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矿井瓦斯抽采技术实践研究 张吉林 程红林 阳泉煤业集团，山西阳泉 摘要通过对阳煤集团建局 50 多年来的在矿井瓦斯抽采工作上的不 懈探索、研究，阐述了煤层瓦斯抽采技术的进步与发展过程和今后的 发展方向。 关键词矿井瓦斯 抽采技术 实践研究 阳泉煤业（集团）有限责任公司于 1997 年由阳泉矿务局（成立于 1950 年） 改制而成，是具有五十年历史的老矿区，目前为全国最大的无烟煤生产加工企 业，位居中国 500 强之列。建企五十多年来，公司历届领导和广大员工始终把 治理瓦斯摆在安全生产“ 重中之重” 的位置，牢固树立“ 安全第一、瓦斯为天” 的思 想，把搞好“ 一通三防” 工作作为工作的重中之重，认真落实“ 先抽后采、监测监 控、以风定产” 的十二字方针，形成了集通风、抽放、监测为一体的通风瓦斯管 理体系，建立了一整套行之有效的规章制度，走出了一条在高瓦斯矿井实现安 全生产高产、高效的路子。 1 阳煤集团生产概况 阳煤集团公司目前有 9 矿 13 对矿井，其中 10 对生产矿井，煤与瓦斯突出 矿井 4 对、高瓦斯矿井 5 对，低瓦斯矿井 1 对。主采煤层 3、12、15，部分可 采煤层 6、8、9，单一煤层采用综采，厚煤层采用综采放顶煤的回采方法，综 合机械化程度 100。 全公司绝对瓦斯涌出量高达 1386.9m3/min，相对瓦斯涌出量平均为 22.07m3/t。风排瓦斯量 660.45 m3/min，抽放量 726.45 m3/min。公司从 1974 年开 始装备瓦斯监测系统经过多年改造，初步形成了多功能瓦斯监测系统，同时我 们实现了二级断电的后备保障技术。2003 年实现了矿、集团公司、省局三级瓦 斯监测联网。 2 矿井瓦斯抽采 为了适应综采和综采放顶煤高产高效采煤工艺的发展几十年来， 我公司研究 发展并全面推广了多种邻近层瓦斯抽放技术，先后采取了 F73mm普通钻孔、加 密钻孔、F200 大直径钻孔等顶板穿层钻孔抽放，顶板岩石倾斜、走向和初采伪 倾斜高抽的巷道抽放。通过采用上述抽放技术，钻孔抽放回采面邻近层瓦斯抽 出率可达 80以上，巷道瓦斯抽出率可达 90以上。为了保证抽放效果，公司 每年施工 F73mm 钻孔 1400m、F200mm 孔 22000m、抽放用顶板专用岩石巷道 15000m以上。瓦斯抽放系统经过多年努力，我公司井下瓦斯抽放管路系统正在 形成“ 密钻孔、大直径、高抽巷、大管路” 的 抽放格局。目前，公司所有生产矿井全部建 立了瓦斯抽放系统， 全公司共建地面瓦斯抽 放泵站 8 座，井下移动泵站 5 个，总装机容 量 6905kW，单机运行时的最大抽放能力达 2954m3/分以上。共敷设抽放系统管路 150km；截止 2006 年底，全公司已累计抽放 瓦斯 41.55 亿 m 3，仅 2006 年就达到 3.76 亿 m3， 瓦斯抽放量占到矿井总涌出量的 52.38。 2.1 矿区煤层赋存情况 矿区共含煤 16 层，其中主采煤层 3、 12、15，局部可采煤层 6、8、9，煤层 倾角一般为 5～10度， 具体煤层赋存情况如图 1 所示。各煤层均富含瓦斯，瓦斯含量在 4.2m3/t～21.73m3/t 之间，瓦斯压力在 0.05～ 2.3MPa 之间。所采煤层的透气性能很低，3 煤层的透气系数仅为 0.017m2/MPa2 d，百米钻 孔自然瓦斯涌出量 0.004m 3/min （﹤0.1 m3/min） 属低透气性煤层且有煤与瓦斯突出危险性。 图 1 阳泉矿区煤系地层综合地质柱状 2.2 瓦斯抽采方式 2.2.1 邻近层抽放方式 根据煤层赋存情况，在全部的 3、12煤工作面及局部可采的 6、8、9煤 层普遍采用钻孔法抽放瓦斯，即采用钻机向上邻近层打大直径顶板穿层钻孔进 行瓦斯抽放。