中国煤矿瓦斯抽采技术的发展.pdf

第2 6 卷第2 期 2 0 0 9 年0 6 月 采矿与安全工程学报 J o u r n a lo fM i n i n g ＆S a f e t yE n g i n e e r i n g V 0 1 ．2 6N o ．2 J u n e2 0 0 9 文章编号1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 9 0 2 0 1 2 7 1 3 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 程远平1 ，付建华2 ，俞启香1 1 ．中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．国家煤矿安全监察局，北京1 0 0 7 1 3 摘要在多年煤矿瓦斯理论研究及工程实践的基础上，总结提出了适用于煤矿瓦斯抽采指标考 核要求的瓦斯抽采分类方法，即采前抽采、采中抽采和采后抽采．对各种抽采方法的基础理论进 行了简要论述，并给出了具体的设计方法和技术参数．通过实例重点介绍了采前抽采煤层瓦斯的 区域性瓦斯抽采方法，充分体现了“区域性防突措施先行”的工作原则．最后以淮北祁南煤矿为 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． 关键词先抽后采；抽采达标；瓦斯抽采；煤与瓦斯突出；区域性瓦斯治理 中图分类号T D7 1 2文献标识码A D e v e l o p m e n to fG a sE x t r a c t i o nT e c h n o l o g y i nC o a lM i n e so fC h i n a C H E N GY u a n p i n 9 1 ，F UJ i a n h u a 2 ，Y UQ i x i a n 9 1 1 - N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rC o a lG a sC o n t r o l ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ． X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．N a t i o n a lC o a lM i n eS a f e t yS u p e r v i s i o nB u r e a uo fC h i n a ，B e i j i n g1 0 0 7 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sp r a t i c a la n da p p l i c a t i o n so fg a sc o n t r o lf o rm a n y y e a r s ，w ep r o p o s eac l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fg a se x t r a c t i o n ，w h i c hi ss u i t a b l ef o re v a l u a t i o n s t a n d a r d sa n dc a ne n s u r et h eg a se x t r a c t i o nb e f o r e ，d u r i n go ra f t e rc o a ls e a mm i n i n g ．T h e n ， w em a k eab r i e fd e s c r i p t i o na b o u tb a s i ct h e o r i e so ng a sc o n t r o lm e t h o d sa n dg i v et h ec o n c r e t e d e s i g nm e t h o da n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ．