芻議煤礦瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用①

摘 要:我國地大物博，各類礦產(chǎn)資源極其豐富，在眾多的礦產(chǎn)資源中，又以煤炭資源居多。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，我國的煤炭資源總量約占一次能源的70%左右。煤礦企業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)之一，其年產(chǎn)量呈逐年上升態(tài)勢。在煤礦開采的過程中，經(jīng)常會伴隨有大量的瓦斯出現(xiàn)，瓦斯本身屬于一種易燃易爆的有害氣體，如果煤礦井下的瓦斯積存量過多，勢必會給正常的開采工作造成一定的影響，一旦處理不好，極有可能引起瓦斯爆炸等安全事故。為了確保煤礦正常、安全生產(chǎn)，必須采取相應(yīng)的措施對煤礦瓦斯進(jìn)行抽放。基于此點(diǎn)，本文就煤礦瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞:煤礦 瓦斯抽放技術(shù) 礦井 采掘

中圖分類號:TU2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0098-02

我國自明代開始便已有關(guān)于礦內(nèi)瓦斯處理的記載，當(dāng)時著名的自然學(xué)家宋應(yīng)星在其著作的《天工開物》中詳細(xì)記載了利用竹筒引導(dǎo)自然排氣對礦內(nèi)瓦斯進(jìn)行處理的方法。西方國家在19世紀(jì)前，對于礦井瓦斯的處理方法主要是用火將積存于礦內(nèi)的瓦斯燒掉。瓦斯本身是以氣體的形式存在，自通風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)后，人們便利用較大的風(fēng)量來排除或是沖淡這一氣體。現(xiàn)如今，隨著煤礦綜采面的深度不斷增加和采掘規(guī)模的日益擴(kuò)大，加之國家大力提倡節(jié)能環(huán)保，人們?yōu)榱烁咏?jīng)濟(jì)、合理地進(jìn)行開采并節(jié)約自然資源，開始逐步引入了瓦斯抽放技術(shù)理論。借此，本文就煤礦瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)的發(fā)展歷程

我國自1938年撫順龍風(fēng)煤礦首次進(jìn)行瓦斯抽放試驗(yàn)工作以來，瓦斯抽放技術(shù)的發(fā)展已有70多年，這一技術(shù)經(jīng)歷了以下四個發(fā)展階段。

(1)高透氣性抽放階段。

在20世紀(jì)50年代初期，撫順高透氣性特厚煤層首次應(yīng)用井下鉆孔預(yù)抽技術(shù)對煤層中的瓦斯進(jìn)行抽取，在當(dāng)時該技術(shù)的應(yīng)用獲得了十分明顯的效果，有效地解決了礦井向縱深方向開采過程中的瓦斯安全問題。然而因當(dāng)時未能認(rèn)識到煤層透氣性與抽采效果的關(guān)系，從而使得在其它一些透氣性較小的礦井中應(yīng)用效果并不理想。

(2)鄰近層卸壓抽采階段。

20世紀(jì)50年代中期，在陽泉礦區(qū)的煤層群開采中，應(yīng)用穿層鉆孔抽取鄰近層瓦斯的試驗(yàn)取得成功，通過該技術(shù)的應(yīng)用有效地解決了礦井煤層群開采過程中，首采面瓦斯涌出量較大的難題。在此之后，又對頂板瓦斯高抽巷抽采上鄰近層瓦斯技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，該技術(shù)隨后在不同煤層賦存前提下的上下鄰近層中獲得了十分廣泛的應(yīng)用，并且效果都非常良好。

(3)低透氣性煤層強(qiáng)化抽采階段。

自20世紀(jì)60年代開始，由于采用布孔方式對透氣性較差的高瓦斯含量煤層進(jìn)行預(yù)抽采的效果不太理想，無法完全避免開采過程中的瓦斯威脅，為此科研人員將研究的重點(diǎn)放在強(qiáng)化抽采技術(shù)上，經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究出了多種方法，如水力壓裂、煤層注水、大直徑擴(kuò)孔、松動爆破、水力割縫等等。而這些方法雖然在試驗(yàn)區(qū)瓦斯抽采中都取得了不錯的效果，但大部分仍舊處于試驗(yàn)階段，并未廣泛推廣使用。

