分类 煤矿瓦斯抽采的目的是针对不同的瓦斯涌出 源，依据开采空间与时间条件，综合考虑抽采工程 （钻孔或巷道） 施工的可行性和经济性， 采取不同的 抽采方法或工艺有效地抽出瓦斯，减少瓦斯向风流 涌入并防止局部积聚， 保障煤矿安全生产， 并尽可能 地利用抽出瓦斯以降低对环境的污染。 至今，我国尚未对煤矿瓦斯抽采方法制定统一 分类的标准。于不凡[7]把瓦斯抽采方法分为 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； 俞启香[3]把瓦斯抽采方法分为 开采层 抽采、 邻近层抽采、 采空区抽采和围岩抽采。这 2 种 分类方法的主要依据是开采煤层和邻近煤 （岩） 层的 空间关系， 在次级分类方法上则考虑开采时间关系。 为适应 煤矿瓦斯抽采基本指标 的考核要求， 程远 平[8]提出的分类方法为 第 1 层次按煤层的开采时 间划分为采前抽采（预抽） 、采中抽采和采后抽采； 第 2 层次按煤层开采的空间关系划分为本煤层抽 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， 如穿 层钻孔抽采、 顺层钻孔抽采等。 经查阅文献，总结出目前瓦斯抽采方法大致有 以下几种分类方式。 1） 按抽采工程的施工位置分类 可分为地面抽 采、井下抽采和井上下联合抽采 3 大类。地面抽采 一般通过施工地面钻井进行抽采，次级分类多按钻 井的类型来划分， 如直井、 U 型井、 L 型井、 对接井、 丛式井等。井下抽采一般通过施工钻孔、巷道或埋 设抽采管路进行抽采，次级分类多按照瓦斯来源分 为本煤层瓦斯抽采 （包括预抽、 边采边抽、 边掘边抽 等） 、 邻近层 （包括围岩及邻近煤层） 瓦斯抽采和采 空区瓦斯抽采（包括高位钻孔、顶板定向水平长钻 孔、 高抽巷、 埋管抽采、 尾巷抽采等） 。 2） 按煤层的开采时间分类 采前抽采 （预抽、 边 掘边抽） 、 采中抽采 （边采边抽） 和采后抽采。 3） 按原始煤体的透气性分类 高透气性煤层抽 采、 低透气性煤层强化抽采。 4） 按所抽采煤 （岩） 层的应力状态分类 未卸压 煤 （岩） 层抽采、 卸压煤 （岩） 层抽采及强化抽采 （人 为卸压） 等。 5） 按抽采瓦斯工艺分类 钻孔 （地面钻孔、 穿层 钻孔、 顺层钻孔等） 抽采、 巷道 （顶、 底板岩巷、 煤巷 及尾巷等） 抽采及插 （埋） 管抽采等。 68 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 6） 按煤层的开采技术条件分类 单一煤层抽采、 远距离煤层群抽采及近距离煤层群抽采等。 7） 按瓦斯抽采设备的安设位置分类 地面固定 式抽采、 井下移动式抽采。 8） 按抽采系统内瓦斯浓度分类 高浓度瓦斯抽 采、 低浓度瓦斯抽采； 按抽采系统压力分类 高负压 瓦斯抽采、 低负压瓦斯抽采。 总之， 考虑抽采问题的角度不同， 对瓦斯抽采方 法的分类方式也不尽相同。 2煤矿瓦斯抽采技术的发展 中国是文献记载最早利用天然气的国家，早在 晋朝时期常璩撰写的 华阳国志 （354 年） 一书， 就 描述了 2200 多年前秦朝时期四川临邛县钻井开采 天然气煮盐的情景。明末宋应星所著的 天工开物 （1637 年） 一书， 记载了利用竹管引排煤中瓦斯的方 法，这是最早关于煤矿人工排放煤中瓦斯的文献记 载。 自 1938 年抚顺矿务局龙凤煤矿首次利用瓦斯抽 采泵开展采空区瓦斯抽采起，开启了我国利用机械 设备抽采瓦斯的历程， 1952 年龙凤煤矿建立正规抽 采泵站标志着我国煤矿进入工业规模连续抽采瓦斯 阶段。 