1、专题部分 第19页瓦斯抽采方法摘要：本文对国内煤矿瓦斯抽采的必要性及意义进行了论述，明确了瓦斯抽采方法的选择原则，并对瓦斯抽采工艺做了较为详细的说明，提出了根据瓦斯涌出量分级确定瓦斯抽采方法的方针。关键字：先抽后采；抽采达标；瓦斯抽采1 煤矿瓦斯赋存条件煤炭是中国的主要能源，占一次能源的70%以上。进入21世纪以来，随着中国经济的快速增长，煤炭需求量也快速增长，2001年至2008年中国煤炭产量由11.06亿t猛增到27.2亿t，平均每年增长了18.24%。中国煤炭工业在保障中国经济快速增长的同时，也使煤炭的开采条件不断恶化，突出表现在开采深度增加、瓦斯压力和瓦斯含量增大、地质构造条件复杂，瓦
2、斯灾害、特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重。20世纪80年代初，南桐矿务局平均开采深度380m，瓦斯压力1.56.0MPa；淮南矿务局平均开采深度490m，瓦斯压力1.83.6MPa。目前，南桐矿务局平均开采深度810m，瓦斯压力5.010.0MPa；淮南矿业集团平均开采深度800m，瓦斯压力4.25.6MPa，所开采的煤层90%为突出煤层，原来无突出危险的保护层已升级为突出危险煤层。2004年，全国大中型煤矿平均开采深度456m。平均采深华东约620m，东北约530m，西南约430m，中南约420m，华北约360m，西北约280m。采深超过1000m的煤矿有8处，采深大于600m的矿井产量占28
3、.47%。全国煤矿开采以每年约1020m的速度向深部延深。中国含煤地层以石炭二叠纪为主，经历过多次大型构造运动，许多矿区发生隆起、坳陷、褶皱和断裂等活动，在构造挤压和剪切应力的作用下，煤层结构破坏而形成构造煤发育，表现为煤质松软(硬度系数f=0.10.5)，煤层渗透性差，原始煤体瓦斯抽采困难。2 煤矿瓦斯抽采必要性2.1从构建安全性矿井角度看瓦斯抽采必要性瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患。因此对煤矿瓦斯进行综合治理尤为重要，目前应用较广、效果较好的技术是瓦斯抽采技术。煤矿安全规程(2010)规定，有下列情况之一的矿井，必须建立地面永久瓦斯抽采系统或井下临时抽采瓦斯系统。1)1个采煤工作面的瓦斯
4、涌出量大于5m3/min或1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是不合理的。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1.01.5Mt的矿井，大于30m3/min；年产量0.61.0Mt的矿井，大于25m3/min；年产量0.40.6Mt的矿井，大于20m3/min；年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。2.2从环境保护来看瓦斯抽采的必要性瓦斯是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的21倍，按生产1t煤排放10m3瓦斯估算，近年在煤炭生产过程中涌出的瓦斯量约140亿m3，其中抽采量约12亿m3，利用量不足50%；年排入大
5、气中的瓦斯产生的温室效应约相当于排放2亿t二氧化碳。过去200300年来，大气中甲烷浓度已增加一倍。据测算，大气中甲烷质量分数每增加110-6，可导致地球表面温度增加1。因此进行瓦斯抽采可以减少温室气体排放，改善大气环境。2.3从瓦斯作为新能源角度来看瓦斯抽采的必要性瓦斯是一种优质资源，基本不含硫，燃烧后产生的污染物少，其废气是一种气态肥料， 可增加植物的光合作用。我国埋藏2000m以内浅瓦斯资源量(煤层气)约30109m3，相当于约40109t标准煤，按我国现有能耗标准，相当于我国约使用27年的能源。截至2005年， 全国已有200多个煤矿建立瓦斯井下抽采系统和地面输气系统，年抽采量达20亿
