中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展

DevelopmentofGasDrainageTechnologyinChineseCoalMines

程遠(yuǎn)平

教授、博導(dǎo)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心煤礦瓦斯抽采利用國(guó)際研討會(huì)

目錄一、煤礦瓦斯抽采的安全保障作用

SecurityRolesofGasDrainageinCoalmines二、煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展

DevelopmentofGasDrainageConception三、煤礦瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇

GasDrainageIndex、Methods

andChoices四、煤礦瓦斯抽采方法

GasDrainageMethodsinCoalmines五、煤礦瓦斯抽采存在的技術(shù)難題

TechnicalProblemsinGasDrainage一、瓦斯抽采的安全保障作用SecurityRolesofGasDrainageinCoalmines一、瓦斯抽采的安全保障作用煤炭開采條件不斷惡化——開采深度增加、瓦斯壓力和瓦斯含量增大、地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害、特別是煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重。原始煤體瓦斯抽采困難——煤質(zhì)松軟（硬度系數(shù)f=0.1～0.5）、煤層滲透性差（透氣性系數(shù)多為10-3～10m2/（MPa2.d））。1.1煤礦瓦斯賦存條件一、瓦斯抽采的安全保障作用降低回采瓦斯涌出、預(yù)防瓦斯超限、防止瓦斯積聚；降低煤層中儲(chǔ)存的瓦斯能、提高煤體強(qiáng)度，防治煤與瓦斯突出；開發(fā)利用高效潔凈的能源；降低對(duì)環(huán)境的污染。1.2瓦斯抽采的目的一、瓦斯抽采的安全保障作用1.3煤礦瓦斯抽采量一、瓦斯抽采的安全保障作用1.4煤礦瓦斯事故分析1977年以來(lái)全國(guó)煤炭產(chǎn)量與死亡人數(shù)一、瓦斯抽采的安全保障作用1.4煤礦瓦斯事故分析2003年以來(lái)的百萬(wàn)噸死亡率一、瓦斯抽采的安全保障作用1.4煤礦瓦斯事故分析2003年以來(lái)的百萬(wàn)噸死亡率20082007200620052004一、瓦斯抽采的安全保障作用

中國(guó)煤礦瓦斯事故呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)明顯下降，特別重大瓦斯事故得到有效控制；煤與瓦斯突出事故超過(guò)瓦斯爆炸事故，上升為第一位的瓦斯事故；鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦仍然是煤礦瓦斯事故的重災(zāi)區(qū)，一些低瓦斯礦井、高瓦斯礦井和未鑒定礦井發(fā)生了煤與瓦斯突出事故。1.4煤礦瓦斯事故分析二、瓦斯抽采理念的發(fā)展DevelopmentofGasDrainageConception二、煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展局部防突措施為主先抽后采抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域防突措施先行

經(jīng)歷四個(gè)階段:二、煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展2.1局部防突措施為主上世紀(jì)50年代～80年代，重點(diǎn)是摸清煤與瓦斯突出規(guī)律，引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外煤與瓦斯突出防治技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。上世紀(jì)80年代～90年代末，進(jìn)入局部防突措施為主的階段，以1988年《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》出版和1995年的修訂為代表，研究重點(diǎn)是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法與預(yù)測(cè)指標(biāo)，同時(shí)兼顧突出防治工程方法的深化研究。二、煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展2.2先抽后采2002年8月30日，提出“先抽后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字工作方針。2005年3月，在總結(jié)淮南、陽(yáng)泉、平頂山、松藻等煤礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，編寫了《煤礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)五十條》，明確提出區(qū)域性治理與局部治理并重，實(shí)施“可保盡保，應(yīng)抽盡抽”的瓦斯治理戰(zhàn)略。二、煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展2.3抽采達(dá)標(biāo)2008年7月8日，王君同志作了“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位，把煤礦瓦斯治理攻堅(jiān)戰(zhàn)扎實(shí)有效地推向深入”的重要講話。提出了構(gòu)建“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”的煤礦瓦斯治理工作體系。下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦瓦斯治理工作的指導(dǎo)意見》。明確提出“強(qiáng)化多措并舉、應(yīng)抽盡抽、可保盡保、抽采平衡的技術(shù)措施，確保抽采達(dá)標(biāo)”。二、煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展2.4區(qū)域防突措施先行2008年對(duì)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》（1995年版）進(jìn)行了全面修改，將以《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的形式頒布實(shí)施。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》明確提出：煤與瓦斯突出防治工作堅(jiān)持“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”的原則。未采取區(qū)域綜合防突措施并未達(dá)到指標(biāo)要求的嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動(dòng)，做到“不掘突出頭，不采突出面”。三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇GasDrainageIndex、Methods

andChoices三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.1瓦斯抽采指標(biāo)突出煤層采前抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)：