2.1我国煤矿瓦斯 （煤层气） 抽采的发展历程 近 70 年来， 随着煤炭行业的波浪式前进、 煤炭 产量的持续增加、矿井瓦斯涌出量的日益增大、 生 态环境约束趋紧、国家对煤矿瓦斯防治工作政策法 规的接连出台和监察监管力度的不断加大，我国煤 矿瓦斯抽采技术得以迅速发展。为方便叙述与分 析，以煤矿井下瓦斯抽采和地面煤层气开发的发展 水平及国民经济和社会发展五年规划 （ “十一五” 前 为 “五年计划” ） 纲要的时间节点为依据， 把煤矿瓦 斯 （煤层气） 抽采的发展历程划分为 4 个阶段[9]。 第 1 阶段井下瓦斯抽采的探索发展和地面煤 层气开发的试验阶段 （19521990 年） 。此阶段跨越 国家 “一五” 至 “七五” 这 7 个五年计划时期。王魁军[10] 等按照这一阶段不同时期主要发展的瓦斯抽采技术 特点将其细分为 4 个阶段，即高透气性煤层瓦斯抽 采阶段、邻近层卸压瓦斯抽采阶段、低透气性煤层 强化抽采瓦斯阶段和综合抽采瓦斯阶段。 20 世纪 50 年代初期，在抚顺的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成功，并将抽出的瓦 斯作为民用燃料来利用，标志着进入高透气性煤层 瓦斯抽采阶段。50 年代中期至 60 年代初， 在阳泉矿 区煤层群开采的矿井中，采用穿层钻孔抽采上邻近 层瓦斯的试验首获得成功，此后又在该矿区试验成 功利用高抽巷抽采上邻近层瓦斯技术，这一阶段被 称为邻近层卸压瓦斯抽采阶段。从 20 世纪 60 年代 初期进入了低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段，为解 决低透气性高瓦斯或突出煤层采用常规钻孔预抽效 果不理想问题， 试验研究了包括深孔预裂控制爆破、 水力压裂、水力割缝等在内的多种强化抽采瓦斯方 法，多数方法在试验区能够提高瓦斯抽采量, 但仍 处于试验阶段， 没能大范围推广应用。从 20 世纪 80 年代开始， 为提高瓦斯抽采量和抽采率， 以解决高产 高效工作面瓦斯涌出源多、 瓦斯涌出量大的问题， 综 合考虑煤层开采技术条件，把多种瓦斯抽采方法有 机结合起来实施瓦斯综合抽采，由此进入综合抽采 瓦斯阶段， 直至国家 “七五” 计划末期。第 1 阶段期 间的煤矿井下瓦斯抽采为我国煤炭产量的稳步提升 起到了重要支撑作用。1975 年， 我国在辽宁抚顺、 山 西阳泉等矿区开展了地面直井开采煤层气试验， 但 都未能取得理想的效果。 第 2 阶段井下瓦斯抽采的加速发展和地面煤 层气开发的探索、 启动阶段 （19912005 年） 。此阶 段涵盖了国家 “八五” 至 “十五” 3 个 “五年计划” 时 期。1997 年煤炭工业部颁布了 矿井瓦斯抽放管理 规范 和煤炭行业标准 煤矿瓦斯抽放技术规范 ， 明确了必须建立瓦斯抽采系统的条件及验收要求。 为加强对煤矿安全生产工作的组织领导， 2000 年成 立国家煤矿安全监察机构。在 20022005 年期间， 国家又以 30 亿元/年的资金投入来带动地方和企业 投资，对重点煤矿进行了瓦斯治理和安全技术改 造。上世纪 90 年代中期开始， 国内对煤矿井下钻探 设备的研究集中于回转钻进和组合钻具定向技术与 装备方面。19972005 年期间， 部分煤炭企业为了 提高瓦斯抽采水平，开始引进多套包括采用孔底马 达定向钻进的千米钻机在内的国外先进瓦斯抽采技 术与装备[11]， 在一定程度上提高了抽采钻孔施工能 力。国家 “九五” 攻关科研成果， 如大直径钻 （扩） 孔、 网格式密集钻孔、 交叉钻孔等， 为进一步提高预抽煤 层瓦斯能力奠定了基础。通过国家 “十五” 攻关项目 煤层气井下抽放成套工艺技术研究专题研究， 顺 煤层长钻孔成孔工艺技术取得突破，在晋城矿区寺 河煤矿施工钻孔长度已达 500 m。 