我国煤矿地下瓦斯抽放方法_王义林.pdf

我国煤矿地下瓦斯抽放方法 王义林 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院，北京 100083 ［ 摘 要］瓦斯治理在煤矿尤其是高瓦斯矿井的安全生产中占据着重要的地位，如何高效开采 和利用井下瓦斯是煤与瓦斯共采工作中的研究重点。通过对相关学者研究的整理，以文献综述的形 式，从开采方式、开采参数、开采效果和开采影响等角度对煤矿井下瓦斯抽放方法的发展进行了总 结，概述了顺层钻孔抽放、高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放、高抽巷抽放及埋管抽放在我国的研 究历程与现阶段成果，对各抽放方法自身存在的问题进行了评述，重点对布孔布巷方式及其参数进行 研究，并对各学者研究过程与研究结果进行讨论与完善，分析了现阶段各抽放方法研究中存在的遗 漏，对各方法现阶段及未来的研究与发展方向提出展望和设想。 ［ 关键词］瓦斯抽放; 地下抽放; 钻孔抽放; 巷道抽放; 埋管抽放 ［ 中图分类号］ TD712. 6［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201803- 0006- 04 Coal Mine Underground Gas Drainage in Domestic ［ 收稿日期］ 2018－03－13［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 03. 002 ［ 作者简介］ 王义林 1996－ ，男，山东威海人，硕士在读，研究方向为矿井瓦斯防治。 ［ 引用格式］ 王义林 . 我国煤矿地下瓦斯抽放方法 ［J］． 煤矿开采，2018，23 3 6－9. 我国大部分煤田在成煤阶段经历了地质构造运 动，煤体结构被破坏，煤层渗透率下降，打钻成孔 困难，瓦斯抽放尤其是地面瓦斯抽放效果很差，少 数可进行地面抽放的高渗透率煤层多集中于河东煤 田和沁水盆地 ［1 ］，其他低渗透性煤层瓦斯难以治 理，对煤矿安全生产提出了极大的挑战。 自二十世纪四五十年代，我国开始瓦斯抽放试 验，发展至今应用较广的抽放方法包括 顺层钻孔 抽放、高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放、高抽 巷抽放及埋管抽放。这些方法极大地改善了井下瓦 斯治理状况，为煤与瓦斯共采提供了技术支持和实 现途径。 当前的研究解决了瓦斯抽放中的很多难题，但 仍存在诸多问题未能解决，如普适性的最优参数计 算模型的建立，各抽放方法对高产高效矿井适应性 优化等。笔者对各抽放方法取得的成就和存在的问 题进行总结，对现阶段研究结果进行分析与评述， 为今后的研究提供参考。 1本煤层瓦斯抽放方法 本煤层瓦斯治理主要采用顺层钻孔抽放方法， 这是一种在上下平巷向煤体内打孔，利用钻孔卸压 来抽放瓦斯的方法。1954 年，抚顺龙凤矿进行了 钻孔抽放试验获得成功; 九十年代初期，焦作矿区 及平顶山矿区开展了交叉布孔抽放突出煤层瓦斯的 试验 ［2 ］。目前，对顺层钻孔抽放方法的研究主要 从布孔方式和布孔参数进行。 顺层钻孔抽放布孔方式主要有 3 种扇形钻 孔、平行钻孔和交叉钻孔。陈金刚等在焦作韩王矿 通过现场实验和数学模拟对比平行面割理和垂直面 割理布置钻孔的效果，发现后者抽放量 2. 61 倍 与抽放率 4. 