6、m3。同时建设了一批瓦斯发电项目， 目前全国瓦斯发电的总装机容量为9104 kW，而规划或正在实施的瓦斯发电项目装机容量约15104 kW。其中，山西晋城煤业集团在建的煤层气电厂计划装机达12104kW，是世界上目前最大的煤层气发电厂。3 瓦斯抽采指标煤矿瓦斯抽采基本指标规定了以下4种类型的抽采指标：1)突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或将瓦斯压力降到煤层始突深度的煤层瓦斯压力以下。若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力，则必须将煤层瓦斯含量降到8 m3 /t 以下，或将煤层瓦斯压力降到0.74MPa(表压)以下。即突出煤层工作面必须在
7、采前通过瓦斯抽采区域性消除煤与瓦斯突出危险性。2)瓦斯涌出量主要来自于开采层的采煤工作面前方20m以上范围内，煤的可解吸瓦斯量必须根据工作面的日产量在采前通过开采层的瓦斯抽采使煤的可解吸瓦斯含量降到规定指标之下。3)瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩的采煤工作面必须根据工作面绝对瓦斯涌出量情况确定工作面的最低瓦斯抽采率，这部分瓦斯可以在工作面开采过程中同时进行抽采。4)规定了不同绝对瓦斯涌出量的矿井应达到的最低瓦斯抽采率。即矿井通过各种抽采( 综合抽采)后应达到的最低瓦斯抽采率。上述第1种类型规定了突出煤层采前抽采应达到的指标，第2种类型规定了高瓦斯煤层采前抽采应达到的指标，第3种类型规定了回采
8、工作面开采过程中抽采应达到的指标，第4种类型规定了矿井瓦斯抽采应达到的指标。4 瓦斯抽采方法分类各种资料上瓦斯抽采放法分类不尽相同。但大体可用下图表示：煤矿瓦斯抽采方法分类共分为3个层次。第1层次分为：采前抽采(预抽)、采中抽采和采后抽采。第2层次分为：本煤层抽采、邻近层抽采、回采工作面抽采、掘进工作面抽采和采空区抽采。第3层次为具体瓦斯抽采方法，如地面钻井抽采、穿层钻孔抽采、采空区埋管抽采方法等。这样的分类方法可能出现方法交叉的问题，例如邻近层抽采可能是采前抽采，也可能是采中抽采。如果邻近煤层是可采煤层，且在开采层开采过程中邻近煤层的可采性不被破坏，则对该煤层瓦斯抽采应视为采前抽采。如果邻近
9、煤层是不可采煤层， 或在开采层开采过程中其可采性被破坏，则对这些煤层的瓦斯抽采应视为采中抽采。在煤矿生产实践中，不可能通过单一的瓦斯抽采方法解决矿井瓦斯问题，往往需要采用多种瓦斯抽采方法的组合，实现对煤矿瓦斯的综合抽采。图1煤矿瓦斯抽采方示意图5 煤矿瓦斯抽采方法5.1地面钻井采前抽采瓦斯地面钻井采前抽采瓦斯是20世纪80年代在美国成功应用的地面煤层气开采方法，20世纪90年代开始在中国不同矿区开展试验，除在山西沁水盆地取得了与美国SanJuan盆地相当的抽采效果外，在其它矿区的试验结果均不理想。主要原因是，我国大部分高瓦斯矿区地质构造复杂，煤层低透气性低，多数煤层透气性系数仅为10-3 10
10、m2/(Mpa2d)。地面钻井采前抽采瓦斯主要分为3个阶段。完井阶段包括，表土段钻井及固井、基岩段钻井、电测井、基岩段套管安装及固井、固井质量检测；煤层透气性改造阶段包括，射孔和压裂；排水采气阶段包括，更换井口设备、排水降低液面高度、采气。晋城煤业集团蓝焰煤层气公司、中联煤层气公司等单位在沁水煤田施工地面钻井1000余口，取得了较好的瓦斯抽采效果，抽采的瓦斯用于发电、汽车燃料和民用等。在地面布置钻井和瓦斯抽采设备,抽采卸压层开采后其它主采煤层受采动影响的卸压瓦斯。技术的关键一是钻井要克服采动影响,能长时间维持抽采;二是钻井布置位置要合理, 要把钻井布置在已发生卸压且瓦斯丰富的区域,才能从卸压覆
