高瓦斯矿井瓦斯防治技术探究

流体力学课程论文1 / 5高瓦斯矿井瓦斯抽采技术探究申敬杰（西安科技大学 能源学院 201112612）摘要：矿井瓦斯是煤矿五大自然灾害之一。防治瓦斯的理论与技术研究其最关键的核心思想即为防止瓦斯超限，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。本文介绍了我国瓦斯防治的现状，提出瓦斯抽采技术是瓦斯防治中最经济有效的方法，进而论述了瓦斯抽采的现状及效果、瓦斯抽采的作用，简述了传统瓦斯抽采的几种方法以及瓦斯抽采技术的最新发展，并对瓦斯抽采技术提高抽采率的方法做了一定的分析。关键词：瓦斯抽采；瓦斯防治；高瓦斯矿井0 引言中国是世界上产煤最多的国家，也是以煤炭为主要能源的国家，煤炭占一次能源生产和消费结构中的 70%左右。但是煤矿生产环境恶劣，重大灾害事故时有发生，其中以瓦斯灾害最为严重，造成大量的人身伤亡和巨大的财产损失。矿井瓦斯是煤矿五大自然灾害之一。从理论方面来说，由于煤层的低渗透性导致瓦斯抽采较困难，而且目前瓦斯渗流的规律还未被完全掌握，导致瓦斯事故时有发生。在煤矿企业发生的一次死亡 10 人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的 70%80%。煤矿所面临的重大瓦斯事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。同时，瓦斯因素还极大地限制了矿井生产能力的发挥，在高瓦斯矿井中，采煤、掘进、运输机械化装备难以发挥其效能，降低了生产效率。因此，煤矿瓦斯灾害的防治是我国煤炭工业发展中亟待解决的重大问题。防治瓦斯的理论与技术研究其最关键的核心思想即为防止瓦斯超限，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率 1。提高煤层透气性，增大矿井瓦斯抽采量，缩短瓦斯抽采时间，是实现高瓦斯低透气性矿井安全高效生产的一个有效途径，也逐渐成为煤矿安全工作技术人员的共识。瓦斯抽采是区域瓦斯治理技术的关键，有效地抽出开采区域内的瓦斯，对于降低瓦斯压力、消除煤与瓦斯突出有着重要的作用。1 瓦斯抽采技术的现状及效果1.1 瓦斯抽采现状我国瓦斯抽采的历史可追溯到 1637 年以前， 天工开物一书记载了利用竹管引排煤中瓦斯的方法。1938 年我国首次在抚顺矿务局龙风矿利用抽采泵进行采空区抽采，50 年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展矿井抽采瓦斯，50 年代末瓦斯抽采量约为 100 万m3。60 年代又相继在中梁山、焦作、淮南、包头、松藻、峰峰等局的矿井开展了抽采瓦斯工作，抽采瓦斯量达到 170 万 m3。70 年代至 90 年代中期，抽采矿井数和抽采量都稳步增加。近十年来，随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，因此需要抽采瓦斯的矿井越来越多，由此带动了我国煤矿瓦斯抽采技术的迅速发展，目前瓦斯抽采技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。1.2 瓦斯抽采的作用及效果瓦斯抽采有以下四个方面的作用：流体力学课程论文2 / 51、通过瓦斯抽采能够降低煤层的瓦斯压力，从而降低煤层瓦斯突出的危险性；2、降低煤层瓦斯含量，从而降低开采过程中瓦斯涌出量，进而为生产提供一个很好的安全环境；3、瓦斯是一种重要的能源资源，具有商业利用价值；4、可降低矿井瓦斯排放量，减少对大气环境的污染，具有绿色开采的作用。2 传统瓦斯抽采方法2.1 开采保护层卸压增透抽采瓦斯技术由于覆岩采动裂隙 O 形圈的存在，低透性松软高瓦斯煤层群保护层开采过程中，顶底板岩层冒落、移动，产生裂隙，开采煤层和邻近卸压煤层内的瓦斯将大量卸压解吸，卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到环形裂隙圈内，形成瓦斯积存。因而，如何确定环形裂隙圈的位置便成为高效抽采瓦斯的关键。