这一期间， 针对煤 层群和松软煤层的开采地质条件，创立和发展了煤 层卸压抽采模式淮南模式[12-13]， 解决了多煤层、 构 造煤发育地区高瓦斯矿井抽采的技术难题，促进了 瓦斯抽采技术的快速发展。由于政府的政策引导和 69 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 资金支持，本阶段我国煤矿瓦斯抽采迅速发展， 据 不完全统计， 到 2005 年， 我国已有 228 座煤矿开展 瓦斯抽采， 全国抽采总量大幅度增长至 23 亿 m3。 在地面煤层气开发方面，也开始进入积极探索 阶段。1989 年原能源部召开的第 1 次 “开发煤层气 研讨会” ， 掀起了国内全面勘探开发煤层气的热潮[14]。 随着 1996 年中联煤层气有限责任公司的成立， 在地 面煤层气开发步入了基础研究与开发试验并举的阶 段，中石油、中石化和部分煤矿企业也分别在井下 和地面开展了初步的勘探与试验[15]。1998 年在阜新 市刘家矿区开展的采前地面预抽煤层气的试点工 作， 2003 年煤层气地面小井网试验成功[16]， 标志着 我国地面煤层气开发从试验阶段进入商业化生产启 动阶段。在 90 年代中后期， 安徽的淮北、 山西的沁 水煤田等地也进行了地面煤层气开发试验并取得了 不错的成果[17]。 第 3 阶段井下瓦斯规模化抽采和地面煤层气 商业化开发阶段 （20062015 年） 。此阶段即为国家 “十一五” 、“十二五” 这 2 个 “五年规划” 阶段。2005 年国家能源局发布的煤矿瓦斯治理与利用总体方 案 提出了 “可保尽保、 应抽尽抽、 先抽后采、 煤气共 采” 的瓦斯综合治理战略[8]。2006 年国务院办公厅 关于加快煤层气（煤矿瓦斯） 抽采利用的若干意 见 ，首次将瓦斯抽采和煤层气开发统称为煤层气 （煤矿瓦斯） 抽采， 并明确要求 必须坚持先抽后采、 治理与利用并举的方针；煤层中吨煤瓦斯含量必须 降低到规定标准以下，方可实施煤炭开采。制定的 煤层气 （煤矿瓦斯） 开发利用 “十一五” 和 “十二五” 规划， 都将煤层气 （煤矿瓦斯） 抽采作为煤矿瓦斯综 合治理的治本之策。2006 年国家安全生产监管总局 发布了 煤矿瓦斯抽采基本指标 ， 要求煤矿经抽采 瓦斯后，采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯 含量和回风流瓦斯含量必须达标。这些方针政策的 接连出台， 极大促进了煤层气 （煤矿瓦斯） 抽采的进 步。以松藻矿区为代表，开展了松软突出煤层钻进 及煤矿井下水力压裂增透抽采为主的技术示范， 形 成“三区配套三超前增透抽采”的煤与煤层气协调 开发模式松藻模式[18]。 20062017 年期间， 全国瓦 斯 （煤层气） 抽采情况[4,19-20]如图 1， 煤矿瓦斯事故死 亡人数[21-23]如图 2。从图中可以看出， 2006 至 2015 年期间，随着煤炭产量的持续增加和井下规模化抽 采的发展， 井下瓦斯抽采量、 利用量迅速增长， 而煤 矿瓦斯事故起数和死亡人数急剧下降。2015 年， 全 国瓦斯抽采矿井数已达 1 800 余座， 建成了 30 个年 抽采量达到亿 m3级的煤矿， 全国煤矿井下瓦斯抽采 量 135.7108m3。 在煤层气开发方面， 以晋城矿区为代表， 把煤矿 井下瓦斯治理和煤层气地面开发结合起来，形成了 三区联动的煤层气 （煤矿瓦斯） 立体递进抽采模式 晋城模式[24]， 实现了对单一厚煤层的规模化抽采。 从 图 1 可以看出， 2006 至 2015 年期间， 随着煤炭产量 的持续增加和地面煤层气商业化进程加速，地面煤 层气产量持续增长。