中国煤矿瓦斯抽采技术的发展_程远平.doc

第26卷第2期 2009年06月 采矿与安全工程学报 Journal o f M ining 国家重点基础研究发展计划973项目2005C B221503;国家自然科学基金重点项目 70533050 作者简介程远平1962-,男,吉林省集安市人,教授,博士生导师,工学博士,从事火灾防护理论及矿业安全工程方面的研究.E -mail Tel 0516-******** 文章编号1673-3363200902-0127-13 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 程远平1,付建华2,俞启香1 1.中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221008; 2.国家煤矿安全监察局,北京 100713 摘要在多年煤矿瓦斯理论研究及工程实践的基础上,总结提出了适用于煤矿瓦斯抽采指标考核要求的瓦斯抽采分类方法,即采前抽采、采中抽采和采后抽采.对各种抽采方法的基础理论进行了简要论述,并给出了具体的设计方法和技术参数.通过实例重点介绍了采前抽采煤层瓦斯的 区域性瓦斯抽采方法,充分体现了“区域性防突措施先行”的工作原则.最后以淮北祁南煤矿为例,简要介绍了该矿通过瓦斯的综合抽采实现煤矿安全高效开采的先进经验.关键词先抽后采;抽采达标;瓦斯抽采;煤与瓦斯突出;区域性瓦斯治理中图分类号TD 712 文献标识码A Development of Gas Extraction T echnology in Coal M ines of China CH ENG Yuan -ping 1,FU Jian -hua 2,YU Qi -xiang 1 1.Na tional Engineering Research Center for Co al G as Contr ol ,China U niversity of M ining 2.N atio nal Co al M ine Safety Supervision Bur eau o f China ,Beijing 100713,China A bstract Based on theo retical researches pratical and applications o f gas co ntrol fo r m any y ears ,we propose a classificatio n o f gas ex traction ,w hich is suitable for ev aluatio n standards and can ensure the gas ex tractio n befo re ,during or after coal seam mining .Then ,we make a brief de scriptio n about basic theories on gas control metho ds and give the concrete desig n and technical parameter s .In addition ,we explain the m ethod of regional g as ex -tractio n befo re co al seam mining using examples w hich fo llow the w o rking principle of “regio n -al gas contro l measures taken in advance ”.A t last ,based on the practice in Qinan coal mine o f H uaibei m ining industry g roup ,we introduce advanced ex periences to achieve safe and highly efficient mining using com prehensiv e gas ex traction m ethods .Key words draining g as befo re mining co al ;reaching standards of gas ex tractio n ;g as extrac -tion ;coal and gas outburst ;regio nal gas control 1 煤矿瓦斯抽采对保障安全生产的作用 1.1 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,瓦斯灾害、特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重. 