I na d d i t i o n ，w ee x p l a i nt h em e t h o do fr e g i o n a lg a se x t r a c t i o nb e f o r ec o a ls e a mm i n i n gu s i n ge x a m p l e sw h i c hf o l l o wt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f “r e g i o n a lg a sc o n t r o lm e a s u r e st a k e ni na d v a n c e ”．A tl a s t ，b a s e do nt h ep r a c t i c ei nQ i n a nc o a lm i n eo f H u a i b e im i n i n gi n d u s t r yg r o u p ，w ei n t r o d u c ea d v a n c e de x p e r i e n c e st oa c h i e v es a f ea n dh i g h l y e f f i c i e n tm i n i n gu s i n gc o m p r e h e n s i v eg a se x t r a c t i o nm e t h o d s ． K e yw o r d s d r a i n i n gg a sb e f o r em i n i n gc o a l ；r e a c h i n gs t a n d a r d so fg a se x t r a c t i o n ；g a se x t r a c t i o n ；c o a la n dg a so u t b u r s t ；r e g i o n a lg a sc o n t r o l 1 煤矿瓦斯抽采对保障安全生产的作用 1 ．1 煤矿瓦斯赋存条件 煤炭是中国的主要能源，占一次能源的7 0 ％ 以上．进入2 1 世纪以来，随着中国经济的快速增 长，煤炭需求量也快速增长，2 0 0 1 年至2 0 0 8 年中 国煤炭产量由1 1 ．0 6 亿t 猛增到2 7 ．2 亿t ，平均每 年增长了1 8 ．2 4 ％．中国煤炭工业在保障中国经济 快速增长的同时，也使煤炭的开采条件不断恶化， 突出表现在开采深度增加、瓦斯压力和瓦斯含量增 大、地质构造条件复杂，瓦斯灾害、特别是煤与瓦斯 突出灾害日趋严重． 收稿日期2 0 0 9 0 1 1 4 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 6 7 4 0 8 9 ；国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 3 ；国家自然科学基金重点项目 7 0 5 3 3 0 5 0 作者简介程远平 1 9 6 2 一 ，男，吉林省集安市人，教授，博士生导师，工学博士，从事火灾防护理论及矿业安全工程方面的研究． E m a i l y p c 6 2 0 9 2 4 1 6 3 ．c o r n T e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 7 5 9 万方数据 1 2 8 采矿与安全工程学报第2 6 卷 2 0 世纪8 0 年代初，南桐矿务局平均开采深度 3 8 0m ，瓦斯压力1 ．5 ～6 ．0M P a ；淮南矿务局平均 开采深度4 9 0r l l ，瓦斯压力1 ．8 ～3 ．6M P a ．目前， 南桐矿务局平均开采深度8 1 0m ，瓦斯压力5 ．0 ～ 1 0 ．0M P a ；淮南矿业集团平均开采深度8 0 0m ，瓦 斯压力4 ．2 ～5 ．6M P a ，所开采的煤层9 0 ％为突出 煤层，原来无突出危险的保护层已升级为突出危险 煤层屯j ．2 0 0 4 年，全国大中型煤矿平均开采深度 4 5 6m ．平均采深华东约6 2 0m ，东北约5 3 0m ，西 南约4 3 0m 。中南约4 2 0m ，华北约3 6 0m ，西北约 2 8 0m ．采深超过10 0 0m 的煤矿有8 处，采深大于 6 0 0m 的矿井产量占2 8 ．4 7 ％．全国煤矿开采以每 年约1 0 ～2 0m 的速度向深部延深[ 3 ] ． 中国含煤地层以石炭二叠纪为主，经历过多次 大型构造运动，许多矿区发生隆起、坳陷、褶皱和断 裂等活动，在构造挤压和剪切应力的作用下，煤层 结构破坏而形成构造煤发育，表现为煤质松软 硬 度系数，一0 ．1 ～o ．5 ，煤层渗透性差 透气性系数 多为1 0 - 3 ～1 0m 2 ／ M P a 2 d ，原始煤体瓦斯抽 采困难． 