瓦斯抽放(1).doc

论我国煤矿瓦斯抽放技术 1. 概述 我国瓦斯抽放的历史可追溯到1637年以前，天工开物一书记载了利用竹管引排煤中瓦斯的方法。 1938年我国首次在抚顺矿务局龙风矿利用抽放泵进行采空区抽放，五十年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展矿井抽放瓦斯，五十年代末瓦斯抽放量约为 1OOMm3。六十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放瓦斯工作，抽放瓦斯量达到170Mm3。70年代至90年代中期，抽放矿井数和抽放量都稳步增加。近十年来，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，因此需要抽放瓦斯的矿井越来越多，由此带动了中国煤矿瓦斯抽放技术的迅速发展，目前瓦斯抽放技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。到2000 年我国共有141个矿井建立了地面永久瓦斯泵站进行抽放瓦斯，年抽放量达867 Mm3，至2002年抽放矿井数达到193个，抽放量达到1146Mm3。1952年～2002年抽放瓦斯矿井数和抽放瓦斯量的变化动态见图1。瓦斯抽放方法方面，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、采空区多种抽放瓦斯方法。主要包括穿层钻孔、平行钻孔、交叉布孔、穿层网格式钻孔、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放方法；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放；高冒带钻孔、埋管抽放，恤而辅前堑票率反瓦斯枘前方法。 2.煤矿瓦斯抽放技术的发展 随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽放技术也得到了不断地提高和发展，我国煤矿瓦斯抽放技术，大致经历了四个发展阶段 2.1高透气性煤层瓦斯抽放阶段 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拄煤层瓦斯，获得了成功，解决了抚顺矿区向深部发展的安全关键问题，而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料得到了应用。 2.2邻近层卸压瓦斯抽放阶段 50年代中期，在开采煤层群的矿井中，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，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顶板收集瓦斯巷高抽巷抽放上邻近层瓦斯，抽放率达60-70％。到了60年代以后，邻近层卸压瓦斯抽放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瓦斯阶段 由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及突出危险煤层采用通常的布孔方式预抽瓦斯的效果不理想、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放开采煤层瓦斯的方法，如煤层注水，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放量的效果，但仍处于试验阶段，没有大范围推广应用。 2.4综合抽瓦斯阶段 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，实施综合抽放瓦斯。所谓综合抽放瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯采后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，使瓦斯抽放量及抽放率达到最高。 3.适合我国煤层赋存条件的典型瓦斯抽放方法 抽放瓦斯方法的选择，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放应以卸压抽放为主，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放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放方法。 