11、岩中截获更多释放的瓦斯;三是要合理控制抽采瓦斯的流量和负压,以得到一个稳定的流量和浓度,并且使得回采工作面进入采空区的氧气量最小,从而降低工作面自然发火的危险。这需要对地面钻井布置进行优化设计,并对钻井进行精心施工和优化处理。典型钻井结构如图2所示。目前，中国地面钻井技术已经成熟。决定瓦斯抽采效果的关键是压裂和排采技术，除传统的前置液、携沙液和顶替液压裂技术外，在一些矿区还试验了CO2压裂驱替技术；此外，还进行了排采工艺方面的改革试验。上述试验效果如何，还有待于今后抽采效果的检验。图2 地面钻孔结构示意图5.2被保护层采前抽采瓦斯中国自20世纪50年代末期开始在北票、南桐、中梁山、天府、松藻矿
12、务局试验开采保护层防止煤与瓦斯突出，取得了显著的效果。1997年以来，中国矿业大学先后与淮南矿业集团、淮北矿业集团、阳泉煤业集团、沈阳煤业集团、郑州煤业集团等多家煤炭企业合作，开展了多种地质、煤层和瓦斯赋存条件下的保护层开采、顶底板煤(岩)层移动及裂隙发育规律、被保护层卸压瓦斯解吸流动规律及有效的卸压瓦斯抽采方法，并形成了国家安全生产行业标准保护层开采技术规范(AQ1050-2008)。5.2.1瓦斯抽采的原理保护层开采之后，其上覆煤岩体将形成跨落带、断裂带和弯曲带3个带，其下伏煤岩体分为底鼓裂隙带和底鼓变形带两个带。保护层开采后顶底板煤岩裂隙发育及分带示意图见3图所示。图3 采场底板没岩体裂
13、隙发育及分带示意图开采下保护层时不得破坏被保护层的开采条件，这样就要求被保护层应在断裂带和弯曲带。处于断裂带内的煤(岩)体既产生平行层理的裂隙，又产生垂直和斜交层理的裂隙， 卸压瓦斯在抽采负压的作用下既可以沿平行层理方向流动，也可以沿垂直和斜交层理方向流动，比较有效的瓦斯抽采方法有：顶板或底板穿层钻孔(多用于急倾斜煤层)法、走向高位钻孔法、倾向高位钻孔法、走向长钻孔法、走向高抽巷法、倾向高抽巷法、地面钻井法等。处于弯曲带内的煤(岩)体由于整体下沉，多产生平行层理的裂隙，卸压瓦斯沿平行层理方向流动相对容易，比较有效的瓦斯抽采方法有：顶板或底板巷道网格式上向穿层钻孔法和地面钻井法。而开采上保护层时
14、，要求被保护层应在底鼓裂隙带和底鼓变形带内， 被保护层所处的区域不同，煤(岩)体裂隙发育差异较大，但由于位于保护层下部，其瓦斯抽采方法的选择受到一定限制，抽采方式比较单一，主要以底板巷道网格式穿层钻孔法为主.5.2.2地面钻井抽采方法地面钻井抽采卸压瓦斯方法适用于下保护层开采条件，其优点为：1)地面钻井将穿过下保护层顶板上覆卸压煤岩层，抽采范围大、抽采效果好；2)从地面钻井处在保护层开采的卸压区开始，到地面钻井报废止( 钻井损坏或抽不出瓦斯) ，全部为抽采期，抽采期长；3)地面钻井施工不受井下巷道工程条件的限制， 只要保证保护层工作面推进到钻井设计位置之前， 地面钻井施工完成， 即可满足瓦斯抽
15、采的需要。地面钻井结构如图4所示。地面钻井结构一般分为3段：第1段为表土段，钻井穿过表土进入坚硬基岩，下套管，进行表土段固井；第2段为基岩段，钻井钻进至目标层(卸压瓦斯抽采煤层或煤层群)顶板2040 m，下套管，进行基岩段固井(套管长度为第1段与第2段之和、固井至地面)；第3段为目标段，钻井钻进至保护层顶板510 m(取决于保护层开采厚度)，下筛管，不固井。图4 地面钻井结构示意图根据淮南矿区地面钻井卸压瓦斯抽采试验证明，有效抽采半径可达200m，设计时抽采半径取150 m。沿走向方向第一个钻井距开切眼5070m，之后钻井间距为300m，在倾斜方向上钻井距风巷的距离为工作面长度的1/31/2。地面钻井能够取得较好的瓦斯抽采效果，在卸压瓦斯抽采的活跃期内， 单井瓦斯抽采量可达到1020m3/min，抽采瓦斯的体积分数达70% 90% ，瓦斯抽采率可达60%以上。5.2.3井下穿层钻孔抽采方法井下穿层钻孔是被保护层卸压瓦斯抽采的最基本方法，也是我国被保护层卸压瓦斯抽采普遍应用的方法。 采用井下穿层钻孔抽采卸压瓦斯具有以下优点：1)根据保护层与被保护层的赋存特点和相对层位关系，可以机动灵活地布置抽采
