中國煤礦瓦斯抽采技術裝備現狀與展望

王耀鋒

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦瓦斯，又名煤層氣，是成煤過程中由有機質演化生成并賦存于煤系地層內的烴類氣體，它兼具優質清潔能源、主要溫室氣體和礦井致災氣體三重屬性。作為我國重要的非常規天然氣資源，其儲量十分豐富[1]，我國僅埋深在2 000 m 以淺的煤層氣地質資源儲量就有36.81×1012m3，其中可采資源量為10.87×1012m3（約占30%）。作為主要溫室氣體之一，煤層氣的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的溫室效應是二氧化碳（CO2）的21 倍。作為礦井主要致災氣體，瓦斯是瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和瓦斯燃燒等事故的主要誘因之一，且瓦斯事故往往具有發生突然、破壞強度大、范圍廣等特點。根據黃繼廣等[2]對2009—2018 年間全國煤礦各類死亡事故的不完全統計，在所發生的各類死亡事故中，共發生瓦斯事故722 起（占事故總起數的10.2%），瓦斯事故死亡人數為3 433 人（占總死亡人數的28.1%）。因此，能同時滿足能源供應、環保和安全生產3 個方面需求的煤礦瓦斯（煤層氣）高效開發利用技術，一直是國內外采礦界關注的熱點和關鍵科學問題。

目前，我國煤礦開采以每年約10～20 m 的速度向深部不斷延深[3]，隨著煤炭開采新興技術與裝備的不斷投用，礦井的開采強度和延深速度將進一步加大。再者，煤層的原始瓦斯含量和瓦斯壓力也在一定范圍內隨開采深度的增加而增大。綜合考慮以上因素，在全國煤炭總產量基本保持穩定的前提下，我國煤礦的總瓦斯涌出量也將持續增大。據統計[4-5]，2017 年我國煤礦風排瓦斯量達170 億m3，井下瓦斯抽采量為128 億m3，地面煤層氣產量為50 億m3。如忽略地面抽采的影響，則2017 年我國煤礦的年總涌出量達到近300 億m3。煤層瓦斯抽采是繼機械通風后在煤礦瓦斯災害防治技術上的又一次巨大進步，是減少礦井風排瓦斯量、防治瓦斯災害的治本措施。國家先后出臺的一系列加強煤礦瓦斯防治工作的重要舉措，有力地推動了煤礦瓦斯（煤層氣）抽采水平的不斷提升。特別是“十二五”以來，我國煤礦區煤層氣開發利用取得了令人矚目的成就，煤層氣產量由2011 年的115 億m3提高至2018 年的184 億m3，科技進步對產業發展貢獻巨大[5]。

然而，我國煤礦瓦斯（煤層氣）的賦存條件具有“三低一高”（低飽和度、低滲透性、低儲層壓力，高變質程度）的特點，此類條件下的瓦斯抽采屬于世界性難題，傳統的技術難以支撐該產業持續快速發展，直接移植國內外其他地區的成功經驗也難以奏效。對照我國煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十三五”規劃[6]的發展目標，到2020 年，我國煤層氣（煤礦瓦斯）抽采量達到240 億m3（其中地面100 億m3、井下140 億m3）。若按近年來煤層氣產量的增率來估算，到2020 年末，地面煤層氣產量難以突破70 億m3，這將造成連續3 個“五年規劃”完不成產量目標的局面。基于此，對我國現有煤礦瓦斯抽采技術進行了系統分類梳理，簡要回顧了其發展歷程，在總結分析其發展現狀與技術瓶頸的基礎上，展望了其未來發展趨勢，以期為“十四五”期間我國煤礦瓦斯抽采技術的發展提供建議。

1 煤礦瓦斯抽采方法分類

煤礦瓦斯抽采的目的是：針對不同的瓦斯涌出源，依據開采空間與時間條件，綜合考慮抽采工程（鉆孔或巷道）施工的可行性和經濟性，采取不同的抽采方法或工藝有效地抽出瓦斯，減少瓦斯向風流涌入并防止局部積聚，保障煤礦安全生產，并盡可能地利用抽出瓦斯以降低對環境的污染。

至今，我國尚未對煤礦瓦斯抽采方法制定統一分類的標準。于不凡[7]把瓦斯抽采方法分為：未卸壓煤層和圍巖抽采、卸壓煤層和圍巖抽采、采空區抽采和綜合抽采；俞啟香[3]把瓦斯抽采方法分為：開采層抽采、鄰近層抽采、采空區抽采和圍巖抽采。這2 種分類方法的主要依據是開采煤層和鄰近煤（巖）層的空間關系，在次級分類方法上則考慮開采時間關系。為適應《煤礦瓦斯抽采基本指標》的考核要求，程遠平[8]提出的分類方法為：第1 層次按煤層的開采時間劃分為采前抽采（預抽）、采中抽采和采后抽采；第2 層次按煤層開采的空間關系劃分為本煤層抽采、鄰近層抽采、回采工作面抽采、掘進工作面抽采和采空區抽采；第3 層次為具體瓦斯抽采方法，如穿層鉆孔抽采、順層鉆孔抽采等。

經查閱文獻，總結出目前瓦斯抽采方法大致有以下幾種分類方式。

1）按抽采工程的施工位置分類：可分為地面抽采、井下抽采和井上下聯合抽采3 大類。地面抽采一般通過施工地面鉆井進行抽采，次級分類多按鉆井的類型來劃分，如直井、U 型井、L 型井、對接井、叢式井等。井下抽采一般通過施工鉆孔、巷道或埋設抽采管路進行抽采，次級分類多按照瓦斯來源分為本煤層瓦斯抽采（包括預抽、邊采邊抽、邊掘邊抽等）、鄰近層（包括圍巖及鄰近煤層）瓦斯抽采和采空區瓦斯抽采（包括高位鉆孔、頂板定向水平長鉆孔、高抽巷、埋管抽采、尾巷抽采等）。