34 倍均高于前者［3 ］;陈国新等在 平顶山十矿采用相同孔径孔深进行交叉钻孔和平行 钻孔抽放效果的对比试验，交叉钻孔的百米抽放量 1. 52 倍和抽放率 1. 16 倍均高于平行钻孔， 但钻孔数与钻孔长度高于平行钻孔 2. 07 倍 ［4 ］。 在布孔参数方面，谢雄刚等对比 150m 单向钻孔与 60～70m 双向钻孔的百米钻孔抽采量，发现后者是 前者的2 倍多 ［5 ］; 姜文忠等建立了防突型、减风型 和复合型合理预抽期评价模型，结合平顶山十矿的 煤田地质条件与交叉布孔参数进行预抽时间设计并 进行了现场应用验证 ［6 ］。 结合各学者的研究可以发现，顺层钻孔抽放在 现阶段的发展中具有以下特点 13 种布孔方式各有其优劣，交叉布孔效果 最优，平行布孔成本最低，扇形布孔劳动强度最 低。 2垂直面割理进行斜孔布置可明显提高顺 层钻孔抽采效果，双侧斜孔、密集布孔、立体布孔 能有效强化抽采。 3150mm 以上孔径钻进和护孔技术快速发 展，大直径钻孔是现阶段发展趋势。 6 第 23 卷 第 3 期 总第 142 期 2018 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 3 Series No. 142 June2018 ChaoXing 顺层钻孔抽放能有效处理本煤层瓦斯，目前对 顺层钻孔抽放的研究中存在以下未尽之处 1当前的抽采参数研究中对不同参数的强 化作用与相互对比的研究尚存在不足，如缺乏对双 向长钻孔及对应两孔的重叠长度的理论研究与试验 等。 2现阶段对孔内负压的研究缺少现场实验 的验证，对具体负压最优值及其与钻孔其他参数的 相关性的研究未得出统一结论。 2临近层瓦斯抽放方法 临近层瓦斯治理主要包括高位钻孔抽放、岩层 水平长钻孔抽放和高位抽放巷抽放 3 种方法。下面 将就此展开论述。 2. 1高位钻孔抽放瓦斯 高位钻孔抽放方法，是一种从回风平巷开钻场 向采空区顶板打高位长钻孔，利用顶板裂隙抽放瓦 斯的方法，其关键在于准确定位裂缝带高度和选择 钻孔位置 ［7 ］。20 世纪 50 年代中期，采用穿层钻孔 抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成 功 ［2 ］; 近几年，高位钻孔抽放方法逐渐成熟，在 阳泉等矿区应用普遍，瓦斯抽放率超过 50［8 ］。 目前学者对高位钻孔抽放方法的研究主要从裂隙理 论、三带测量方法和布孔参数着手。 高位钻孔抽放主要依据顶板裂隙理论，在关键 层理论与 “横三区” 、 “竖三带”划分的基础上， 钱鸣高等结合采动裂隙场与卸压瓦斯抽放，建立 “O 形圈”理论 ［9 ］; 袁亮等以顾桥矿为试验点进行 模拟，建立高位环形裂隙体的概念及其参数确定方 法 ［10 ］。在理论研究的基础上，结合现场经验，学 者们总结出了一系列测量垮落带和裂缝带范围的方 法。张彬等使用多匝矩形发射线框对宁夏红柳矿进 行探测，精确地探测出顶板裂缝带高度、宽度 ［11 ］。 在布孔参数方面，王海峰等于祁南矿开采有坚硬岩 层顶板的煤层时，提出将钻孔布置在垮落带，并通 过实践验证 ［12 ］; 吴建亭在平煤四矿应用 193mm 高 位钻孔，使用全液压坑道钻机，最长钻孔超过 200m，采用 改 良 封 孔 技 术 后 取 得 良 好 抽 采 效 果 ［13 ］。 当前研究表明，高位钻孔抽放的发展存在以下 特征 1裂隙发展理论正经历由面到体的过程， 裂隙理论模拟向着精准定量方向发展。 