(4)綜合抽采階段。

自20世紀(jì)80年代開始，隨著我國技術(shù)水平的不斷提高，綜采、綜放以及機(jī)采等技術(shù)均得到長足的發(fā)展和推廣使用。現(xiàn)階段，大部分煤礦采取的巷道布置方式都發(fā)生了巨大改變，采掘的推進(jìn)速度較之以往也明顯加快，伴隨著開采強(qiáng)度的不斷增大，綜采面的瓦斯涌出量也呈直線上升趨勢，特別是在一些鄰近層的工作面上，瓦斯涌出量的增長幅度還要高于綜采面。為有效地解決這一問題，實(shí)施瓦斯綜合抽采已經(jīng)勢在必行。綜合抽采實(shí)質(zhì)上就是將多種方法應(yīng)用到同一采區(qū)當(dāng)中，如預(yù)抽、鄰近層卸壓、邊采邊抽、采后再抽等等。這樣可以在有限的時間和空間內(nèi)達(dá)到最大的瓦斯抽采量，從而提高抽采率，并緩解巷道掘進(jìn)、瓦斯抽采以及煤層開采等工作接替緊張的狀況，這也是實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的最佳途徑之一。

2 煤礦瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用的重要性

(1)是有效減少瓦斯事故的重要手段。

據(jù)統(tǒng)計，2011年全國煤礦事故死亡人數(shù)為1973人，瓦斯事故死亡人數(shù)為533人，占總死亡人數(shù)的27%，且平均每年10人以上的特大煤礦死亡事故中，因瓦斯事故死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)比重的80%左右。由此可以看出，瓦斯事故一直以來是煤礦重大事故之一。所以，減少和避免瓦斯事故是保證煤礦安全生產(chǎn)的必然選擇，有利于推動我國煤礦產(chǎn)業(yè)步入安全、高效生產(chǎn)的發(fā)展軌道。要想有效遏制瓦斯事故的發(fā)生，必須以完善的規(guī)章制度為前提，利用制度的約束力加強(qiáng)生產(chǎn)安全管理，同時配備先進(jìn)技術(shù)裝備，健全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。尤其對于減少煤層瓦斯含量的瓦斯抽放技術(shù)而言，已經(jīng)成為確保煤礦安全生產(chǎn)的重要措施。實(shí)踐證明，建立健全通風(fēng)、抽放、監(jiān)控系統(tǒng)，能夠極大地減少甚至是消除瓦斯事故的發(fā)生。

(2)是提高瓦斯利用效率的有效途徑。

瓦斯不僅是一種清潔燃料，同時也是一種利用價值較高的化工原料。當(dāng)前，我國部分煤礦企業(yè)利用抽放的瓦斯成功制作成了炭黑、工業(yè)酒精等產(chǎn)品，并已經(jīng)將瓦斯作為居民做飯、燒鍋爐必備的燃料。瓦斯還可以用作發(fā)電、供熱的一次能源，為了提高瓦斯的利用效率，大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的生產(chǎn)方式，煤礦企業(yè)可以利用瓦斯為礦區(qū)提供日常所需的熱能和電能，既確保了技術(shù)上的安全可靠，又保證了經(jīng)濟(jì)上的科學(xué)合理。在許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，如日本、英國、德國、澳大利亞等國家，均建立了煤礦瓦斯電站，而我國也在極力推進(jìn)瓦斯發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用。如，我國某礦務(wù)局引進(jìn)了徑流式燃?xì)廨啓C(jī)，采用熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行方式，對瓦斯施壓后作為燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)，使燃?xì)廨啓C(jī)帶動發(fā)電設(shè)備發(fā)電，并且將排出燃?xì)廨啓C(jī)的高溫?zé)煔廨斔偷接酂徨仩t內(nèi)，使其產(chǎn)生蒸汽，可供烘干室、更衣室、食堂、浴池作為熱源使用。

