中国煤矿瓦斯抽放技术
中国煤矿瓦斯抽放技术
2007-1-29 13:58:09 国际煤炭网 网友评论 1. 概述
我国瓦斯抽放的历史可追溯到1637年以前，《天工开物》一书记载了利用竹管引排煤中瓦斯的方法。1938年我国首次在抚顺矿务局龙风矿利用抽放泵进行采空区抽放，五十年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展矿井抽放瓦斯，五十年代末瓦斯抽放量约为1OOMm3。六十年代又相继在中梁山、焦作、淮南、包头、松藻、峰峰等局的矿井开展了抽放瓦斯工作，抽放瓦斯量达到170Mm3。70年代至90年代中期，抽放矿井数和抽放量都稳步增加。近十年来，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，因此需要抽放瓦斯的矿井越来越多，由此带动了中国煤矿瓦斯抽放技术的迅速发展，目前瓦斯抽放技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。到2000年我国共有141个矿井建立了地面永久瓦斯泵站进行抽放瓦斯，年抽放量达867 Mm3，至2002年抽放矿井数达到193个，抽放量达到1146Mm3。1952年～2002年抽放瓦斯矿井数和抽放瓦斯量的变化动态见图1。瓦斯抽放方法方面，各专业研究单位和有关高等院校与煤矿现场协作，结合我国矿井的地质和开采条件，研究和试验成功了本煤层、邻近层、采空区多种抽放瓦斯方法。主要包括穿层钻孔、平行钻孔、交叉布孔、穿层网格式钻孔、深孔预裂爆破、水力割缝、水力压裂、水力钻(扩)孔等本煤层瓦斯抽放方法；顶 (底)板穿层钻孔、顶(底)板巷道、顶板水平长钻孔等邻近层瓦斯抽放；高冒带钻孔、埋管抽放，恤而辅前堑票率反瓦斯枘前方法。
2.煤矿瓦斯抽放技术的发展
随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽放技术也得到了不断地提高和发展，我国煤矿瓦斯抽放技术，大致经历了四个发展阶段：
2.1高透气性煤层瓦斯抽放阶段
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预拄煤层瓦斯，获得了成功，解决了抚顺矿区向深部发展的安全关键问题，而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料得到了应用。
2.2邻近层卸压瓦斯抽放阶段
50年代中期，在开采煤层群的矿井中，采用穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功，解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后在阳泉又试验成功顶板收集瓦斯巷(高抽巷)抽放上邻近层瓦斯，抽放率达60-70％。到了60年代以后，邻近层卸压瓦斯抽放技术在我国得到了广泛的推广应用。
2.3低透气性煤层强化抽瓦斯阶段
由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及突出危险煤层采用通常的布孔
方式预抽瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁，为此，从60年代开始，试验研究了多种强化抽放开采煤层瓦斯的方法，如煤层注水，水力压裂，水力割缝，松动爆破，大直径(扩孔)钻孔，网格式密集布孔，预裂控制爆破，交叉布孔等。在这些方法中，多数方法在试验区取得了提高瓦斯抽放量的效果，但仍处于试验阶段，没有大范围推广应用。
2.4综合抽瓦斯阶段
