論我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)

論我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)
1.概述

我國瓦斯抽放的歷史可追溯到1637年以前，《天工開物》一書記載了利用竹管引排煤中瓦斯的方法。1938年我國首次在撫順礦務(wù)局龍風礦利用抽放泵進行采空區(qū)抽放，五十年代在撫順、陽泉、天府和北票局開展礦井抽放瓦斯，五十年代末瓦斯抽放量約為1OOMm3。六十年代又相繼在中梁山、焦作、淮南、包頭、松藻、峰峰等局的礦井開展了抽放瓦斯工作，抽放瓦斯量達到170Mm3。70年代至90年代中期，抽放礦井數(shù)和抽放量都穩(wěn)步增加。近十年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井數(shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，因此需要抽放瓦斯的礦井越來越多，由此帶動了中國煤礦瓦斯抽放技術(shù)的迅速發(fā)展，目前瓦斯抽放技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中得到了普遍的推廣應(yīng)用。到2000年我國共有141個礦井建立了地面永久瓦斯泵站進行抽放瓦斯，年抽放量達867Mm3，至2002年抽放礦井數(shù)達到193個，抽放量達到1146Mm3。1952年～2002年抽放瓦斯礦井數(shù)和抽放瓦斯量的變化動態(tài)見圖1。瓦斯抽放方法方面，各專業(yè)研究單位和有關(guān)高等院校與煤礦現(xiàn)場協(xié)作，結(jié)合我國礦井的地質(zhì)和開采條件，研究和試驗成功了本煤層、鄰近層、采空區(qū)多種抽放瓦斯方法。主要包括穿層鉆孔、平行鉆孔、交叉布孔、穿層網(wǎng)格式鉆孔、深孔預(yù)裂爆破、水力割縫、水力壓裂、水力鉆(擴)孔等本煤層瓦斯抽放方法；頂(底)板穿層鉆孔、頂(底)板巷道、頂板水平長鉆孔等鄰近層瓦斯抽放；高冒帶鉆孔、埋管抽放，恤而輔前塹票率反瓦斯枘前方法。

2.煤礦瓦斯抽放技術(shù)的發(fā)展

隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，瓦斯抽放技術(shù)也得到了不斷地提高和發(fā)展，我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)，大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：

2.1高透氣性煤層瓦斯抽放階段

50年代初期，在撫順高透氣性特厚煤層中首次采用井下鉆孔預(yù)拄煤層瓦斯，獲得了成功，解決了撫順礦區(qū)向深部發(fā)展的安全關(guān)鍵問題，而且抽出的瓦斯還被作為民用燃料得到了應(yīng)用。

2.2鄰近層卸壓瓦斯抽放階段

50年代中期，在開采煤層群的礦井中，采用穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯的試驗在陽泉礦區(qū)首先獲得成功，解決了煤層群開采中首采工作面瓦斯涌出量大的問題。此后在陽泉又試驗成功頂板收集瓦斯巷(高抽巷)抽放上鄰近層瓦斯，抽放率達60-70％。到了60年代以后，鄰近層卸壓瓦斯抽放技術(shù)在我國得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

2.3低透氣性煤層強化抽瓦斯階段

由于在我國一些透氣性較差的高瓦斯煤層及突出危險煤層采用通常的布孔方式預(yù)抽瓦斯的效果不理想、難以解除煤層開采時的瓦斯威脅，為此，從60年代開始，試驗研究了多種強化抽放開采煤層瓦斯的方法，如煤層注水，水力壓裂，水力割縫，松動爆破，大直徑(擴孔)鉆孔，網(wǎng)格式密集布孔，預(yù)裂控制爆破，交叉布孔等。在這些方法中，多數(shù)方法在試驗區(qū)取得了提高瓦斯抽放量的效果，但仍處于試驗階段，沒有大范圍推廣應(yīng)用。

2.4綜合抽瓦斯階段

從80年代開始隨著機采、綜采和綜放采煤技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采區(qū)巷道布置方式有了新的改變，采掘推進速度加快、開采強度增大，使工作面絕對瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有鄰近層的工作面，其瓦斯涌出量的增長幅度更大。為了解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的問題，必須結(jié)合礦井的地質(zhì)條件，實施綜合抽放瓦斯。所謂綜合抽放瓦斯就是：把開采煤層瓦斯采前預(yù)抽、卸壓鄰近層瓦斯采后抽及采空區(qū)瓦斯采后抽等多種方法在一個采區(qū)內(nèi)綜合使用，使瓦斯抽放量及抽放率達到最高。