(3)是改善礦區(qū)大氣污染的關(guān)鍵技術(shù)。

瓦斯屬于溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。據(jù)有關(guān)專家研究證實(shí)，雖然瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于CO2等溫室氣體的濃度，但是其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)卻相當(dāng)嚴(yán)重，這是由于CH4分子的作用約為CO2分子作用的21倍所導(dǎo)致的。所以，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)科學(xué)運(yùn)用瓦斯抽放技術(shù)，減少瓦斯向大氣排放，提高對瓦斯的利用效率，力求保護(hù)大氣環(huán)境，降低溫室效應(yīng)，徹底改善礦區(qū)大氣污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀。

3 當(dāng)前我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然瓦斯抽放技術(shù)現(xiàn)已在各大煤礦中得到廣泛應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，卻存在諸多問題，這嚴(yán)重影響了瓦斯抽放的實(shí)際效果。

3.1 瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

(1)抽放時間不足。通常情況下，煤礦瓦斯的抽放效率與時間成正比，即時間越長抽放的效率越高。在大部分煤層的開采過程中，由于煤層本身的透氣性較差，如果想要達(dá)到最佳的抽放效率，抽放時間至少應(yīng)為6～8個月左右。然而，在我國大部分的高瓦斯以及煤與瓦斯突出的礦井中，都普遍存在采掘時間失衡的情況，大多數(shù)煤礦的瓦斯抽放時間都是3～4個月左右，其中極個別的僅為1個月。抽放時間的嚴(yán)重不足，很難使瓦斯的抽放效率得到有效保障。

(2)抽放系統(tǒng)不匹配。當(dāng)前，雖然我國大部分煤礦企業(yè)利用政府下?lián)艿馁Y金對瓦斯抽放系統(tǒng)進(jìn)行了一定的更新和改造，也有效地緩解了一部分系統(tǒng)不匹配的情況。但是，仍有很多煤礦存在瓦斯抽放系統(tǒng)不匹配的現(xiàn)象。如有的煤礦瓦斯抽放泵的最大抽放量較小，不能有效地克服抽放時管道內(nèi)部所產(chǎn)生出的壓力;有些煤礦抽放泵的抽放量很大，但由于主管線的直徑較小，從而導(dǎo)致了很大一部分抽放量損失在管道的阻力上。

(3)封孔質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。孔底抽放復(fù)壓最大的功效是能夠?qū)ν咚惯M(jìn)行引流，并且還可以強(qiáng)制瓦斯解吸，在這一過程中，封孔質(zhì)量的優(yōu)劣對瓦斯抽放效果有著十分重要的影響。當(dāng)前，我國仍有約70%左右的礦井在進(jìn)行瓦斯抽放的過程中，采取水泥砂漿或是黃泥進(jìn)行封孔，而且還有極少數(shù)近水平開采和緩傾斜開采的礦井也在使用水泥砂漿進(jìn)行封孔，這樣難免會造成封孔長度不足，同時密封效果也相對較差。據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在我國煤礦中，大約有65%的回采面預(yù)抽瓦斯的濃度低于30%，這一情況的發(fā)生主要是由于封孔質(zhì)量不達(dá)標(biāo)造成的。

(4)缺乏行之有效的管理。我國大多數(shù)煤礦企業(yè)都普遍存在對瓦斯抽放管理不到位的現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致抽放效率較低的一個根本原因，管理方面的問題主要有以下幾個方面:其一，缺乏科學(xué)先進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)和計量設(shè)備，并且對瓦斯抽放系統(tǒng)的維護(hù)及管理也不到位;其二，很多煤礦由于某些客觀原因，沒有配備專門進(jìn)行瓦斯抽放工作的隊(duì)伍;其三，因沒有制定較為嚴(yán)格的施工條例和相關(guān)的管理制度，從而使得無法按照設(shè)計要求對瓦斯抽放的鉆孔長度予以合理規(guī)劃。