从80年代开始随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有邻近层的工作面，其瓦斯涌出量的增长幅度更大。为了解决高产高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的问题，必须结合矿井的地质条件，实施综合抽放瓦斯。所谓综合抽放瓦斯就是：把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯采后抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用，使瓦斯抽放量及抽放率达到最高。
3.适合我国煤层赋存条件的典型瓦斯抽放方法
抽放瓦斯方法的选择，主要是根据矿井瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。我国煤层的主要特点是煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重、煤层群开采、地质构造复杂，我国的煤层赋存条件决定了我国的瓦斯抽放应以卸压抽放为主，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放方法在我国都进行过试验和应用，下面仅介绍几种典型的瓦斯抽放方法。
3.1顺层密集长钻孔抽放本层瓦斯
顺层密集长钻孔用于区域性抽放，用于综放面或综采面降低煤层瓦斯含量或解决工作面消突问题，一般钻孔深80m以上，孔间距3-5m，预抽时间半年以上。为提高抽放效果，在布孔时往往采用斜向孔及交叉钻孔，斜向布孔有利于边采边抽，交叉式布孔可在不增加任何工程量的条件下，提高本煤层瓦斯抽放的效果。经在焦作矿区及平顶山矿区开展顺层交叉钻孔抽放突出煤层瓦斯的试验，证明交叉布孔可避免由于钻孔坍塌，堵孔等影响抽放效果的现象发生，比平行钻孔抽放效果提高1.5倍。顺层密集长钻孔及交叉钻孔预抽本层瓦斯见图2。
3.2网格式穿层钻孔抽放本层瓦斯
网格式穿层钻孔的优点是可解决突出煤层打顺层孔时钻喷孔、塌孔问题。网格式穿层钻孔大面积抽放瓦斯首先是在北票台吉矿1O号煤层进行的，该煤层是我国透气性极低的松软突出煤层之一，大面积网格式穿层钻孔预抽试验表明，低透气性煤层尽管预抽瓦斯极为困难，但
在合理布置钻孔、保证预抽时间等技术条件下，完全能够达到预期的抽放效果，瓦斯抽放率可达到30％以上。目前网格式穿层钻孔成为我国单一松软低透气性严重突出煤层防突的主要方法，已在突出严重的白皖等矿区推广应用。网格式穿层钻孔需要在煤层底板打岩巷，抽放成本较高。网格式穿层钻孔布置见图3。
3.3 顶板走向长钻孔抽放邻近层瓦斯
顶板走向水平长钻孔抽放邻近层瓦斯技术就是针对高瓦斯无煤柱综采或综放工作面的特点，为解决瓦斯超限问题，采用沿开采层顶板岩层走向布置迎面定向水平长钻孔代替顶板瓦斯巷抽放上邻近层瓦斯。该抽放方法与顶板岩巷抽放法、顶板穿层短钻孔抽放法相比，技术和经济上具有显著的优越性，尤其对于采掘接续紧张的矿井，其优越性更为突出。钻孔及钻场布置见图4。
顶板走向长钻孔抽放邻近层瓦斯技术在安徽淮南、重庆、河南平顶山、辽宁阜新、铁法等20多个矿区(160个矿)推广应用，瓦斯抽放量和抽放率大幅度提高，该抽放方法为我国高瓦斯煤层群抽放探索出一条新路子，为煤炭生产实现安全高效提供了技术保障。
3.4厚煤层开采采空区抽放
对于厚煤层分层开采或综放开采时，采空区内丢煤较多，加上邻近层、围岩瓦斯的涌出，使采空区瓦斯涌出量较大，进行采空区瓦斯抽放非常必要。
厚煤层半封闭采空区瓦斯抽放方法首先在抚顺矿区试验成功，主要在采空区后部采用埋管抽放或设引巷密闭插管抽放，埋管抽放法是将抽放瓦斯管埋设在采空区起采线附近，如图5所示，该方法在抚顺矿区普遍采用，工作面瓦斯抽放率可达80％。