3.1顺层密集长钻孔抽放本层瓦斯 顺层密集长钻孔用于区域性抽放，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，孔间距3-5m，预抽时间半年以上。为提高抽放效果，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，提高本煤层瓦斯抽放的效果。经在焦作矿区及平顶山矿区开展顺层交叉钻孔抽放突出煤层瓦斯的试验，证明交叉布孔可避免由于钻孔坍塌，堵孔等影响抽放效果的现象发生，比平行钻孔抽放效果提高 1.5倍。顺层密集长钻孔及交叉钻孔预抽本层瓦斯见图2。 3.2网格式穿层钻孔抽放本层瓦斯 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放瓦斯首先是在北票台吉矿1O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放效果，瓦斯抽放率可达到30％以上。目前网格式穿层钻孔成为我国单一松软低透气性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，抽放成本较高。 3.3 顶板走向长钻孔抽放邻近层瓦斯 顶板走向水平长钻孔抽放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，为解决瓦斯超限问题，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放上邻近层瓦斯。该抽放方法与顶板岩巷抽放法、顶板穿层短钻孔抽放法相比，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。 顶板走向长钻孔抽放邻近层瓦斯技术在安徽淮南、重庆、河南平顶山、辽宁阜新、铁法等20多个矿区160个矿推广应用，瓦斯抽放量和抽放率大幅度提高，该抽放方法为我国高瓦斯煤层群抽放探索出一条新路子，为煤炭生产实现安全高效提供了技术保障。 3.4厚煤层开采采空区抽放 对于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，进行采空区瓦斯抽放非常必要。 厚煤层半封闭采空区瓦斯抽放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放或设引巷密闭插管抽放，埋管抽放法是将抽放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，工作面瓦斯抽放率可达80％。 工作面或采区回采结束后，还可对老塘进行全封闭抽放。抚顺老虎台矿于1954年开始采空区全封闭抽放，40多年来共抽出瓦斯总量4亿多立方米。 3.5综合瓦斯抽放 我国一些矿区的高产高效矿井在开采高瓦斯含量且有突出危险煤层时，多采用综合抽放法，即在一个工作面或采区采用多种抽放方法进行抽放。以淮南煤业集团公司潘一矿15413综放工作面为例，该工作面开采煤层厚4.５min，煤层原始瓦斯含量1Om3／t以上，煤层有突出危险性，工作面同时采用四种瓦斯瓦斯抽放方法，见图6，顶板走向长钻孔用于抽放上邻近层瓦斯，工作面顺层水平长钻孔抽放用于消除煤层的突出危险性并降低煤层瓦斯含量，上隅角插管抽放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放，提高瓦斯抽放率同时缩短抽放时间，工作面开采完毕后还要对采空区进行全封闭抽放。 淮南煤业集团公司张集煤矿应用综合抽放，2002年，矿井瓦斯抽放率达到70％，当年投产，当年达产，产煤507万t，盈利5亿元，创同类矿井最好水平。目前瓦斯综合抽放已在全国范围内广泛应用。 4.瓦斯抽放技术装备 我国的抽放瓦斯装备随煤炭开发强度的增长，抽放瓦斯规模扩大及科技水平发展而不断完善，由原来非专用的、单一型号的，逐步发展成为专用的、系列的、具有现代科技水平的抽放瓦斯装备。目前已有几十家专业厂家生产抽放钻机和抽放泵，为方便中小型煤矿使用，还开发了系列的井下移动式瓦斯抽放泵。 目前我国煤矿普遍采用聚氨酯作为封孔材料，该新型材料具有密封性好、硬化快、质量轻、膨胀性强的优点。瓦斯抽放管路的管材也向多样化发展，除传统的铁管及钢管外，又研究制了玻璃钢管、双抗塑料管、PVC管及其它高分子材料制成的多种瓦斯抽放专用管，新型抽放管路具有重量轻、耐腐蚀、运输方便、安装费用低等优点。 快速管道接头的研制，也使管路连接更加方便快捷。 抽放系统的监控装置是近几年发展比较快的一项技术，它由人工操作的简易监控及计量设各快速发展为自动监控的瓦斯抽放系统装置。随着现代高新技术的发展，瓦斯抽放监控技术正向自动化、智能化、网络化方面发展。 5.