3.2 幾點(diǎn)建議

針對于目前我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用中存在的種種問題，筆者提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)延長抽放時間。在煤礦井下開采的過程中，通過不斷改善采掘的平衡，不但能夠有效延長瓦斯抽放時間，而且還能夠進(jìn)一步提高抽放效率。我國約有30%左右的煤礦在初采時，都是針對突出煤層進(jìn)行采掘，其平均開采速度約為100m/月，如果在開采的過程中，遇到突出十分嚴(yán)重的煤層，那么開采速度僅為20～30m/月，這一情況造成了采掘失衡的現(xiàn)象發(fā)生，從而使得無法充分預(yù)留出瓦斯抽放時間。為此，建議各大煤礦應(yīng)采取采掘同步的方式進(jìn)行煤礦開采，這樣有利于確保瓦斯抽放的時間充足。

(2)對瓦斯抽放系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，可從以下幾個方面著手:其一，應(yīng)盡可能選擇與瓦斯抽放量及抽放阻力相匹配的抽放泵，并盡量增大井下管道的直徑;其二，可在井底管道的低洼地帶加裝自動放水裝置，借此來緩解管網(wǎng)所承受的壓力和阻力;其三，加強(qiáng)對抽放孔的氣密性檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有漏氣的現(xiàn)象應(yīng)予以及時關(guān)閉，這樣有利于降低鉆孔的負(fù)壓。

(3)加強(qiáng)封孔質(zhì)量。針對封孔質(zhì)量較差這一問題，筆者認(rèn)為應(yīng)選用一些密封效果較好的材料來提高封孔質(zhì)量。在諸多材料中，聚氨酯是比較理想的選擇，其具有封孔效率高、凝固時間短、封孔質(zhì)量高、膨脹系數(shù)高以及收縮率小等特點(diǎn)，比較適合用于瓦斯封孔。

(4)強(qiáng)化管理。為了進(jìn)一步提高瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用效果，煤礦企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)以及相關(guān)的管理人員應(yīng)對抽放工作予以高度重視和大力支持，并組建相應(yīng)的管理部門全權(quán)負(fù)責(zé)對瓦斯抽放技術(shù)的管理。同時還應(yīng)加大瓦斯抽放隊(duì)伍的建設(shè)力度，配備一支綜合素質(zhì)高、技術(shù)水平強(qiáng)的專業(yè)瓦斯抽放隊(duì)伍，借此來確保施工質(zhì)量和瓦斯抽放效率。此外，企業(yè)還應(yīng)加大對相關(guān)設(shè)備和設(shè)施的資金投入，并針對定期檢查和維護(hù)制定相應(yīng)的管理制度。

4 瓦斯抽放技術(shù)在煤礦中的具體應(yīng)用

下面本文就某煤礦瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

4.1 煤礦基本概況

該煤礦為年產(chǎn)400萬t的大型礦井，井內(nèi)共含煤18層，其中2、7、8、9#煤層為可開采層。目前，2#、8#為主采層，其煤層平均厚度分別為3.27m和3.45m，原始瓦斯壓力分別為0.5MPa～0.7MPa和0.5MPa～1.9MPa，瓦斯含量分別為13.57m3/t和15.49m3/t，全部都屬于可抽放煤層。按照2#、8#煤層綜采工作面的瓦斯來源，決定采用綜合瓦斯抽放技術(shù)對瓦斯進(jìn)行治理。

4.2 綜合瓦斯抽放技術(shù)