1 ．2 瓦斯抽采的目的 中国煤矿的瓦斯事故类型分为瓦斯爆炸、煤与 瓦斯突出、瓦斯燃烧和窒息．瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和 窒息事故的原因之一是瓦斯积聚达到一定的体积 分数．例如瓦斯体积分数达到5 ％～1 5 ％时，有可 能引起瓦斯爆炸事故；瓦斯体积分数大于1 5 ％时， 有可能引起瓦斯燃烧事故；由于瓦斯积聚使空气中 氧气体积分数降到1 2 ％时，人感到呼吸非常短促． 煤与瓦斯突出是煤体中存储的瓦斯能和应力能的 失稳释放．煤层瓦斯的大量直接排放不仅浪费了能 源资源而且严重污染了环境，以甲烷为主要成分的 煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体，甲烷的 温室效应比二氧化碳大2 0 倍以上． 因此，煤矿瓦斯抽采的目的为 1 减少瓦斯涌出、预防瓦斯超限、降低瓦斯积 聚，为矿井通风创造有利的条件； 2 降低煤层中存储的瓦斯能量、提高煤体强 度，防治煤与瓦斯突出； 3 开发利用高效洁净的能源； 4 降低对环境的污染． 中国煤矿安全规程[ 4 3 第1 4 5 条规定了必须 建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯 系统的条件． 1 ．3 煤矿瓦斯抽采量 中国于2 0 0 2 年提出了“先抽后采，监测监控， 以风定产”的1 2 字工作方针【s ] ．由于2 0 世纪末期， 中国煤炭企业经营十分困难，造成煤矿安全的投入 普遍不足，很多煤矿采掘失衡，再加上后来煤炭产 量的大幅度提升，导致2 0 0 4 年底至2 0 0 5 年初，郑 州煤业集团大平煤矿、铜川矿务局陈家山煤矿、阜 新煤业集团孙家湾煤矿接连发生了3 起一次死亡 百人以上特别重大瓦斯事故．2 0 0 5 年至2 0 0 8 年， 国家每年投入3 0 亿元，带动企业和地方投资，对重 点煤矿进行瓦斯治理和安全技术改造． 经过近4 年多的科技攻关、安全技术改造和加 大监管及监察力度，中国煤矿瓦斯治理科技水平、 装备水平和管理水平取得了长足进步．图l 给出了 中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况，从图1 中可以看 出，2 0 0 2 年以来中国煤矿瓦斯抽采增长迅速，2 0 0 7 年全国瓦斯抽采量达到4 4 亿m 3 ，有1 0 个矿业集 团年瓦斯抽采量超过1 亿m 3 ． 量 ～ ■ 嵌 誊 接 试 阳泉、淮南、水城、盘扛、松藻、 晋城、抚顺、淮北等1 0 个矿业集团 年抽采量超过1 亿m 1 山西、辽宁、安徽、重庆等5 个省市 年抽采量超过2 亿m 3． 咝 1 9 6 5 1 9 8 51 9 9 5 2 0 0 7 图1中国煤矿瓦斯抽采量增长情况 F i g ．1 C o a lm i n eg a sd r a i n a g ev o l u m e g r o w t hs i t u a t i o ni nC h i n a 1 ．4 煤矿瓦斯事故分析 近年来随着中国煤矿安全投入不断增加，煤矿 瓦斯抽采量增长迅速，安全管理水平也得到了大幅 度的提升L 6 ] ．表1 给出了2 0 0 5 2 0 0 8 年中国煤矿 瓦斯事故起数和死亡人数的对比分析，表中的事故 起数和死亡人数是相对于2 0 0 5 年同类数据的百分 比． 表12 0 0 5 2 0 0 8 年中国煤矿瓦斯事故对比 T a b l e1C o a lm i n eg a sa c c i d e n tc o n t r a s tb e t w e e n 2 0 0 5a n d2 0 0 8i nC h i n a％ 年份 伞部瓦斯事故重大以上瓦斯事故特别醺大瓦斯事故 起数死亡人数起数死亡人数起数死亡人数 从表1 中可以看出，无论是事故起数还是死亡 人数 包括全部瓦斯事故、重大以上瓦斯事故和特 别重大瓦斯事故 都呈逐年下降的趋势，2 0 0 8 年的 瓦斯事故起数和死亡人数仅为2 0 0 5 年的4 3 ．6 9 ％ 0 O O O O O 删 瑚 瑚 侧 如 ∞叭∞㈣加筋5∞∞∞卯∞∞∞∞趴弱∞∞弘弘弱 ∞n ∞拍∞昭昭u∞；2 昭姐∞∞蚰弘∞吩加％∞弛诣们∞∞∞∞ 加幻幻加 万方数据 第2 期程远平等中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 1 2 9 和3 5 ．