煤礦瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化研究與展望

周小剛+莊園+張家彬

摘要：我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)已走向成熟，但大多數(shù)地區(qū)實際應(yīng)用效率低下，瓦斯問題仍制約著煤礦安全生產(chǎn)。為了提高長治地區(qū)瓦斯抽放效率，有效解決礦井瓦斯問題，在該地區(qū)中20多座大中型煤礦開展科研項目的基礎(chǔ)上，分析該地區(qū)瓦斯抽采存在的諸多問題，獲得了瓦斯抽放系統(tǒng)的優(yōu)化方法，為礦井瓦斯抽放提供了必要的技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：瓦斯預(yù)抽；鉆孔；鄰近層；技術(shù)優(yōu)化；展望；

1 我國瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)狀

礦井瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)工作的突出性危害有三個大方面爆炸、突出和窒息。特別的，煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故不僅能對礦井巷道設(shè)施造成巨大的毀壞如井巷垮塌，而且常常會導(dǎo)致礦井火災(zāi)、水災(zāi)和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災(zāi)害事故的連續(xù)發(fā)生[1]。更嚴(yán)重的是，此類事故會造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計的財產(chǎn)損失。因此，煤礦瓦斯抽采工作，勢在必行。

2 山西長治地區(qū)主要可采煤層及瓦斯情況

根據(jù)地質(zhì)資料，山西省長治地區(qū)位于沁水煤田東部，受燕山期構(gòu)造運動控制。由于東西向主壓應(yīng)力作用，構(gòu)造變動在形態(tài)上主要表現(xiàn)為大型開闊褶皺；大部分為第四系黃土覆蓋，主要含煤地層有：石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）由灰-深灰色砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層及石灰?guī)r組成；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）由砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。

該區(qū)屬于煤層富集帶，區(qū)內(nèi)山西組、太原組煤層多達(dá)13層，其中：3-2、3-3、8-1、8-2、12、15-2、15-3為可采煤層。山西組3號煤層為該區(qū)主要可采煤層，在南部長治縣到屯留縣境內(nèi)3號煤層基本沒有分層，平均厚度6m，從襄垣縣北部開始以北地區(qū)分為3-1、3-2、3-3三個分層，根據(jù)襄垣縣上良煤業(yè)地質(zhì)資料上分層3-1未達(dá)到可采厚度，中層3-2厚度1.26-1.30m，屬薄-中厚煤層，3-3煤層厚2.56-2.77m，為中厚煤層。武鄉(xiāng)縣境內(nèi)3-1、3-2煤層尖滅，3-3分層變薄。根據(jù)武鄉(xiāng)縣溫莊煤業(yè)地質(zhì)資料，3號煤層厚度0.55～2.0m，平均1.18m。

太原組8-1、8-2、12、15-2號煤在該區(qū)南部基本屬薄煤層，井田內(nèi)穩(wěn)定性較差，屬局部可采煤層。15-3號煤層在井田內(nèi)屬穩(wěn)定煤層，厚度多在1.30-2.50m之間，為太原組之主要可采煤層。其余大多數(shù)未達(dá)可采厚度。自襄垣縣以北至武鄉(xiāng)縣地區(qū)，15號煤層逐漸增厚，據(jù)三元福達(dá)煤業(yè)地質(zhì)資料，15號煤層厚度3.70～4.97，平均厚度4.47，全區(qū)穩(wěn)定可采，為該井田范圍內(nèi)主要可采煤層。該區(qū)內(nèi)煤層煤類大多屬貧煤，為優(yōu)良動力用煤。

3 瓦斯抽采現(xiàn)狀

長治地區(qū)多數(shù)煤礦為高瓦斯礦井，均已安裝瓦斯抽采系統(tǒng)，其中90%為地面瓦斯抽采系統(tǒng)，且在建的居多，抽采能力勉強滿足生產(chǎn)要求。由于技術(shù)力量及礦井生產(chǎn)遺留問題影響，瓦斯抽采方法及抽采系統(tǒng)存在眾多問題。

瓦斯抽采方法的選用主要依據(jù)瓦斯來源、煤層賦存狀況、采掘布置、開采條件等因素綜合考慮。常用瓦斯抽采方法有：開采層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采。

4 瓦斯抽采方法及存在問題

該區(qū)目前主要開采3號和15號煤層，瓦斯抽采以針對鄰近層和采空區(qū)為主。抽采方法主要采用高位鉆孔。部分礦井兼用上隅角插管方法，少數(shù)礦井兼用本煤層預(yù)抽方法解決開采層瓦斯。

目前存在的主要問題：

1）本煤層瓦斯預(yù)抽不足

長治地區(qū)原小煤礦占多數(shù)，大多數(shù)礦井生產(chǎn)接續(xù)條件限制了煤層瓦斯預(yù)抽時間。本煤層瓦斯沒有得到充分預(yù)抽，回采工作面煤壁瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯超限次數(shù)多。多數(shù)礦井對本煤層瓦斯預(yù)抽重視不夠，一些礦井隨采用本煤層預(yù)抽，但對預(yù)抽時間、鉆孔參數(shù)等無計算和設(shè)計，盲目施工。

2）鄰近層瓦斯抽采效率低下

長治地區(qū)煤層賦存屬于近距離煤層群，工作面瓦斯來源中鄰近層占很大比例。開采之前或開采過程中抽采鄰近層瓦斯能有效減少工作面瓦斯涌出量，減輕通風(fēng)壓力。尤其回采過程中鄰近層及現(xiàn)采采空區(qū)抽采有投資少、可操作性強、見效快等特點。這種方法目前被廣泛應(yīng)用，多數(shù)礦井以這種方法為主。但由于技術(shù)力量不足，缺少具體研究與設(shè)計，多數(shù)礦井鄰近層瓦斯抽采達(dá)不到理想效果。