采矿与安全工程学报 第26卷 20世纪80年代初,南桐矿务局平均开采深度380m ,瓦斯压力1.56.0M Pa ;淮南矿务局平均开采深度490m ,瓦斯压力1.83.6M Pa .目前,南桐矿务局平均开采深度810m ,瓦斯压力5.010.0M Pa ;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[1-2] .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28.47.全国煤矿开采以每年约1020m 的速度向深部延深[3]. 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,煤层渗透性差透气性系数多为10-3 10m 2 /MPa 2 d ,原始煤体瓦斯抽采困难. 1.2 瓦斯抽采的目的 中国煤矿的瓦斯事故类型分为瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧和窒息.瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和窒息事故的原因之一是瓦斯积聚达到一定的体积分数.例如瓦斯体积分数达到515时,有可能引起瓦斯爆炸事故;瓦斯体积分数大于15时,有可能引起瓦斯燃烧事故;由于瓦斯积聚使空气中氧气体积分数降到12时,人感到呼吸非常短促.煤与瓦斯突出是煤体中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放.煤层瓦斯的大量直接排放不仅浪费了能源资源而且严重污染了环境,以甲烷为主要成分的煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体,甲烷的温室效应比二氧化碳大20倍以上. 因此,煤矿瓦斯抽采的目的为 1减少瓦斯涌出、预防瓦斯超限、降低瓦斯积聚,为矿井通风创造有利的条件; 2降低煤层中存储的瓦斯能量、提高煤体强度,防治煤与瓦斯突出; 3开发利用高效洁净的能源; 4降低对环境的污染. 中国煤矿安全规程[4]第145条规定了必须建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统的条件. 1.3 煤矿瓦斯抽采量 中国于2002年提出了“先抽后采,监测监控, 以风定产”的12字工作方针[5] .由于20世纪末期,中国煤炭企业经营十分困难,造成煤矿安全的投入普遍不足,很多煤矿采掘失衡,再加上后来煤炭产量的大幅度提升,导致2004年底至2005年初,郑州煤业集团大平煤矿、铜川矿务局陈家山煤矿、阜新煤业集团孙家湾煤矿接连发生了3起一次死亡百人以上特别重大瓦斯事故.2005年至2008年,国家每年投入30亿元,带动企业和地方投资,对重点煤矿进行瓦斯治理和安全技术改造. 经过近4年多的科技攻关、安全技术改造和加大监管及监察力度,中国煤矿瓦斯治理科技水平、装备水平和管理水平取得了长足进步.图1给出了中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况,从图1中可以看出,2002年以来中国煤矿瓦斯抽采增长迅速,2007年全国瓦斯抽采量达到44亿m 3 ,有10个矿业集团年瓦斯抽采量超过1亿m 3. 图1 中国煤矿瓦斯抽采量增长情况Fig .1 Coal mine gas drainage v olume g ro wth situatio n in China 1.4 煤矿瓦斯事故分析 近年来随着中国煤矿安全投入不断增加,煤矿瓦斯抽采量增长迅速,安全管理水平也得到了大幅度的提升[6].表1给出了2005-2008年中国煤矿瓦斯事故起数和死亡人数的对比分析,表中的事故起数和死亡人数是相对于2005年同类数据的百分比. 