2裂缝带测定方法中，观察法简单易行， 但需要观察周期; 数值模拟法最为安全，但建模复 杂，精准度低; 三维地震勘探法探测精准，但设备 复杂，数据处理困难。 3200mm 孔径与 200m 孔深的钻进工艺发展 较为成熟，大直径一次成孔、复合扩孔和筛管完孔 成为新的发展方向。 尽管高位钻孔抽放的理论与技术都较为成熟， 但在以下方面的研究还不够深入 1传统的理论和方法对于一些特厚煤层及 高产高效矿井存在不适应性，对此的研究有待深 入。 2在大直径大孔深的钻孔布置下，先进有 效的护孔技术亟待研发。 3三维地震物探的设备设计生产仍依赖进 口，且后期数据整合处理研究不足。 2. 2岩层水平长钻孔抽放瓦斯 岩层水平长钻孔抽放，是一种从巷道向预抽区 域的上覆岩层施工水平定向长钻孔来抽放瓦斯的方 法，最先应用于石油开采和地质勘探行业。国内外 煤矿引进了定向钻孔技术进行水平长钻孔抽放试 验，瓦斯抽放率可达 50 ～80; 近年来，我国多 家企业引进千米钻机等先进设备，取得了良好效 果 ［7 ］。目前对水平长钻孔的研究主要从钻孔施工 技术和钻孔布孔参数着手。 该方法的成孔工艺主要有先导孔扩孔工艺和 大直径一次成孔工艺，钻进工艺主要有回转钻进和 定向钻进。赵建国等针对 200mm 以上孔径钻孔， 需进行 2 次以上扩孔的问题，提出引入液动 气 动 冲击钻进技术辅助扩孔 ［14 ］; 彭旭等将回转钻 进进尺快以及定向钻进轨迹可控的优点结合，提出 利用回转钻进提高效率、利用定向钻进调整轨迹的 混合钻进工艺，在唐家会煤矿进行试验并取得良好 效果 ［15 ］。在钻孔参数方面，谢生荣等在高瓦斯煤 层群研究利用顺层千米大钻孔实现煤与瓦斯共采技 术，对沙曲矿综采面进行了模拟，并于此进行了 200mm 孔径大钻孔试验，解决了长期制约沙曲矿 的上隅角及回风流瓦斯超限问题 ［16 ］。 综合各学者的研究结果，可以将水平长钻孔抽 放研究的进展归结为以下几点 1先导孔扩孔工艺可完成 150mm 孔径长 钻孔，经二次扩孔可实现 200mm 孔径以上的长钻 孔。 2大直径一次成孔工艺操作简单，目前可 实现 120mm 孔径，对 150mm 孔径以上一次成孔技 术和机械的研究是目前的发展方向。 3回转钻进难以施工超过 500m 的长钻孔， 7 王义林 我国煤矿地下瓦斯抽放方法2018 年第 3 期 ChaoXing 定向钻孔进度过慢，二者的有效结合与液动 气 动 辅助破岩可实现千米长钻孔。 在大力推进大直径长钻孔的同时，水平长钻孔 抽放的研究中还有以下问题亟待解决 1先导孔扩孔工艺复杂难以简化，一次成 孔无法实现 150mm 孔径以上长钻孔。 2钻孔参数的研究并不完善，如多组百米 钻孔与一组千米钻孔的效果比对未见研究。 3原有的预抽时间模型对于数百米长的定 向水平长钻孔无法完全适用，急需更具适应性的预 抽模型进行指导。 2. 3高抽巷抽放瓦斯 高位瓦斯抽放巷抽放，是通过在卸压岩层中预 先开掘专用高位瓦斯抽放巷进行瓦斯抽放的方法。 阳泉矿区采用邻近层巷道抽放瓦斯，瓦斯抽放率达 70～90，是我国高抽巷抽放的先驱 ［2 ］。现阶段 对高抽巷抽放的研究集中在对采空区自燃的影响和 调风增透等外部参数的影响等方面。 在采空区自燃方面，屈昀等依照天池煤矿综采 面建立三维模型，分别模拟 0，1，2，3kPa 负压时 抽采效果及自燃带范围，发现随抽采负压增大，漏 风带与氧化升温带宽度增加但与工作面相对位置变 化不大 ［17 ］; 褚廷湘等提出内生火风压概念并建立 了数学模型，得出巷道瓦斯抽采会增加煤层自燃风 险的结论 ［18 ］。