8 4 ％．值得一提的是，对特别重大瓦斯事故 ～次死亡3 0 人及以上的事故 的控制效果显著， 2 0 0 8 年的特别重大瓦斯事故起数和死亡人数仅为 2 0 0 5 年的1 6 ．6 7 ％和5 ．4 1 ％，且消灭了1 次死亡 5 0 人以上的特别重大恶性瓦斯事故． 综合分析认为，中国煤矿瓦斯事故呈现以下特 点 1 煤矿瓦斯起数和死亡人数呈明显下降趋 势，特别重大瓦斯事故得到有效控制； 2 煤与瓦斯突出事故超过瓦斯爆炸事故，上 升为第一位的瓦斯事故； 3 乡镇煤矿仍然是煤矿瓦斯事故的重灾区， 一些低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和未鉴定矿井发生了 煤与瓦斯突出事故． 2 煤矿瓦斯抽采理念的发展 中国煤矿瓦斯抽采理念的发展先后经历了“局 部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突 措施先行”4 个阶段． 2 ．1 局部防突措施为主 2 0 世纪5 0 一8 0 年代，中国煤矿瓦斯治理的重 点是，摸清煤与瓦斯突出规律，引进消化和吸收国 外煤与瓦斯突出防治技术和经验，研究适合中国特 点的煤与瓦斯突出预测方法和突出防治工程方法． 在此基础上，2 0 世纪8 0 9 0 年代末，进入局部防 突措施为主的阶段，主要任务是贯彻落实“四位一 体”综合防突措施，以1 9 8 8 年防治煤与瓦斯突出 细则出版和1 9 9 5 年的修订为代表[ 7 _ 8 ] ，研究重点 是煤与瓦斯突出危险性预测方法与预测指标，同时 兼顾突出防治工程方法的深化研究． 2 ．2 先抽后采 2 0 0 2 年8 月3 0 日，在辽宁省铁法煤业集团召 开的全国煤矿瓦斯防治现场会上，时任国家安全生 产监督管理局、国家煤矿安全监察局局长王显政同 志作了“以防治瓦斯灾害为重点，开创煤矿安全生 产工作新局面”重要讲话[ 5 ] ．提出了“先抽后采，监 测监控。以风定产”的1 2 字工作方针，致力于建立 防范瓦斯事故的长效机制．“先抽后采”是瓦斯防治 工作的基础，是从源头上治理瓦斯灾害的治本之策 和关键之举，体现了瓦斯治理预防为主、关口前移 的要求，是煤矿长期治理瓦斯实践经验的总结【9 ] ． 这期间也是区域性治理与局部治理并重阶段， 一些瓦斯治理基础较好的矿业集团，如淮南矿业集 团，在长期瓦斯治理经验总结的基础上，提出了“可 保尽保，应抽尽抽”的瓦斯治理战略，并得到全国突 出危险严重矿区的积极相应．2 0 0 5 年3 月国家发 展改革委、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿 安全监察局在总结淮南、阳泉、平顶山、松藻等煤矿 瓦斯治理经验的基础上，编写了煤矿瓦斯治理经 验五十条[ 10 | 。在瓦斯治理的基本思想中明确提出 区域性治理与局部治理并重，实施“可保尽保，应抽 尽抽”的瓦斯治理战略．并在第3 2 条中明确提出 “强制开采保护层，做到可保尽保，并抽采瓦斯，降 低瓦斯含量”．第3 5 条中提出“顶、底板穿层钻孔 掩护强突出煤层掘进”． 2 ．3 抽采达标 2 0 0 8 年7 月8E l ，国务院安全生产委员会在 辽宁省沈阳市召开全国煤矿瓦斯治理现场会，时任 国家安全生产监督管理总局局长王君同志作了， “通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位，把煤矿 瓦斯治理攻坚战扎实有效地推向深入”的重要讲 话[ 1 1 | ．根据中国煤矿安全生产实际情况，在认真总 结煤矿瓦斯治理科研成果和经验教训的基础上，国 家安全生产监督管理总局提出了，构建“通风可靠、 抽采达标、监控有效、管理到位”的煤矿瓦斯治理工 作体系．为贯彻落实全国煤矿瓦斯治理现场会精 神，巩固煤矿瓦斯治理攻坚战成果，进一步提高煤 矿瓦斯治理水平，有效防范和遏制重特大瓦斯事 故，实现煤矿安全生产形势的明显好转，国务院安 全生产委员办公室以安委办[ 2 0 0 8 ] 1 7 号文下发 了，关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导意 见[ 12 。．明确提出“强化多措并举、应抽尽抽、可保 尽保、抽采平衡的技术措施，确保抽采达标”．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要达到煤矿瓦 斯抽采基本指标 A Q l 0 2 6 2 0 0 6 [ 13 ] 的要求． 