表1 2005-2008年中国煤矿瓦斯事故对比Table 1 Coal mine gas accident contrast between 2005and 2008in C hina 年份全部瓦斯事故起数死亡人数重大以上瓦斯事故起数死亡人数特别重大瓦斯事故 起数死亡人数2005100.00100.00100.00100.00100.00100.00200678.9960.7663.4136.8166.6720.91200765.7049.9353.6634.5650.0025.002008 43.96 35.84 41.46 25.09 16.67 5.41 从表1中可以看出,无论是事故起数还是死亡人数包括全部瓦斯事故、重大以上瓦斯事故和特别重大瓦斯事故都呈逐年下降的趋势,2008年的 瓦斯事故起数和死亡人数仅为2005年的43.69 128 第2期程远平等中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 和35.84.值得一提的是,对特别重大瓦斯事故一次死亡30人及以上的事故的控制效果显著, 2008年的特别重大瓦斯事故起数和死亡人数仅为2005年的16.67和5.41,且消灭了1次死亡50人以上的特别重大恶性瓦斯事故. 综合分析认为,中国煤矿瓦斯事故呈现以下特点 1煤矿瓦斯起数和死亡人数呈明显下降趋势,特别重大瓦斯事故得到有效控制; 2煤与瓦斯突出事故超过瓦斯爆炸事故,上升为第一位的瓦斯事故; 3乡镇煤矿仍然是煤矿瓦斯事故的重灾区,一些低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和未鉴定矿井发生了煤与瓦斯突出事故. 2 煤矿瓦斯抽采理念的发展 中国煤矿瓦斯抽采理念的发展先后经历了“局部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突措施先行”4个阶段. 2.1 局部防突措施为主 20世纪50-80年代,中国煤矿瓦斯治理的重点是,摸清煤与瓦斯突出规律,引进消化和吸收国外煤与瓦斯突出防治技术和经验,研究适合中国特点的煤与瓦斯突出预测方法和突出防治工程方法.在此基础上,20世纪80-90年代末,进入局部防突措施为主的阶段,主要任务是贯彻落实“四位一体”综合防突措施,以1988年防治煤与瓦斯突出细则出版和1995年的修订为代表[7-8],研究重点是煤与瓦斯突出危险性预测方法与预测指标,同时兼顾突出防治工程方法的深化研究. 2.2 先抽后采 2002年8月30日,在辽宁省铁法煤业集团召开的全国煤矿瓦斯防治现场会上,时任国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局局长王显政同志作了“以防治瓦斯灾害为重点,开创煤矿安全生产工作新局面”重要讲话[5].提出了“先抽后采,监测监控,以风定产”的12字工作方针,致力于建立防范瓦斯事故的长效机制.“先抽后采”是瓦斯防治工作的基础,是从源头上治理瓦斯灾害的治本之策和关键之举,体现了瓦斯治理预防为主、关口前移的要求,是煤矿长期治理瓦斯实践经验的总结[9]. 这期间也是区域性治理与局部治理并重阶段,一些瓦斯治理基础较好的矿业集团,如淮南矿业集团,在长期瓦斯治理经验总结的基础上,提出了“可保尽保,应抽尽抽”的瓦斯治理战略,并得到全国突出危险严重矿区的积极相应.2005年3月国家发展改革委、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局在总结淮南、阳泉、平顶山、松藻等煤矿瓦斯治理经验的基础上,编写了煤矿瓦斯治理经验五十条[10],在瓦斯治理的基本思想中明确提出区域性治理与局部治理并重,实施“可保尽保,应抽尽抽”的瓦斯治理战略.并在第32条中明确提出“强制开采保护层,做到可保尽保,并抽采瓦斯,降低瓦斯含量”.第35条中提出“顶、底板穿层钻孔掩护强突出煤层掘进”. 2.3 抽采达标 2008年7月8日,国务院安全生产委员会在辽宁省沈阳市召开全国煤矿瓦斯治理现场会,时任国家安全生产监督管理总局局长王君同志作了,“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位,把煤矿瓦斯治理攻坚战扎实有效地推向深入”的重要讲话[11].根据中国煤矿安全生产实际情况,在认真总结煤矿瓦斯治理科研成果和经验教训的基础上,国家安全生产监督管理总局提出了,构建“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的煤矿瓦斯治理工作体系.为贯彻落实全国煤矿瓦斯治理现场会精神,巩固煤矿瓦斯治理攻坚战成果,进一步提高煤矿瓦斯治理水平,有效防范和遏制重特大瓦斯事故,实现煤矿安全生产形势的明显好转,国务院安全生产委员办公室以安委办[2008]17号文下发了,关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导意见[12].明确提出“强化多措并举、应抽尽抽、可保尽保、抽采平衡的技术措施,确保抽采达标”.