煤礦瓦斯抽采技術優化研究與展望

周小剛+莊園+張家彬

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

關鍵詞：瓦斯預抽；鉆孔；鄰近層；技術優化；展望；

1 我國瓦斯抽采技術現狀

礦井瓦斯對煤礦安全生產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施造成巨大的毀壞如井巷垮塌，而且常常會導致礦井火災、水災和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災害事故的連續發生[1]。更嚴重的是，此類事故會造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計的財產損失。因此，煤礦瓦斯抽采工作，勢在必行。

2 山西長治地區主要可采煤層及瓦斯情況

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

該區屬于煤層富集帶，區內山西組、太原組煤層多達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號煤層為該區主要可采煤層，在南部長治縣到屯留縣境內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分為3-1、3-2、3-3三個分層，根據襄垣縣上良煤業地質資料上分層3-1未達到可采厚度，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。武鄉縣境內3-1、3-2煤層尖滅，3-3分層變薄。根據武鄉縣溫莊煤業地質資料，3號煤層厚度0.55～2.0m，平均1.18m。

太原組8-1、8-2、12、15-2號煤在該區南部基本屬薄煤層，井田內穩定性較差，屬局部可采煤層。15-3號煤層在井田內屬穩定煤層，厚度多在1.30-2.50m之間，為太原組之主要可采煤層。其余大多數未達可采厚度。自襄垣縣以北至武鄉縣地區，15號煤層逐漸增厚，據三元福達煤業地質資料，15號煤層厚度3.70～4.97，平均厚度4.47，全區穩定可采，為該井田范圍內主要可采煤層。該區內煤層煤類大多屬貧煤，為優良動力用煤。

3 瓦斯抽采現狀

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

瓦斯抽采方法的選用主要依據瓦斯來源、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瓦斯抽采。

4 瓦斯抽采方法及存在問題

該區目前主要開采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，少數礦井兼用本煤層預抽方法解決開采層瓦斯。

目前存在的主要問題：

1）本煤層瓦斯預抽不足

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

2）鄰近層瓦斯抽采效率低下

長治地區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，減輕通風壓力。尤其回采過程中鄰近層及現采采空區抽采有投資少、可操作性強、見效快等特點。這種方法目前被廣泛應用，多數礦井以這種方法為主。但由于技術力量不足，缺少具體研究與設計，多數礦井鄰近層瓦斯抽采達不到理想效果。

5 瓦斯抽采技術優化

1） 本煤層預抽技術優化設計

根據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時間內可抽瓦斯總量為：

a 鉆孔間距計算：

應用表1中最接近平均值的上莊煤業數據為例，通過計算不同抽采時間下煤層瓦斯預抽總量和鉆孔瓦斯抽采有效系數確定瓦斯預抽時間。

鉆孔抽采有效系數可根據百米鉆孔t時間內抽采瓦斯總量與理想狀態（0～∞時間內）極限瓦斯抽采量之比求得：

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

b 鉆孔間距計算

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

式中：η-鉆孔抽采影響范圍內的瓦斯抽采率，%；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。

根據我國煤層預抽瓦斯目前水平，按照瓦斯抽采基本指標[3]，上莊煤業抽采鉆孔影響范圍內瓦斯抽采率應大于40%，為了既減少鉆孔工程量又保證抽采效果，鉆孔預抽時間為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優化

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，長治地區煤層間距小鄰近層瓦斯抽采應采用高位鉆孔。

鉆孔參數的確定：

根據“三帶”理論，鄰近層抽采鉆孔的布置應符合計算結果，鉆孔終孔位置應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—防止鉆孔破壞的預留高度，應不小于2倍的采高，m；鉆孔終孔高度應大于鉆孔安全高度，即：h>h1+h2終孔點垂高h可根據煤層間距確定，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；根據三角形邊角關系： S—煤柱以內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

半個世紀以來，我國煤礦瓦斯抽采技術雖取得了很大發展，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，區域瓦斯抽采思路在一些地區存在打折扣的現象，這就要求我們煤礦的每一位工作人員將瓦斯治理的區域理念時刻記住并運用在各項工作中，今后瓦斯抽采技術發展的方向應圍繞以下幾方面：（1）進行瓦斯抽采技術篩選及適用性研究 ，總結各項瓦斯抽采技術的應用情況、技術特點、適用范圍和條件，開展適用性研究，為全國各礦區的瓦斯抽采提供指導。

（2）繼續研究試驗單～低透氣性煤層強化抽采技術，提高開采層預抽的抽采率，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 ，開發定向長鉆孔的監控裝置，保證鉆孔的各項參數能達到設計要求。

參考文獻：

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

[2] 國家煤礦安全監察局，煤礦安全規程[M] . 北京：煤炭工業出版社，2010.

[3] 國家安全生產監督管理總局，《瓦斯抽采基本指標》 [M] . 北京：煤炭工業出版社，2006.

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

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