煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展.pdf

第 3 3卷 第 2 期 2 0 0 4年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3 No ． 2 M a r ． 2 0 04 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 3 7 0 4 煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展 吴财芳，曾 勇， 秦勇 中国矿业大学 资源与地球科学学院 ， 江苏 徐 州2 2 1 0 0 8 摘要 论述 了煤与瓦斯共采技 术的重要性及其对煤矿绿 色开采的意义， 介 绍了煤与瓦斯共采技 术的研究现状及面临的新问题， 并阐明了其理论依据． 分析 了煤与瓦斯共采在煤矿井下的成功经 验， 并举例说明了井下瓦斯抽放与地面煤层气开发有机结合的重要性． 最后指出了煤与瓦斯共采 应注意的问题以及今后 的研 究方向． 关键词 煤与瓦斯共采 ； 煤层气；瓦斯抽放 ；绿色开采 中圈分类号 TD 7 1 2 ； T D 8 2 文献标识码 A Pr e s e n t S i t u a t i o n，Ap p l i c a t i o n，a n d De v e l o p me n t o f Si mu l t a n e o u s Ex t r a c t i o n o f Co a l a n d Ga s W U C a i - f a n g，Z ENG Yo n g， QI N Yo n g S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d E e a t h Sc i e n e ，CUMT，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t The i mp o r t a nc e o f s i m u l t a n e ou s e xt r a c t i o n o f c o a l a nd g a s a n d i t s pu r p o r t t o g r e e n e x pl o i t a t i o n a r e d i s c u s s e d．Th e pr e s e nt s i t u a t i o n a n d t he t h e o r y o f t hi s t e c hni q u e a s we l l a s o m e ne w p r o b l e ms a r e i n t r o d u c e d ． Ex p e r i e n c e o f s i mu l t a n e o u s e x t r a c t i o n o f c o a l a n d g a s i n c o a l mi n e i s a n a l y z e d a n d a n e x a mp l e i s u s e d t o e x p l a i n t h e s i g n i f i c a n c e o f t h e o r g a n i c c o mb i n a t i o n o f g a s d r a wi n g u n d e r g r o u n d wi t h c o a l b e d me t h a n e x p l o i t i n g o n g r o u n d s u r f a c e ． F i n a l l y，p r o b l e ms we s h o u l d p a y a t t e nt i o n t o a n d t h e de v e l