我国煤矿瓦斯抽采技术现状与发展前景

我国煤矿瓦斯抽采技术现状与发展前景【摘要】瓦斯是煤矿由事故源到清洁能源的转变，现在煤矿的瓦斯较好地服务于当地经济。

我国煤矿瓦斯抽采理念的发展先后经历的“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”四个阶段到瓦斯抽采技术发展的四阶段；论证了五种主要的瓦斯抽采技术以及瓦斯抽采技术装备；论述了瓦斯抽采后的消突评价；最后展示了未来瓦斯抽采的技术发展方向。

【关键词】瓦斯抽采方法；技术装备；消突评价；瓦斯抽采技术我国在2002年提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”[1]十二字工作方针以来，中国煤炭产量由13.93亿t增加到30亿t，煤矿瓦斯治理取得了阶段性成果，在煤矿开采技术条件不断恶化的情况下，煤矿瓦斯治理保障了煤矿安全生产。

为了防范和遏制重特大瓦斯事故，同时把瓦斯作为一种有用的资源进行开采，转变了瓦斯治理的思路；国务院安全生产委员会于2008年7月提出了“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，随后颁布《防治煤与瓦斯突出规定》[2]，使得瓦斯治理工作有条不稳的推进。

我国煤矿瓦斯抽采有较长的历史，早在1938年我国就首次在抚顺矿务局龙凤矿利用抽采泵进行采空区抽采[3]。

近五年来，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，因此需要抽采瓦斯的矿井越来越多，由此带动了中国煤矿瓦斯抽采技术的迅速发展。

2007年全国瓦斯抽采量达到44亿m3，阳泉、晋城、淮南、淮北等10个矿业集团年瓦斯抽采量超过1亿m3。

在煤炭产量快速增长时，煤矿死亡人数和百万吨死亡率逐年下降。

我国煤矿瓦斯事故类型有：瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧和窒息等四种[4]。

其中影响最大的是瓦斯突出和瓦斯爆炸，且经常在煤矿生产过程中出现，严重影响煤矿的安全生产。

煤层瓦斯大量直接排放不仅浪费了能源，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20倍以上。

煤层瓦斯同时也是一种洁净能源，目前我国煤矿埋深在2000m以内的煤层瓦斯储量为（32～35）×1012m3，几乎与常规天然气资源量相当。

将煤层中赋存的高浓度瓦斯抽采出来并加以利用，不仅减少煤矿开采过程中的瓦斯灾害事故，而且瓦斯资源可以得到合理利用，还可以降低瓦斯对环境的污染。

我国《煤矿安全规程》第一百四十五条规定[5]，有下列情况的矿井，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：（1）一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的（2）矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：——大于或等于≥40m3/min；——年产量1.0～1.5Mt的矿井，大于30m3/min；——年产量0.6～1.0Mt的矿井，大于25m3/min；——年产量0.4～0.6Mt的矿井，大于20m3/min；——年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。

（3）开采有煤与瓦斯突出危险的煤层至目前为止，研究和试验成功了本煤层、邻近层、采空区多种抽采瓦斯方法。

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）孔等本煤层瓦斯抽采方法；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采；高冒带钻孔、埋管抽采、地面抽采等采空区瓦斯抽采方法。

1 煤矿瓦斯抽采技术的发展我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”四个阶段。

随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽采技术也得到了不断地提高和发展，我国煤矿瓦斯抽采技术大致经历了四个发展阶段[6]。

1.1 高透气性煤层瓦斯抽采阶段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预抽煤层瓦斯，获得了成功，解决了抚顺矿区向深部发展过程中的瓦斯安全问题，而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料进行利用。

1.2 邻近层卸压瓦斯抽采阶段20世纪50年代中期，在开采煤层群的矿井中，采用穿层钻孔抽采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利用顶板收集瓦斯巷（高抽巷）技术抽采上邻近层瓦斯，抽采率达60-70%。

到了20世纪60年代以后，邻近层卸压瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。

1.3 低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及有突出危险的煤层采用通常的布孔方式预抽采瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁，为此，从20世纪60年代开始，试验研究了多种强化抽采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采量的效果，但仍处于试验阶段，没有大范围推广应用。