2）按煤層的開采時間分類：采前抽采（預抽、邊掘邊抽）、采中抽采（邊采邊抽）和采后抽采。

3）按原始煤體的透氣性分類：高透氣性煤層抽采、低透氣性煤層強化抽采。

4）按所抽采煤（巖）層的應力狀態分類：未卸壓煤（巖）層抽采、卸壓煤（巖）層抽采及強化抽采（人為卸壓）等。

5）按抽采瓦斯工藝分類：鉆孔（地面鉆孔、穿層鉆孔、順層鉆孔等）抽采、巷道（頂、底板巖巷、煤巷及尾巷等）抽采及插（埋）管抽采等。

6）按煤層的開采技術條件分類：單一煤層抽采、遠距離煤層群抽采及近距離煤層群抽采等。

7）按瓦斯抽采設備的安設位置分類：地面固定式抽采、井下移動式抽采。

8）按抽采系統內瓦斯濃度分類：高濃度瓦斯抽采、低濃度瓦斯抽采；按抽采系統壓力分類：高負壓瓦斯抽采、低負壓瓦斯抽采。

總之，考慮抽采問題的角度不同，對瓦斯抽采方法的分類方式也不盡相同。

2 煤礦瓦斯抽采技術的發展

中國是文獻記載最早利用天然氣的國家，早在晉朝時期常璩撰寫的《華陽國志》（354 年）一書，就描述了2200 多年前秦朝時期四川臨邛縣鉆井開采天然氣煮鹽的情景。明末宋應星所著的《天工開物》（1637 年）一書，記載了利用竹管引排煤中瓦斯的方法，這是最早關于煤礦人工排放煤中瓦斯的文獻記載。自1938 年撫順礦務局龍鳳煤礦首次利用瓦斯抽采泵開展采空區瓦斯抽采起，開啟了我國利用機械設備抽采瓦斯的歷程，1952 年龍鳳煤礦建立正規抽采泵站標志著我國煤礦進入工業規模連續抽采瓦斯階段。

2.1 我國煤礦瓦斯（煤層氣）抽采的發展歷程

近70 年來，隨著煤炭行業的波浪式前進、煤炭產量的持續增加、礦井瓦斯涌出量的日益增大、生態環境約束趨緊、國家對煤礦瓦斯防治工作政策法規的接連出臺和監察監管力度的不斷加大，我國煤礦瓦斯抽采技術得以迅速發展。為方便敘述與分析，以煤礦井下瓦斯抽采和地面煤層氣開發的發展水平及國民經濟和社會發展五年規劃（“十一五”前為“五年計劃”）綱要的時間節點為依據，把煤礦瓦斯（煤層氣）抽采的發展歷程劃分為4 個階段[9]。

第1 階段：井下瓦斯抽采的探索發展和地面煤層氣開發的試驗階段（1952—1990 年）。此階段跨越國家“一五”至“七五”這7 個五年計劃時期。王魁軍[10]等按照這一階段不同時期主要發展的瓦斯抽采技術特點將其細分為4 個階段，即高透氣性煤層瓦斯抽采階段、鄰近層卸壓瓦斯抽采階段、低透氣性煤層強化抽采瓦斯階段和綜合抽采瓦斯階段。20 世紀50年代初期，在撫順的高透氣性特厚煤層中，首次采用井下鉆孔預抽煤層瓦斯獲得成功，并將抽出的瓦斯作為民用燃料來利用，標志著進入高透氣性煤層瓦斯抽采階段。50 年代中期至60 年代初，在陽泉礦區煤層群開采的礦井中，采用穿層鉆孔抽采上鄰近層瓦斯的試驗首獲得成功，此后又在該礦區試驗成功利用高抽巷抽采上鄰近層瓦斯技術，這一階段被稱為鄰近層卸壓瓦斯抽采階段。從20 世紀60 年代初期進入了低透氣性煤層強化抽采瓦斯階段，為解決低透氣性高瓦斯或突出煤層采用常規鉆孔預抽效果不理想問題，試驗研究了包括深孔預裂控制爆破、水力壓裂、水力割縫等在內的多種強化抽采瓦斯方法，多數方法在試驗區能夠提高瓦斯抽采量, 但仍處于試驗階段，沒能大范圍推廣應用。從20 世紀80年代開始，為提高瓦斯抽采量和抽采率，以解決高產高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的問題，綜合考慮煤層開采技術條件，把多種瓦斯抽采方法有機結合起來實施瓦斯綜合抽采，由此進入綜合抽采瓦斯階段，直至國家“七五”計劃末期。第1 階段期間的煤礦井下瓦斯抽采為我國煤炭產量的穩步提升起到了重要支撐作用。1975 年，我國在遼寧撫順、山西陽泉等礦區開展了地面直井開采煤層氣試驗，但都未能取得理想的效果。