瓦斯壓力<0.74MPa，或始突瓦斯壓力以下；瓦斯含量<8m3/t，或始突瓦斯含量以下。

三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.1瓦斯抽采指標(biāo)瓦斯涌出量主要來(lái)自于開采層：可解吸瓦斯含量滿足要求三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.1瓦斯抽采指標(biāo)瓦斯涌出量主要來(lái)自于鄰近層或圍巖：瓦斯抽采率要滿足要求三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.1瓦斯抽采指標(biāo)礦井瓦斯抽采指標(biāo)：三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.2瓦斯抽采方法分類分類的指導(dǎo)思想為：第一層次劃分以煤層的開采時(shí)間為依據(jù)，第二層次以煤層開采的空間關(guān)系為依據(jù)。采后抽采采前抽采（預(yù)抽）采中抽采（邊采邊抽）煤礦瓦斯抽采方法三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.2瓦斯抽采方法分類采前抽采(預(yù)抽)鄰近層抽采本煤層抽采地面鉆井抽采穿層鉆孔抽采順層鉆孔抽采交叉鉆孔抽采煤層巷道抽采地面鉆井抽采穿層鉆孔抽采走向巷道抽采傾向巷道抽采水平長(zhǎng)鉆孔抽采三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.2瓦斯抽采方法分類采中抽采(邊采邊抽)掘進(jìn)工作面抽采回采工作面抽采地面鉆井抽采穿層鉆孔抽采順層鉆孔抽采煤層巷道抽采采空區(qū)埋管抽采巷幫鉆孔抽采迎頭鉆孔抽采相鄰巷道抽采三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.2瓦斯抽采方法分類采后抽采采空區(qū)抽采地面鉆井抽采密閉插管抽采密閉鉆孔抽采以上各種方法的組合構(gòu)成了煤礦瓦斯的綜合抽采三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.3瓦斯抽采方法選擇開采保護(hù)層并同時(shí)抽采被保護(hù)層的卸壓瓦斯；預(yù)抽煤層瓦斯。

突出煤層抽采方法選擇三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.3瓦斯抽采方法選擇瓦斯來(lái)自本開采層，進(jìn)行采前預(yù)抽(地面鉆井，井下順層鉆孔)；瓦斯來(lái)自于鄰近煤層，可采用采中瓦斯抽采方法。高瓦斯礦井瓦斯抽采方法選擇三、瓦斯抽采指標(biāo)、方法分類及選擇3.4瓦斯抽采系統(tǒng)選擇高低濃度兩套抽采系統(tǒng)是瓦斯抽采的發(fā)展方向；瓦斯抽采泵和管網(wǎng)必須留有足夠的富裕系數(shù)。四、煤礦瓦斯抽采方法GasDrainageMethodsinCoalmines地面鉆井壓裂抽采地面鉆井壓裂抽采包含3個(gè)階段：完井階段

——鉆井、電測(cè)井、下技術(shù)套管、固井、聲幅測(cè)井；煤層透氣性改造階段

——射孔、壓裂排水采氣階段

——壓裂結(jié)束，安裝產(chǎn)氣設(shè)備，排水采氣4.1地面鉆井采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法地面鉆井壓裂抽采排水采氣煤層氣生產(chǎn)井的氣、水產(chǎn)量變化曲線

排水降壓階段穩(wěn)定生產(chǎn)階段產(chǎn)氣量下降階段4.1地面鉆井采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法地面鉆井預(yù)抽瓦斯罐地面鉆井4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——淮南潘一煤礦遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔

③①②4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——淮南潘一煤礦遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——陽(yáng)泉三礦、新景煤礦超遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔穿層鉆孔底板巖巷高抽巷在陽(yáng)泉三礦、新景煤礦應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外下保護(hù)層層間距一般不大于70m被保護(hù)層超遠(yuǎn)距離保護(hù)層136m4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——陽(yáng)泉三礦、新景煤礦超遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔

在層間距為136m，相對(duì)層間距為21B（136/6.5）條件下，通過(guò)151天的抽采，3#煤層瓦斯抽采率達(dá)68.8％；3#煤層殘余瓦斯含量由18.17m3/t降為5.67m3/t。井下穿層鉆孔預(yù)抽