煤矿瓦斯抽放技术的展望 半个世纪以来，中国煤矿瓦斯抽放技术虽有很大发展，但由于我国井工开采采煤量大，到2000年抽放矿井的产煤量仅占井工开采总产量的14.8％，抽放瓦斯量仅占井工开采矿井瓦斯涌出量的9.9％，故抽放瓦斯工作应进一步加强，今后瓦斯抽放技术发展的方向应围绕以下几方面 1进行瓦斯抽放技术筛选及适用性研究，总结各项瓦斯抽放技术的应用情况、技术特点、适用范围和条件，开展适用性研究。为全国各矿区的瓦斯抽放提供指导。 2继续研究试验单一低透气性煤层强化抽放技术，提高开采层预抽的抽放率，降低煤层的瓦斯涌出量，消除或降低煤层的突出危险性。 3研制功率大，故障率低，打钻效率及成孔率高的新型钻机及配套设备，完善打钻工艺，解决松软煤层打钻及成孔问题。 4研究瓦斯抽放长钻孔施工及定向技术，开发定向长钻孔的监控装置，保证钻孔的各项参数能达到设计要求。 5继续开采地面钻孔抽放瓦斯试验，真正做到先抽后采。 我国煤矿多为井工开采，瓦斯灾害严重。近年来，随着煤炭生产规模的扩大和开采深度的延伸，一次死亡10人以上的煤矿瓦斯事故起数和死亡人数，均占同类事故的70以上。2004年四季度，相继发生了死亡148人的郑煤集团大平煤矿“1020”煤与瓦斯突出造成的爆炸事故，死亡166人的铜川矿务局陈家山煤矿“1128”瓦斯爆炸事故，今年2月14日辽宁阜新矿业集团孙家湾矿海州立井又发生死亡超过200人的瓦斯爆炸事故，给人民群众的生命财产造成巨大损失，在国内外造成严重影响。 我国煤矿瓦斯灾害虽然严重，但瓦斯事故的发生是有规律可循的，也是可以预防和治理的。建国以来，在党和政府的领导下，我们在煤矿瓦斯治理方面做了大量工作，取得了一定的成效，也积累了比较丰富的经验。在2001年召开的铁法现场会上，国家煤矿安全监察局总结提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”十二字方针。十二字方针是系统的、完整的，所涉及的三个方面的工作都很重要。而“先抽后采”，则是从源头上防范瓦斯事故的治本之举，必须高度重视，切实贯彻。 一、瓦斯抽放是解决我国煤矿瓦斯问题的根本途径 采取抽放措施，将富含于煤层中的瓦斯抽放出来，是解除瓦斯事故威胁、保障煤矿安全最为有效的措施。 瓦斯抽放是指在进行采区、工作面布置前,以及工作面回采前、开采中和开采之后，通过矿井瓦斯抽放管路系统，将开采煤层、临近煤层和采空区中的瓦斯抽出加以利用，或直接排放到矿井外大气、矿井回风系统中，确保矿井生产过程中不受或少受瓦斯因素影响、实现安全生产的技术手段。 采取瓦斯抽放、尤其是采取“先抽后采”的技术措施后，由于极大地降低了煤层和采空区中的瓦斯含量，尤其是降低了煤层中的瓦斯压力，因而可有效防止采掘空间的瓦斯积聚现象的发生，防止瓦斯突出事故的发生。 辽宁铁法、安徽淮南、四川芙蓉、河南平顶山、贵州盘江等煤矿企业，都属于高瓦斯或突出矿井，历史上也曾发生过瓦斯事故，近几年通过加大瓦斯抽放力度，提高抽放率，一定程度上消除了事故隐患，已连续多年没有发生过重大瓦斯事故。 二、搞好瓦斯利用，不断扩大瓦斯抽放规模 煤矿瓦斯是赋存在煤层中的一种共生或伴生气体，主要成分为甲烷（CH4），纯瓦斯的热值大于33000kJ/m3，与常规天然气相当，是一种洁净的能源。我国开采的煤层大部分为石炭二叠纪煤层，瓦斯赋存十分丰富。据2000年煤科总院西安分院提出的“全国煤层气资源评价”报告，我国煤层瓦斯资源总量为314600亿m3，平均吨煤瓦斯含量为28m3。较高的煤层瓦斯含量，既给煤矿安全生产带来了隐患和危害，同时又为瓦斯开发利用提供了资源。自上个世纪50年代初开始进行煤矿井下瓦斯抽放试验，我国瓦斯抽放量已有较大幅度的增长，原国有重点煤矿中的高瓦斯和突出矿井大都建立了瓦斯抽放系统。截至2003年，全国共建有203处矿井瓦斯抽放系统，抽出瓦斯15.21亿m3。 各煤炭企业根据各自实际，在把瓦斯用作民用燃料、工业燃料、发电和化工原料等方面，做出了积极的探索。截至2003年，我国实际瓦斯利用总量为62921万m3。瓦斯的抽放利用，极大地促进了企业开展瓦斯抽放工作的积极性，不仅有效地缓解了矿井瓦斯灾害，有效地改善了煤矿的安全生产条件，同时还解决了部分就业问题、取得了良好的经济效益、社会和环境效益。提高煤矿瓦斯利用率，通过利用规模的扩大促进抽放规模的扩大，以利用促抽放、以抽放保安全，已成为当前瓦斯防治工作的一个特点。 三、影响我国煤矿瓦斯抽放利用的几个重要因素 2003年，我国煤矿的瓦斯抽放量仅为15.21亿m3，相对于每年直接向大气排放的120亿m3瓦斯而言，瓦斯抽出比例十分小，抽放率极低，而62921万m3的利用量相对于当年的抽出量而言，利用率也只有41.35，利用比例明显偏低，尚难以起到促进煤矿瓦斯抽放的作用，不利于瓦斯抽放技术、措施的进步、提高和推广，还难以消除煤矿瓦斯灾害，难以起到保障煤矿安全生产的作用。 