第2 階段：井下瓦斯抽采的加速發展和地面煤層氣開發的探索、啟動階段（1991—2005 年）。此階段涵蓋了國家“八五”至“十五”3 個“五年計劃”時期。1997 年煤炭工業部頒布了《礦井瓦斯抽放管理規范》和煤炭行業標準《煤礦瓦斯抽放技術規范》，明確了必須建立瓦斯抽采系統的條件及驗收要求。為加強對煤礦安全生產工作的組織領導，2000 年成立國家煤礦安全監察機構。在2002—2005 年期間，國家又以30 億元/年的資金投入來帶動地方和企業投資，對重點煤礦進行了瓦斯治理和安全技術改造。上世紀90 年代中期開始，國內對煤礦井下鉆探設備的研究集中于回轉鉆進和組合鉆具定向技術與裝備方面。1997—2005 年期間，部分煤炭企業為了提高瓦斯抽采水平，開始引進多套包括采用孔底馬達定向鉆進的千米鉆機在內的國外先進瓦斯抽采技術與裝備[11]，在一定程度上提高了抽采鉆孔施工能力。國家“九五”攻關科研成果，如大直徑鉆（擴）孔、網格式密集鉆孔、交叉鉆孔等，為進一步提高預抽煤層瓦斯能力奠定了基礎。通過國家“十五”攻關項目《煤層氣井下抽放成套工藝技術研究》專題研究，順煤層長鉆孔成孔工藝技術取得突破，在晉城礦區寺河煤礦施工鉆孔長度已達500 m。這一期間，針對煤層群和松軟煤層的開采地質條件，創立和發展了煤層卸壓抽采模式—淮南模式[12-13]，解決了多煤層、構造煤發育地區高瓦斯礦井抽采的技術難題，促進了瓦斯抽采技術的快速發展。由于政府的政策引導和資金支持，本階段我國煤礦瓦斯抽采迅速發展，據不完全統計，到2005 年，我國已有228 座煤礦開展瓦斯抽采，全國抽采總量大幅度增長至23 億m3。

在地面煤層氣開發方面，也開始進入積極探索階段。1989 年原能源部召開的第1 次“開發煤層氣研討會”，掀起了國內全面勘探開發煤層氣的熱潮[14]。隨著1996 年中聯煤層氣有限責任公司的成立，在地面煤層氣開發步入了基礎研究與開發試驗并舉的階段，中石油、中石化和部分煤礦企業也分別在井下和地面開展了初步的勘探與試驗[15]。1998 年在阜新市劉家礦區開展的采前地面預抽煤層氣的試點工作，2003 年煤層氣地面小井網試驗成功[16]，標志著我國地面煤層氣開發從試驗階段進入商業化生產啟動階段。在90 年代中后期，安徽的淮北、山西的沁水煤田等地也進行了地面煤層氣開發試驗并取得了不錯的成果[17]。

第3 階段：井下瓦斯規模化抽采和地面煤層氣商業化開發階段（2006—2015 年）。此階段即為國家“十一五”、“十二五”這2 個“五年規劃”階段。2005年國家能源局發布的《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》提出了“可保盡保、應抽盡抽、先抽后采、煤氣共采”的瓦斯綜合治理戰略[8]。2006 年國務院辦公廳《關于加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的若干意見》，首次將瓦斯抽采和煤層氣開發統稱為煤層氣（煤礦瓦斯）抽采，并明確要求：必須堅持先抽后采、治理與利用并舉的方針；煤層中噸煤瓦斯含量必須降低到規定標準以下，方可實施煤炭開采。制定的煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十一五”和“十二五”規劃，都將煤層氣（煤礦瓦斯）抽采作為煤礦瓦斯綜合治理的治本之策。2006 年國家安全生產監管總局發布了《煤礦瓦斯抽采基本指標》，要求煤礦經抽采瓦斯后，采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回風流瓦斯含量必須達標。這些方針政策的接連出臺，極大促進了煤層氣（煤礦瓦斯）抽采的進步。以松藻礦區為代表，開展了松軟突出煤層鉆進及煤礦井下水力壓裂增透抽采為主的技術示范，形成“三區配套三超前增透抽采”的煤與煤層氣協調開發模式—松藻模式[18]。2006—2017 年期間，全國瓦斯（煤層氣）抽采情況[4,19-20]如圖1，煤礦瓦斯事故死亡人數[21-23]如圖2。從圖中可以看出，2006 至2015年期間，隨著煤炭產量的持續增加和井下規模化抽采的發展，井下瓦斯抽采量、利用量迅速增長，而煤礦瓦斯事故起數和死亡人數急劇下降。2015 年，全國瓦斯抽采礦井數已達1 800 余座，建成了30 個年抽采量達到億m3級的煤礦，全國煤礦井下瓦斯抽采量135.7×108m3。

圖2 2006—2017 年煤礦瓦斯事故起數、死亡人數統計Fig.2 Statistics of coal mine gas accidents and deaths from 2006 to 2017

在煤層氣開發方面，以晉城礦區為代表，把煤礦井下瓦斯治理和煤層氣地面開發結合起來，形成了三區聯動的煤層氣（煤礦瓦斯）立體遞進抽采模式—晉城模式[24]，實現了對單一厚煤層的規模化抽采。從圖1 可以看出，2006 至2015 年期間，隨著煤炭產量的持續增加和地面煤層氣商業化進程加速，地面煤層氣產量持續增長。到2015 年全國新鉆煤層氣井11 300 余口，新增煤層氣探明地質儲量3 504×108m3，全國煤層氣地面開發量達到43.3×108 m3，進入了地面煤層氣商業化開發階段。