到 2015 年全国新钻煤层气井 11 300 余口，新增煤层气探明地质储量 3 504108 m3， 全国煤层气地面开发量达到 43.3108 m3， 进入 了地面煤层气商业化开发阶段。 第 4 阶段 煤炭开采和地面煤层气开发、 井下瓦 斯抽采的协同规划与联合开发阶段 （2016 年至今） 。 此阶段自 “十三五” 规划开始， 至今已将近 5 年。中 国的经济发展速度从 2012 年开始放缓并进入新常 态， 2016 年国家实施了 “煤改气”“油改气” 等天然气 替代项目且煤炭开始去产能，这些原因导致全国煤 炭产量略有下降， 至 2018 年煤矿井下瓦斯抽采量也 图 220062017 年煤矿瓦斯事故起数、 死亡人数统计 Fig.2Statistics of coal mine gas accidents and deaths from 2006 to 2017 图 120062017 年地面煤层气产量和井下瓦斯抽采量 利用变化 Fig.1Changes in surface CBM production and downhole gas extraction utilization from 2006 to 2017 70 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 略有下降但降幅不大。与此同时，地面煤层气开发 量虽稳步增长， 但增幅也很小。2016 版 煤矿安全规 程 第 35 条， 要求有突出危险煤层的新建矿井开工 前，应当对首采区突出煤层进行地面钻井预抽瓦 斯， 且预抽率应当达到 30以上。 2019 版 防治煤与 瓦斯突出细则 第 16 条， 要求按突出矿井设计的矿 井建设工程开工前，应当对首采区内评估有突出危 险且瓦斯含量大于等于 12 m3/t 的煤层进行地面井 预抽煤层瓦斯，预抽率应当达到 30 以上；第 64 条对于煤层瓦斯压力达到 3 MPa 的区域， 不能开采 保护层或者采用远程操控钻机施工钻孔预抽煤层瓦 斯的，应当采用地面井预抽煤层瓦斯。这些要求将 在一定程度上促进地面煤层气开发工作。 虽然前期我国煤矿瓦斯 （煤层气） 抽采取得了很 大进展，已进入了井下瓦斯规模化抽采和地面煤层 气商业化开发阶段，初步建立了煤与煤层气协调开 发模式， 形成了一批适应我国煤层气 （煤矿瓦斯） 资 源赋存条件的抽采关键技术， 但 “十三五” 规划已近 尾声，煤层气产业的实际发展远低于预期。这是由 于我国煤矿瓦斯（煤层气） 的赋存条件的先天不足 且开采深度日益增加造成抽采难度不断加大，加之 受中国煤炭去产能、重安全和环保轻资源开发等外 部环境因素的影响造成的。可以预见，单井产气量 低、 地面煤层气抽采量少、 煤层气 （煤矿瓦斯） 利用 率偏低的局面仍将在较长时期内持续存在。 早在 2003 年， 钱鸣高等[25]就把煤与瓦斯共采技 术作为煤矿绿色开采技术之一提了出来。此后， 程 远平[26]、 袁亮[13,27]、 王家臣[28]、 谢和平[29]等围绕这一关 键技术开展了理论、技术体系和试验研究，取得了 大量的成果。煤与瓦斯共采技术的实质是为克服 已有煤矿瓦斯 （煤层气） 抽采技术的不足， 利用煤炭 开采过程中所形成的采动作用，使煤岩层所处的应 力场得以释放、煤岩体内部结构变化，以增加煤岩 层的渗透特性，进而促进煤层内瓦斯吸附解吸动态 平衡状态的变化，使瓦斯更多地向游离态转化， 从 而实现煤炭资源与瓦斯能源的共同开采。这样既解 决了煤炭开采过程中的瓦斯灾害，又提高了瓦斯这 种优质清洁能源的收集与利用效率。煤与瓦斯共采 技术体系尚存在大量急需研究解决的核心理论与技 术问题，它们直接关系着煤与瓦斯共采技术体系理 论系统的完善及在现场应用效果。 