試論小煤礦瓦斯抽采中存在的問題

劉健

摘 要：通過對礦井瓦斯涌出的分析來選擇科學而合理的抽采工藝，并在日常工作中完善抽采的系統，加強煤礦工程中瓦斯的抽采管理，可以極大地提高礦井瓦斯抽采的效率，并保證瓦斯最終的抽采效果，也能在最大限度上為礦井安全生產提供保障。

關鍵詞：小煤礦 瓦斯抽采 問題

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0070-01

最近幾年以來煤炭的開采強度以及開采的難度逐步增加，煤炭資源分布的存量日益減少，煤礦的開采條件也已經日趨復雜，這些客觀存在的事實直接導致了我國煤炭行業成為工商業生產之中安全事故最為嚴重的行業之一。相關資料研究顯示自20世紀90年代末至21世紀初，瓦斯爆炸安全事故仍然是煤礦安全事故中最為主要的安全生產事故類型，發生于2009年的山西焦煤集團屯蘭煤礦爆炸事故以及黑龍江龍煤集團的鶴崗公司新興煤礦爆炸事故均為瓦斯抽采爆炸事故。

為了從根本解決當今所存在的煤礦安全生產瓦斯爆炸事故，進而有效地根除煤礦瓦斯所造成的災難，我國國家煤礦安全監察局于新千年時期就提出了對煤礦中的瓦斯實行“先抽后采”的監控方式以及“以風定產”的瓦斯整治方式，國務院在2005年又發布國務院令446號，其內容就是關于預防煤礦生產安全事故的特別規定，內容規定在高瓦斯礦井以及煤礦和瓦斯突出礦井的煤礦開采中必須建立起瓦斯抽采系統并且保證其正常的運行，同時還制訂了煤炭開采相關的鼓勵策略等將煤礦瓦斯作為清潔的能源進行發掘。伴隨著國家對于煤礦瓦斯抽采工作的加強，我國的瓦斯抽采量也呈現逐年提高的趨勢，而煤礦瓦斯的事故爆發率也呈現逐年下降的趨勢。中小煤礦的開采是瓦斯爆炸多發的行業，瓦斯的抽采系統在建設目的上主要就是消除煤層本身比較突出的危險性，以此來降低煤層中瓦斯含量，進而降低瓦斯的涌出量。同時瓦斯的抽采效果也在很大程度上影響礦井的安全生產。在2005年以后煤礦和瓦斯突出礦井及高瓦斯煤礦絕大部分都安裝上了礦井的瓦斯抽采操作系統，并且在安全生產之中發揮極為重要的作用；但是受到還存在的技術手段以及技術瓶頸的限制，有部分小礦井的瓦斯抽采工藝簡單抽采系統還極不健全，抽采系統本身的性能也還并沒有實現其有效的利用。

1 瓦斯抽采工藝

1.1 瓦斯抽采概述

現今，礦井的瓦斯災難已經在很大程度上成了嚴重威脅煤礦安全生產的因素之一，但是瓦斯本身又是一種潔凈能源，在化工工程中也是很優質的化工原料，瓦斯的抽采不僅僅可以極大限度地降低礦井中瓦斯的涌出量，也能夠在很大程度上防止瓦斯爆炸以及其突出的災難，并且抽出的瓦斯還能夠作為一種潔凈能源而加以利用，最終能夠減少其環境污染。所以煤礦工程中的瓦斯抽采對煤礦的安全生產以及能源的利用有極為重要的意義。依據于礦井總瓦斯抽采以及其采掘時間的關系進行分類，煤礦中瓦斯的抽采方法根據抽采階段也可以分為預抽，采中抽采以及煤礦采后抽采這三中類型，其中，預抽以及煤礦采中抽采最為重要，而且其應用也最廣。在煤礦井下，預抽以及煤礦采中抽采的鉆孔依據其在煤礦工程中所處于的位置不同，還包括鄰層鉆孔、穿層孔以及順煤層的鉆孔。