第4 階段：煤炭開采和地面煤層氣開發、井下瓦斯抽采的協同規劃與聯合開發階段（2016 年至今）。此階段自“十三五”規劃開始，至今已將近5 年。中國的經濟發展速度從2012 年開始放緩并進入新常態，2016 年國家實施了“煤改氣”“油改氣”等天然氣替代項目且煤炭開始去產能，這些原因導致全國煤炭產量略有下降，至2018 年煤礦井下瓦斯抽采量也略有下降但降幅不大。與此同時，地面煤層氣開發量雖穩步增長，但增幅也很小。2016 版《煤礦安全規程》第35 條，要求有突出危險煤層的新建礦井開工前，應當對首采區突出煤層進行地面鉆井預抽瓦斯，且預抽率應當達到30%以上。2019 版《防治煤與瓦斯突出細則》第16 條，要求按突出礦井設計的礦井建設工程開工前，應當對首采區內評估有突出危險且瓦斯含量大于等于12 m3/t 的煤層進行地面井預抽煤層瓦斯，預抽率應當達到30% 以上；第64條對于煤層瓦斯壓力達到3 MPa 的區域，不能開采保護層或者采用遠程操控鉆機施工鉆孔預抽煤層瓦斯的，應當采用地面井預抽煤層瓦斯。這些要求將在一定程度上促進地面煤層氣開發工作。

雖然前期我國煤礦瓦斯（煤層氣）抽采取得了很大進展，已進入了井下瓦斯規模化抽采和地面煤層氣商業化開發階段，初步建立了煤與煤層氣協調開發模式，形成了一批適應我國煤層氣（煤礦瓦斯）資源賦存條件的抽采關鍵技術，但“十三五”規劃已近尾聲，煤層氣產業的實際發展遠低于預期。這是由于我國煤礦瓦斯（煤層氣）的賦存條件的先天不足且開采深度日益增加造成抽采難度不斷加大，加之受中國煤炭去產能、重安全和環保輕資源開發等外部環境因素的影響造成的。可以預見，單井產氣量低、地面煤層氣抽采量少、煤層氣（煤礦瓦斯）利用率偏低的局面仍將在較長時期內持續存在。

早在2003 年，錢鳴高等[25]就把煤與瓦斯共采技術作為煤礦綠色開采技術之一提了出來。此后，程遠平[26]、袁亮[13,27]、王家臣[28]、謝和平[29]等圍繞這一關鍵技術開展了理論、技術體系和試驗研究，取得了大量的成果。煤與瓦斯共采技術的實質是：為克服已有煤礦瓦斯（煤層氣）抽采技術的不足，利用煤炭開采過程中所形成的采動作用，使煤巖層所處的應力場得以釋放、煤巖體內部結構變化，以增加煤巖層的滲透特性，進而促進煤層內瓦斯吸附解吸動態平衡狀態的變化，使瓦斯更多地向游離態轉化，從而實現煤炭資源與瓦斯能源的共同開采。這樣既解決了煤炭開采過程中的瓦斯災害，又提高了瓦斯這種優質清潔能源的收集與利用效率。煤與瓦斯共采技術體系尚存在大量急需研究解決的核心理論與技術問題，它們直接關系著煤與瓦斯共采技術體系理論系統的完善及在現場應用效果。

我國煤炭資源的基礎能源地位決定了煤炭開采在國家能源供給中的決定性作用。煤與煤礦瓦斯（煤層氣）耦合伴生，煤礦瓦斯（煤層氣）抽采與煤炭的開采密切相關，因此，將煤礦瓦斯（煤層氣）抽采與煤炭開發相結合，把煤礦瓦斯（煤層氣）抽采的資源屬性和煤炭開采的安全屬性充分結合，堅持井上下聯合立體抽采的方針，不斷加大卸壓抽采和煤與瓦斯共采的力度，通過協同規劃與聯合開發實現煤礦瓦斯（煤層氣）與煤炭協調開發是未來必由之路，也是本階段的工作重點。

2.2 煤礦瓦斯抽采典型技術進展

前已述及，經過近70 年的探索與實踐，我國已發展出種類繁多、各具特色的瓦斯抽采技術，基本建立了瓦斯抽采技術體系。煤礦瓦斯抽采方法的選擇, 主要是依據礦井瓦斯來源、煤層開采技術條件、煤層開采順序及采掘巷道布置等因素來進行綜合考慮。由于礦井數量眾多且煤層賦存條件復雜多樣，因此幾乎所有的瓦斯抽采方法都在我國進行過試驗與應用，許多瓦斯抽采技術已成為礦井瓦斯治理常規措施。限于篇幅，不能一一介紹，僅篩選出6 種應用前景看好的瓦斯抽采技術裝備，闡述它們的研究進展與應用情況。

2.2.1 碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術

對于碎軟低滲高瓦斯煤層來說，由于其強度低、彈性模量小、泊松比高的力學特性，在煤層內施工定向長鉆孔極易發生卡鉆、埋鉆、噴孔等現象，導致鉆進成孔十分困難，即使成孔后也常出現井壁失穩、垮塌、固井質量不好等問題。若直接對碎軟煤層進行壓裂改造，往往很難在碎軟煤層中形成長縫且壓裂砂鑲嵌嚴重，造成泄流面積有限、增滲效果不明顯。因此，在碎軟低滲煤層瓦斯抽采中的“煤層水力壓裂穩定造縫”一直是急需解決的關鍵技術難題[30]。