o p i n g wa y o f s i mul t a neo u s e xt r a c t i o n o f c oa l a n d g a s a r e p o i nt e d o ut ． Ke y wo r d s s i mu l t a n e o u s e xt r a c t i o n of c oa l a n d ga s； c o a l b e d me t ha n； g a s d r a wi ng； g r e e n e x pl o i t a t i o n 煤层瓦斯 ， 又称为煤层气 ， 自生 自储地赋存于 煤层之 中． 近几年来， 随着煤矿井下开采深度 的增 加和开采强度 的增大 ， 地质条件越来越复杂 ， 频发 的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安 全 ， 制约着矿井生产的发展． 但是 ， 煤层气又是经济 的可燃气体， 是一种清洁、 方便、 高效的能源， 其发 热量为 3 3 ． 5 ～3 6 ． 8 MJ ／ m。 ， 并且不存在环境污染 问题． 大力开发煤层气 ， 既可 以充分利用地下资源， 又可以改善矿井安全条件和提高经济效益 ， 并有利 于改善地方环境质量和全球大气 环境． 因此， 如何 更有效地开发和利用煤层瓦斯， 一直以来都是广大 的科研工作者努力的方向和 目标． 钱鸣高院士首次提 出了“ 煤矿绿色开采” 的概 念[ 1 ] ， 并 且阐述 了它的 内涵和技术体系[ ． 绿色开 采技术的主要 内容r 1 ] 包括 保水开采、 “ 三下” 采煤 、 煤与瓦斯共采、 煤巷支护与部分矸石 的井下处理 、 煤炭地下气化等． 由此可见 ， 煤与瓦斯共采技术是 绿色开采 的重要组成部分之一[ 2 ] ， 其研究 内容和 发展方向具有重要的理论意义和现实意义． 我 国煤 矿在防治瓦斯灾害方面应彻底转变观念 ， 从采掘部 署上把瓦斯抽取纳人正规生产的工艺流程， 从时间 和空间上给予充分保证， 促进煤层瓦斯的开发和利 用规模化、 系统化． 只有这样， 我国煤矿瓦斯灾害才 会得到有效控制 ， 高瓦斯突出矿井才会随着治理瓦 收稿 日期 l 2 0 0 31 01 0 作者筒介t 吴财芳 1 9 7 6 一 ， 男， 山东省烟台市人， 博士研究生， 从事瓦斯地质、 煤层气地质方面的研究． 维普资讯 1 3 8 中国矿业大学学报 第 3 3 卷 斯灾害费用 的减低、 生产效率的提高而获得新生 ， 宝贵、 清洁的能源才不会被白白地浪费掉． 1 煤与瓦斯共采技术的研究现状 我国的煤层 甲烷研究开始于 5 0 年代煤矿井下 的瓦斯抽放 ， 其中抚顺、 阳泉是抽放量最大的矿区． 目前， 我国已有 1 2 3 个矿井建立了井下瓦斯抽放系 统 ， 年抽放量达 6亿 m。 ， 抽放瓦斯利用率达 8 0 ％， 但井下瓦斯的抽放率很低， 只有 2 0 9 ／ 5 左右． 6 0年代 到 7 0年代 ， 一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可 投入 民用和小规模 的工业利用． 7 0年代末期开始 了矿井地面瓦斯抽 放工作 ， 主要集 中于抚顺龙凤 矿、 阳泉矿、 焦作 中马村矿、 湖南里王庙矿， 并进行 了压裂实验 ， 但是效果不佳． 8 o年代初期 ， 国内开 始进行煤层 甲烷相关资源研究． “ 六五” 期间， 煤炭、 石油以及地质等行业通过国家重点科技攻关项 目 对国内煤成气资源进行区域性评价和基础理论研 究． 随后， 国家“ 七五” 科技攻关项 目设立 了“ 我国煤 层 甲烷的富集条件及资源评价” 专题 ， 取得 了对中 国煤层气资源状 况的初步认识． 华北石油地质局 1 9 8 6年在唐山地区开展了煤层 甲烷勘探开发实 验 和工艺技术研究 ， 并进行 了“ 煤层 甲烷评价与开发 利用状况” 调研． 