专题-中厚煤层瓦斯抽采技术实例分析与研究.pdf

1、 专题部分专题部分:中厚煤层瓦斯抽采技术实例分析与研究中厚煤层瓦斯抽采技术实例分析与研究 摘要：文章简要回顾了中国煤矿瓦斯抽采技术的发展历程,介绍了近年来煤矿瓦斯抽采新技术的发展，较详细地阐述了适合于中国煤层瓦斯赋存条件的几种典型抽采方法，本文通过瓦斯抽采的现状与发展及符合我国煤矿条件的瓦市抽采技术并描述了寺河矿瓦斯抽采的实践成果，最后对通过查资料对瓦斯抽采技术的发展方向做了简要的概述并对中国的瓦斯抽采技术的发展趋势做出了展望。关键词:矿井瓦斯 抽采技术 装备 1 概述概述 高浓度瓦斯是煤矿安全生产的最大隐患。国家要求“先采气，后采煤”，“采煤采气一体化”，推出了一系列瓦斯开发利用优惠政策。国

2、家安监总局已颁布法令，规定煤矿开采需将瓦斯含量降至 8 立方米/吨、瓦斯压力降至 0.74MPa 以下才能允许采煤。a)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时；b)矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：大于或等于 403/minm；年产量1.01.5Mt的矿井，大于303/minm；年产量0.61.0Mt的矿井，大于253/minm；年产量 0.40.6Mt 的矿井，大于 20 3/minm；年产量等于或小于 0.4Mt，大于153/minm。c)开采有煤与瓦斯突出危险煤层。我国煤矿瓦斯抽采有较长的历史,早在1

3、938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,50 年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展矿井抽采瓦斯,50 年代末瓦斯抽采量约为 100 Mm3。60 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采瓦斯工作,抽采瓦斯量达到 170 Mm3。70 年代至 90 年代末期,抽采矿井数和抽采量都稳步增加。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,目前瓦斯抽采技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。到 2000 年我国

4、国有重点煤矿中共有 141 对矿井建立了地面永久瓦斯泵站进行瓦斯抽采,年抽采量达 8167 亿 m3,2002 年抽采矿井数 193 对年抽采量 11146 亿 m3,2004 年全国重点煤矿抽采矿井数达到 221 对,年抽采量达到 19126 亿 m3,19522004 年抽采瓦斯矿井数和抽采瓦斯量的变化动态见图 1。图一图一 抽采瓦斯矿井数和年抽采量变化动态抽采瓦斯矿井数和年抽采量变化动态 在瓦斯抽采方法方面,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

5、、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。2.煤矿瓦斯抽采技术的发展煤矿瓦斯抽采技术的发展 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。2.1 高透气性煤层瓦斯抽采阶段高透气性煤层瓦斯抽采阶段 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。2.2 邻近层卸压瓦斯抽采

6、阶段邻近层卸压瓦斯抽采阶段 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 6070。到了 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。2.3 低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段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 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

7、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。2.4 综合抽采瓦斯阶段综合抽采瓦斯阶段 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 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

8、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，实施瓦斯综合抽采 3.适合我国瓦斯赋存条件的抽采方法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。3.1 顺层密集长钻孔抽采本层瓦斯顺层密集长钻孔抽采本层瓦斯

9、 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，孔问距 35m，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。图二顺层密集长钻孔及交叉布孔预抽本层瓦斯示意图图二顺层密集长钻孔及交叉布孔预抽本层瓦斯示意图 3.2 网

10、格式穿层钻孔抽采本层瓦斯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。图三网格式穿层钻孔示意图图三

11、网格式穿层钻孔示意图 3.3 顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯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。图四图四 顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯示意图顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯示意图 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（16

12、0 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。从风巷中每隔一定距离施工斜巷进入煤层顶板，在煤层顶板中开挖钻场，从钻场中向工作面采空区方向施工顶板走向穿层钻孔，每个钻场的钻孔个数不少于5 个，分上下 2 排布置，钻孔长度根据钻机的施工能力确定，一般不小于 80 m，钻孔开孔位置距煤层顶板不小于 1 m，沿倾斜方向钻孔控制风巷向下 30 m 的范围，在垂向上钻孔终孔一般布置跨落带顶部和断裂带下部区域.为保证工作面过钻场时顶板钻孔的抽采效果，前后钻场钻孔压茬不小于 30m.顶板走向穿层钻孔抽采方法单孔抽采量

13、可达 1m3/min 以上.在工作面回风巷每隔 100m 布置一个钻场，钻场在回风巷下帮开口，以 17倾角向上施工，掘进 4m 后变平，再施工 2m 长的钻机平台；共布置 5 个钻孔，钻孔直径91mm，长度115m；钻孔终孔点控制在回风巷下帮向下323m范围内，终孔距煤层法距 18m 左右。瓦斯抽放量为 7.012.0m3/min，平均 10.5m3/min。3.4 中厚煤层开采条件下的采空区瓦斯抽采中厚煤层开采条件下的采空区瓦斯抽采 对于中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。中厚煤层半封闭采空区瓦

14、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。图五埋管抽采采空区瓦斯示意图图五埋管抽采采空区瓦斯示意图 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 3.5 综合瓦斯抽采综合瓦斯抽采 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

15、 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 10m3t 以上，煤层有突出性，工作面同时采用四种瓦斯抽采方法。见图 6，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。图六工作面综合瓦斯抽采示意图图六工作面综合瓦斯抽采示意图 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

16、 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。3.6 水力冲割煤层卸压强排强抽瓦斯技术水力冲割煤层卸压强排强抽瓦斯技术 水力冲割煤层卸压强排强抽瓦斯技术利用高压形成高速射流，冲割煤体制裂缝和造空穴，增大卸压范围，增大煤层瓦斯的流动性，提高煤层瓦斯抽采效果。图七水力冲割煤层卸压强排强抽瓦斯示意图图七水力冲割煤层卸压强排强抽瓦斯示意图 1供水管路；2井下移动高压水力泵站；3溢流阀；4压力表；5单向阀；6截止阀；7钢丝编织高压胶管；8钻机；9高压水射流钻杆；10煤层；11回转式高压旋转接头；12球形铰接固定器；13高压旋转水射流扩孔装置；14煤渣及回水管路；15封孔材料；16封孔钢管。3.7 深孔定向聚能水封爆破技术深孔定向聚能水封爆破技术 利用炸药爆破产生的高压冲击波瞬间撞击聚能药包与钻孔之间的水，形成高压水射面，使煤体产生新的裂隙，同时高压水楔入原生裂隙中使裂隙延伸，而控制孔起到裂隙导向和空间补偿作用，从而提高瓦斯抽采效果。适用于低透气性煤层强化抽采瓦斯、煤层消除突出危险和释放地层应力。图八深孔定向聚能水封爆破技术示意图图八深孔定向聚能水封爆破技术示意图 3.8 长