2013—2015 年，在淮北蘆嶺井田施工了1 組U型對接井，試驗了沿煤層頂板的砂質泥巖中施工水平井并進行分段壓裂的煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術，煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術原理如圖3。該技術的關鍵問題是：套管水平井在分段壓裂過程中壓裂縫能否向下延伸到煤層中，壓裂縫是否既在巖層橫向延伸又能在煤層中橫向延伸。頂板巖層水平井分段壓裂工藝為：施工U 型對接井→采用地質導向鉆進技術在頂板巖層中（緊鄰煤層2 m）施工水平井段→下入生產套管固井→采用泵注橋塞電纜射孔壓裂技術實施水平井分段壓裂→精細排采。該井組從2015 年1 月開始排采，截至2017 年2 月28 日，日產量最高達10 754.8 m3，連續3 個月日產氣量達1 萬m3以上，累計產氣量401.57 萬m3。

圖3 煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術原理Fig.3 Technology principle of fracturing and permeability enhancement in horizontal well with roof of coal seam

本技術可實現對碎軟低滲高瓦斯煤層的增滲及高效預抽。在煤層回采過程中，頂板覆巖發生變形破壞，地面直井及水平井井身結構也會有一定程度的破壞。若破壞程度較小，還可以利用直井和水平井的垂直段，對回采期間的煤層卸壓瓦斯和井筒附近一定范圍內的采空區瓦斯進行抽采，甚至對老空區內的瓦斯進行間歇式抽采，實現一井多用。

2.2.2 采動區地面L 型頂板水平定向井抽采技術

對于開采原始瓦斯含量不高的厚煤層或特厚煤層的高產高效綜放工作面來說，僅采用通風稀釋和采前預抽煤層瓦斯方法難以解決回采期間工作面及采空區瓦斯涌出量大的問題。目前常用的采空區瓦斯抽采方法有頂板高抽巷、高位鉆孔、上隅角插管、采空區埋管、尾巷抽采等。采用高抽巷雖然瓦斯抽采量大但存在巷道掘進機維護成本高、掘進進度慢等問題，高位鉆孔則存在鉆孔工程量大、鉆孔利用率不高、抽采接續緊張等缺點，上隅角插管、采空區埋管等存在抽采濃度低、純量小等不足，因瓦斯尾巷存在諸多難以解決的缺點而被《煤礦安全規程》2016 版廢除，均難以適應工作面高產高效的要求。結合高位鉆孔抽采與地面直井抽采技術特點的采動區地面L 型鉆井技術應運而生，融合了“地面垂直井”、“采動區直井”和“井下水平井”等多種技術的優點[31]，還具有瓦斯抽采覆蓋范圍大、成本低等特點，該技術近幾年發展迅速。

采動區地面L 型頂板水平定向井布置于采掘準備區，其直井段需要采取特殊設計來保證采動后的暢通，而水平段位于煤層頂板巖層中，主要利用煤層的采動卸壓效應，采用負壓抽采工作面回采期間煤層的卸壓瓦斯及采空區、鄰近層（包括圍巖）瓦斯，在工作面推至水平段附近時開始運行，采動區地面L 型頂板水平定向井抽采技術如圖4[32]。該技術的關鍵問題是：保證直井段能夠承受住采場覆巖劇烈運動的影響，確保水平井段位于煤層頂板裂隙帶內且不會發生垮塌堵塞。在攻克大孔徑地面井破碎巖層護壁鉆進、小角度穿層鉆進等鉆完井難題的基礎上，采動區地面L 型頂板水平定向井抽采得以成功應用，達到了單一煤層單井抽采覆蓋工作面長度超1 000 m 和日抽采量3.3 萬m3的效果[5]。

圖4 采動區地面L 型頂板水平定向井抽采技術Fig.4 Extraction technology of horizontal directional well with L-shaped roof in the mining area

2.2.3 井下定向長鉆孔抽采技術

鉆孔抽采是我國煤礦井下最廣泛采用的抽采方式，對于高瓦斯壓力的松軟、低透氣性突出煤層，以前主要通過施工常規順層鉆孔和底（頂）板穿層鉆孔來實現對煤巷條帶、回采區域煤層瓦斯的預抽。由于在突出煤層鉆進時極易發生噴孔、夾鉆、頂鉆、埋鉆等現象，導致鉆進成孔困難。另外，由于鉆孔淺、鉆孔軌跡無法控制的限制，導致鉆孔工程量大、成本高、工期長、容易出現抽采空白帶、礦井采掘接替緊張等困局。《煤礦安全規程》第210 條限制了將在本巷道施工順煤層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施的應用范圍，《防治煤與瓦斯突出細則》第64 條規定了定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施的鉆孔施工要求，這些都限制了常規鉆孔在突出煤層預抽中的應用。

作為鉆探工程領域的一項新技術，煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術[11,33]逐漸興起并成為我國煤礦瓦斯高效抽采的1 種重要技術途徑，通過實時測量鉆孔軌跡和孔底螺桿馬達工具面向角，控制鉆孔軌跡沿設計延伸，提高了鉆孔空間定位精度，增加了鉆孔深度。另外，還可以采用定向鉆進技術進行多分支鉆孔、羽狀鉆孔、梳狀鉆孔[34]、枝狀鉆孔等的施工，具有能均勻覆蓋預定區域、鉆進效率高、鉆孔長度大、一孔多用等優點。2004 年在大寧試驗區，采用定向鉆進技術鉆探了中國第1 口定向羽狀水平井（DNP02），氣體流量最高達到了21 000 m3/d[35]。2019 年9 月，中煤科工集團西安研究院在神東煤炭集團保德煤礦使用西安研究院自主研制的ZDY15000LD 定向鉆進裝備、泥漿脈沖無線隨鉆測量系統創造了主孔深度為3 353 m 井下沿煤層定向鉆進孔深新的世界紀錄[36]。