在外部参数方面，王大强等于余吾 煤业北一采区调整进风量，观测上隅角瓦斯浓度及 高抽巷抽采量变化，进行数值拟合得出配风量与高 抽巷抽采效果的关系，并进行现场试验，上隅角瓦 斯浓度得到明显降低 ［19 ］。 高抽巷抽放瓦斯流量大而稳定，系统简单，维 护更易实现，但也存在一系列缺陷。目前，在高抽 巷抽放研究中存在以下问题 1抽放通道为巷道，长距离煤岩巷的开掘 带来大工作量、慢进度和高成本等问题且难以解 决。 2高抽巷抽放会改变漏风带与升温带范围， 目前对于该问题缺乏解决方案。 3巷道瓦斯抽采对封巷工艺提出了更高的 要求，高效、环保的封巷方式是高抽巷抽放研究目 前缺乏的部分。 3采空区瓦斯抽放方法 治理采空区瓦斯主要采用埋管抽放方法，高位 钻孔抽放、水平长钻孔抽放和埋管抽放等方法对采 空区瓦斯也能起到一定的控制作用。埋管抽放是一 种在工作面回风巷中敷设管道进行瓦斯抽放的方 法。在我国，埋管抽放在 20 世纪 50 年代首先在抚 顺矿区试验成功，工作面瓦斯抽放率可达 80［2 ］; 在 “八五 ” 、 “九五”期间，研制了轻质菱镁管， 并开发了自动监控装置、小型液压风机等配套设 备 ［20 ］。目前，对埋管抽放的研究多着重于采空区 瓦斯运移和对采空区自燃的影响方面。 在当前研究中，康雪等进行埋管抽放采空区瓦 斯的相似模拟实验，发现抽放口进入自燃带后，漏 风将扩大氧化升温带，缩短自燃发火期，增大采空 区遗煤自燃风险 ［21 ］; 王兵建等以新安煤矿综放面 为模型进行 CFD 模拟，分析比对了抽放前后采空 区走向、倾向及上隅角瓦斯浓度分布，总结出埋管 抽放瓦斯运移规律，为埋管抽放设计提供参考 ［22 ］; 孟铁中等于官地矿治理工作面上隅角瓦斯，经埋管 抽放后，上隅角瓦斯平均浓度降低 49. 4，解决 了瓦斯超限问题 ［23 ］。 从埋管抽放研究中可以发现，埋管抽放具有其 处理上隅角瓦斯方面的优势，且由于瓦斯向上流 动，埋管高度高且埋管的抽放口处于过渡带时效果 佳，漏风少。在埋管抽放研究中也存在一些不足 1前进式抽放简单节约，但多个支管同时 抽，迈步式抽放漏风小，现有的研究中缺乏对这两 种埋管方式的现场比较分析。 2埋管管材随材料发展逐步更新，但目前 对抽放口的保护措施仍处于木垛人工搭棚保护的阶 段，保护方法亟待改进。 4结论 经过 50 多年的发展，我国煤矿地下瓦斯治理 取得了显著的成效，但瓦斯事故严重、瓦斯超限频 发的现象仍未得到解决，抽放时间长、效率低的问 题仍长期存在。因此，瓦斯抽放方法需要进一步加 强与完善，其发展方向可依据以下几个方面 1顺层钻孔抽放需要强化最佳布孔参数的 研究，向精准判别节理裂隙方向施工高抽采效率的 大直径斜孔发展。 2高位钻孔抽放与岩层水平长钻孔抽放需 要提高裂隙理论对高产高效矿井的适应性，升级探 测设备，优化数据处理流程，改良钻孔工艺及设 备。 3高位巷抽放需要研制快速掘岩巷设备以 及支护设备，并解决对采空区自燃的影响。 4埋管抽放需要加强对管道材料的改进， 更新埋管的保护方法，提高抽采效果。 8 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing ［ 参考文献］ ［ 1］ 申宝宏，刘见中，张泓 . 我国煤矿瓦斯治理的技术对策 ［J］． 煤炭学报，2007 7 673－679. ［ 2］ 王魁军，张兴华，王佑安 . 