1.2 瓦斯抽采工藝

中小煤礦礦井的瓦斯抽采方案按照瓦斯來源可以分為本層抽采、鄰近層抽采以及采空區抽采等；按照匯集抽采瓦斯的方法又可以分為鉆孔法以及鉆孔巷道混合法；按照瓦斯的抽采原理又可以分為未卸壓采、卸壓采以及各種強化抽采，所謂強化抽采就是人為地提高煤層本身的透氣性能或者增加其涌流暴露的面積等；按照煤礦的施工位置分為兩種類型，包括地面抽采以及礦井抽采等。選擇煤礦中瓦斯的抽采方法主要是依據于煤層本身存在的地質條件、瓦斯含量以及瓦斯來源等等結構因素。現今，在礦區的井下施工鉆孔技術中是主要包括澳大利亞、波蘭以及俄羅斯等世界初產大煤國的主要抽采瓦斯方式。俄羅斯本身地大物博，其本身就是全世界瓦斯資源分布最廣同時儲量最大的國家，俄國主要的瓦斯抽采方式就是井下抽采；而加拿大本土上的瓦斯資源儲存量為全世界第二位，地面鉆孔的抽采瓦斯方式還只是處于勘探階段；在英國以及德國的煤礦瓦斯抽采最主要的方式是井下抽取。美國作為現今科技最為發達的國家，其本身就是全世界率先形成瓦斯商業化開發發展的國家，自20世紀90年代以來，美國已經成功開發出了地面鉆孔抽采瓦斯的技術并且成功運用到商業化生產，在20世紀90年代中期，其地面的瓦斯抽采總量已經占據其總抽采量的80%以上，在21世紀初期，美國總的瓦斯開采量己經超過了年產量500 m3。因為地上開采技術還是一個技術難度比較高的工作，所以現今的主流瓦斯開采技術主要還是井下開采技術，也是目前世界產煤國的瓦斯抽采技術的一項主要研究課題。

在我國采用的最為廣泛的煤礦瓦斯抽采手段中，鄰近層長鉆孔以及順煤層鉆孔這兩種方式最為主要。鄰近層長鉆孔布置主要是在開采的卸壓帶，主要方式是邊采邊抽；順煤層的鉆孔一般是布置在開采的煤層，在煤礦采前進行預抽。這兩種類型的鉆孔有效抽采就是存在于卸壓帶的孔段，一般如果采用常規鉆井方案，其抽采孔段的有效長度比較短，對瓦斯的鉆孔抽采效果比較差，而采用水平定向的鉆進技術能夠極大幅度地增加鉆孔的有效長度，并且極好地提高鉆孔的瓦斯抽采效率以及其抽采量。進行煤層穿層鉆孔一般是沿著開采方向在開采面的同一水平上進行布孔，其開孔的傾斜角度為30 °左右，人后通過進入到卸壓帶的鉆孔段進行瓦斯的抽采。一般而言，常規的穿層孔有效進入到卸壓帶的長度比較短，無法達到比較理想的抽采效果。而如果采用鉆孔進入到卸壓帶以后在進行彎曲鉆進則極好地延長了鉆孔的有效抽采長度，可以最大限度地減少抽采的工作量從而節約成本，極為顯著地提高瓦斯開采鉆孔的瓦斯抽采速度。通過對近幾年來的礦井瓦斯抽采技術的總結，可以看出，僅僅從抽采的效果來看，采用傾斜頂板巖巷對鄰近層瓦斯進行抽采能夠做到有效抽采距離最遠，其抽采的效果最佳。通過綜合分析來看，大直徑鉆孔所帶來的經濟指標遠遠高于傾斜頂板巖巷的方式。并且如果其選擇的鉆孔間距得當，或者其所通過采取的有效措施使得鉆孔在卸壓帶的有效抽采段得到最大程度的延長，其抽采技術指標能夠達到頂板巖巷水平。endprint

