专题-采煤工作面瓦斯抽放技术.doc

1、专题部分采煤工作面瓦斯抽放技术摘要：瓦斯灾害的有效控制是保证综采工作面正常生产的一个关键问题。因此，要不断促进瓦斯抽放技术的完善，以促进现代化矿井瓦斯管理工作不断完善。本文在分析现行煤矿瓦斯抽放系统状态及抽放效果的情况下，探讨了影响煤矿采煤瓦斯抽放效果的因素，同时，提出了提高瓦斯抽放率的有效途径，并提出了合理的瓦斯抽放方法。关键词：煤矿采煤；瓦斯；瓦斯抽放1 绪论1.1引言在日常生活中，人们一谈起沉船、空难、交通事故、火灾等，无不为之大惊失色，殊不知煤矿瓦斯爆炸更是令人惊骇、痛心。据资料统计，在我国煤矿的重大灾害事故中70%以上是瓦斯事故。19901999年全国煤矿共发生3人以上死亡事故400

2、2起，共死亡27495人，其中：瓦斯事故2767起，共死亡20625人，占3人以上死亡事故总起数的69. 14 %，死亡人数的75.01%。20012005年2月底，全国煤矿发生一次死亡30人以上的事故28起，死亡1689人。其中，瓦斯事故24起，死亡1558人，事故起数和死亡人数分别占86%和92%。仅2004年10月2005年2月，短短5个月内就发生死亡人数超100人的特大型瓦斯爆炸事故3起，3次事故死亡人数528人，其中：2004年10月20日，河南郑州矿务局大平煤矿发生瓦斯爆炸死亡148人；2004年11月28日，陕西铜川矿务局陈家山煤矿发生瓦斯爆炸死亡166人； 2005年2月14日

3、，辽宁省阜新矿业（集团）公司海州立井发生特大瓦斯爆炸事故死亡214人。每年由于瓦斯事故造成直接经济损失近10亿元，间接经济损失近30亿元。近年来，我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈上升趋势，给煤矿安全生产造成极大危害。瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一。瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆炸、突出、窒息等三种形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。2001年国家煤矿安全监察局和中国煤炭工业协会联合在铁法召开了全国瓦斯治理专门会议，会上提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字安全生产方针，是国

4、家煤矿安全生产局致力于建立防范瓦斯长期有效机制的基石，瓦斯抽放不仅是安全生产的需要，也是节省能源、保护环境的迫切需要。高产高效集约化生产是我国煤炭生产方式的一大飞跃，也是我国煤矿生存与发展的必由之路。由于集约化生产的开采强度大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦斯涌出具有强度高、数量大和涌出不均衡等特点，同时综采工作面由于采高大、采长大、走向长度长等特点，因而采空区面积大，常造成回风流和局部瓦斯（尤其是上隅角）超限，对安全生产构成了极大威胁。瓦斯灾害的威胁极大地限制了矿井生产能力的发挥，采掘工作面因难以将瓦斯浓度控制在安全限度以内而不得不减慢采、掘速度，为消除煤层的突出危险性而不得不占用更多

5、的采掘时间去强化消除突出的防突措施，使许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪费了大量的生产投资，高产高效的采、掘、运机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水平低下。更有不少高瓦斯突出矿井步入恶性循环，最终导致矿井破产关闭。因此，在当前市场经济条件下，瓦斯灾害治理的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一，而对瓦斯涌出量的高精度预测和高效率的瓦斯抽放是瓦斯防治技术中的主要方面。所以对矿井瓦斯涌出量做出准确的预测预报和提高瓦斯抽放效率对矿山企业有重大的理论和现实意义。1.2国内外瓦斯抽放研究现状在国外，瓦斯抽放已成为降低工作面瓦斯涌出量和防止突出的一种主要措施。前苏联一年的瓦斯抽放量为232

6、4亿m3，而我国2002年全国瓦斯抽放量仅11. 46亿m3。针对低透气性煤层难抽问题，前苏联最先提出并付诸实施了交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯的方法，显著提高了低透气性煤层的瓦斯抽放率；在开采深度大的条件下，日本采用大直径钻孔有效地提高了抽放效果；在钻孔密封技术工艺方面，德国和日本全面推广应用聚氨酯封孔技术，使抽放负压达50kPa以上。为提高瓦斯抽放率，在不断完善综合抽放方式的基础上，各国均研究和采用了强化抽放瓦斯方式，研制出了强力钻机，以提高钻孔钻进速度和钻进深度。日本研究成功了在高瓦斯长壁工作面顶板打水平钻孔（800m以上）抽放采空区瓦斯的工艺和相应的设备，单孔抽放量达23 m3/min，并研