要求煤矿经抽采瓦斯后,采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回风流瓦斯含量要达到煤矿瓦斯抽采基本指标AQ1026-2006[13]的要求. 2.4 区域防突措施先行 由于近年来中国煤矿煤与瓦斯突出灾害日趋严重,煤与瓦斯突出事故已经超过瓦斯爆炸事故,上升为第一位的瓦斯事故.为了有效地遏制煤与瓦斯突出事故,2008年国家煤矿安全监察局组织有关专家对防治煤与瓦斯突出细则1995年版进行了全面修改,将以防治煤与瓦斯突出规定的形式颁布实施.在即将颁布实施的防治煤与瓦斯突出规定中系统地总结了中国煤与瓦斯突出矿区煤与瓦斯突出防治中的经验与教训,明确提出煤与瓦斯突出防治工作坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则.未采取区域综合防突措施并未达到指标要求的严禁进行采掘活动,做到“不掘突出头,不采突出面”. 129 采矿与安全工程学报第26卷 3 煤矿瓦斯抽采指标、方法分类及选择 瓦斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策,必须努力实现抽采达标.瓦斯治理必须坚持标本兼治、重在治本.通过瓦斯抽采,降低煤层中的瓦斯含量,从根本上治理防范瓦斯灾害.因此要加大瓦斯抽采力度,提高瓦斯抽采率和利用率. 3.1 瓦斯抽采指标 煤矿瓦斯抽采基本指标第4节,瓦斯抽采应达到的指标中规定了以下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8m 3 /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.由此可见煤矿瓦斯抽采基本指标对抽采方法的划分依据煤层开采时间,即煤层开采前、开采过程中和开采过程后.3.2 瓦斯抽采方法分类 煤矿瓦斯抽采方法目前尚无统一分类.俞启香在矿井瓦斯防治[14]中将瓦斯抽采方法分为开采层抽采、邻近层抽采、采空区抽采和围岩抽采.于不凡在煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[15] 中将瓦斯抽采方法分为未卸压煤层和围岩抽采、卸压煤层和围岩抽采、采空区抽采和综合抽采.以上两种分类方法主要依据开采煤层和邻近煤岩层的空间关系,在次级分类方法上考虑开采时间关系.上述分类方法与煤矿瓦斯抽采基本指标中第4节,瓦斯抽采应达到的指标对应上存在困难.为了适应煤矿瓦斯抽采基本指标煤矿瓦斯抽采的考核要求,作者对煤矿瓦斯抽采方法进行了重新分类.分类的指导思想为第1层次划分以煤层的开采时间为依据,第2层次以煤层开采的空间关系为依据.新的煤矿瓦斯抽采分类方法如图2 . 图2 煤矿瓦斯抽采方法分类 Fig .2 Coal mine gas drainag e me tho ds classifica tion 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 130 第2期程远平等中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 果邻近煤层是不可采煤层,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.3.3 瓦斯抽采方法选择 3.3.1 煤与瓦斯突出矿井瓦斯抽采方法选择 突出煤层突出危险区域必须采用区域性的采前瓦斯抽采方法,经区域性抽采之后瓦斯含量和瓦斯压力应达到煤矿瓦斯抽采基本指标的规定.区域性方法是在煤与瓦斯突出煤层开采过程中,由安全区域向不安全区域施工瓦斯治理工程,均匀有效地降低不安全区域的瓦斯含量,区域性消除煤与瓦斯突出危险性,使不安全区域转变为安全区域的防突方法.长期理论研究和突出危险煤层的开采实践证明,开采保护层和预抽煤层瓦斯是有效地防治煤与瓦斯突出的区域性措施,该方法可以避免长期与突出危险煤层处于短兵相接状态,提高了防治煤与瓦斯突出措施的安全性和可靠性.中国煤矿安全规程第192条规定“对于有突出危险煤层,应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”.第193条规定“在突出矿井开采煤层群时,应优先选择开采保护层防治突出措施”.第198条规定“开采保护层时,应同时抽采被保护层瓦斯”.2005年1月,国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局以局长令的形式下发了国有煤矿瓦斯治理规定[16],第5条明确规定“突出矿井必须首先开采保护层,不具备开采保护层条件的,必须对突出煤层进行预抽,并确保预抽时间和效果”.