中国煤矿瓦斯抽放技术 ［A］． 第 一届中国国际煤矿瓦斯防治与利用大会论文集 ［C］ . 北京 煤炭工业出版社，2005. ［ 3］ 陈金刚，秦勇，宋全友，等，割理方向与煤层气抽放效果 的关系及预测模型 ［J］ ． 中国矿业大学学报，2003 5 223 －226. ［ 4］ 陈国新，王玉武，孙波 . 交叉钻孔预抽本煤层瓦斯在平顶 山矿区的应用 ［ J］ ． 煤矿安全，2002，33 10 1－3. ［ 5］ 谢雄刚，李希建，余照阳 . 顺层钻孔预抽突出煤层瓦斯技术 研究 ［ J］． 煤炭科学技术，2013，41 1 78－81. ［ 6］ 姜文忠，秦玉金 . 平顶山矿区煤层瓦斯合理预抽期的研究 ［J］． 煤矿安全，2001，32 12 8－10. ［ 7］ 陆军，熊克剑 . 近水平千米定向钻机在矿井瓦斯抽采中的 应用 ［ J］． 煤炭科学技术，2011，39 12 92－95. ［ 8］ 王兆丰，刘军 . 我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨 ［J］． 煤矿安全，2005，36 3 29－44. ［ 9］ 许家林，钱鸣高 . 岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用 ［J］． 中国矿业大学学报，2004，33 2 141－144. ［ 10］ 袁亮，郭华，沈宝堂，等 . 低透气性煤层群煤与瓦斯共 采中的高位环形裂隙体 ［J］． 煤炭学报，2011，36 3 357－365. ［ 11］ 张彬，牟义，张俊英，等 . 瞬变电磁法在导水裂隙带高 度探测中的研究应用 ［J］ ． 煤炭工程，2011 3 44－46. ［ 12］ 王海锋，程远平，沈永铜，等 . 高产高效工作面顶板走向钻 孔瓦斯抽采技术 ［J］ ． 采矿与安全工程学报，2008，25 2 168－171. ［ 13］ 吴建亭 . 大直径长距离高位钻孔参数优化与实施 ［J］． 煤炭 科学技术，2010，38 8 63－65，69. ［ 14］ 赵建国 . 煤层顶板高位定向钻孔施工技术与发展趋势 ［J］． 煤炭科学技术，2017，45 6 137－141，195. ［ 15］ 彭旭，杨忠，刘卫卫 . 混合高效钻进技术在近水平长钻 孔中的应用 ［ J］ ． 煤矿安全，2017，48 3 67－70，75. ［ 16］ 谢生荣，武华太，赵耀江，等 . 高瓦斯煤层群 “煤与瓦斯共 采”技术研究 ［ J］ ． 采矿与安全工程学报，2009，26 2 173－178. ［ 17］ 屈昀，高锦彪，赵鹏翔，等 . 高抽巷负压对采空区瓦斯涌 出及自燃 “三带”影响的数值模拟 ［J］ ． 中国煤炭，2017， 43 9 98－101，143. ［ 18］ 褚廷湘，刘春生，余明高，等 . 高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤 自燃影响效应 ［J］ ． 采矿与安全工程学报，2012，29 3 421－428. ［ 19］ 王大强，王刚，于贵生，等 . 配风量对 “U”型工作面瓦 斯治理影响的实测分析 ［J］ ． 煤矿安全，2015，46 12 192－195. ［ 20］ 瓦斯通风防灭火安全研究所 . 煤矿瓦斯抽放技术发展的 50 年 ［J］ ． 煤矿安全，2003，34 S1 5－9. ［ 21］ 康雪，张庆华 . 