7、究应用聚氨酯封孔技术，提高了钻孔密封效果。为适应抽放量增大的需要，美国、波兰正在生产和应用抽放能力为200m3/min以上的湿式、干式抽放泵，并建立瓦斯监测监控系统，实现安全和高效抽放的目标。我国工业抽放瓦斯始于1938年的抚顺龙凤矿，但连续系统地抽放瓦斯是1952年在龙凤矿建抽放瓦斯泵站开始的。经过几十年的发展，无论是瓦斯抽放方法，还是瓦斯抽放装备等均具有较先进的水平。我国目前矿井瓦斯抽放技术主要有：采掘前抽放（预抽），边采边抽和采后抽放（采空区抽放）。近年来抽放技术的发展是：北票试验成功穿层网格式布孔大面积抽放突出煤层，松藻打通二矿向冒落拱上方打钻抽放上邻近层和采空区瓦斯，鸡西城子河矿采用

8、钻孔法多区段集中抽放上邻近层和采空区瓦斯，铁法晓南矿利用水平岩石长钻孔抽放邻近层瓦斯等技术。在抽放瓦斯装备上，研制了系列打抽放孔的钻机，如ZY系列液压钻机、ZF系列风动钻机等，研制和推广应用了抽放管道正负压自动放水器，新型抽放管“三防”装置，快速接头及化学材料密封钻孔等。虽然取得了较快地发展，但总体上看水平仍然较低。我国目前的平均抽放率仅有23%，而俄罗斯、美国、澳大利亚等主要采煤国家的抽放率均在50%以上，大大高于我国。2 煤层瓦斯抽放技术煤层瓦斯抽放一般是指利用瓦斯泵或其它抽放设备，抽取煤层中高浓度的瓦斯，并通过与巷道隔离的管网，把抽出的高浓度瓦斯排至地面或矿井总回风巷中。目前认为，煤矿瓦

9、斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量，防治瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且抽出的瓦斯也可变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用，因此从20世纪50年代起，世界上各主要产煤国对煤矿的瓦斯抽放甚为重视，使瓦斯抽放工作得到了较快的发展。世界煤矿年抽出瓦斯量由135106m3增至5430106m3左右。近年来，随着煤矿开采深度的加大和开采强度的提高，矿井瓦斯涌出量增大，抽放瓦斯已越来越成为高瓦斯煤层开采的一个必不可少的重要环节，并为煤矿瓦斯利用提供了重要条件。2.1概述2.1.1煤层瓦斯含量的影响因素煤层瓦斯含量是一定量煤中所含有的瓦斯量，它是煤层的基本瓦斯参数，是计算瓦斯蕴藏量、预测瓦斯涌出量

10、的重要依据。瓦斯的形成和保存、运移与富集，同地质条件有密切关系，并受到地质条件的制约。对于不同区域、不同煤田或不同块段，影响瓦斯赋存的地质条件存在着差异，起主导作用的因素也有区别，经研究分析影响煤层瓦斯含量的因素有以下六方面：（1）煤层的埋藏深度对瓦斯含量的影响煤层的埋藏深度增加不仅加大了地应力，使煤层与岩层的透气性变差，而且加大了瓦斯向地表运移的距离，有利于瓦斯的储存。在不受地质构造影响的区域，当深度不大时，煤层的瓦斯含量随深度呈线性增加，当深度很大时瓦斯含量趋于常量。（2）围岩性质对瓦斯含量的影响煤层围岩主要指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层与围岩的透气性对煤层瓦

11、斯含量有很大影响，其围岩透气性越大、煤层瓦斯越容易流失、瓦斯含量越小小；反之，瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量大。一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石时，如泥岩、页岩、细砂岩、；粉砂岩和致密的石灰岩等透气性差，煤层中的瓦斯容易被保存起来，易于形成高瓦斯压力，瓦斯含量大；若顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩层，如以中砂岩、粗砂岩、砾岩和裂隙或溶洞发育的石灰岩为主时，岩石透气性好，瓦斯就容易逸散，煤层瓦斯含量小。（3）煤层厚度及变质程度对瓦斯含量的影响煤种单一，变质程度较高的煤层，生成的瓦斯量较多。其主要原因为：第一，煤层瓦斯的产出量直接依赖于煤化程度；第二，随着变质程度的加深，煤的气休渗透率下降，气体