2 ．4 区域防突措施先行 由于近年来中国煤矿煤与瓦斯突出灾害日趋 严重，煤与瓦斯突出事故已经超过瓦斯爆炸事故， 上升为第一位的瓦斯事故．为了有效地遏制煤与瓦 斯突出事故，2 0 0 8 年国家煤矿安全监察局组织有 关专家对防治煤与瓦斯突出细则 1 9 9 5 年版 进 行了全面修改，将以防治煤与瓦斯突出规定的形 式颁布实施．在即将颁布实施的防治煤与瓦斯突 出规定中系统地总结了中国煤与瓦斯突出矿区煤 与瓦斯突出防治中的经验与教训，明确提出煤与 瓦斯突出防治工作坚持“区域防突措施先行、局部 防突措施补充”的原则．未采取区域综合防突措施 并未达到指标要求的严禁进行采掘活动，做到“不 掘突出头，不采突出面”． 万方数据 1 3 0 采矿与安全工程学报 第2 6 卷 3煤矿瓦斯抽采指标、方法分类及选择 瓦斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策，必须努 力实现抽采达标．瓦斯治理必须坚持标本兼治、重 在治本．通过瓦斯抽采，降低煤层中的瓦斯含量，从 根本上治理防范瓦斯灾害．因此要加大瓦斯抽采力 度，提高瓦斯抽采率和利用率． 3 ．1 瓦斯抽采指标 煤矿瓦斯抽采基本指标第4 节，瓦斯抽采应 达到的指标中规定了以下4 种类型的抽采指标 1 突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范 围内煤层的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含 量以下或将瓦斯压力降到煤层始突深度的煤层瓦 斯压力以下．若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦 斯含量或压力，则必须将煤层瓦斯含量降到8m 3 ／ t 以下，或将煤层瓦斯压力降到0 ．7 4M P a 表压 以下．即突出煤层工作面必须在采前通过瓦斯抽采 区域性消除煤与瓦斯突出危险性． 2 瓦斯涌出量主要来自于开采层的采煤工作 面前方2 0m 以上范围内，煤的可解吸瓦斯量必须 根据工作面的日产量在采前通过开采层的瓦斯抽 采使煤的可解吸瓦斯含量降到规定指标之下． 3 瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩的采 煤工作面必须根据工作面绝对瓦斯涌出量情况确 定工作面的最低瓦斯抽采率，这部分瓦斯可以在工 作面开采过程中同时进行抽采． 4 规定了不同绝对瓦斯涌出量的矿井应达到 的最低瓦斯抽采率．即矿井通过各种抽采 综合抽 采 后应达到的最低瓦斯抽采率． 上述第1 种类型规定了突出煤层采前抽采应 达到的指标，第2 种类型规定了高瓦斯煤层采前抽 采应达到的指标，第3 种类型规定了回采工作面开 采过程中抽采应达到的指标，第4 种类型规定了矿 井瓦斯抽采应达到的指标．由此可见煤矿瓦斯抽 采基本指标对抽采方法的划分依据煤层开采时 间，即煤层开采前、开采过程中和开采过程后． 3 ．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L l 们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L l 副中 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，作者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2 ． 攥矿瓦斯抽采方法 采前抽采 预抽 JI 采中抽采 边采边抽 II 采后抽采 本煤层抽采II 邻近层抽采II 回采1 作面抽采lI 掘进工作面抽采 I 面丽丽一I L - - - - ．．．．．- - ．．．．．．．- - ．．一． I 空层钻孔抽采| I 图2 煤矿瓦斯抽采方法分类 F i g ．2C o a lm i n eg a sd r a i n a g em e t h o d sc l a s s i f i c a t i o n ， 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，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 萎墓露{ 国圉 万方数据 第2 期程远平等中国煤矿瓦斯抽采技术的发展1 3 1 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． 