15煤综采放顶煤工作面一般采用顶板巷道抽放方式抽放瓦斯。 （1）钻孔抽放 3、 12煤层工作面及局部可采的 6、 8、 9煤层一般采用 U＋L 的通风方式。 回采工作面与专用瓦斯排放巷有一定的宽度，一般 15 米左右，抽放瓦斯的钻场 布置在与回风巷相邻的专用瓦斯排放巷内，由该巷按垂直于巷道走向方向向开 采工作面顶板打钻，按照采后煤层顶板移动规律，终孔位置一般打在裂隙带内。 顶板穿层钻孔抽放瓦斯效果的好坏，关键是顶板穿层钻孔终孔的空间位置应处 在采后破坏裂隙带的边缘。在有隔离煤柱开采的工作面打钻时，钻孔仰角受煤 柱宽度和上邻近层高度的限制，钻孔下部还不能受到冒落带的破坏，一般要求 钻孔出煤柱伸向工作面高度距开采层不小于 10m。钻孔打完封孔后在专用瓦斯 排放巷接 F380mm 瓦斯管路与地面抽放系统相连，也可接井下移动抽放系统进 行瓦斯抽放。为避免抽放钻孔中的泥岩遇水膨胀造成堵孔，一般在泥岩层部位 用套管进行加固，并且在套管壁均匀打孔，使其既能加固钻孔壁又能使县衙瓦 斯通过，阻止泥岩堵塞钻孔，造成钻孔不起作用。 阳泉煤业集团从 1957 年就开始进行上邻近层瓦斯抽放试验以来，在 3、6、 8、9、12煤层都进行了大规模的试验和推广应用，邻近层瓦斯抽出率达到 60 70以上。我们现在应用的瓦斯抽放钻孔深度 60 米，间距不大于 50 米，仰 角 35 55 ，孔径 F200mm，在距切巷 20 米范围内要布置 1 2 对初采高低孔 以解决工作面初采期间的瓦斯涌出，由于大直径（F200mm）钻机的应用，并且 大直径（F200mm）抽放钻孔的抽放效果已接近岩石高抽巷的抽放效果且成本较 低廉，施工工期短，近几年已进行了普遍应用，经试验分析对比，大直径 （F200mm）抽放钻孔抽放上邻近层的抽放瓦斯效果好、费用低，完全可以取代 密集小直径钻孔，在钻孔布置参数合理的情况下也可取代顶板岩石走向高抽巷。 现在 F73mm 的钻孔在阳泉矿区应用较少。 图 2 钻孔布置图 （2）顶板岩石走向高抽巷抽放方式 根据煤层赋存情况，15煤层平均厚度在 6 米以上，从采区回风巷开口，在 工作面顶板预计裂隙带内先沿回采工作面走向打一条贯穿工作面走向的专用抽 放瓦斯巷道。巷道垂距一般应处在等拌顶板裂隙带的中上部即 65 米左右，高抽 巷的水平投影距回风巷一般为 60 米，高抽巷的抽出率在 80 90，最大抽放量 可达 80m3/min 以上，一般在 40 60m3/min 之间。走向高抽巷初次抽出瓦斯一般 在工作面回采到距切巷 28 米左右，大量抽出瓦斯在 38 米左右，把顶板走向高 抽巷与后高抽巷贯通，利用走向高抽巷进行抽放来解决工作面初采期间的瓦斯 涌出，大大缩短了高抽巷初次抽出瓦斯的距离，降低了工作面初采期间的瓦斯 超限次数。 （a）顶板岩石走向高抽巷平面布置图 （b）顶板岩石走向高抽巷剖面布置图 图 3 顶板岩石走向高抽巷布置图 （3）布置初采伪倾斜高抽巷解决综放面初采瓦斯 采用一条小断面斜巷，将工作面上隅角与走向高抽巷尾部连通，使初采期 上邻近层瓦斯在高抽巷的抽放负压作用下即时排出。称该斜巷为初采伪倾斜高 抽巷。其关键是，要布置在顶板初始冒落的边缘带上，使之随顶板的冒落自下 而上逐段报废，使抽放负压点随之上移，瓦斯抽放浓度逐渐升高，直至顶板冒 裂高度与高抽巷连通，渡过初采期。具体布置见图 4。 图 4 综采放顶煤工作面初采伪倾斜高抽巷布置图 为了适应综采和综采放顶煤高产高效采煤工艺的发展，几十年来，我公司 研究发展并全面推广了多种邻近层瓦斯抽放技术，先后采取了 F73mm 普通钻 孔、加密钻孔、F200mm 大直径钻孔等顶板穿层钻孔抽放，顶板岩石倾斜、走 向和中低位后高抽的巷道抽放，目前正进行用 F200mm 顶板岩石水平千米钻孔 替代走向高抽巷的试验，以期在满足抽放要求前提下，降低巷道成本。