12、沿煤层向地表方向运移也就更慢；第三，变质程度越高，煤的吸附能力越大，煤层中便于更多的气体赋存。（4）煤层倾角对煤层瓦斯含量的影响煤层倾角大时，瓦斯可沿着一些透气性好的地层向上运移和排放，瓦斯含量低；反之，煤层倾角小时，一些透气性差的地层就起到了封存瓦斯的作用，使煤层瓦斯含量升高。故不利于瓦斯的排放，利于瓦斯的赋存。（5）地质构造对煤层瓦斯含量的影响地质构造是影响瓦斯储存的重要条件。煤系地层为沉积地层，各种岩石的透气性有很大差别，在地层与地质构造的共同作用下，可能形成封闭型或开放型地质构造。封闭型地质构造有利于瓦斯储存，开放型地质构造有利于瓦斯排放。闭合而完整的背斜或弯隆又覆盖有不透气的地层是良

13、好的储存瓦斯构造，其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶”。在倾伏背斜的轴部，瓦斯浓度通常也高于翼部。但是当背斜轴顶部因张力形成连通地表的裂隙时，瓦斯易于流失，轴部瓦斯含量反而低于翼部。向斜构造存在两种情况：一种情况下，因轴部受到强力挤压，透气性差，使轴部的瓦斯含量高于翼部；另一种情况下，由于向斜轴部瓦斯补给区域缩小，当轴部裂隙发育，透气性好时，有利于瓦斯流失，开采至向斜轴部时，相对瓦斯涌出量反而减小。断层对瓦斯含量的影响，一方面要看断层的封闭性，另一方面要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性（张性、张扭性、导水性）不论是否与地表直接相通，都会引起附近煤层瓦斯含量的降低；封闭性断层（压性、

14、压扭性、不导水性）与煤层接触的岩层透气性差时，可以阻止瓦斯的排放，可能形成高瓦斯区域。区域构造一方面形成了瓦斯分布的不均衡，另一方面形成了有利于瓦斯赋存或排放的条件。背斜鞍部和向斜轴部是良好的储气构造，且向斜轴部埋藏深度大，瓦斯运移排放较难，赋存较好。地质构造中的断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯排放条件发生了变化，一般为封闭型，不利于瓦斯排放。（6）含煤岩系沉积环境和围岩特征对瓦斯含量的影响瓦斯主要形成于煤层，而煤层的赋存和分布与聚煤期有着密切的关系。聚煤沉积环境控制了煤层的原始分布，煤厚及其变化又受沉积环境的制约，同时聚煤前的沉积环境与聚煤后的沉积环境及其演化环境影响着煤层下伏及上覆地

15、层的岩性、岩性组合及其厚度变化，所以说沉积环境对瓦斯区域分布、瓦斯的圈闭、保存和逸散均有重要影响。含煤岩系的建造特征是瓦斯形成和保存的基础条件。海陆交互相含煤系，往往岩性与岩相在横向上比较稳定，沉积物粒细，煤系地层的透气性差，这种煤层的瓦斯含量高，陆相沉积与此相反，煤层瓦斯含量一般较低。2.1.2抽放瓦斯的原则及方法（1）瓦斯抽放的原则瓦斯抽放是一项集技术、装备和效益于一体的工作，因此要做好瓦斯抽放工作，应注意以下几条原则。抽放瓦斯应具有明确的目的性，即主要降低风流中的瓦斯浓度，改善矿井生产的安全状况，并使通风处于合理和良好状况；因此应尽可能在瓦斯进入矿井风流之前将其抽放出来。在实际应用中，瓦

16、斯抽放还可作为一项防治煤与瓦斯突出的措施单独应用。此外，抽出的瓦斯又是一种优质资源，只要保证一定的抽放瓦斯量和浓度，则可以加以利用，从而形成“以抽促用，以用促抽”的良性循环。抽放瓦斯要有针对性，即针对矿井瓦斯来源，采取相应措施进行抽放。在瓦斯抽放中应根据瓦斯来源，并考虑抽放地点时间和空间条件，采取不同的抽放原理和方法，以便进行有效地瓦斯抽放。要认真做好抽放设计、施工和管理工作等，以便获得好的瓦斯抽放效果。因此，在设计时，首先应了解清楚矿井地质、煤层赋存及开采等条件，矿井瓦斯方面的有关参数，预测瓦斯涌出量及其组成来源。在此基础上选择合适的抽放方法，确定可靠的抽放模型，设计一套合理的抽放系统。（2）抽放瓦斯的方法瓦斯抽放工作经过几十年的不断发展和提高，根据不同地点、不同煤层条件及巷道布置方式，人们也提出了各种各样的瓦斯抽放方法。一般按不同的条件进行不同的分类，如下所述。按抽放中瓦斯来源分