3 ．3 瓦斯抽采方法选择 3 ．3 ．1 煤与瓦斯突出矿井瓦斯抽采方法选择 突出煤层突出危险区域必须采用区域性的采 前瓦斯抽采方法，经区域性抽采之后瓦斯含量和瓦 斯压力应达到煤矿瓦斯抽采基本指标的规定．区 域性方法是在煤与瓦斯突出煤层开采过程中，由安 全区域向不安全区域施工瓦斯治理工程，均匀有效 地降低不安全区域的瓦斯含量，区域性消除煤与瓦 斯突出危险性，使不安全区域转变为安全区域的防 突方法．长期理论研究和突出危险煤层的开采实践 证明，开采保护层和预抽煤层瓦斯是有效地防治煤 与瓦斯突出的区域性措施，该方法可以避免长期与 突出危险煤层处于短兵相接状态，提高了防治煤与 瓦斯突出措施的安全性和可靠性．中国煤矿安全 规程第1 9 2 条规定“对于有突出危险煤层，应采 取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出 措施”．第1 9 3 条规定“在突出矿井开采煤层群时， 应优先选择开采保护层防治突出措施”．第1 9 8 条 规定“开采保护层时，应同时抽采被保护层瓦斯”． 2 0 0 5 年1 月，国家安全生产监督管理局、国家煤矿 安全监察局以局长令的形式下发了国有煤矿瓦斯 治理规定n6 | ，第5 条明确规定“突出矿井必须首 先开采保护层，不具备开采保护层条件的，必须对 突出煤层进行预抽，并确保预抽时间和效果”．由此 可见，在现有技术条件下，采用区域性瓦斯治理方 法对有效地防治煤与瓦斯突出，保障突出危险煤层 的安全高效开采具有重要的现实意义． 3 ．3 ．2 高瓦斯矿井瓦斯抽采方法选择 如果瓦斯涌出主要来源于开采煤层，则必须采 用采前抽采的方法，在工作面开采前，根据工作面 的设计产量，将开采煤层的可解吸瓦斯含量降到规 定的指标．采前抽采煤层瓦斯可以采用地面钻井、 也可以采用井下顺层钻孔．但由于煤层瓦斯含量相 对较小，采用地面钻井抽采效果相对较差．目前多 采用井下顺层钻孑L 抽采方法，降低开采煤层的瓦斯 含量．井下顺层钻孔是在工作面煤层巷道掘进过程 同时施工的，这样靠近工作面切眼施工的钻孔瓦斯 抽采时间相对较短，为了保证开采过程中，工作面 前方煤体的可解吸瓦斯含量降到规定的指标，必须 根据煤层赋存、瓦斯赋存、煤层透气性、瓦斯抽采钻 孔的布置及经过考察的瓦斯抽采效果，确定最短瓦 斯抽采期，以确保瓦斯抽采效果．根据我们的经验， 顺层间距不大于3I T I 条件下，最短瓦斯抽采期不 应小于3 个月．瓦斯涌出主要来源于邻近煤岩层， 如阳泉煤业集团三矿，开采煤层瓦斯含量为4 ～6 r f l 3 ／t ，但上部邻近不可采煤层和灰岩中瓦斯含量 较高，由于开采层的采动卸压作用，致使邻近层瓦 斯大量涌出，工作面最大瓦斯涌出量达到1 8 0m 3 ／ m i n ，必须采用有效的邻近层抽采技术，才能保证 工作面的安全高效开采． 如果瓦斯涌出主要来源于邻近煤岩层，4 ．4 节 中瓦斯抽采方法同样适应于高瓦斯矿井采煤工作 面，回采工作面瓦斯抽采率应满足规定的指标． 4 煤矿瓦斯抽采方法 4 ．1 地面钻井采前抽采瓦斯 地面钻井采前抽采瓦斯是2 0 世纪8 0 年代在 美国成功应用的地面煤层气开采方法，2 0 世纪9 0 年代开始在中国不同矿区开展试验，除在山西沁水 盆地取得了与美国S a nJ u a n 盆地相当的抽采效果 外，在其它矿区的试验结果均不理想．主要原因是， 我国大部分高瓦斯矿区地质构造复杂，煤层低透气 性低，多数煤层透气性系数仅为1 0 - 3 ～1 01 T 1 2 ／ M P a 2 d ． 地面压裂钻井结构如图3 所示．地面钻井采前 抽采瓦斯主要分为3 个阶段．完井阶段包括，表土 段钻井及固井、基岩段钻井、电测井、基岩段套管安 装及固井、固井质量检测；煤层透气性改造阶段包 括，射孔和压裂；排水采气阶段包括，更换井口设 备、排水降低液面高度、采气．晋城煤业集团蓝焰煤 层气公司、中联煤层气公司等单位在沁水煤田施工 地面钻井10 0 0 余口，取得了较好的瓦斯抽采效 果，抽采的瓦斯用于发电、汽车燃料和民用等． 水力压裂钻井 道 图3 地面压裂钻井结构示意图 F i g ．．3 S t r u c t u r eo fg r o u n df r a c t u r i n gd r i l l i n g 目前，中国地面钻井技术已经成熟．