工作面或采区回采结束后，还可对老塘进行全封闭抽放。抚顺老虎台矿于1954年开始采空区全封闭抽放，40多年来共抽出瓦斯总量4亿多立方米。
3.5综合瓦斯抽放
我国一些矿区的高产高效矿井在开采高瓦斯含量且有突出危险煤层时，多采用综合抽放法，即在一个工作面或采区采用多种抽放方法进行抽放。以淮南煤业集团公司潘一矿1541(3)综放工作面为例，该工作面开采煤层厚4.５min，煤层原始瓦斯含量1Om3／t以上，煤层有突出危险性，工作面同时采用四种瓦斯瓦斯抽放方法，见图6，顶板走向长钻孔用于抽放上邻近层瓦斯，工作面顺层水平长钻孔抽放用于消除煤层的突出危险性并降低煤层瓦斯含量，上隅角插管抽放用于消除局部瓦斯积聚，工作面初采段由于预抽时间有限，采用深孔控制预裂爆破强化抽放，提高瓦斯抽放率同时缩短抽放时间，工作面开采完毕后还要对采空区进行全封闭抽放。
淮南煤业集团公司张集煤矿
应用综合抽放，2002年，矿井瓦斯抽放率达到70％，当年投产，当年达产，产煤507万t，盈利5亿元，创同类矿井最好水平。目前瓦斯综合抽放已在全国范围内广泛应用。
4.瓦斯抽放技术装备
我国的抽放瓦斯装备随煤炭开发强度的增长，抽放瓦斯规模扩大及科技水平发展而不断完善，由原来非专用的、单一型号的，逐步发展成为专用的、系列的、具有现代科技水平的抽放瓦斯装备。目前已有几十家专业厂家生产抽放钻机和抽放泵，为方便中小型煤矿使用，还开发了系列的井下移动式瓦斯抽放泵。
目前我国煤矿普遍采用聚氨酯作为封孔材料，该新型材料具有密封性好、硬化快、质量轻、膨胀性强的优点。瓦斯抽放管路的管材也向多样化发展，除传统的铁管及钢管外，又研究制了玻璃钢管、双抗塑料管、PVC管及其它高分子材料制成的多种瓦斯抽放专用管，新型抽放管路具有重量轻、耐腐蚀、运输方便、安装费用低等优点。
快速管道接头的研制，也使管路连接更加方便快捷。
抽放系统的监控装置是近几年发展比较快的一项技术，它由人工操作的简易监控及计量设各快速发展为自动监控的瓦斯抽放系统装置。随着现代高新技术的发展，瓦斯抽放监控技术正向自动化、智能化、网络化方面发展。
5.煤矿瓦斯抽放技术的展望
半个世纪以来，中国煤矿瓦斯抽放技术虽有很大发展，但由于我国井工开采采煤量大，到2000年抽放矿井的产煤量仅占井工开采总产量的14.8％，抽放瓦斯量仅占井工开采矿井瓦斯涌出量的9.9％，故抽放瓦斯工作应进一步加强，今后瓦斯抽放技术发展的方向应围绕以下几方面：
(1)进行瓦斯抽放技术筛选及适用性研究，总结各项瓦斯抽放技术的应用情况、技术特点、适用范围和条件，开展适用性研究。为全国各矿区的瓦斯抽放提供指导。
(2)继续研究试验单一低透气性煤层强化抽放技术，提高开采层预抽的抽放率，降低煤层的瓦斯涌出量，消除或降低煤层的突出危险性。
(3)研制功率大，故障率低，打钻效率及成孔率高的新型钻机及配套设备，完善打钻工艺，解决松软煤层打钻及成孔问题。
(4)研究瓦斯抽放长钻孔施工及定向技术，开发定向长钻孔的监控装置，保证钻孔的各项参数能达到设计要求。
(5)继续开采地面钻孔抽放瓦斯试验，真正做到先抽后采。
参考文献
1王佑安主编，煤矿安全手册(第二篇矿井瓦斯防治)，煤炭工业出版社。1994年。
2张铁岗，矿井瓦斯综合治理技术，煤炭工业出版社，2001年。
3于不凡，王佑安，煤矿瓦斯灾害防治及利
用技术手册，煤炭工业出版社，2000年。
4煤矿抽放瓦斯手册，抚顺矿务局、阳泉矿务局、煤科院抚顺研究所合编，1980年。
5王显政主编，煤矿安全新技术，煤炭工业出版社，2002年。
6郑爽、王估安等，中国煤矿抽放瓦斯和利用，煤矿安全，2003年第9期。