2 瓦斯抽采管理

我國國內自20世紀50年代開始在東北撫順礦區進行煤層瓦斯抽采，到20世紀70年代，煤礦研究科室總院下轄的撫順研究院在山西省陽泉礦務局的一礦研究中采用大直徑鉆孔預抽瓦斯法，技術突破從開采瓦斯鉆孔直徑從7 cm增加到30 cm時，本層煤層的瓦斯抽采量擴大了3.5倍。在我國第8個5年計劃期間，撫順研究院以及焦作礦務局又初步地試驗研究交叉布孔抽采本煤層瓦斯技術，建立于大量的開采試驗研究中的數據表明，交叉布孔在最終抽采效率上比平行布孔提高超過30%，在瓦斯的抽采量可也有顯著的提高。在研究中，我國煤炭開采科研人員又相繼地成功且推廣了鄰近層抽采瓦斯以及采空區抽采瓦斯等技術工藝。同時也積極大范圍地開展地面鉆孔抽采瓦斯的研究。在開采技術手段上，其研究極為重要，同時對于加強瓦斯抽采系統的日常管理也是重中之重，合理科學的管理也是提高抽采系統運行效率的保證，是瓦斯開采的重要環節，中小型的煤礦因為其技術支持薄弱，瓦斯抽采技術以及其管理等經驗還極為欠缺，從而更加容易導致其抽采監測系統運行出現異常，比如管路阻力過大而管路漏氣等問題，管理模式是否科學合理還在很大程度上影響到瓦斯抽采最終的效果系統運行，管理模式對于各個抽采點抽采瓦斯的濃度負壓抽采量等各方面的技術參數無法做到準確監測，這對于抽采效果考察抽采工藝優化及抽采系統的安全運行影響也很大，特別是礦井抽采系統抽采的能力偏小的時候，這就需要對各個抽采點進行合理地分配，這樣才能夠滿足礦井瓦斯治理的需求。

3 小煤礦瓦斯抽采方法的應用

3.1 實例礦區概況

以興黔煤礦礦區為例，其煤礦總量為1090萬t，其本身的煤炭資源條件、煤炭的開采技術以及其地質條件均比較優良，在很大程度上都能夠符合生產要求，生產能力達到30 t/a。該礦在設計施工中發現并且經過當地的煤炭管理部門核實。在采區的東翼1300 m標高的14以及16號煤礦區均為采空區，在一采區之上的西翼14號煤在1350 m以上為采空區，在對原煤窯進行改造時主要還是在其原設計采集工作面。在煤礦區的內部其主要地形屬于低中山地，溝谷縱橫；其采集面的地勢呈現出南部較高而北部較低，海拔標高為1300 m+1400 m，而最高海拔點是礦區南部山脊，海拔為1460 m，而最低點則是在礦區東部的河谷地區，海拔標高為1303 m，高度差為163 m。在礦山內，從沒有發生過崩塌、地面塌陷以及地裂等各種地質上的災害，工業廣場及其周邊也未發現潛在的地質災害，而且在礦山以及周圍的工業廣場遭受到地質災害危害的潛在可能性也很小。

3.2 抽采工藝

3.2.1 斜交鉆孔的方式對興黔煤礦礦區高瓦斯抽采

對于采用何種抽采方式進行開采，興黔煤礦的研究人員研究比較了多種方式，最終采用斜交鉆孔的方式進行抽采，因為鉆孔法本身用于預抽本煤層瓦斯有許多優點，比如其成本較為低廉、施工技術也比較簡便、同時抽放瓦斯的地理位置比較高等。所以該方法存在于我國絕大部分煤礦開采技術中，一般情況來說，高濃度瓦斯含量且低透氣性的煤層如果采用斜交鉆孔進行瓦斯的預抽的效果差，而采用一些技術手段進行煤體預抽在很多時候也僅僅只能在短期以內有用，而無法在預計時間以內達到在瓦斯抽采初期的效果。對于在抽采過程中的壓差參數控制也極為重要，煤礦的瓦斯抽采系統抽采泵站的工作壓力大多數情況下僅為30 kPa，而抽采的混合量為30 m3/min，有文獻報道，因為負壓管路積水所造成的最大阻力損失約為5千帕，而正壓管路的積水所造成最大阻力的損失約為7 kPa。而管路積水所造成抽采系統的能力損失超過25%。在安裝了正負放水器并且加強抽采過程中的放水管理以后，管路阻力的損失就明顯地下降了，抽采泵站的工作壓力也由30千帕提高到了38 kPa，而瓦斯抽采量也因為3.6 m3/min增加到了5.5 m3/min以上，這樣就使得抽采系統運行的效率抽采效果就明顯地提高了。