2.2.4 以孔代巷抽采技術

如前所述，目前采用的治理采空區及上隅角瓦斯常規方法，由于存在諸多缺點與不足，亟需尋求更經濟高效的新方法來替代。隨著隨鉆測量定向鉆進技術、大直徑套管鉆進等技術的發展，以孔代巷技術的出現為上述問題的解決提供了新思路。所謂以孔代巷，是指利用最新的定向鉆進、大直徑鉆進等技術，以低成本、高速度、高成功率完成大直徑抽采鉆孔施工，來代替高抽巷等巷道進行瓦斯抽采。

為提高采空區頂板高位走向長鉆孔瓦斯抽采效率，程志恒等[37]研究了頂板高位走向長鉆孔抽采瓦斯作用機制并在山西華晉吉寧煤業2102 綜采工作面進行了現場試驗及抽采效果考察。王勇等[38]在端氏煤礦3109 工作面試驗驗證了頂板定向長鉆孔代替高抽巷的合理性和可行性，頂板定向長鉆孔和高位鉆孔抽采示意圖如圖5。林海飛等[39]在山西某礦三采區的工作面開展了定向鉆孔代替尾巷治理瓦斯試驗。

圖5 頂板定向長鉆孔和高位鉆孔抽采示意圖Fig.5 Schematic diagram of roof directional long hole and high hole extraction

煤科集團沈陽研究院有限公司的祝釗等[40]針對復雜地質條件下大直徑鉆孔成孔后孔壁易坍塌的難題，開展了大孔徑套管鉆進一次性成孔技術研究，并研制出配套的ZDY15000L 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機（圖6），該鉆機具有低轉速、大扭矩、能夠鉆進大直徑鉆孔（500 mm）的特點，為煤礦井下大直徑瓦斯抽采鉆孔的施工提供裝備支撐。程波等[41]開展了大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術研究，董燕飛等[42]通過在屯蘭礦22301 瓦斯治理巷施工大直徑鉆孔替代回風巷與瓦斯治理巷橫貫進行抽采解決了工作面瓦斯超限問題。目前，以孔代巷技術已在我國晉城、陽泉、淮南、鐵法、沙曲等多個礦區試驗成功并得到推廣應用。

圖6 ZDY15000L 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機Fig.6 ZDY15000L caterpillar full hydraulic tunnel drilling machine for coal mine

2.2.5 保護層卸壓瓦斯抽采技術

多年來突出危險煤層的開采實踐和理論研究表明，在開采保護層的同時預抽被保護層的瓦斯是防治煤與瓦斯突出的有效區域性防突措施，既可以避免與突出危險煤層長期短兵相接，又能提高防突措施的安全性和可靠性[43]。《煤礦安全規程》第204 條要求“具備開采保護層條件的突出危險區，必須開采保護層”，第208 條要求“開采保護層時，應當同時抽采被保護層和鄰近層的瓦斯”，這些規定有力地促進了保護層卸壓瓦斯抽采技術的研究及應用。

保護層開采之后，上被保護層的透氣性可增加1 000～3 000 倍、卸壓瓦斯抽采率達60 % 以上；下被保護層的透氣性最大可增加1 000 多倍、卸壓瓦斯抽采率可達50%以上[44]。因此，通過抽采保護層開采卸壓瓦斯，不僅可以區域性消除煤層的突出危險性，還能夠實現被保護層瓦斯的高效抽采，該技術具有安全、高效、經濟的特點。自1958 年以來，我國先后在北票、南桐等局礦開展了保護層卸壓瓦斯抽采技術試驗研究并在在紅衛、六枝等局礦進行了大范圍推廣應用；1998 年以來，中國礦業大學與淮南礦業集團合作發展了保護層開采這一防突技術措施，擴大了該技術適用范圍。淮南礦區針對其煤層群開采的特點，提出了改變煤層群開采程序和采場布置，通過卸壓開采來提高煤層群開采治理瓦斯效果的技術方案，在大量理論研究與實踐的基礎上，建立了卸壓開采“抽采”瓦斯安全高效開采工程技術體系，并對煤與瓦斯共采進行了有益探索[27,45-46]。淮南礦區B、C 組煤聯合開采保護層卸壓瓦斯抽采技術示意圖如圖7[47]，選擇B10 煤層作為關鍵保護層開采，該煤層的工作面采用“一面六巷”模式（軌道巷、運輸巷、B10 煤底板巷、B10 煤高抽巷、C13 煤底板巷和B6煤底板巷）分別施工抽采鉆孔治理瓦斯。B10 煤層的開采，上保護B11b 煤層、下保護B8 煤層，同時利用B10 煤高抽巷和C13 煤底板巷鉆孔抽采B11b 煤層的卸壓瓦斯、利用B10 煤底板巷和B6 煤底板巷鉆孔抽采B8 煤層的卸壓瓦斯。再依次上行開采B11b煤層保護C13 煤層，開采B8 煤層向下逐層保護。

圖7 淮南礦區B、C 組煤聯合開采保護層卸壓瓦斯抽采技術示意圖Fig.7 Schematic diagram of pressure relief gas extraction technology in the protective layer of coal joint mining in group B and C of Huainan Mining area