由此可见,在现有技术条件下,采用区域性瓦斯治理方法对有效地防治煤与瓦斯突出,保障突出危险煤层的安全高效开采具有重要的现实意义.3.3.2 高瓦斯矿井瓦斯抽采方法选择 如果瓦斯涌出主要来源于开采煤层,则必须采用采前抽采的方法,在工作面开采前,根据工作面的设计产量,将开采煤层的可解吸瓦斯含量降到规定的指标.采前抽采煤层瓦斯可以采用地面钻井、也可以采用井下顺层钻孔.但由于煤层瓦斯含量相对较小,采用地面钻井抽采效果相对较差.目前多采用井下顺层钻孔抽采方法,降低开采煤层的瓦斯含量.井下顺层钻孔是在工作面煤层巷道掘进过程同时施工的,这样靠近工作面切眼施工的钻孔瓦斯抽采时间相对较短,为了保证开采过程中,工作面 前方煤体的可解吸瓦斯含量降到规定的指标,必须 根据煤层赋存、瓦斯赋存、煤层透气性、瓦斯抽采钻孔的布置及经过考察的瓦斯抽采效果,确定最短瓦斯抽采期,以确保瓦斯抽采效果.根据我们的经验,顺层间距不大于3m 条件下,最短瓦斯抽采期不应小于3个月.瓦斯涌出主要来源于邻近煤岩层,如阳泉煤业集团三矿,开采煤层瓦斯含量为46m 3/t ,但上部邻近不可采煤层和灰岩中瓦斯含量较高,由于开采层的采动卸压作用,致使邻近层瓦斯大量涌出,工作面最大瓦斯涌出量达到180m 3/min ,必须采用有效的邻近层抽采技术,才能保证工作面的安全高效开采. 如果瓦斯涌出主要来源于邻近煤岩层,4.4节中瓦斯抽采方法同样适应于高瓦斯矿井采煤工作面,回采工作面瓦斯抽采率应满足规定的指标. 4 煤矿瓦斯抽采方法 4.1 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San Juan 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10-310m 2/M Pa 2d . 地面压裂钻井结构如图3所示.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. 图3 地面压裂钻井结构示意图 Fig .3 Str ucture o f gr ound fracturing drilling 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 131 验了CO 2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.4.2 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[17-18],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[19] .4.2.1 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4图所示 . 图4 采场顶底板煤岩体裂隙发育及分带示意图 Fig .4 Ro of -floo r fracture develo pment and zoning after mining protectiv e co al seam 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,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.4.2.2 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,即可满足瓦斯抽采的需要. 地面钻井结构如图5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2040m ,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510m 取决于保护层开采厚度,下筛管,不固井. 图5 地面钻井结构示意图Fig .5 G round drilling str ucture 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150m .