3.2.2 在興黔煤礦運用仰角鉆孔抽采上隅角瓦斯

最近幾年來，順層鉆孔布置以及鉆場扇形這兩種布置方式一般是選擇鉆孔法預抽瓦斯的最為主要的方式。在使用鉆場扇形的的布置方式來進行開采的時候，為良好地解析出回采過程中瓦斯的涌出，還可以采取預先挖掘進出的礦區煤層巷道，在鉆場的內部沿著煤層進行扇形鉆孔，先抽放瓦斯，然后再回采進行瓦斯抽采。也可以在采掘的工作面的回采時間內采用邊采邊抽的技術，邊采邊抽主要目的就是為降低采煤的生產過程之中接替工作過于緊張而出現的問題。一般采取鉆場扇形鉆孔進行工作面的瓦斯的抽采，鉆場間距為50 m，能夠做到在挖掘進工作面時向前掘進，然后在其后面能夠同時在鉆場之內進行抽采鉆孔，這樣就可以做到瓦斯抽采和采煤的平行作業。對每一個存在的鉆場都采用扇形方式打孔，而每個鉆場至少需要布滿8個孔，鉆孔深度主要有70 m的兩個，140 m的一個，150 m的兩個。在鉆孔完成之后，就可以將打好的這五個孔同時連接到瓦斯抽采管路之上抽采，在開始時的瓦斯濃度超過45%，而在開采5 h以后，瓦斯的濃度就開始發生遞減，在開采5 h以后其濃度僅為0.6%。而在開采18 h以后，其濃度降低到0.3%。

4 瓦斯抽采系統完善

因為中小型煤礦工程中，其所處礦區的地質條件較為復雜，其煤層的結構變化極大，瓦斯儲存結構也不均勻，其開采的工藝也很不規范等，這就造成礦井中瓦斯所涌出的來源以及其瓦斯涌出量的變化較大，礦井規劃并且實施的抽采方法以及其抽采工藝也極有可能無法做到符合實際生產需要而造成瓦斯的抽采效果欠佳，這就無法解決實際生產過程中的瓦斯涌出超限等技術性問題。這個時候就應該加強礦井的瓦斯檢測做到極好地分辨出瓦斯的涌出源，并且考察瓦斯所涌出的量的規律，通過大量統計研究表明對抽采的方法以及抽采工藝調整并且對抽采的效果考察極大地改進開采技術，最終不斷地完善瓦斯抽采。因為地質條件等各種類型因素的影響，其中小型礦井采掘規劃以及工程的開采工藝等各方面都不規范，這就造成了在實際生產過程中瓦斯涌出源以及其涌出量的預測參數均有著極大的變化；同時在另外一方面，受到資金建設等各種類型因素的影響，應該及時地對管理系統進行改造并完善。

5 結語

現今，我國所采取的礦井瓦斯的抽采技術還主要停留在井下的瓦斯抽采技術，已經較為成熟的井下抽采包括本煤層鉆孔抽采、采空區鉆孔抽采以及開掘專用瓦斯抽采巷道抽采等各種技術方法。伴隨我國現今經濟技術迅速的發展對于煤炭需求的日益大幅度增長，我國在煤炭開發方向將向地底深部發展，這就使得煤炭安全生產面臨更加嚴峻的挑戰。而綜合性的瓦斯抽采是在未來煤礦開采技術發展的重點方向。而其中的瓦斯開采技術則是其發展的瓶頸之一。所以在綜合性的瓦斯抽采技術中，需要研究一個采區同時多種抽采方案，最終實現采前以及開采期間的高效抽采。

參考文獻

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