采空区漏风流场相似材料模拟研究 ［J］． 中国安全科学学报，2015，25 9 53－58. ［ 22］ 王兵建，陶占宇，李军，等 . 上隅角埋管抽放前后采空区 瓦斯运移规律研究 ［J］ ． 煤炭科学技术，2012，4 9 32－ 35. ［ 23］ 孟铁中，杨树军 . 官地矿 28408 工作面埋管瓦斯抽采技术 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2011，39 S1 45－47，75. ［责任编辑 施红霞］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 17 页 轴向垂直层理煤样的单向抗压强度远大于轴向平行 层理煤样，是其 2 ～ 4 倍;而对于单轴抗拉强度， 煤样层理垂直于轴向时其值最大，其次为煤样层理 平行于轴向且加载方向垂直于层理条件，最小为煤 样层理平行于轴向且加载方向平行于层理条件。 3本次实验中水对煤样有一定软化作用， 但需要说明的是，自然浸泡时试样承受的压力梯度 较小，而对于地下水位较高的煤矿地下水库，裂隙 有很大的水压力，完整煤体内孔隙压力若小，则可 能形成很大的水力梯度，使岩石饱水速度加快。且 煤柱坝体应力集中，造成较大的孔隙压力，使饱和 强度降低，从而现场煤柱可能更容易遭到破坏。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 钱鸣高，许家林，缪协兴． 煤矿绿色开采技术 ［J］ ． 中国矿 业大学学报，2003 4 5－10. ［ 2］ 范立民． 论保水采煤问题 ［J］ ． 煤田地质与勘探，2005，33 5 53－56. ［ 3］ 范立民，马雄德，冀瑞君． 西部生态脆弱矿区保水采煤研究与 实践进展 ［ J］． 煤炭学报，2015，40 8 1711－1717. ［ 4］ 范立民． 生态脆弱区保水采煤研究新进展 ［J］ ． 辽宁工程技 术大学学报 自然科学版 ，2011 5 667－671. ［ 5］ 缪协兴，王安，孙亚军，等． 干旱半干旱矿区水资源保护性 采煤基础与应用研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2009，28 2 217－227. ［ 6］ 陈苏社，鞠金峰． 大柳塔煤矿矿井水资源化利用技术 ［J］ ． 煤炭科学技术，2011，39 2 125－128. ［ 7］ 顾大钊． 煤矿地下水库理论框架和技术体系 ［J］． 煤炭学报， 2015，40 2 239－246. ［ 8］ 曹志国，何瑞敏，王兴峰． 地下水受煤炭开采的影响及其储存 利用技术 ［J］ ． 煤炭科学技术，2014，42 12 113－116， 128. ［ 9］ 白东尧，鞠金峰，许家林，等 . 李家壕煤矿地下水库人工坝 体稳定性研究 ［ J］ ． 煤炭学报，2017，42 7 1839－1845. ［ 10］ 熊仁钦 . 关于煤壁内塑性区宽度的讨论 ［J］ ． 煤炭学报， 1989 1 16－22. ［ 11］ 徐思朋，茅献彪，张东升 . 煤柱塑性区的弹粘塑性理论分析 ［ J］ ． 辽宁工程技术大学学报，2006，25 2 194－196. ［ 12］ 胡炳南 . 条带开采中煤柱稳定性分析 ［J］． 煤炭学报，1995 2 205－210. ［责任编辑 徐乃忠］ 9 王义林 我国煤矿地下瓦斯抽放方法2018 年第 3 期 ChaoXing