沿走向方向第一个钻井距开切眼5070 m ,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1020m 3 /min ,抽采瓦斯的体积分数达7090,瓦斯抽采率可达60以上. 4.2.3 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巷道,施工瓦 斯抽采钻孔,适应性强,瓦斯抽采钻孔工程量小,易于均匀布孔; 2瓦斯抽采效果可靠,可以根据前面的瓦斯抽采情况,优化后续抽采工程设计和施工,改善卸压瓦斯的抽采效果; 3瓦斯抽采期长,抽采效果好. 根据保护层与被保护层的赋存特点和相对层位关系,用于被保护层卸压瓦斯抽采的专用巷道和穿层钻孔的设计方法也具有多样性. 4.2.3.1 淮南潘一煤矿远距离下保护层开采底板 岩巷网格式上向穿层钻孔法 潘一矿C13煤层是矿井主采煤层,为煤与瓦斯突出煤层,平均厚度6.0m ,平均倾角9.-620m 水平实测煤层瓦斯压力为5.0M Pa ,选择B11煤层作为C13煤层的下保护层开采,层间距70m ,采用底板岩巷网格式上向穿层钻孔法抽采被保护层卸压瓦斯. 在C13煤层工作面倾斜中部,距煤层底板1520m 的岩层中布置一底板瓦斯抽采巷,在底板瓦斯抽采巷内,在保护范围内每隔3040m 布置一长度5m 的水平抽采钻场.在每个钻场内施工一组扇形穿层钻孔,钻孔直径91mm ,钻孔有效抽采半径1520m ,钻孔间距以C13煤层中厚面为准,孔底进入C13煤层顶板0.5m ,保证保护层开采过程中能够有效的抽采被保护层卸压瓦斯,钻孔布置如图6所示 . 图6 潘一煤矿底板岩巷网格式上向穿层钻孔布置cm Fig .6 A r rangement of upper penetration bo reholes in flo or ro adw ay in P anyi coal mine 根据考察结果,在保护层B11煤层开采后,C13煤层的最大膨胀变形为2.63,煤层的透气性系数增大了2880倍,C13煤层瓦斯抽排率在60以上,煤层瓦斯得到有效的下降,残余瓦斯含量降为5.2m 3 /t ,残余瓦斯压力降为0.4M Pa ,彻底消除了煤层的突出危险性.被保护层采掘实践表明,煤巷月掘进速度由原来的4060m ,提高到200m 以上,工作面采用综合机械化放顶煤采煤方法,工作面具备日产万吨的生产能力. 4.2.3.2 沈阳红菱煤矿近距离上保护层开采底板 岩巷网格式上向穿层钻孔法 红菱煤矿主采煤层12煤层为煤与瓦斯突出煤 层,平均厚度4.0m ,其上部16m 处赋存一极薄煤 层11煤层,平均厚度为0.4m .通过论证,选择11煤层作为12煤层的保护层进行开采.试验区域12煤层平均厚度4.0m ,瓦斯压力67M Pa ,瓦斯含量22.5m 3 /t . 被保护层卸压瓦斯抽采采用底板岩巷网格式上向穿层钻孔法,钻孔布置如图7所示. 图7 沈阳红菱矿底板岩巷上向网格式穿层钻孔布置Fig .7 A rrangement of uppe r penetra tion boreho les in f loo r roadway in Shenyang Ho ng ling coal mine 考虑到保护层工作面倾向较长,煤层倾角较大,在12煤层底板施工2条底板巷,底板岩巷距煤层底板15m ,巷道断面不小于9m 2.在抽采巷道内每隔15m 布置1个钻场,每个钻场施工一排钻孔,垂直于巷道走向呈扇形布置,钻孔直径90m ,按照一倍层间距设计钻孔间距,钻孔间距15m . 在保护层采动作用下,12煤层相对膨胀变形为0.72,被保护层卸压范围内煤层透气性系数增加了1010倍,被保护层瓦斯抽采率达到77.5,煤层的残余瓦斯含量降为5.06m 3/t ,残余瓦斯压力降为0.25M Pa ,全面消除了12煤层被保护层工作面的煤与瓦斯突出危险性,12煤层满足了高产高效的开采要求. 4.2.3.3 淮南李二矿急倾斜保护层开采及网格式 穿层钻孔法 李二矿主采煤层为B8,B9,B11b ,C13煤层,在该区域由于地层倒转,造成煤层倾角大,平均角度为80,矿井采用B9煤层保护B8煤层.针对急倾斜煤层裂隙发育及卸压瓦斯流动规律,采用从保护层工作回风巷、工作面运输巷和底板岩巷内施工穿层钻孔抽采瓦斯,钻孔布置如图8所示. 图8 淮南李二矿网格式穿层钻孔布置 F ig .8 A rrangement of penetration bo reholes o n steep protectiv e laye r mining in Lie r coal mine 在工作回风巷、工作面运输巷内每隔30m 向底板方向做一长度为5m 的钻场,每个钻场内沿倾向向B8煤层打34个直径91m m 的倾斜穿层钻孔,钻孔走向间距30m ,倾斜间距10m .底板岩巷内钻孔布置原则与工作面两巷相同.