决定瓦斯 抽采效果的关键是压裂和排采技术，除传统的前置 液、携沙液和顶替液压裂技术外，在一些矿区还试 万方数据 1 3 2采矿与安全工程学报 第2 6 卷 验了C O 压裂驱替技术；此外，还进行了排采工艺 方面的改革试验．上述试验效果如何，还有待于今 后抽采效果的检验。 4 ．2 被保护层采前抽采瓦斯 中国自2 0 世纪5 0 年代末期开始在北票、南 桐、中梁山、天府、松藻矿务局试验开采保护层防止 煤与瓦斯突出，取得了显著的效果．1 9 9 7 年以来， 中国矿业大学先后与淮南矿业集团、淮北矿业集 团、阳泉煤业集团、沈阳煤业集团、郑州煤业集团等 多家煤炭企业合作，开展了多种地质、煤层和瓦斯 赋存条件下的保护层开采、顶底板煤 岩 层移动及 裂隙发育规律、被保护层卸压瓦斯解吸流动规律及 有效的卸压瓦斯抽采方法[ 1 7 。1 引，并形成了国家安全 生产行业标准保护层开采技术规范 A Q l 0 5 0 - 2 0 0 8 t 1 引． 4 ．2 ．1 瓦斯抽采的原理 保护层开采之后，其上覆煤岩体将形成跨落 带、断裂带和弯曲带3 个带，其下伏煤岩体分为底 鼓裂隙带和底鼓变形带两个带．保护层开采后顶底 板煤岩裂隙发育及分带示意图见4 图所示． 图4 采场顶底板煤岩体裂隙发育及分带示意图 F i g ．4 R o o f - f l o o rf r a c t u r ed e v e l o p m e n ta n dz o n i n g a f t e rm i n i n gp r o t e c t i v ec o a ls e a m 开采下保护层时不得破坏被保护层的开采条 件，这样就要求被保护层应在断裂带和弯曲带．处 于断裂带内的煤 岩 体既产生平行层理的裂隙，又 产生垂直和斜交层理的裂隙，卸压瓦斯在抽采负压 的作用下既可以沿平行层理方向流动，也可以沿垂 直和斜交层理方向流动，比较有效的瓦斯抽采方法 有顶板或底板穿层钻孔 多用于急倾斜煤层 法、 走向高位钻孔法、倾向高位钻孔法、走向长钻孔法、 走向高抽巷法、倾向高抽巷法、地面钻井法等．处于 弯曲带内的煤 岩 体由于整体下沉，多产生平行层 理的裂隙，卸压瓦斯沿平行层理方向流动相对容 易，比较有效的瓦斯抽采方法有顶板或底板巷道 网格式上向穿层钻孔法和地面钻井法．而开采上保 护层时，要求被保护层应在底鼓裂隙带和底鼓变形 带内，被保护层所处的区域不同，煤 岩 体裂隙发 育差异较大，但由于位于保护层下部，其瓦斯抽采 方法的选择受到一定限制，抽采方式比较单一，主 要以底板巷道网格式穿层钻孔法为主． 4 ．2 ．2 地面钻井抽采方法 地面钻井抽采卸压瓦斯方法适用于下保护层 开采条件，其优点为 1 地面钻井将穿过下保护层顶板上覆卸压煤 岩层，抽采范围大、抽采效果好； 2 从地面钻井处在保护层开采的卸压区开 始，到地面钻井报废止 钻井损坏或抽不出瓦斯 ， 全部为抽采期，抽采期长； 3 地面钻井施工不受井下巷道工程条件的限 制，只要保证保护层工作面推进到钻井设计位置之 前，地面钻井施工完成，即可满足瓦斯抽采的需要． 地面钻井结构如图5 所示．地面钻井结构一般 分为3 段第1 段为表土段，钻井穿过表土进入坚 硬基岩，下套管，进行表土段固井；第2 段为基岩 段，钻井钻进至目标层 卸压瓦斯抽采煤层或煤层 群 顶板2 0 ～4 0m ，下套管，进行基岩段固井 套管 长度为第1 段与第2 段之和、固井至地面 ；第3 段 为目标段，钻井钻进至保护层顶板5 ～1 0m 取决 于保护层开采厚度 ，下筛管，不固井． ] 地 面 钻 井 固 图5地面钻井结构示意图 F i g ．5 G r o u n dd r i l l i n gs t r u c t u r e 根据淮南矿区地面钻井卸压瓦斯抽采试验证 明，有效抽采半径可达2 0 0m ，设计时抽采半径取 1 5 0m ．沿走向方向第一个钻井距开切眼5 0 ～7 0 m ，之后钻井间距为3 0 0m ，在倾斜方向上钻井距 风巷的距离为工作面长度的1 ／3 ～1 ／2 ．地面钻井 能够取得较好的瓦斯抽采效果，在卸压瓦斯抽采的 活跃期内，单井瓦斯抽采量可达到1 0 ～2 0m 3 ／ m i n ，抽采瓦斯的体积分数达7 0 ％～9 0 ％，瓦斯抽 采率可达6 0 ％以上． 4 ．2 ．3 井下穿层钻孔抽采方法 井下穿层钻孔是被保护层卸压瓦斯抽采的最 基本方法，也是我国被保护层卸压瓦斯抽采普遍应 用的方法．