我国煤炭资源的基础能源地位决定了煤炭开采 在国家能源供给中的决定性作用。煤与煤矿瓦斯 （煤层气） 耦合伴生， 煤矿瓦斯 （煤层气） 抽采与煤炭 的开采密切相关， 因此， 将煤矿瓦斯 （煤层气） 抽采 与煤炭开发相结合， 把煤矿瓦斯 （煤层气） 抽采的资 源属性和煤炭开采的安全属性充分结合，坚持井上 下联合立体抽采的方针，不断加大卸压抽采和煤与 瓦斯共采的力度，通过协同规划与联合开发实现煤 矿瓦斯 （煤层气） 与煤炭协调开发是未来必由之路， 也是本阶段的工作重点。 2.2煤矿瓦斯抽采典型技术进展 前已述及， 经过近 70 年的探索与实践， 我国已 发展出种类繁多、各具特色的瓦斯抽采技术，基本 建立了瓦斯抽采技术体系。煤矿瓦斯抽采方法的选 择, 主要是依据矿井瓦斯来源、 煤层开采技术条件、 煤层开采顺序及采掘巷道布置等因素来进行综合考 虑。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都在我国进行过试验 与应用，许多瓦斯抽采技术已成为矿井瓦斯治理常 规措施。限于篇幅， 不能一一介绍， 仅筛选出 6 种应 用前景看好的瓦斯抽采技术装备，阐述它们的研究 进展与应用情况。 2.2.1碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂增渗技术 对于碎软低渗高瓦斯煤层来说， 由于其强度低、 弹性模量小、 泊松比高的力学特性， 在煤层内施工定 向长钻孔极易发生卡钻、 埋钻、 喷孔等现象， 导致钻 进成孔十分困难， 即使成孔后也常出现井壁失稳、 垮 塌、固井质量不好等问题。若直接对碎软煤层进行 压裂改造，往往很难在碎软煤层中形成长缝且压裂 砂镶嵌严重， 造成泄流面积有限、 增渗效果不明显。 因此， 在碎软低渗煤层瓦斯抽采中的 “煤层水力压裂 稳定造缝” 一直是急需解决的关键技术难题[30]。 20132015 年， 在淮北芦岭井田施工了 1 组 U 型对接井，试验了沿煤层顶板的砂质泥岩中施工水 平井并进行分段压裂的煤层顶板水平井分段压裂增 渗技术，煤层顶板水平井分段压裂增渗技术原理如 图 3。 该技术的关键问题是 套管水平井在分段压裂 过程中压裂缝能否向下延伸到煤层中，压裂缝是否 既在岩层横向延伸又能在煤层中横向延伸。顶板岩 层水平井分段压裂工艺为 施工 U 型对接井→采用 地质导向钻进技术在顶板岩层中 （紧邻煤层 2 m） 施 工水平井段→下入生产套管固井→采用泵注桥塞电 缆射孔压裂技术实施水平井分段压裂→精细排采。 该井组从 2015 年 1 月开始排采，截至 2017 年 2 月 28 日， 日产量最高达 10 754.8 m3， 连续 3 个月日产 气量达 1 万 m3以上， 累计产气量 401.57 万 m3。 本技术可实现对碎软低渗高瓦斯煤层的增渗及 71 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3煤层顶板水平井分段压裂增渗技术原理 Fig.3Technology principle of fracturing and permeability enhancement in horizontal well with roof of coal seam 高效预抽。在煤层回采过程中，顶板覆岩发生变形 破坏，地面直井及水平井井身结构也会有一定程度 的破坏。若破坏程度较小，还可以利用直井和水平 井的垂直段，对回采期间的煤层卸压瓦斯和井筒附 近一定范围内的采空区瓦斯进行抽采，甚至对老空 区内的瓦斯进行间歇式抽采， 实现一井多用。 