2.2.6 水力化煤層增滲技術

煤層的滲透率是影響原始煤體預抽瓦斯效果的主要因素。我國70%以上高瓦斯和突出煤層大多屬于低滲透性煤層，煤層的滲透率大都在0.001～0.1×10-3mD（1 mD=10-15m2）之間，滲透率低造成瓦斯運移難度加大，進行預抽時其有效抽采半徑也相對較小[48]。對于地質構造復雜的單一、低滲煤層來說，采用常規方法進行預抽來實現瓦斯抽采達標的難度非常大。因此，如何增加煤層的滲透率已成為制約礦井瓦斯抽采的瓶頸之一。作為非貫通裂隙巖體[49]，煤層內部存在大量的裂隙與孔洞，屬于極其不連續、各向異性、非彈性的損傷材料，力學特性非常復雜。要提高它的滲透率，就必須進行結構改造，煤巖體結構改造是煤層增滲的核心問題。儲層增滲技術是從20 世紀30 年代開始，伴隨著石油、煤炭等礦藏的開采而發展起來的，可分為力學方法和物理化學方法。水力化煤層增滲技術是煤巖體結構改造的有效途徑，該技術是以高壓水作為動力，使儲層內原生裂隙擴大、延伸或者人為形成新的孔洞、槽縫、裂隙等，促使巖體產生位移，達到儲層卸壓、增滲的目的。自1947 年美國開始第1 次水力壓裂以來，歷經70 余年的發展，水力化技術從理論到應用都取得了驚人的進展。2003 年以后，我國水力化煤層增滲技術進入高速發展階段，單項水力化增透技術不斷完善，總體向著集成化、多元化和智能化的方向發展。中國礦業大學、煤科集團沈陽研究院等10 余家科研院所在煤層水力化增滲方面開展了大量研究，形成了水射流和水力壓裂2 大類共10 余種技術，主要有水射流割縫（或擴孔、鉆孔）、水力沖孔、水力掏槽、水力擠出、水力疏松、水力壓裂等。在全國30 余個礦區進行了試驗及應用，作業區域由煤巷掘進、石門揭煤等局部地點發展到地面鉆孔抽采、煤層區域預抽、突出煤層消突等，多數應用取得了很好的效果。目前，水力化煤層增滲技術已成為我國煤礦應用范圍最廣、效果最顯著的低滲煤層增滲技術。

事實上，每種增滲技術都有其自身優勢和局限性。水射流割縫（或擴孔）在其控制范圍內卸壓充分、增滲效果明顯，但是它的影響范圍小，僅有幾米。水力壓裂的控制范圍大，影響半徑可達數十米以上，但很難確保在控制范圍內均勻卸壓、增滲而不留空白帶。如何將水射流與水力壓裂有機結合起來，實現優勢互補、取長補短，是以后仍需長期深入研究的重要課題。針對這一問題，王耀鋒等[50]開展了三維旋轉水射流與水力壓裂聯作增透技術研究，提出了1 種通過定向孔與壓裂孔聯合布置的煤層增滲方式，定向孔與壓裂孔聯合布置壓裂裂隙分布模擬結果如圖8，布置在中間的常規鉆孔作為定向孔，布置在四周的4 個水射流擴孔鉆孔作為壓裂孔，通過對4 個壓裂孔實施同步壓裂來實現煤層的大范圍卸壓和均勻增滲。三維旋轉水射流與水力壓裂聯作增透技術已在淮南、焦作、山西焦煤、沈陽等礦區進行了試驗，試驗鉆孔的瓦斯抽采純流量達到常規鉆孔的3.67～4.79 倍。

3 煤礦瓦斯抽采技術裝備未來發展趨勢

圖8 定向孔與壓裂孔聯合布置壓裂裂隙分布模擬結果Fig.8 Simulation results of fracture distribution in combined arrangement of directional hole and compression hole

1）煤礦瓦斯（煤層氣）抽采利用相關扶持政策和煤礦安全生產相關管理制度的制定。從我國煤礦瓦斯抽采技術的發展進程來看，國家科技攻關計劃的實施和煤礦安全相關管理制度的制定，在很大程度上促進了煤礦瓦斯（煤層氣）抽采利用技術與裝備的發展，因此，建議以后繼續加大煤礦瓦斯（煤層氣）抽采利用的政策與資金支持，提升瓦斯抽采科技創新能力并加快科技成果轉化；進一步加強瓦斯抽采相關煤礦安全生產管理制度的制定，盡快建立健全煤礦瓦斯抽采標準體系。

2）大功率、低故障率、高效率、智能化煤礦鉆探技術與裝備。煤礦鉆探裝備是開展礦井瓦斯綜合治理、沖擊地壓防治、隱蔽致災因素探測等多種礦井災害防治工作的必備裝備，是煤礦安全高效開采的重要保障。為適應我國不同賦存條件煤（巖）層內鉆孔施工的需求，大功率、高可靠性、高效率、智能化鉆探技術與裝備的研發迫在眉睫，今后需圍繞長距離大直徑煤（巖）層孔定向鉆進、防爆地質導向隨鉆測量系統和旋轉導向鉆進系統及配套鉆進、遠程故障診斷與預警、地面遙控智能鉆進、煤礦井下鉆孔機器人等方向開展技術與裝備的研發。

3）煤層增滲技術及裝備。煤層增滲技術是單一、低滲的高瓦斯和突出煤層提高瓦斯抽采效果、實現抽采達標的重要手段。經過多年的發展，水力化煤層增滲技術已成為我國煤礦廣泛應用且效果顯著的增滲技術，但仍存在諸多問題與不足，還需在增滲機理、順層鉆孔分段水力壓裂、穿層鉆孔定向控制壓裂、高壓水射流鉆分枝鉆孔、煤層增透范圍實時監測與控制等技術與裝備方面進一步深入研究。此外，還可以試驗嘗試一些在石油等行業成功應用的技術，如超聲波增透、重復壓裂、同步壓裂、高能氣體壓裂與水力壓裂聯作、注氣驅替、酸化壓裂復合增透等技術。