1.4 综合抽采瓦斯阶段所谓综合抽采瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边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，使瓦斯抽采量及抽采率达到最高。

从20世纪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，逐步建立了高、低负压的瓦斯抽采系统，高压系统（>30kPa）抽采未泄压的煤层瓦斯，低压系统（<30kPa）抽采泄压后的瓦斯；结合矿井自身的地质条件，实施瓦斯综合抽采。

2 适合我国瓦斯赋存条件的抽采方法抽采瓦斯方法的选择，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。

我国煤层渗透率以0.1×10-9～1×10-9m2等级为主；美国煤层的渗透率多在1×10-9～25×10-9m2之间，圣胡安盆地煤层渗透率为5×10-9～15×10-9m2（T·Logan，1994）[7]。

因此，我国煤储层渗透率总体偏低，但在低渗透率煤层中寻找高渗透率煤层或地段，或者是在这些区域提高煤层渗透率等，乃是我国煤层气勘探开发战略的一个关键。

我国的煤层赋存条件决定了我国的瓦斯抽采应以卸压抽采为主，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采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采方法[8-10]。

2.1 顺层密集长钻孔抽采本层瓦斯顺层密集长钻孔用于区域性抽采，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。

为提高抽采效果，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，提高本煤层瓦斯抽采的效果。

经在焦作矿区及平顶山矿区开展顺层交叉钻孔抽采突出煤层瓦斯的试验，证明交叉布孔可避兔由于钻孔坍塌、堵孔等影响抽采效果的现象发生，比平行钻孔抽采效果提高1.5倍。

顺层密集长钻孔及交叉钻孔预抽本层瓦斯见图2。

2.2 网格式穿层钻孔抽采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采瓦斯首先是在北票台吉矿10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采效果，瓦斯抽采率可达到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，抽采成本较高。

网格式穿层钻孔布置见图3。

2.3 顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯顶板走向水平长钻孔抽采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，为解决瓦斯超限间题，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采上邻近层瓦斯。

该抽采方法与顶板岩巷抽采法、顶板穿层短钻孔抽采法相比，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。

顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯技术在安徽淮南、重庆、河南平顶山、辽宁阜新和铁法等20多个矿区（160对矿井）推广应用，瓦斯抽采量和抽采率大幅度提高，该抽采方法为我国高瓦斯煤层群抽采探索出一条新路子，为煤炭生产实现安全高效提供了技术保障。

2.4 厚煤层开采条件下的采空区瓦斯抽采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，因此，进行采空区瓦斯抽采非常必要。

厚煤层半封闭采空区瓦斯抽采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采或设引巷密闭插管抽采，埋管抽采法是将抽采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，工作面瓦斯抽采率可达80%。

工作面或采区回采结束后，还可对老塘进行全封闭瓦斯抽采。

抚顺老虎台矿于1954年开始采空区全封闭抽采，40多年来共抽出瓦斯总量4亿多m3。

2.5 综合瓦斯抽采我国一些矿区的高产高效矿井在开采高瓦斯且有突出危险的煤层时，多采用综合抽采法，即在一个工作面或采区采用多种抽采方法进行抽采。

以淮南矿业集团公司潘一矿1541综放工作面为例，该工作面开采煤层厚4.5m，煤层原始瓦斯含量10m3/t以上，煤层有突出性，工作面同时采用四种瓦斯抽采方法。

图6所示，顶板走向长钻孔用于抽采上邻近层瓦斯；工作面顺层水平长钻孔抽采用于消除煤层的突出危险性并降低煤层瓦斯含量；上隅角插管抽采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采，提高瓦斯抽采率同时缩短抽采时间，工作面开采完毕后还要对采空区进行全封闭抽采。

淮南矿业集团公司张集煤矿应用综合抽采，2002年，矿井瓦斯抽采率达到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。

目前瓦斯综合抽采已在全国范围内广泛应用。

3 瓦斯抽采技术装备我国的瓦斯抽采装备随煤炭开采强度的增长而加强，抽采瓦斯规模扩大及科技水平发展而不断完善，由原来非专用、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采瓦斯装备。

目前已有几十家专业厂家生产抽采钻机和抽采泵，为方便中小型煤矿和高瓦斯矿井使用，还开发了系列的井下移动式瓦斯抽采泵。