1 9 8 9年， 第一次“ 开发煤层气研讨 会” 在沈阳召开 ， 标志着煤层 甲烷从“ 瓦斯灾害” 到 “ 优质能源” 的认识转变、 从“ 井下抽放” 到“ 地面开 发” 的技术转移． “ 八五” 期间， 国家科技攻关项 目设 立 了“ 有利 区块煤层 吸附气开发研究” 专题． 此后 ， 煤层 甲烷的研究 重点转移到 了开发工艺攻关上． 1 9 9 2年， 联合 国开发计划署通过全球环境基金 资 助我 国开展 了“ 中 国煤层气 资源开发” 项 目， 1 9 9 3 年又资助 了“ 中国深层煤层气勘探” 项 目， 对中国煤 层气的勘探开发起到 了巨大的推动作用． 1 9 9 6年 ， 一 批有影响的研究项 目和规划相继完成 ， 如原煤炭 部计划项 目“ 全国煤层气资源评价” 、 国家计委 I 类 资源勘查项 目“ 中国煤层气资源评价” 、 国土资源部 地质调查项 目“ 全国煤层气综合规划研究” 、 原石油 天然气总公 司“ 九五” 科技攻关项 目“ 煤层气选区评 价与配套工艺技术” 、 国家“ 九五” 科技攻关项 目“ 新 集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备 研究” 等． 到 目前 为止 ， 对全国范 围内的煤层气资 源、 分布、 储层特征取得了基础性认识， 基本明确了 煤层气开发 的有利地区． 但是由于我 国的煤层地质 现状 地质条件复杂 ， 构造煤发育 ， 瓦斯含量高 ， 瓦 斯压力低， 渗透率低等 ， 煤层气的地面开发并不能 很好解决井下瓦斯问题． 现阶段， 井下瓦斯抽放方 法很多， 例如 ， 掘前预抽、 边掘边抽、 采后抽取、 卸压 瓦斯钻孔抽取、 以及开采层、 邻近层、 采空区瓦斯抽 取等等． 因此 ， 如何将井下瓦斯抽放与地面煤层气 开发协调地结合起来， 更好地实现煤与瓦斯共采 ， 就成为一个值得深思的问题． 总之， 我国煤与瓦斯 共采的研究开发取得了很大进步 ， 但也存在许多有 待于进一步研究和解决的问题． 2 煤与瓦斯共采技术的理论基础＆ ≈ 限制我 国高瓦斯矿井井下瓦斯抽放的原因， 主 要是煤层的低渗透率和高可塑性 ， 使得沿煤层打钻 孔 困难 ， 煤层采前预抽效果较差[ 1 { ] ． 由于我国含煤 地层一般都经历 了成煤后的强烈构造运动， 煤层内 生裂隙系统遭到破坏 ， 塑变性大大增强， 因而成为 低透气性的高可塑性结构， 这使得地面钻孔完井后 采气效果差 ， 水力压裂增产效果不明显[ 2 。 。 ] ． 而且煤 层 普遍具低渗透 率， 一般在 0 ． 1 1 0 ～1 1 0 m 范围内， 水城、 丰城、 霍岗、 开滦、 柳林等渗透率 较好的矿区也仅为 0 ． 1 1 0 ～1 ． 8 1 0 - 3 m ， 这 一 特 点决 定 了我 国地 面 开 发 煤 层 气 的 难度 很 大[ 2 ≈ ] ． 鉴于此， 我国煤层气开发生产的重点应放在 井下， 利用井下的采掘巷道 ， 并尽量利用煤层采动 影响， 通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的 瓦斯抽放[ 3 ] ． 同时 ， 应进一步研究和不断完善提 高 煤层渗透率的技术和钻孔技术 ， 研究提高气体质量 的技术， 研究井下煤炭与瓦斯的协调开采配套技术 以及煤矿瓦斯利用技术 ， 使之与井下煤层气开发产 业配套， 实现煤与瓦斯的安全共采[ 2 ≈ ] ． 现场测定和 实验研究表 明， 不论原始渗透系数怎样低 的煤层， 在采动影响煤层卸压后 ， 其渗透系数会急剧增加 ， 煤层 内瓦斯渗流 速度大增 ， 瓦斯涌 出量也 随之剧 增． 因此， 只要合理布置钻孔位置和其它相关参数， 完全能够高效地实现瓦斯抽放． 3 煤与瓦斯共采技术的应用实例 3 ． 1 松藻矿务局矿井瓦斯抽取现状[ ． - 松藻矿务局是重庆地区的主要煤炭产地， 由于 煤炭储量 丰富、 地质构造简单、 煤层赋存稳定 以及 地理位置优越等有利条件， 而成为重点开发的矿 区， 但是瓦斯灾害在矿井生产建设过程中特别严 重 ， 不仅矿井瓦 斯涌出量 大并且煤与瓦斯突 出频 繁． 