当前，在瓦斯利用方面突出存在以下几方面的问题 一是瓦斯抽放技术与装备比较落后。近年来虽然在瓦斯抽放理论与工程实践方面取得了较大的进展，但目前我国矿井瓦斯平均抽出率仅有23，而美国、澳大利亚等主要产煤国家的矿井瓦斯抽出率均在50以上。我国煤矿瓦斯抽出率低，虽然有煤层自然条件差、透气性低等原因，但抽放技术、抽放方法、抽放设备落后即抽放效果差是其中的主要原因。如我国自行开发生产的钻机远不能满足要求;钻进工艺落后、钻进设备不配套等。 二是投入不足。1979年国务院曾以国发〔1979〕100号文规定了企业每年应在固定资产更新和技术改造费用中按一定比例提取资金用于改善劳动条件。后来，我国实行新的财务制度取消了这项规定，导致不少企业安全投入严重不足，直接影响到瓦斯抽放系统的建设、使用及更新改造。据统计，目前矿井瓦斯抽放系统单井投资在500万元以上。由于前几年安全生产欠账较多，需补欠和改造的技术装备和安全设施较多，虽然2004年发改委、财政部和国家安全生产监督管理局联合下发了关于提取安全费用和煤矿维简费用的通知，但企业难以在短时间内筹集较多资金用于建设完善瓦斯抽放系统。 三是瓦斯利用渠道不畅。虽然政府在制定发展规划和产业政策时给予煤矿瓦斯抽放与利用多方面的支持，但在瓦斯发电上网方面等仍存在较多障碍，有的地方不允许上网，有的地方虽允许上网，却压低上网电价，这事实上将瓦斯发电拒之网外。有些地方的市政燃气管网宁可用高污染的煤气也不用煤矿瓦斯，导致开采利用瓦斯的煤矿企业处于一种亏损状态。 四是缺乏必要的统一与协调。目前我国在煤矿瓦斯的抽放与利用管理方面存在严重的条块分割现象，部门之间、企业之间、企业与部门之间各自为政，自行发展，形不成规模、形不成产业，地方与企业参与研究与开发的动力不足、积极性不高，严重阻碍着煤矿瓦斯抽放与利用工作的发展。 五是税收、财政等鼓励政策力度不足。为有效地提高瓦斯抽放率、减少煤矿瓦斯事故，国家曾出台了一系列优惠政策，以鼓励和支持煤矿开展瓦斯抽放利用工作。但由于税费优惠政策力度不够，加之瓦斯抽放利用具有高投入、高风险的特点，尤其是在勘探、开发的初期，投入资金较大，不仅难以吸引外部资金来矿区投资开发，就连煤矿本身积极性也不高，影响了瓦斯利用工作的广泛开展。 四、加强政策支持力度，全面推进煤矿瓦斯综合利用，保障煤矿安全生产 针对煤矿瓦斯利用和以用促抽方面存在的突出问题，应进一步加大政策支持力度，尽快研究出台一系列的鼓励、支持政策，调动煤矿企业及社会的积极性，扩大煤矿瓦斯抽放规模、提高利用率，促进瓦斯利用产业的形成，为煤矿安全生产提供保障。 一是要提高财税优惠幅度，保护和调动企业和社会开发利用煤矿瓦斯的积极性。煤矿瓦斯抽放及利用有利于煤矿安全生产和环境保护，应将煤矿瓦斯作为新型洁净能源来对待，在税费征收、科技投入等方面给予必要的优惠政策，给予免征资源税、所得税、增值税、设备进口关税、矿区使用费及探矿权税等税收，提供财政补贴和低息贷款、折旧优惠等优惠政策，大力鼓励民间投资，吸取国外和社会投资，以保护和调动企业、社会开展煤矿瓦斯抽放与利用技术研究与开发的积极性。 二是要实施奖励制度。为实现“以用促抽，以抽保安全”的目标，可借鉴美国等主要产煤国家的做法，对实施瓦斯抽放并实现资源化的煤矿企业实施奖励制度，按照煤矿企业的实际瓦斯抽放利用量给以一定的资金补贴，鼓励煤矿企业积极开发利用煤矿瓦斯。同时，清除体制与政策上的障碍，支持煤矿瓦斯发电上网，引导煤矿瓦斯进入城市天然气管网，以提高瓦斯利用率，有效地促进瓦斯利用的快速发展。 三是要建立示范工程。煤矿瓦斯抽放与利用是一项综合性的系统工程，投资大、风险高，煤矿企业和社会力量在进入这一新的领域时，存在一定的主客观障碍。因此，国家应通过出台支持和鼓励性的政策，重点支持建设示范工程，用生动现实的实例向有关部门、地区、企业说明开发和利用煤矿瓦斯不仅可以有效解决煤矿在安全生产领域的突出问题，而且具有较为明显的投入产出效益，推动煤矿瓦斯抽放利用不断上台阶，促进瓦斯开发利用产业的迅速兴起。作为示范工程的一部分，还可建立全国瓦斯抽放利用促进中心，国家委托其研究提出煤矿瓦斯抽放利用的技术方案、产业规划和政策建议，为煤矿瓦斯开发利用产业的发展提供信息支持、技术支持等，以有力地促进煤矿瓦斯抽放与利用工作的健康、快速发展，实现保障安全、控制污染的双重目标。 四是要加大投入。鉴于目前我国在瓦斯抽放利用方面还存在着诸如缺少有效提高煤层透气性技术、水平长钻孔技术、地面采动区抽放井技术、瓦斯提纯技术等基础性的技术问题，国家应加大对瓦斯抽放利用方面的投资力度，解决技术难题，尽快形成一套适合我国煤矿特点的矿井瓦斯开发利用工艺技术；同时，国家科技部门应将对煤矿瓦斯抽放与利用的研究开发列入中长期科技发展规划，每年列入专项科研项目，拨付专项费用，专门用于矿井瓦斯抽放开发利用的理论研究与科技攻关。