矿井煤层气抽采技术

第八章矿井煤层气抽采技术
矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物，是各种气体的混合物，成分复杂。

矿井瓦斯一般由甲烷、二氧化碳、氮气和数量不等的重烃以及微量的稀有气体组成，但主要成分是甲烷。

第一节主要内容：
一、矿井瓦斯涌出形式
在矿井开采过程中，受采掘活动的影响，煤体受到破坏，储存在煤体或岩层内的瓦斯会进入到采掘空间，这种现象叫做矿井瓦斯涌出，可分为普通涌出和特殊涌出两种形式。

普通涌出也称为正常涌出，是瓦斯从采落的煤炭及煤层、岩层的暴露面上，通过细小的孔隙缓慢而长时间的放出。

普通涌出是矿井瓦斯涌出的只要形式，其特征是涌出范围广，时间持续长，数量相对稳定。

特殊涌出是指采掘过程中瓦斯在极短时间内突然地大量涌出，也称为瓦斯喷出。

瓦斯特殊涌出的范围是局部的，时间过程一般比较短，但涌出数量可能很大，且由于其发生的突然性，往往造成极大危害。

二、矿井瓦斯涌出量
1、矿井瓦斯涌出量表示方法
矿井瓦斯涌出量是指开采过程中正常涌入采掘空间的瓦斯数量，通常用单位时间或单位质量的煤所放出的瓦斯体积来表示，分为绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两种。

2、矿井瓦斯等级划分及鉴定
根据相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式，将矿井瓦斯等级划分为三类：
①低瓦斯矿井—矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。

②高瓦斯矿井—矿井相对瓦斯涌出量大于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量大于或等于40m3/min。

③煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井
3、矿井瓦斯涌出量预测
现有的矿井瓦斯涌出量预测方法可以概括为两大类：一是矿山统计预测法，二是根据煤层瓦斯含量进行预测的分源预测法。

三、影响瓦斯涌出量的主要因素
①煤层和围岩的瓦斯含量
②煤炭开采规模
③开采程序
④采煤方法与顶板管理办法
⑤生产工序
⑥地面大气压力的变化
⑦通风压力
⑧采空区管理办法
第二节主要内容：
一、矿山压力的概念
1、原岩应力
在采动以前，由于岩柱自重以及构造应力场在地层内部引起的应力，称为原岩应力。

2、矿山压力
由于采掘工作破坏了岩体原始应力状态，引起应力重新分布，在其采掘空间周围岩体和支撑物上表现的力，称为矿山压力。

矿山压力的主要影响因素有地质因素和生产因素。

（1）地质因素：①岩石性质及其构造特征
②开采深度
③煤层倾角
（2）生产因素：①巷道位置
②支护形式
③开采顺序
④工作面推进速度
⑤控顶方法
二、矿山压力显示规律
1、采煤工作面矿山压力显示规律
（1）支撑压力
（2）初次来压
（3）周期来压
2、掘进工作面矿山压力显示规律
（1）巷道顶压
（2）巷道侧压
（3）巷道底压
（4）斜巷压力
三、围岩应力卸压特征与抽采瓦斯
通常，把工作面的应力分为三种类型，即垂直应力、水平应力和采掘附加应力。

垂直应力是岩石自重造成的，它受控于该地点距地表的垂深；水平应力通常是指构造应力，它受规模较大的地质构造的影响；采掘附加应力是指采掘活动破坏了采掘地点的原始应力状态，在工作面前方依次形成的卸压区、增压区（应力集中区）和正常压力区。

在三个区带内进行抽采瓦斯，效果也会有所不同。

卸压区内，煤体膨胀变形，煤体内产生大量裂隙，有利于瓦斯抽采；集中应力区内，煤体压缩变形，易发生卡钻、塌孔等现象，从而降低抽采效果；正常压力区内，煤体受力均衡，瓦斯压力、瓦斯含量等参数处于正常值状态。

第三节主要内容：
一、本煤层瓦斯抽采技术
本煤层瓦斯抽采又称为开采煤层瓦斯抽采，是指在开采煤层内预先掘进或施工钻孔抽采本煤层瓦斯，目的是减少煤层瓦斯含量，降低回风流中的瓦斯浓度，以确保矿井安全生产。

1、本煤层未卸压钻孔抽采
本煤层预抽瓦斯是钻孔打入未卸压的原始煤体进行抽采瓦斯，抽采效果与原始煤体透气性和瓦斯压力有关。

（1）穿层钻孔抽采
穿层钻孔抽采是在开采煤层的顶板或底板岩巷（或煤巷）内，每隔一段距离开约10m的钻场，从钻场向煤层施工3～5个穿透煤层全厚的钻孔，封孔或将整个钻场封闭起来，安装抽采管路并与抽采系统连接起来进行抽采。