矿区现有 6对生产矿井 ， 均为高瓦斯和突出矿 井， 到 1 9 9 0年底， 共发生突出 3 5 8次， 突出频率和 突出强度逐年增大 ， 最大突出强度为煤 1 6 2 4 t ， 瓦 斯 1 5 ． 1 万 m 。 ． 由于所采的8号煤层为严重突出煤 层 ， 因此只能选择弱突出煤层 6号、 7号、 1 1号 作 维普资讯 第 2期 吴财芳等煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展 1 3 9 为解放层先行开采 ， 而解放层本身也得采取防突措 施 ， 同时在近距离煤层群条件下 ， 首采解放层时 ， 邻 近煤层卸压瓦斯大量集 中涌出， 占回采工作面总瓦 斯涌出量的 8 O 以上 ， 从而 给煤矿安全增加 了很 大困难． 十多年来 ， 矿务局所属各矿 ， 在治理瓦斯方 面进行了大量工作， 开展 了一系列的研究试验 ， 取 得了很好的成效， 其 中矿井瓦斯抽取已成为治理矿 井瓦斯灾害的一种主要措施， 抽取瓦斯技术不断提 高和完善， 瓦斯抽取量有较大幅度的增长 ， 逐步赶 上抚顺 和阳泉局，成为我国三大 主要抽取瓦斯矿 区之一 ． 二 十多年来 ， 随着矿井产量的增加、 开采解放 层面积的扩大、 抽取瓦斯技术 的提高、 工艺的完善 以及抽取瓦斯范围的扩大 ， 矿井瓦斯抽取量及抽取 率都有大幅度的增加． 矿井瓦斯抽取在 2 0 a内， 由 原来 8 8万 m。 增加到 5 9 2 3 ． 1万 m。 ， 近 十年 内增 加了 4倍 ， 特别是近几年来平均以每 年 8 0 0万 m。 的速度增 加． 瓦斯抽 取率 由原 来的 5 ． 8 增加到 3 3 ． 4 4 ， 吨煤抽取 瓦期量及解放层单位面积的瓦 斯抽取量都达到较高的水平． 抽取瓦斯的浓度也逐 量达0 ． 6 3 m／ t ． 上述各项指标中， 不少都处于国内 领先水平， 有的已接近和达到世界先进水平[ ‘ ] ． 3 ． 2 井下瓦斯抽放技术的应用研究 ] 所用抽取瓦斯的方法为 开采层瓦斯抽取； 邻 近层瓦斯抽取； 采空区瓦斯抽取以及预抽 I 边采边 抽 ； 采后抽等． 目前各矿已全面采用的方法 主要有 缓倾斜煤层开采上解放层抽取瓦斯方式和倾斜煤 层开采下解放层时抽取上邻近层瓦斯方式． 这些方 法分别经过了不断改进和完善， 包括抽瓦斯巷位置 的改变， 钻场、 钻孔间距的缩短， 钻孔方向的改变以 及采用新的封孔材料和工艺等． 近几年来 ， 松藻矿务局在煤与瓦斯共采方面又 取得 了多项新的科研成果L 4 ] 1 采空区瓦斯抽放技术的研究． 分别进行了 半封闭采空区瓦斯抽取和全封闭采空 区瓦斯抽取 的试验， 从 1 9 8 7年开始， 历时 3年多， 在打通二矿 N1 7 0 7东工作面进行了有煤柱斜交钻孔试验． 两者 均是工作顶回风侧向 7号层冒落拱上方打孔 ， 钻孔 间距 1 0 m左右， 终孔点离 7号层项板 1 3 3 0 m 的 范围， 试 验结果见表 1 c ， 这一瓦斯抽取方式也 可 年提高， 有的矿井高达 7 5 ． 吨煤抽瓦斯钻孔工程 以认为是上邻近层瓦斯的抽取． 表 1 瓦斯抽取实验各参数 Ta b l e 1 T h e t a b l e o f p a r a me t e r s i n t h e e x p e r i me n t a t i o n o f me t h a n e d r a wi n g 2 下 向孔抽放下邻近层瓦斯 的研究． 在打通 一 矿 S 1 7 1 3工作面于 1 9 8 7年至 1 9 8 8年 间进行试 验． 在原上向孔抽取下邻近层瓦斯的基础上， 结合 下向孔配套抽放 ， 试验结果见表 2 [ 4 ] ． 