——沈陽(yáng)紅菱煤礦近距離上保護(hù)層開采底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔法

4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——沈陽(yáng)紅菱煤礦近距離上保護(hù)層開采底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔法

12煤層相對(duì)膨脹變形為7.2‰，煤層透氣性系數(shù)增加了1010倍，被保護(hù)層瓦斯抽采率達(dá)到77.5%，煤層的殘余瓦斯含量降為5.06m3/t，殘余瓦斯壓力降為0.25MPa，全面消除了12煤層被保護(hù)層工作面的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——淮南李二礦急傾斜保護(hù)層開采及網(wǎng)格式穿層鉆孔法B8煤層瓦斯壓力由0.8MPa降為0.35MPa，透氣性系數(shù)由0.1717m2/(MPa2.d)增大到22.4163m2/(MPa2.d)，增加130倍。煤巷月掘進(jìn)速度提高了1倍，工作面平均日產(chǎn)量提高了3倍。4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下穿層鉆孔預(yù)抽

——淮南新莊孜煤礦沿空留巷穿層鉆孔瓦斯抽采方法4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法

對(duì)應(yīng)的B11b煤層瓦斯抽采率達(dá)62.9%，殘余瓦斯含量降為6.3m3/t；對(duì)應(yīng)的B8煤層瓦斯抽采率達(dá)65.8％，殘余瓦斯含量降為6.1m3/t。井下穿層鉆孔預(yù)抽

——鄭州崔廟極薄保護(hù)層鉆采及上向網(wǎng)格式穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯方法4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下巷道瓦斯抽采

井下巷道卸壓瓦斯抽采方法主要適用于被保護(hù)層處在斷裂帶的條件，常用的有走向高抽巷法、傾斜高抽巷法。4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法井下水平長(zhǎng)鉆孔

井下水平長(zhǎng)鉆孔抽采方法在一定程度上可替代高抽巷，鉆進(jìn)長(zhǎng)度依據(jù)工作面走向長(zhǎng)度而定，一般為500～1000m，布置在距工作面風(fēng)巷10～40mm范圍內(nèi)，高度為工作面采高的8～10倍。4.2被保護(hù)層采前預(yù)抽瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法淮北祁南煤礦穿層孔與順層孔抽采4.3井下本煤層采前抽采瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法穿層鉆孔+順層鉆孔抽采方法

4.3井下本煤層采前抽采瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法穿層鉆孔抽采方法

——雙底板巖巷網(wǎng)格式穿層鉆孔抽采工作面開采區(qū)域瓦斯

適用于松軟特厚強(qiáng)突出煤層。蘆嶺煤礦8、9煤層為煤與瓦斯突出煤層，通過(guò)穿層鉆孔12～18個(gè)月的瓦斯抽采，煤層瓦斯抽采率可達(dá)30%，可有效降低煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性，在煤層采掘作業(yè)中還需配合“四位一體”局部防突措施。4.3井下本煤層采前抽采瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法順層鉆孔抽采方法

——順層長(zhǎng)鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)區(qū)域性瓦斯抽采方法

在順層鉆孔的掩護(hù)下施工工作面腰巷，再利用腰巷施工順層鉆孔抽采工作面下半?yún)^(qū)域煤層瓦斯，保證本工作面機(jī)巷的安全掘進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面的區(qū)域性瓦斯抽采。實(shí)踐表明，突出煤層實(shí)現(xiàn)機(jī)械化掘進(jìn)，煤巷掘進(jìn)速度在300m/月以上。4.3井下本煤層采前抽采瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法順層鉆孔抽采方法

——交叉鉆孔抽采方法

焦作礦務(wù)局九里山礦13051工作面交叉鉆孔組間距為7～9m，平行鉆孔間距2～3m。根據(jù)試驗(yàn)考察結(jié)果，以中塊段為例，交叉鉆孔的百米鉆孔初始瓦斯自然涌出量是平行鉆孔的2.67倍；交叉鉆孔平均百米鉆孔瓦斯抽采量是平行鉆孔的2.02倍。4.3井下本煤層采前抽采瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法順層鉆孔抽采方法

——順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采方法

適用于突出危險(xiǎn)性相對(duì)較小、硬度大，鉆孔易施工的煤層。圖為淮北楊柳煤礦的工程應(yīng)用實(shí)例，實(shí)踐表明該方法可以保證類似煤層條件下煤層巷道的掘進(jìn)安全。