（2）顺层钻孔抽采
顺层钻孔是在巷道进入煤层后再沿煤层所打钻孔，可以用于石门见煤处、煤巷及采煤工作面。

2、本煤层卸压钻孔抽采
（1）边采边抽
边采边抽技术即在工作面前方，在进风巷或回风巷中每隔一定距离打平行于工作面的钻孔，然后插管、封孔进行抽采。

（2）边掘边采
边掘边抽是在掘进巷道两帮每隔一定距离掘一钻场（深度小于6m），在钻场向工作面推进方向打5～10个超前钻孔，然后插管、封孔进行抽采。

二、邻近层瓦斯抽采技术
能向开采煤层采掘空间涌出瓦斯的邻近煤层称为邻近层。

为了防止和减少邻近层的瓦斯通过层间的裂隙大量涌向开采层，可采用抽采的方法处理这一部分瓦斯，这种抽采方法称邻近层瓦斯抽采。

1、上邻近层瓦斯抽采
上邻近层瓦斯抽采，即邻近层位于开采层的上部，通过巷道或钻孔来抽采上邻近层的瓦斯。

上邻近层瓦斯抽采按抽采钻孔的分布位置，分为以下两种；
①开采层层内巷道打钻抽采。

②开采层层外巷道打钻抽采。

2、下邻近层瓦斯抽采
下邻近层瓦斯抽采即邻近层位于开采层的下部，通过巷道或钻孔来抽采下邻近层的瓦斯。

同上邻近层瓦斯抽采一样，下邻近瓦斯层抽采也分为两种方式：
①开采层层内巷道打钻抽采。

②开采层层外巷道打钻抽采。

三、远距离保护层卸压瓦斯抽采
该项技术是指保护层采面在开采之前，在被保护层的下方约30～40m的稳定岩层中施工贯穿于整个采面的走向抽采专用巷道，向被保护煤层施工网格穿层钻孔，进行抽采。

第四节主要内容：
采空区瓦斯主要来源于两个方面：一是未能采出而被留在采空区的煤炭中存有的一定数量的残存瓦斯，二是顶板和周围煤（岩）中的瓦斯。

一、采煤工作面采空区瓦斯抽采
1、采煤工作面插管采空区瓦斯抽采
进行采煤工作面采空区瓦斯抽放时，应将采空区封闭严密，防止漏风，在回风巷的密闭处插管进行抽采。

2、钻孔抽采采空区瓦斯
钻孔抽采采空区瓦斯是指在采煤工作面回采过程中，在工作面回风巷每隔30～100m掘一钻场，向采空区上方施工顶板走向（或倾向）钻孔，钻孔进入冒落带或裂隙带，然后将封闭（或将钻孔逐个封闭）进行抽采。

3、施工走向巷道抽采采空区瓦斯
沿工作面走向距回风巷10～30m的上覆岩层裂隙带内布置巷道，封闭港口，插管联入抽采系统，对采煤工作面采空区裂隙带内的高浓度瓦斯进行抽采。

二、回采结束后的采空区瓦斯抽采
对回采工作已经结束的采煤工作面（或采区），可在进、回风巷修建永久性密闭，两个密闭之间用河砂或黏土充满、充实，并接设瓦斯管路进行抽采。

三、采空区瓦斯抽采注意事项
（1）控制抽采负压，保证瓦斯质量
（2）定期检查与测定，防止自然发火
第五节主要内容：
一、煤层气开发模式探讨：
1、CBM（Coalbed Methane）方式—在未受采动影响的原始煤层中，通过地面钻井工程进入煤层，利用煤层气自身赋存压力与钻井空间的压力差释放煤层气。

2、CMM(Coal Mine Methane)方式—利用煤炭开采工程，在井下施工煤层气开发工程，或利用煤炭开采对煤层的采动影响在地面施工钻井工程，并利用真空泵产生负压轴抽采煤层气。

二、采煤采气一体化
1、“采煤采气一体化”瓦斯综合治理模式
①统筹规划，先抽后采
②煤炭开采前地面预抽与井下抽采相结合
③建立一井多用的高效抽采模式
2、“采煤采气一体化”瓦斯综合治理模式特点
①在时间上，可实现煤层气抽采与矿井开发、生产的全过程协调一致
②在空间上，可实现地面煤层气井位布置与矿井采掘之间的密切衔接与协调
③在功能上，煤层气井可实现“地质勘探、采前抽、采动抽、采后抽”一井四用
3、实施“采煤采气一体化”的关键
（1）从地面抽采钻井布置密度方面：
①考虑单井的抽采效果
②考虑允许抽采的时间
③考虑使煤层瓦斯均匀的降低
（2）从给煤炭开采创造安全条件方面：
①考虑避让井下采掘巷道和井筒硐室
②考虑使采面抽采效果达到最佳
③考虑在抽采全过程真正能够做到一井四用
4、实行“采煤采气一体化”的重要性和必要性
①采煤采气主体不一致，则采煤和采气从时间上很难协调一致
②采煤采气主体不一致，则采煤和采气从空间上很难协调一致
③采煤采气主体不一致，则很难实现一井多用。