通过采 用上述抽放技术，钻孔抽放回采面邻近层瓦斯抽出率可达 80以上，巷道抽放 抽出率可达 90以上。为了保证抽放效果，公司每年施工 F73mm 钻孔 17500 米、F200mm 钻孔 6000 米、抽放巷道 5000 米以上，为集团公司的高产高效起 到了保障作用。 钻孔抽放与走向高抽巷比较钻孔抽放钻孔孔径较小，抽放不连续，单个 钻孔服务时间短，呈梯次依次进行。抽放量较小，单孔抽放量平均为 20m3/min， 适用于产量不超过 150 万吨的综采工作面。走向高抽巷断面一般在 4 5m2，比 钻孔断面大得多，并且是连续不断的进行抽放，服务时间长，瓦斯抽放量较大， 适用于厚煤层且产量在 400 万以上的综放工作面应用。 2.2.2 本煤层瓦斯预抽方式 根据国家关于煤矿“ 先抽后采、监测监控、以风定产” 的瓦斯治理十二字方 针，为了大幅度降低瓦斯超限对安全生产的威胁，集团公司决定对本煤层瓦斯 实施强制预抽。所有 3、8煤层的回采工作面、五矿 420 水平 15煤、石港 15 煤以及开元 9煤层的回采工作面，均必须进行本煤层瓦斯预抽。今后凡未按规 定进新本煤层打钻预抽瓦斯的回采工作面一律不得生产，不予验收。 （1）本煤层预抽 本煤层瓦斯预抽钻孔在回风顺槽内与巷道垂直方向，向工作面打钻，孔径 不小于 100mm，布置方式分平行布置和扇形布置两种，平行布置按间距不大于 5 米垂直于顺槽布置，选用单侧布孔时，钻孔深度小于采长 15～20 米。若采用 双侧布孔时，钻孔深度应大于工作面采长（中部要重叠 15～20 米） 。本煤层预 抽钻孔布置示意如图 5、图 6 所示。 专用排放瓦斯巷 图 5 本煤层预抽钻孔单侧布置示意图 图 6 本煤层预抽钻孔双侧布置示意图 （2）掘进预抽 有突出危险的 3煤层掘进工作面预抽钻孔采用向巷道两侧施工耳状钻场， 在每个钻场内沿煤层向前（平行于巷道方向或内交方向）施工钻孔 2 4 个，钻 孔深度一般为 50 80 米，钻场间距一般为 40 70 米。对巷道两侧及前方煤体 进行抽放。掘进预抽钻孔布置示意如图 7。 回风巷 20m 图 7 掘进预抽钻布置示意图 （3）本煤层瓦斯钻孔施工设备 为保证本煤层瓦斯钻孔施工， 阳煤集团公司大量购置了德国产 EH1400、 P75 型号钻机，和煤科总院西安分院研制生产了 ZDY4000L型履带钻机等设备。 （4）本煤层瓦斯抽放 在生产采区建立永久移动泵站，在工作面专门增设一趟瓦斯管路与本煤层 瓦斯抽放钻孔连通，通过采用井下移动泵利用高负压对瓦斯钻孔进行瓦斯预抽。 3 结论 阳煤集团通过多年大规模的试验研究和探索，在钻孔抽放上邻近层瓦斯成 功的基础上，又创造性地试验并推广了顶板岩石高抽巷抽放邻近层瓦斯技术和 布置初采伪倾斜高抽巷解决综放面初采瓦斯技术，取得了巨大的成功，顶板穿 层钻孔和顶板走向高抽巷抽放上邻近层瓦斯抽出率稳定在55以上， 密集钻孔抽 放邻近层瓦斯抽出率最高可达83，顶板走向高抽巷抽放邻近层瓦斯以达90以 上，彻底解决了我集团公司高瓦斯矿井邻近层瓦斯涌出对高产高效生产的制约， 而布置初采伪倾斜高抽巷解决综放面初采瓦斯技术研究成功，彻底解决了综放 工作面瓦斯超限的难题。随着我集团公司本煤层瓦斯抽放技术的逐渐成熟，本 煤层瓦斯抽放已全面在全集团公司范围推广，并纳入了各级干部的考核项目之 中。 通过50多年的努力我公司已形成了“ 大钻孔、高抽巷、初采伪倾斜高抽巷、 大管路加本煤层钻孔抽放” 的抽放格局，为治理矿井瓦斯打下了坚实的基础。阳 煤集团原煤产量从1950年建企时的81.07万吨，增加到2006年的3181.23万吨，增 长了39倍；瓦斯事故从最高时1952年（未进行抽放）的年死亡14人、瓦斯事故 占同期煤炭生产死亡总人数的70，下降至2006年（瓦斯综合治理、全面进行抽 放）年瓦斯死亡人数为0。瓦斯研究和治理取得了明显的安全、经济和社会效益。