表 2 工作面瓦斯抽放效果 T a b l e 2 T h e t a b l e o f t h e e f f e c t o f me t ha ne - d r a wi ng o n wo r ki ng f a c e Vgm ／ m0 rain 一 总 量开 采 层邻 近 层 曩 2 4 ． 7 6 6 ． 9 3 1 7 ． 8 3 1 2 ．6 9 ． 8 2 ． 8 1 2 ． 1 6 3 倾斜煤层 瓦斯合理抽放方式 的研究． 在松 藻矿一井七采区进行试验 ， 主要是对上邻近层抽取 瓦斯的布置减少一排上 向孔， 改在 回风巷加打一排 下向孔 ， 另外增加下邻近层 1 2号层的抽取瓦斯 ， 实 际效果 比原来提高 5 O ％． 4 采用综合抽放瓦斯技术提高工作面瓦斯抽 放率的研究 ， 即矿井由过去单一的下邻近层抽放瓦 斯 ， 变为现在的上、 下邻近层抽放、 本煤层抽放和全 封闭采空区抽放等综合抽放瓦斯技术， 各种单一技 术之间相互协调、 相互补充 ， 达到最大限度地 、 最有 效地治理瓦斯 ， 提高抽放率． 实验在打通二矿北一盘 区的 S 1 7 1 0工作面进 行， S 1 7 1 o 为走向长壁仰斜单面开采， 全部陷落法 管理顶板 ， 回采工艺 实行高档普采 ， 其开采层瓦斯 涌 出量为 2 ． 7 4 m。 ／ mi n ， 占 1 5 ． 9 2 ％； 上邻 近层 为 4 ． 1 7 m。 ／ mi n ， 占 2 4 ． 1 6 ； 下邻 近层为 8 ． 6 0 m。 ／ rai n ， 占 4 9 ． 9 2 ； 工 作 面总瓦 斯涌 出量 达 1 7 ． 2 3 m。 ／ mi n ． 根据瓦斯涌 出来 源并结合巷道 布置及开 采顺序 ， 采用下列综合抽放瓦斯技术 在专 用瓦斯 巷道打底板穿层孔至 8 号煤层顶板， 抽放下邻近层 瓦斯； 从回风巷顶板开孔， 向工作面上方裂隙带打 钻孔 ， 抽放上邻近层瓦斯； 在 回风巷直接布孔 ， 钻孔 沿煤层平行于工作面 ， 抽放本煤层瓦斯 I 当工作面 采完后在回风巷 或运输巷 构筑密闭， 抽放采空区 维普资讯 1 4 0 中国矿业大学学报 第 3 3 卷 瓦斯． 综合抽放效果如表 3所示． 为 了提 高抽放瓦 斯效果 ， 对封孔工艺、 封孔管径和抽放管径进行了 一 系列改进 采用长管组合柱封孔法新技术彻底解 决了本煤层封孔存在煤体漏气、 抽放效果不好这一 难题 ； 对上、 下邻 近 层孔 封孔 段孔 径均 改 为 1 1 5 r N r n ， 长 6 ～8 r n ； 封孔管直径 3 8 r n r n ， 机械封孔； 加 大抽放支管孔径 ， 由原来的 1 0 0 r n l T i 改为 1 5 0 r f l r n ． 全方位立体综合抽放瓦斯技术是治理保护层综采 工作面高瓦斯最有效 的措施 ， 不但要抓好上、 下邻 近层的瓦斯抽放 ， 还要抓好本层和采空区抽放以及 钻孔 、 布孔、 封孔等工艺， 这样才能提高工作面抽放 效果 ， 减轻风排瓦斯的压力， 确保安全高效生产． 衰 3 s 1 7 1 0 综合抽放瓦斯前、 后效果对比 Ta b l e 3 Th e c o n t r a s t o f t h e f o r me r a n d l a t e r e f f e c t o f a ppl y i ng t h e i nt e gr at e d me t ha ne dr awi ng 上述研究试验结果不仅提 高了解放层的瓦斯 抽取量 ， 并且减少 了工作面 回风瓦斯超限和上隅角 瓦斯积聚． 松藻矿区瓦斯资源特别丰富， 可抽量达 8 0 ． 6 亿 r N 。 ， 至少能够服务 8 0年 ， 矿务局积累了大 量经验 ， 而且研制新增了许多瓦斯抽放及瓦斯 回收 的先进设备 ， 逐步完善了井下抽取系统和地面集输 系统． 所抽取的瓦斯除 了满足矿 区自用外， 每年可 顶替天然气 6 5 2 6万 m。 ， 节约民用煤 2 9 ． 8万 t ， 每 年可获利润 8 5 3 ． 