5 瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化

1） 本煤層預(yù)抽技術(shù)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)鉆孔自然瓦斯涌出特征[1] ，t時刻百米鉆孔瓦斯涌出量qt=q0e-at

通過0～t時刻積分，百米鉆孔在t時間內(nèi)可抽瓦斯總量為：

a 鉆孔間距計算：

應(yīng)用表1中最接近平均值的上莊煤業(yè)數(shù)據(jù)為例，通過計算不同抽采時間下煤層瓦斯預(yù)抽總量和鉆孔瓦斯抽采有效系數(shù)確定瓦斯預(yù)抽時間。

鉆孔抽采有效系數(shù)可根據(jù)百米鉆孔t時間內(nèi)抽采瓦斯總量與理想狀態(tài)（0～∞時間內(nèi)）極限瓦斯抽采量之比求得：

式中：Qt——百米鉆孔在t時間內(nèi)可抽瓦斯總量，m3；Qj——百米鉆孔理想狀態(tài)下極限瓦斯抽采量，m3T——抽采時間，d； K——鉆孔抽采有效系數(shù)，%；α——百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

b 鉆孔間距計算

鉆孔抽采影響范圍內(nèi)的瓦斯抽采率可以根據(jù)不同半徑體積煤體中瓦斯抽采量與該范圍內(nèi)瓦斯總含量之比求得：

式中：η-鉆孔抽采影響范圍內(nèi)的瓦斯抽采率，%；L-鉆孔長度，L=100m；M-煤層平均厚度，m；D-鉆孔抽采影響范圍（直徑），m；Y-煤的平均容量，t/m3；X-煤層平均瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)我國煤層預(yù)抽瓦斯目前水平，按照瓦斯抽采基本指標(biāo)[3]，上莊煤業(yè)抽采鉆孔影響范圍內(nèi)瓦斯抽采率應(yīng)大于40%，為了既減少鉆孔工程量又保證抽采效果，鉆孔預(yù)抽時間為5個月時單孔抽采影響范圍（直徑）取5m。

2）鄰近層瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化

有效解決鄰近層瓦斯的方法是卸壓抽采鄰近層及裂隙帶瓦斯，長治地區(qū)煤層間距小鄰近層瓦斯抽采應(yīng)采用高位鉆孔。

鉆孔參數(shù)的確定：

根據(jù)“三帶”理論，鄰近層抽采鉆孔的布置應(yīng)符合計算結(jié)果，鉆孔終孔位置應(yīng)位于上鄰近層頂板以上2～5m。鉆孔伸入工作面上方段水平投影應(yīng)滿足鉆孔不被破壞的水平投影長度。

計算方法如下：

h—鉆孔終孔位置距開采煤層頂板垂高，m；h1—頂板冒落高度，取5-8倍采高，m；h2—防止鉆孔破壞的預(yù)留高度，應(yīng)不小于2倍的采高，m；鉆孔終孔高度應(yīng)大于鉆孔安全高度，即：h>h1+h2終孔點垂高h(yuǎn)可根據(jù)煤層間距確定，實踐中可取開采層頂板至鄰近層頂板以上1m的距離；L—鉆孔長度，m；L1—頂板巖石卸壓段鉆孔水平投影距離，m；L2—頂板巖石未卸壓段距煤柱距離，m；根據(jù)三角形邊角關(guān)系： S—煤柱以內(nèi)鉆孔段水平投影距離，m；S=L1+L2b—煤柱寬度，m；Φ—頂板巖石卸壓角，71°；β—頂板巖石冒落角，63°；σ—鉆孔傾角。

6 展望

半個世紀(jì)以來，我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)雖取得了很大發(fā)展，但由于我國井工開采煤量大，煤層瓦斯含量非常豐富，抽采瓦斯研究試驗與普及工作差距還很大，區(qū)域瓦斯抽采思路在一些地區(qū)存在打折扣的現(xiàn)象，這就要求我們煤礦的每一位工作人員將瓦斯治理的區(qū)域理念時刻記住并運用在各項工作中，今后瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展的方向應(yīng)圍繞以下幾方面：（1）進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)篩選及適用性研究 ，總結(jié)各項瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用情況、技術(shù)特點、適用范圍和條件，開展適用性研究，為全國各礦區(qū)的瓦斯抽采提供指導(dǎo)。

（2）繼續(xù)研究試驗單～低透氣性煤層強化抽采技術(shù)，提高開采層預(yù)抽的抽采率，降低煤層的瓦斯涌出量，消除或降低這類煤層的突出危險性。

（3）研制功率大 ，故障率低 ，打鉆效率及成孔率高的新型鉆機及配套設(shè)備，完善打鉆工藝，解決松軟煤層打鉆及成孔問題。

（4）研究瓦斯抽采長鉆孔施工及定向技術(shù) ，開發(fā)定向長鉆孔的監(jiān)控裝置，保證鉆孔的各項參數(shù)能達(dá)到設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鐵崗. 煤礦瓦斯綜合治理技術(shù)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

[2] 國家煤礦安全監(jiān)察局，煤礦安全規(guī)程[M] . 北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，《瓦斯抽采基本指標(biāo)》 [M] . 北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[4] 張葉青，賈真真等工作面瓦斯涌出量預(yù)測及瓦斯來源分析[J].中國礦業(yè)，2007.

[5] 劉俊杰，喬德清.對我國煤礦瓦斯事故的思考煤炭學(xué)報[J].煤炭學(xué)報，2006.