2.2.2采动区地面 L 型顶板水平定向井抽采技术 对于开采原始瓦斯含量不高的厚煤层或特厚煤 层的高产高效综放工作面来说，仅采用通风稀释和 采前预抽煤层瓦斯方法难以解决回采期间工作面及 采空区瓦斯涌出量大的问题。目前常用的采空区瓦 斯抽采方法有顶板高抽巷、 高位钻孔、 上隅角插管、 采空区埋管、尾巷抽采等。采用高抽巷虽然瓦斯抽 采量大但存在巷道掘进机维护成本高、掘进进度慢 等问题，高位钻孔则存在钻孔工程量大、钻孔利用 率不高、 抽采接续紧张等缺点， 上隅角插管、 采空区 埋管等存在抽采浓度低、纯量小等不足，因瓦斯尾 巷存在诸多难以解决的缺点而被煤矿安全规程 2016 版废除，均难以适应工作面高产高效的要求。 结合高位钻孔抽采与地面直井抽采技术特点的采动 区地面 L 型钻井技术应运而生， 融合了 “地面垂直 井” 、“采动区直井” 和 “井下水平井” 等多种技术的 优点[31]， 还具有瓦斯抽采覆盖范围大、 成本低等特 点， 该技术近几年发展迅速。 采动区地面 L 型顶板水平定向井布置于采掘 准备区，其直井段需要采取特殊设计来保证采动后 的畅通，而水平段位于煤层顶板岩层中，主要利用 煤层的采动卸压效应，采用负压抽采工作面回采期 间煤层的卸压瓦斯及采空区、 邻近层 （包括围岩） 瓦 斯， 在工作面推至水平段附近时开始运行， 采动区地 面 L 型顶板水平定向井抽采技术如图 4[32]。该技术 的关键问题是保证直井段能够承受住采场覆岩剧 烈运动的影响，确保水平井段位于煤层顶板裂隙带 内且不会发生垮塌堵塞。在攻克大孔径地面井破碎 岩层护壁钻进、小角度穿层钻进等钻完井难题的基 础上， 采动区地面 L 型顶板水平定向井抽采得以成 功应用，达到了单一煤层单井抽采覆盖工作面长度 超 1 000 m 和日抽采量 3.3 万 m3的效果[5]。 2.2.3井下定向长钻孔抽采技术 钻孔抽采是我国煤矿井下最广泛采用的抽采方 式， 对于高瓦斯压力的松软、 低透气性突出煤层， 以 前主要通过施工常规顺层钻孔和底（顶） 板穿层钻 孔来实现对煤巷条带、回采区域煤层瓦斯的预抽。 由于在突出煤层钻进时极易发生喷孔、 夹钻、 顶钻、 埋钻等现象，导致钻进成孔困难。另外，由于钻孔 浅、 钻孔轨迹无法控制的限制， 导致钻孔工程量大、 成本高、 工期长、 容易出现抽采空白带、 矿井采掘接 替紧张等困局。 煤矿安全规程 第 210 条限制了将 在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区 域防突措施的应用范围， 防治煤与瓦斯突出细 则第 64 条规定了定向长钻孔预抽煤巷条带煤层 瓦斯区域防突措施的钻孔施工要求，这些都限制了 常规钻孔在突出煤层预抽中的应用。 作为钻探工程领域的一项新技术，煤矿井下随 钻测量定向钻进技术[11,33]逐渐兴起并成为我国煤矿 瓦斯高效抽采的 1 种重要技术途径，通过实时测量 钻孔轨迹和孔底螺杆马达工具面向角，控制钻孔轨 迹沿设计延伸， 提高了钻孔空间定位精度， 增加了钻 孔深度。另外，还可以采用定向钻进技术进行多分 支钻孔、 羽状钻孔、 梳状钻孔[34]、 枝状钻孔等的施工， 具有能均匀覆盖预定区域、钻进效率高、钻孔长度 图 4采动区地面 L 型顶板水平定向井抽采技术 Fig.4Extraction technology of horizontal directional well with L-shaped roof in the mining area 72 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 大、 一孔多用等优点。