4）瓦斯抽采鉆孔提濃增量技術。除了受原始煤體的滲透性低影響外，地質條件復雜、地應力高、煤質松軟、鉆孔設計不合理、施工不到位、封孔質量差、管理不到位等因素造成的預抽鉆孔漏氣、堵塞、塌孔、有效抽采時間短等問題，也在很大程度上影響了碎軟低滲煤層的瓦斯預抽效果。因此，建議在開展多重損傷條件下抽采鉆孔失效機理研究的基礎上，針對瓦斯抽采鉆孔施工視頻監控系統、高壓水射流透孔技術、高強度大直徑篩管下入技術、下向鉆孔自動排水技術、二次封孔技術[51]、帶壓封孔技術[52]、漏氣失效鉆孔修復技術[53]、封孔段裂隙探測及智能封堵技術和適應大變形條件的強柔性新型礦用封孔材料等方向開展瓦斯抽采鉆孔提濃增量技術研究工作。

5）瓦斯抽采參數精準監控與智能控制抽采關鍵技術。隨著智能化、遠程控制和計算機信息等技術的飛速發展，以信息化、智能化為特征的新一輪能源科技革命蓄勢待發，礦井瓦斯抽采監控技術也不例外。我國多數煤礦鉆孔抽采濃度不穩、有效抽采時間短，由于鉆孔數量龐大，安設單孔計量裝置投入成本較高，往往單鉆孔抽采狀態的檢測采用人工方法，存在較多的不確定性。抽采管路的巡檢也主要依靠人工，放水器和排渣器也多由人工操作，抽采管路的漏氣檢測缺少手段，管道內的清理疏通基本無法實現，這在較大程度上影響了抽采系統的高效、穩定運行。因此，建議針對井下抽采鉆孔單孔瓦斯抽采參數與狀態的監測與調控、瓦斯抽采系統的提效、低濃度瓦斯的利用率低等方面的難題，開展包括井下鉆孔抽采參數精準監測與抽采狀態分級管控、抽采達標效果透明可視化、瓦斯抽采管路智能檢測及維護保障技術、抽采泵站無人值守技術、井下移動與地面固定瓦斯抽采系統協同抽采技術及不同抽采狀態下高、低濃度瓦斯混配輸送工藝等在內的成套技術、工藝、軟件平臺與裝備的研究，形成井下鉆孔抽采參數精準監控與智能控制抽采關鍵技術，為瓦斯提質增效抽采及抽采達標評判提供保障，為低濃度瓦斯的利用提供技術及裝備支撐。

6）煤礦瓦斯（煤層氣）與煤炭協調開發技術。把煤礦瓦斯（煤層氣）的安全、高效抽采及利用與煤炭資源的綠色開采緊密結合，實現瓦斯抽采與煤炭開采一體化部署，把瓦斯抽采計劃納入到礦井的生產接替安排之中，堅持井上下聯合立體抽采的思路，不斷加大卸壓抽采和煤與瓦斯共采的力度，通過協同規劃與聯合開發實現采煤采氣一體化是未來我國煤礦瓦斯抽采技術發展的必然趨勢。以后需重點圍繞待建礦井碎軟突出煤層地面區域化高效抽采、分區聯動地面井連續抽采、地面直井與井下近水平鉆孔聯合抽采、一井多用技術、極薄保護層高效開采技術、煤與遠程卸壓瓦斯共采技術、無煤柱煤與瓦斯安全高效共采技術等方面開展研究工作。

7）廢棄（關閉）礦井瓦斯“甜點”資源區評判及高效抽采技術。之前我國煤礦的瓦斯抽采主要集中在生產礦井和待建礦井，隨著我國經濟發展進入新常態和煤炭去產能，關閉礦井數量日益增多，許多關閉礦井（特別是高瓦斯和突出礦井）中仍儲存有大量瓦斯資源，廢棄（關閉）礦井瓦斯抽采及利用在我國潛力巨大[54]，也是煤礦瓦斯抽采的一個發展方向。雖然我國已開展了一些關閉礦井瓦斯資源勘探開發的科研工作，但尚處于試驗探索階段，建議盡早建立關閉礦井閉坑監測制度等相關政策，系統開展關閉礦井殘存瓦斯資源量預測、瓦斯涌出規律研究以及瓦斯“甜點”資源區評判等核心技術研究，通過科技攻關確保我國關閉礦井瓦斯資源的開發利用。

4 結 語

作為減少礦井風排瓦斯量、防治瓦斯災害的治本措施，中國煤礦瓦斯抽采歷經4 個階段近70 年的發展，已取得了令人矚目的成就，形成了一批適應我國瓦斯資源賦存條件的關鍵抽采技術并初步建立了瓦斯抽采技術體系，有力地保障了煤礦的安全生產，目前已進入井下瓦斯規模化抽采和地面煤層氣商業化開發階段。但是，應清醒認識到，我國煤礦瓦斯資源的賦存條件先天不足，而隨著煤礦開采深度的不斷增加和開采條件的日趨復雜，煤礦瓦斯抽采還將面臨一系列技術難題。這些技術難題，需要在國家的政策與資金的支持下，通過煤礦企業和煤炭科研院所通力協作，深入開展基礎理論研究和科技攻關，使中國煤礦瓦斯抽采技術裝備水平再上一個新臺階，更好地保障我國煤礦的安全生產。