4.4井上下采中瓦斯抽采四、煤礦瓦斯抽采方法頂板走向穿層鉆孔抽采方法

為保證工作面過(guò)鉆場(chǎng)時(shí)頂板鉆孔的抽采效果，前后鉆場(chǎng)鉆孔壓茬不小于30m。該方法單孔抽采量可達(dá)1m3/min以上。4.4井上下采中瓦斯抽采四、煤礦瓦斯抽采方法采空區(qū)埋管抽采方法

根據(jù)頂板巖層裂隙中匯集有大量高濃度瓦斯的特點(diǎn)，研發(fā)了采空區(qū)長(zhǎng)立管瓦斯抽采方法。根據(jù)淮北祁南煤礦3煤層工作面的應(yīng)用，采空區(qū)瓦斯抽采濃度可達(dá)10％以上。4.4井上下采中瓦斯抽采四、煤礦瓦斯抽采方法其它抽采方法

在煤層開采過(guò)程中除了采用頂板走向穿層鉆孔抽采方法和采空區(qū)埋管抽采方法外，前期施工的瓦斯抽采工程還可繼續(xù)發(fā)揮作用，包括：地面鉆井、高抽巷、順層孔、穿層孔等工程。在煤層群開采條件下，工作面瓦斯涌出量大，上述瓦斯抽采工程的利用，將減小鄰近煤層瓦斯向回采工作面的涌入，確?；夭晒ぷ髅娴陌踩?.5采后抽采瓦斯四、煤礦瓦斯抽采方法抽采方式主要包括地面鉆井抽采、井下巷道密閉抽采和穿層鉆孔抽采等措施。地面鉆井老空區(qū)抽采在淮北蘆嶺煤礦得到了應(yīng)用，獲得了良好的抽采效果。井下巷道密閉抽采是將連同老空區(qū)的巷道密閉，在密閉墻內(nèi)鋪設(shè)管路對(duì)老空區(qū)進(jìn)行抽采。穿層鉆孔瓦斯抽采是在老空區(qū)附近的巷道中向老空區(qū)及頂板巖層施工穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。4.6豎井揭煤前抽采瓦斯方法四、煤礦瓦斯抽采方法

淮北桃園新副井鉆孔控制井壁8m以外，間距不大于2m。壓風(fēng)沖煤掃孔加速瓦斯排放。經(jīng)過(guò)48天的排放，共沖出60t煤，瓦斯排放率達(dá)66.9%，瓦斯含量降為4.71m3/t，瓦斯壓力降為0.2MPa。采用震動(dòng)炮揭開煤層后工作面平均濃度為0.41％，實(shí)現(xiàn)了深井突出煤層豎井安全揭穿煤層。4.7石門揭煤前抽采瓦斯方法四、煤礦瓦斯抽采方法預(yù)抽骨架固化攔截注水排放5在石門中部布置注水孔，利用注液泵向煤體進(jìn)行注水。12兩排骨架孔，以無(wú)縫鋼管作為骨架管。3利用骨架管向體注入馬麗散N，以增加煤體強(qiáng)度。4在煤層上部施工抽放鉆孔，攔截巷道周邊的瓦斯補(bǔ)給。6在石門中部布置排放鉆孔，使煤體進(jìn)一步發(fā)生收縮變形。預(yù)抽期18個(gè)月以上、預(yù)抽率50%以上。4.7石門揭煤前抽采瓦斯方法四、煤礦瓦斯抽采方法蘆嶺煤礦8、9煤層為近距離的松軟特厚煤層，兩層煤總厚達(dá)12m，煤層瓦斯壓力為2.1～4.43MPa，煤層瓦斯含量為17.49～22.67m3/t。

2005年以來(lái)，礦井共實(shí)現(xiàn)安全揭穿8、9煤層15處，揭煤期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫恢笨刂圃?.3%以下，消除了揭煤時(shí)冒頂嚴(yán)重、瓦斯超限現(xiàn)象。

4.8煤礦瓦斯綜合抽采方法應(yīng)用實(shí)例四、煤礦瓦斯抽采方法

對(duì)于一個(gè)礦井而言，必須進(jìn)行煤礦瓦斯的綜合抽采，才能保證煤礦的安全高效生產(chǎn)。以祁南煤礦為例：祁南煤礦為煤與瓦斯突出礦井，核定生產(chǎn)能力240萬(wàn)t/a，主采煤層為32、72