采用井下穿层钻孔抽采卸压瓦斯具有以 下优点 1 根据保护层与被保护层的赋存特点和相对 层位关系，可以机动灵活地布置抽采巷道，施工瓦 万方数据 第2 期程远平等中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 工署一 根据考察结果，在保护层B 1 1 煤层开采后， C 1 3 煤层的最大膨胀变形为2 ．6 3 ％，煤层的透气 性系数增大了28 8 0 倍，C 1 3 煤层瓦斯抽排率在 6 0 ％以上，煤层瓦斯得到有效的下降，残余瓦斯含 量降为5 ．2m 3 ／t ，残余瓦斯压力降为0 ．4M P a ，彻 底消除了煤层的突出危险性．被保护层采掘实践表 明，煤巷月掘进速度由原来的4 0 ～6 0m ，提高到 2 0 0m 以上，工作面采用综合机械化放顶煤采煤方 法，工作面具备日产万吨的生产能力． 4 ．2 ．3 ．2 沈阳红菱煤矿近距离上保护层开采底板 岩巷网格式上向穿层钻孔法 红菱煤矿主采煤层1 2 煤层为煤与瓦斯突出煤 层，平均厚度4 ．0m ，其上部1 6m 处赋存一极薄煤 层1 1 煤层，平均厚度为0 ．4m ．通过论证，选择1 1 煤层作为1 2 煤层的保护层进行开采．试验区域1 2 煤层平均厚度4 ．0m ，瓦斯压力6 ～7M P a ，瓦斯含 量2 2 ．5m 3 ／t ． 被保护层卸压瓦斯抽采采用底板岩巷网格式 上向穿层钻孔法，钻孔布置如图7 所示． ．6 0 0 ml l 煤层1 2 煤层 屁梗巷 图7 沈阳红茭矿底板岩巷上向网格式穿层钻孔布置 F i g ．7A r r a n g e m e n to fu p p e rp e n e t r a t i o nb o r e h o l e s i nf l o o rr o a d w a yi nS h e n y a n gH o n g l i n gc o a lm i n e 考虑到保护层工作面倾向较长，煤层倾角较 大，在1 2 煤层底板施工2 条底板巷，底板岩巷距煤 层底板1 5m ，巷道断面不小于9m 2 ．在抽采巷道内 每隔1 5m 布置1 个钻场，每个钻场施工一排钻孔， 垂直于巷道走向呈扇形布置，钻孔直径9 0m ，按照 一倍层间距设计钻孑L 间距，钻孔间距1 5m ． 在保护层采动作用下，1 2 煤层相对膨胀变形 为0 ．7 2 ％，被保护层卸压范围内煤层透气性系数 增加了1 0 1 0 倍，被保护层瓦斯抽采率达到7 7 ．5 ％， 煤层的残余瓦斯含量降为5 ．0 6m 3 ／t ，残余瓦斯压 力降为0 ．2 5M P a ，全面消除了1 2 煤层被保护层工 作面的煤与瓦斯突出危险性，1 2 煤层满足了高产 高效的开采要求． 4 ．2 ．3 ．3 淮南李二矿急倾斜保护层开采及网格式 穿层钻孔法 李二矿主采煤层为B 8 ，B 9 ，B 1 1 b ，C 1 3 煤层，在 该区域由于地层倒转，造成煤层倾角大，平均角度 为8 0 。，矿井采用B 9 煤层保护B 8 煤层．针对急倾 斜煤层裂隙发育及卸压瓦斯流动规律，采用从保护 层工作回风巷、工作面运输巷和底板岩巷内施工穿 层钻孔抽采瓦斯，钻孔布置如图8 所示． B 9B 8B 6 作面回风巷1、i乒习 底板岩巷 ● 瓦斯抽采钻 ， 作面运输巷 么 ．5 6 9 孔 图8 淮南李二矿网格式穿层钻孔布置 F i g ．8A r r a n g e m e n to fp e n e t r a t i o nb o r e h o l e so ns t e e p p r o t e c t i v el a y e rm i n i n gi nL i e rc o a lm i n e 万方数据 1 3 4 采矿与安全工程学报第2 6 卷 在工作固风巷、工作面运输巷内每隔3 0m 向 底板方向做一长度为5m 的钻场，每个钻场内沿 倾向向B 8 煤层打3 ～4 个直径9 1m m 的倾斜穿层 钻孔，钻孔走向间距3 0m ，倾斜间距1 01 “ 1 1 ．底板岩 巷内钻孔布置原则与工作面两巷相同．通过穿层钻 孔的抽采．可有效降低B 8 煤层的瓦斯含量，消除 其突出危险性，同时拦截卸压瓦斯，降低保护层工 作面的瓦斯涌出量，确保保护层工作面的安全回 采．经B 8 煤层开采验证，煤巷月掘进速度提高了1 倍，工作面平均日产量提高了3 倍． 4 ．2 ．3 ．4 淮南新庄孜煤矿沿空留巷穿层钻孔瓦斯 抽采方法 在保护层无煤柱开采工作面可采用沿空留巷 穿层钻孑L 瓦斯抽采方法，从沿空留巷 风巷和机巷 内向顶底板被保护煤层施工一定数最的穿层钻孔 抽采被保护层卸压瓦斯．由于空间位置关系，从沿 空留巷内向工作面煤