通过穿层钻孔的抽采,可有效降低B8煤层的瓦斯含量,消除其突出危险性,同时拦截卸压瓦斯,降低保护层工作面的瓦斯涌出量,确保保护层工作面的安全回采.经B8煤层开采验证,煤巷月掘进速度提高了1倍,工作面平均日产量提高了3倍. 4.2.3.4 淮南新庄孜煤矿沿空留巷穿层钻孔瓦斯 抽采方法 在保护层无煤柱开采工作面可采用沿空留巷穿层钻孔瓦斯抽采方法,从沿空留巷风巷和机巷内向顶底板被保护煤层施工一定数量的穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯.由于空间位置关系,从沿空留巷内向工作面煤体倾向上施工的穿层钻孔有限,穿层钻孔无法覆盖整个被保护层工作面,这就需要被保护煤层位于保护层开采后形成的顶板断裂带或底鼓裂隙带内,被保护层处于该层位时,层间岩层内形成有大量的穿层裂隙与保护层采空区导通.且还需要布置岩层巷道,从岩层巷道中施工穿层钻孔配合抽采.保护层开采过程中,被保护层部分卸压瓦斯由穿层钻孔抽采,部分卸压瓦斯经层间穿层裂隙进入保护层工作面的采空区,因此该方法需要与采空区埋管抽采方法配合使用,需要在沿空留巷巷帮充填时预埋管路用于采空区瓦斯抽采,如图9所示,为淮南新庄孜煤矿保护层开采沿空留巷钻孔布置 . 图9 沿空留巷穿层钻孔布置 Fig .9 A rrangement of pene tratio n bo rehole s in g ob -side entry re taining 4.2.3.5 郑州崔庙极薄保护层钻采及上向网格式 穿层钻孔抽采卸压瓦斯方法 矿井主采煤层二1煤层平均厚度为8m ,煤层倾角平均为15,为低透气性高瓦斯强突出煤层, 在采掘过程中已发生多次煤与瓦斯突出事故,采用 下部的一9煤层作保护层进行开采,层间距为18.5m ,一9煤层厚度平均为0.3m .保护层采用螺旋钻采煤机钻采开采,采用底抽巷上向网格式穿层钻孔法抽采被保护层卸压瓦斯,如图10所示. 图10 郑州崔庙煤矿底抽巷穿层钻孔布置Fig .10 A rrangement of penetration bo reholes in floo r r oadway in Z heng zhou Cuimiao coa l mine 在极薄保护层一9煤层工作面沿走向施工2条底抽巷,在底抽巷内每隔10m 布置一钻场,在钻场沿倾向二1煤层施工10个穿层钻孔,钻孔直径75mm ,钻孔间距为7m .二1煤层瓦斯抽采工程实践表明,煤层透气性系数提高了403倍,被保护煤层瓦斯抽采率达到64,煤层瓦斯压力降为0.15M Pa ,瓦斯含量降为4.66m 3/t ,彻底消除了二1煤层的突出危险性,具备了安全高效开采的条件.4.2.4 井下巷道抽采方法 井下巷道卸压瓦斯抽采方法主要适用于被保护层处在断裂带的条件,常用的有走向高抽巷法、倾斜高抽巷法,本文结合阳泉矿区的应用实例进行介绍.走向高抽巷一般和内错式尾巷联合使用,其巷道布置如图11所示,从采区专用回风大巷以2530斜坡施工一穿层斜巷到达距15煤层6070m 左右的9煤层中,然后沿该煤层平行于工作面回风巷、距回风巷水平距离60m ,向开切眼方向施工断面5m 2的走向高抽巷,高抽巷末端距切眼的水平距离为25m .从高抽巷末端向切眼施工5个直径100m m 的下向瓦斯抽采钻孔,钻孔末端进入15煤层直接顶,用于解决15煤层初采期间的瓦斯涌出问题.在地质构造带处常采用倾斜高抽巷法,倾斜高抽巷抽采方法巷道布置如图12所示,该方法一般与外错式尾巷“U L ”通风方式联合使用. 图11 走向高抽巷布置 Fig .11 A rr ang eme nt o f strike hig h -bleeding roadway 图12 倾斜高抽巷布置 Fig .12 A r rangement of dip high -bleeding roadway 4.2.5 井下水平长钻孔抽采方法 高抽巷瓦斯抽采方法需要开掘一条岩石巷道,成本较高,井下水平长钻孔抽采方法在一定程度上可替代高抽巷,如图13,该方法主要适用于被保护层处在断裂带的条件,钻孔数量35个,直径150200m m ,钻进长度依据工作面走向长度而定,一般为5001000m ,布置在距工作面风巷1040mm 范围内,高度为工作面采高的810倍,保护层开采的断裂带下部 . 图13 井下水平长钻孔布置 Fig .13 A r rang ement o f lo ng horizo ntal underg ro und bo reholes 4.3 井下本煤层采前抽采瓦斯4.3.1 瓦斯抽采的原理 对于原始煤体,可认为瓦斯在煤层中的流动符合达西定律,一般采用穿层钻孔或顺层钻孔进行煤层瓦斯抽采.在