3.適合我國煤層賦存條件的典型瓦斯抽放方法

抽放瓦斯方法的選擇，主要是根據(jù)礦井瓦斯來源、煤層賦存狀況、采掘布置、開采程序以及開采地質(zhì)條件等因素進行綜合考慮。我國煤層的主要特點是煤層透氣性低、瓦斯含量高、煤層突出危險嚴重、煤層群開采、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，我國的煤層賦存條件決定了我國的瓦斯抽放應(yīng)以卸壓抽放為主，由于礦井數(shù)量眾多，且煤層賦存條件復(fù)雜多樣，因此幾乎所有的瓦斯抽放方法在我國都進行過試驗和應(yīng)用，下面僅介紹幾種典型的瓦斯抽放方法。

3.1順層密集長鉆孔抽放本層瓦斯

順層密集長鉆孔用于區(qū)域性抽放，用于綜放面或綜采面降低煤層瓦斯含量或解決工作面消突問題，一般鉆孔深80m以上，孔間距3-5m，預(yù)抽時間半年以上。為提高抽放效果，在布孔時往往采用斜向孔及交叉鉆孔，斜向布孔有利于邊采邊抽，交叉式布孔可在不增加任何工程量的條件下，提高本煤層瓦斯抽放的效果。經(jīng)在焦作礦區(qū)及平頂山礦區(qū)開展順層交叉鉆孔抽放突出煤層瓦斯的試驗，證明交叉布孔可避免由于鉆孔坍塌，堵孔等影響抽放效果的現(xiàn)象發(fā)生，比平行鉆孔抽放效果提高1.5倍。順層密集長鉆孔及交叉鉆孔預(yù)抽本層瓦斯見圖2。

3.2網(wǎng)格式穿層鉆孔抽放本層瓦斯

網(wǎng)格式穿層鉆孔的優(yōu)點是可解決突出煤層打順層孔時鉆噴孔、塌孔問題。網(wǎng)格式穿層鉆孔大面積抽放瓦斯首先是在北票臺吉礦1O號煤層進行的，該煤層是我國透氣性極低的松軟突出煤層之一，大面積網(wǎng)格式穿層鉆孔預(yù)抽試驗表明，低透氣性煤層盡管預(yù)抽瓦斯極為困難，但在合理布置鉆孔、保證預(yù)抽時間等技術(shù)條件下，完全能夠達到預(yù)期的抽放效果，瓦斯抽放率可達到30％以上。目前網(wǎng)格式穿層鉆孔成為我國單一松軟低透氣性嚴重突出煤層防突的主要方法，已在突出嚴重的白皖等礦區(qū)推廣應(yīng)用。網(wǎng)格式穿層鉆孔需要在煤層底板打巖巷，抽放成本較高。網(wǎng)格式穿層鉆孔布置見圖3。

3.3頂板走向長鉆孔抽放鄰近層瓦斯

頂板走向水平長鉆孔抽放鄰近層瓦斯技術(shù)就是針對高瓦斯無煤柱綜采或綜放工作面的特點，為解決瓦斯超限問題，采用沿開采層頂板巖層走向布置迎面定向水平長鉆孔代替頂板瓦斯巷抽放上鄰近層瓦斯。該抽放方法與頂板巖巷抽放法、頂板穿層短鉆孔抽放法相比，技術(shù)和經(jīng)濟上具有顯著的優(yōu)越性，尤其對于采掘接續(xù)緊張的礦井，其優(yōu)越性更為突出。鉆孔及鉆場布置見圖4。

頂板走向長鉆孔抽放鄰近層瓦斯技術(shù)在安徽淮南、重慶、河南平頂山、遼寧阜新、鐵法等20多個礦區(qū)(160個礦)推廣應(yīng)用，瓦斯抽放量和抽放率大幅度提高，該抽放方法為我國高瓦斯煤層群抽放探索出一條新路子，為煤炭生產(chǎn)實現(xiàn)安全高效提供了技術(shù)保障。

3.4厚煤層開采采空區(qū)抽放

對于厚煤層分層開采或綜放開采時，采空區(qū)內(nèi)丟煤較多，加上鄰近層、圍巖瓦斯的涌出，使采空區(qū)瓦斯涌出量較大，進行采空區(qū)瓦斯抽放非常必要。

　厚煤層半封閉采空區(qū)瓦斯抽放方法首先在撫順礦區(qū)試驗成功，主要在采空區(qū)后部采用埋管抽放或設(shè)引巷密閉插管抽放，埋管抽放法是將抽放瓦斯管埋設(shè)在采空區(qū)起采線附近，如圖5所示，該方法在撫順礦區(qū)普遍采用，工作面瓦斯抽放率可達80％。