7 1万元， 对国家和社会将产生巨 大的经济意义和现实意义． 同时我们还需要指出， 通过试验考察和长期生产实践表 日 月[ ， 邻近层瓦斯 涌出， 并非在解放层工作面回采结束时就停止， 而 仍较长时间继续不断涌出， 抽取瓦斯还可持续一年 或更长的时间． 因此 ， 如何保持抽瓦斯钻孔具备长 期抽放的条件， 如何计算解放层开采面积， 如何协 调应用各种瓦斯抽放技术， 如何保证掘、 采、 抽的环 节平衡 ， 保证充足的瓦斯来源、 足够 的瓦斯抽放钻 孔和充分的抽放时间等， 都是煤与瓦斯共采过程中 不可忽视的重要 问题， 有待于进一步研究． 4 煤与瓦斯共采的研究方向 1 煤与瓦斯共 采是煤矿绿 色开采的重要分 支， 在开采高瓦斯煤层的同时， 利用岩层运动的特 点将煤层气开采出来将是煤与瓦斯共采的一条重 要途 径[ 1 J 引 ． 在井 下 因采动 影响地 层压 力发 生变 化 引 ， 由于开采卸压， 煤层中的瓦斯压力升高， 煤 中原来的孔裂隙系统的毛细管力反而降低， 极易被 瓦斯突破形成更大的孔裂隙系统， 结果瓦斯解吸运 移过程加剧． 因此， 合理利用采动矿山压力引起的 岩层活动规律 ， 有效地进行井下瓦斯抽放和地面煤 层气开发 ， 是煤与瓦斯共采的关键技术问题． 岩层 运动中的关键层理论[ s ] 、 煤与瓦斯突 出的流变机 理[ 瑁 和球壳失稳理论[ 。 等对煤与瓦斯共采技术的 应用发展有着重要参考价值． 2 在进行煤与瓦斯共采技术 的研究过程中， 应该具体情况具体对待， 多提出一些有针对性的瓦 斯抽取新技术， 如松藻打通一矿的采煤工作面特异 型瓦斯涌出及抽放研究， 打通二矿的综合瓦斯抽放 技术提高工作面瓦斯抽放率研究等． 同时应该注重 将井下瓦斯抽取与地面煤层气开采有机地结合起 来， 形成一整套属于煤与瓦斯共采 的基础理论和技 术体系， 从而在煤矿区真正实现煤与瓦斯共采， 更 好地为煤矿绿色开采服务． 参考文献 [ 1 3 钱鸣高， 许家林， 缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J J ．中 国矿业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 7 ． [ 2 ] 李树刚， 李生彩， 林海飞， 等．卸压瓦斯抽取及煤与瓦 斯 共采技术研究[ J ] ．西安科技学 院学报， 2 0 0 2 ， 2 2 3 2 4 7 2 4 9 ． [ 3 ] 李树刚， 钱鸣高．我国煤层与甲烷安全共采技术的可 行性[ J ] ．科技导报， 2 0 0 0 ， 6 3 9 4 1 ． E 4 3 煤炭科学研究总院重庆分院．松藻矿务局矿井瓦斯 抽取量的论证报告[ J 1 ．节能之友， 1 9 9 2 ， 2 t 1 5 2 0 ． [ 5 ] 钱鸣高， 缪协兴， 许家林， 等．岩层控制的关健层理论 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 0 ． E 6 3 钱鸣高， 缪协兴， 许家林．岩层控制的关健层理论研 究[ J 3 ．煤炭学报， 1 9 9 6 。 2 1 3 2 2 5 2 3 0 ． [ 7 ] 何学秋．含瓦斯煤岩流变动力学E M] ．徐州 中国矿 业大学 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 8 3 周世宁， 鲜学福， 朱旺喜．煤矿瓦斯灾害防治理论战 略研讨[ M] ．徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 9 ] 蒋承林 ， 俞启香．煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防 治技术[ M] ．徐州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 8 ． 责任编辑李成俊 维普资讯