(1)順層鉆孔抽放。①對鉆孔位置進(jìn)行布設(shè)。主要采用的是機(jī)巷向上和風(fēng)巷向下兩種方式，施工過程直接在機(jī)巷和風(fēng)巷內(nèi)進(jìn)行，施工時保證各鉆孔間平行，并且應(yīng)偏向工作面方向進(jìn)行布設(shè)，孔與孔的間距可設(shè)置為3m/個，深度應(yīng)控制在60～70m這一范圍內(nèi)，盡量不要超出，并使終孔保持在1～2分層以內(nèi);②抽放效果。該方法分為預(yù)抽和邊采邊抽兩個階段，預(yù)抽時間為6個月，實(shí)際瓦斯抽出率約占總抽出量的35%。采用該方法進(jìn)行瓦斯抽放時，較為關(guān)鍵的技術(shù)是施工和封孔。施工時應(yīng)采用強(qiáng)力鉆機(jī)，封孔時應(yīng)使用聚氨酯進(jìn)行封孔。

(2)高位鉆孔瓦斯抽放。在充分考慮采空區(qū)瓦斯賦存規(guī)律和運(yùn)移特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇在回風(fēng)順槽處采取高位鉆孔抽放技術(shù)。第一個鉆場應(yīng)選擇在回風(fēng)順槽內(nèi)距離工作面煤壁30m的位置，鉆場規(guī)格控制在深為4.0m，寬為4.5m，高為2.3m，并在每間隔30m處掘出一個鉆場。鉆場內(nèi)部鉆出呈扇形排列的4個高位鉆孔，終孔的位置應(yīng)位于裂隙帶的中上部區(qū)域，距離煤層頂板20m～28m處。一般情況下，利用高位鉆孔抽放技術(shù)抽放的瓦斯?jié)舛葹?0%～40%，特殊情況下可達(dá)80%，回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛葹?.5%，濃度值較為穩(wěn)定。

(3)采空區(qū)埋管抽放。應(yīng)當(dāng)采取采空區(qū)埋管抽放技術(shù)，以解決尾巷內(nèi)瓦斯?jié)舛冗^高和上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。具體做法如下:在上順槽內(nèi)的采空區(qū)每間隔約為25m處，埋設(shè)花管(直徑為1.5m)，并做好抽放管路連接。利用采空區(qū)埋管抽放技術(shù)可將瓦斯?jié)舛瓤刂圃?%～8%的范圍內(nèi)。

(4)煤巷密閉抽放瓦斯。就透氣性差、壁層特厚的煤層而言，盡管采取了多種瓦斯抽放措施，但是仍然無法徹底降低煤體內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋挥陧攲庸ぷ髅娴臋C(jī)風(fēng)巷和開切眼處，依舊存在著大量瓦斯向外釋放的現(xiàn)象。所以，應(yīng)選擇在機(jī)巷、開切眼掘出后，同步進(jìn)行順層預(yù)抽與煤巷密閉抽放措施，一般情況下抽放時間為3個月左右，抽放量為0.6m3/min，瓦斯?jié)舛燃s為30%。煤巷密閉抽放瓦斯具備成本低、流量穩(wěn)定、效果好等優(yōu)勢，不需要建設(shè)配合技術(shù)實(shí)施的專門工程，只要做出回采巷道就可以滿足措施實(shí)施要求。

5 結(jié)語

總而言之，煤礦瓦斯事故現(xiàn)已成為影響煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素之一，對其進(jìn)行相應(yīng)的治理已經(jīng)勢在必行。就瓦斯抽放技術(shù)而言，其絕對能夠擔(dān)當(dāng)這一重任，這也是現(xiàn)階段煤礦瓦斯治理的最佳選擇。可以說煤礦瓦斯的治理工作任重而道遠(yuǎn)，為保障煤礦開采過程中的安全性，必須不斷提高煤礦瓦斯的抽放效率和抽放量，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須將重點(diǎn)放在瓦斯抽放技術(shù)上面，只有應(yīng)用最科學(xué)、最合理的瓦斯抽放技術(shù)，才能保證礦井安全生產(chǎn)。

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