工作面或采區(qū)回采結(jié)束后，還可對老塘進行全封閉抽放。撫順老虎臺礦于1954年開始采空區(qū)全封閉抽放，40多年來共抽出瓦斯總量4億多立方米。

3.5綜合瓦斯抽放

　我國一些礦區(qū)的高產(chǎn)高效礦井在開采高瓦斯含量且有突出危險煤層時，多采用綜合抽放法，即在一個工作面或采區(qū)采用多種抽放方法進行抽放。以淮南煤業(yè)集團公司潘一礦1541(3)綜放工作面為例，該工作面開采煤層厚4.５min，煤層原始瓦斯含量1Om3／t以上，煤層有突出危險性，工作面同時采用四種瓦斯瓦斯抽放方法，見圖6，頂板走向長鉆孔用于抽放上鄰近層瓦斯，工作面順層水平長鉆孔抽放用于消除煤層的突出危險性并降低煤層瓦斯含量，上隅角插管抽放用于消除局部瓦斯積聚，工作面初采段由于預(yù)抽時間有限，采用深孔控制預(yù)裂爆破強化抽放，提高瓦斯抽放率同時縮短抽放時間，工作面開采完畢后還要對采空區(qū)進行全封閉抽放。

淮南煤業(yè)集團公司張集煤礦應(yīng)用綜合抽放，2002年，礦井瓦斯抽放率達到70％，當年投產(chǎn)，當年達產(chǎn)，產(chǎn)煤507萬t，盈利5億元，創(chuàng)同類礦井最好水平。目前瓦斯綜合抽放已在全國范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

4.瓦斯抽放技術(shù)裝備

我國的抽放瓦斯裝備隨煤炭開發(fā)強度的增長，抽放瓦斯規(guī)模擴大及科技水平發(fā)展而不斷完善，由原來非專用的、單一型號的，逐步發(fā)展成為專用的、系列的、具有現(xiàn)代科技水平的抽放瓦斯裝備。目前已有幾十家專業(yè)廠家生產(chǎn)抽放鉆機和抽放泵，為方便中小型煤礦使用，還開發(fā)了系列的井下移動式瓦斯抽放泵。

目前我國煤礦普遍采用聚氨酯作為封孔材料，該新型材料具有密封性好、硬化快、質(zhì)量輕、膨脹性強的優(yōu)點。瓦斯抽放管路的管材也向多樣化發(fā)展，除傳統(tǒng)的鐵管及鋼管外，又研究制了玻璃鋼管、雙抗塑料管、PVC管及其它高分子材料制成的多種瓦斯抽放專用管，新型抽放管路具有重量輕、耐腐蝕、運輸方便、安裝費用低等優(yōu)點。

快速管道接頭的研制，也使管路連接更加方便快捷。

抽放系統(tǒng)的監(jiān)控裝置是近幾年發(fā)展比較快的一項技術(shù)，它由人工操作的簡易監(jiān)控及計量設(shè)各快速發(fā)展為自動監(jiān)控的瓦斯抽放系統(tǒng)裝置。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)正向自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展。

5.煤礦瓦斯抽放技術(shù)的展望

半個世紀以來，中國煤礦瓦斯抽放技術(shù)雖有很大發(fā)展，但由于我國井工開采采煤量大，到2000年抽放礦井的產(chǎn)煤量僅占井工開采總產(chǎn)量的14.8％，抽放瓦斯量僅占井工開采礦井瓦斯涌出量的9.9％，故抽放瓦斯工作應(yīng)進一步加強，今后瓦斯抽放技術(shù)發(fā)展的方向應(yīng)圍繞以下幾方面：

(1)進行瓦斯抽放技術(shù)篩選及適用性研究，總結(jié)各項瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用情況、技術(shù)特點、適用范圍和條件，開展適用性研究。為全國各礦區(qū)的瓦斯抽放提供指導。

(2)繼續(xù)研究試驗單一低透氣性煤層強化抽放技術(shù)，提高開采層預(yù)抽的抽放率，降低煤層的瓦斯涌出量，消除或降低煤層的突出危險性。

(3)研制功率大，故障率低，打鉆效率及成孔率高的新型鉆機及配套設(shè)備，完善打鉆工藝，解決松軟煤層打鉆及成孔問題。

(4)研究瓦斯抽放長鉆孔施工及定向技術(shù)，開發(fā)定向長鉆孔的監(jiān)控裝置，保證鉆孔的各項參數(shù)能達到設(shè)計要求。

(5)繼續(xù)開采地面鉆孔抽放瓦斯試驗，真正做到先抽后采。