2004 年在大宁试验区， 采用定 向钻进技术钻探了中国第 1 口定向羽状水平井 （DNP02） ，气体流量最高达到了 21 000 m3/d [35]。 2019 年 9 月， 中煤科工集团西安研究院在神东煤炭 集 团 保 德 煤 矿 使 用 西 安 研 究 院 自 主 研 制 的 ZDY15000LD 定向钻进装备、泥浆脉冲无线随钻测 量系统创造了主孔深度为 3 353 m 井下沿煤层定向 钻进孔深新的世界纪录[36]。 2.2.4以孔代巷抽采技术 如前所述，目前采用的治理采空区及上隅角瓦 斯常规方法，由于存在诸多缺点与不足，亟需寻求 更经济高效的新方法来替代。随着随钻测量定向钻 进技术、大直径套管钻进等技术的发展，以孔代巷 技术的出现为上述问题的解决提供了新思路。所谓 以孔代巷，是指利用最新的定向钻进、大直径钻进 等技术， 以低成本、 高速度、 高成功率完成大直径抽 采钻孔施工， 来代替高抽巷等巷道进行瓦斯抽采。 为提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效 率， 程志恒等[37]研究了顶板高位走向长钻孔抽采瓦 斯作用机制并在山西华晋吉宁煤业 2102 综采工作 面进行了现场试验及抽采效果考察。王勇等[38]在端 氏煤矿 3109 工作面试验验证了顶板定向长钻孔代 替高抽巷的合理性和可行性，顶板定向长钻孔和高 位钻孔抽采示意图如图 5。林海飞等[39]在山西某矿 三采区的工作面开展了定向钻孔代替尾巷治理瓦斯 试验。 煤科集团沈阳研究院有限公司的祝钊等[40]针对 复杂地质条件下大直径钻孔成孔后孔壁易坍塌的难 题，开展了大孔径套管钻进一次性成孔技术研究， 并研制出配套的 ZDY15000L 型煤矿用履带式全液 压坑道钻机 （图 6 ） ， 该钻机具有低转速、 大扭矩、 能 够钻进大直径钻孔 （500 mm） 的特点， 为煤矿井下大 直径瓦斯抽采钻孔的施工提供装备支撑。程波等[41] 开展了大直径水平钻孔桥接采空区抽采瓦斯技术研 究， 董燕飞等[42]通过在屯兰矿 22301 瓦斯治理巷施 工大直径钻孔替代回风巷与瓦斯治理巷横贯进行抽 采解决了工作面瓦斯超限问题。目前，以孔代巷技 术已在我国晋城、 阳泉、 淮南、 铁法、 沙曲等多个矿 区试验成功并得到推广应用。 2.2.5保护层卸压瓦斯抽采技术 多年来突出危险煤层的开采实践和理论研究表 明，在开采保护层的同时预抽被保护层的瓦斯是防 治煤与瓦斯突出的有效区域性防突措施，既可以避 免与突出危险煤层长期短兵相接，又能提高防突措 施的安全性和可靠性[43]。 煤矿安全规程 第 204 条 要求“具备开采保护层条件的突出危险区，必须开 采保护层” ， 第 208 条要求 “开采保护层时， 应当同时 抽采被保护层和邻近层的瓦斯” ， 这些规定有力地促 进了保护层卸压瓦斯抽采技术的研究及应用。 保护层开采之后，上被保护层的透气性可增加 1 000～3 000 倍、卸压瓦斯抽采率达 60 以上； 下 被保护层的透气性最大可增加 1 000 多倍、卸压瓦 斯抽采率可达 50以上[44]。 因此， 通过抽采保护层开 采卸压瓦斯，不仅可以区域性消除煤层的突出危险 性， 还能够实现被保护层瓦斯的高效抽采， 该技术具 有安全、 高效、 经济的特点。自 1958 年以来， 我国先 后在北票、南桐等局矿开展了保护层卸压瓦斯抽采 技术试验研究并在在红卫、六枝等局矿进行了大范 围推广应用； 1998 年以来，中国矿业大学与淮南矿 业集团合作发展了保护层开采这一防突技术措施， 扩大了该技术适用范围。淮南矿区针对其煤层群开 采的特点， 提出了改变煤层群开采程序和采场布置， 通过卸压开采来提高煤层群开采治理瓦斯效果的技 术方案， 在大量理论研究与实践的基础上， 建立