2.2 邻近层卸压瓦斯抽采技术临近层瓦斯抽采方法有穿层钻孔和顺层巷道两大类，其中穿层钻孔类又分为回风侧、进风侧、迎向和地面垂直钻孔法；顺层巷道类分为倾向顶板眼是巷道、走向顶板眼是巷道、走向顶板眼是尾巷、走向朝前顶板岩石巷道法 2。这些抽采瓦斯方法的前提，都是在需要进行瓦斯抽采的采煤工作面开始生产以前进行，为其准备好抽采瓦斯的通道，包括抽采管道的安装和连接。图 1 钻孔抽采瓦斯示意图无论采用什么方法，由于抽采临近层瓦斯是卸压区内的瓦斯，从而为了保证在采煤工作面初采 20m30m 一段内，能及时抽出瓦斯而又不影响工作面安全生产，钻孔或巷道的角度应布置的比穿层抽采瓦斯时要偏低些、钻孔间距要近些、数量要多些，以弥补这个受三角地区免压拱带来的卸压不充分的影响。2.3 采空区瓦斯抽采技术矿井瓦斯涌出量平衡表中表明，矿井开采时期采空区瓦斯涌出随时间的增加而增加，占矿井瓦斯涌出量的 20%左右。这给矿井安全生产和矿井通风带来负担，有不少矿井采空区瓦斯的涌出已影响到相邻的或下部开采工作面的正常生产。采空区瓦斯抽采技术可以采用地面垂直钻孔抽采下部采空区瓦斯、采空区相邻巷道钻流体力学课程论文3 / 5孔抽采采空区瓦斯、下部煤层开采时抽采上部采空区瓦斯等技术 3。这些技术都可以有效地降低煤层瓦斯的浓度，但抽采出的瓦斯浓度较小，无法直接加以利用。2.4 综合瓦斯抽采技术随着机采、综采和综放采煤技术的发展与应用，采区巷道布置的改变，开采强度日益增加，瓦斯涌出量也日益增加，为了应对瓦斯事故，保障生产安全，有时必须采取综合的瓦斯抽采技术。所谓综合抽采瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯采后抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用，使瓦斯抽采量及抽采率达到最高4。有条件进行保护层开采的，应进行被保护层卸压瓦斯抽采，以减少邻近煤层的卸压瓦斯涌出量，同时也减少了被保护层的瓦斯突出危险性。对于开采煤层，在工艺和方式方面，应采取钻孔抽采与巷道抽采相结合、井下抽采与地面抽采相结合、常规抽采与强化抽采相结合、垂直钻孔抽采与水平长钻孔抽采相结合的技术措施。综合瓦斯抽采一个最大的优点是能够充分利用时间与空间，实现一种立体式的抽采，能够最大限度地增加瓦斯抽采量、提高瓦斯抽采率。以后瓦斯的抽采方法将朝着立体化、多元化、经济化的方向发展。3 瓦斯抽采技术的最新发展3.1 水力压裂抽采瓦斯水力压裂技术是石油部门油气增产的主要技术手段之一 5。通过各种形式的控制压力技术，在油气藏资源层内形成连续贯通的裂缝，从而为油气的溢出提供尽可能多的渗流通道以及连通更多的死端孔隙，达到增产的目的。这种方法对于岩石类说，是非常成功的。但煤体与一般油藏的砂岩、页岩等岩石的性质不同，煤体一般为裂缝发育岩体，而且层理与节理均发育，这一方面导致压裂形成大裂缝的成功率很低。另一方面，压裂时的高应力会导致煤体的压缩变形，导致煤体渗透率更低。因此，阳泉矿经过大量的压裂试验证明，水力压裂煤体提高煤体瓦斯透气性的技术不可取。其基本原理如图 2 所示。图中灰白色为应力集中区域，亦即渗透率降低区域，将整个水力压裂形成的渗流通道包围，致使其它区域内释放的瓦斯很难通过压裂裂缝流向抽采孔。图 2 水力压裂煤体抽采瓦斯示意图3.2 水力割缝卸压抽采瓦斯煤体内瓦斯的释放主要与地应力和孔隙压力有关，地应力越高，孔隙压力越大，吸附流体力学课程论文4 / 5的瓦斯越多，瓦斯突出的危险性就越大 6。因此，要想从根本上解决煤矿的瓦斯问题，最直接的方法就是对煤体进行卸压，即降低煤体内部的地应力和孔隙压力。以太原理工大学的赵阳升教授为首的课题组，提出了水力割缝瓦斯抽采技术，其原理如图 3 所示。采用水力割缝的方法，在煤体下部割掉一部分煤，从而使整个煤层卸压，在煤体内部产生大量连通的裂缝，达到降低地应力和瓦斯压力的作用，并形成大量的瓦斯流动通道，从而最大限度的使煤体瓦斯释放出来。这种方法经过在潞安矿区的试验，被证明是非常有效的瓦斯抽采技术方法。图 3 割缝卸压抽采瓦斯示意图3.3 无火花风机引排上隅角瓦斯技术及配套装置回采工作面上隅角瓦斯积聚是回采工作面瓦斯积聚现象中经常出现又难以处理的问题，无火花风机引排上隅角瓦斯技术及配套装置的研究为解决这一难题提供了可靠的技术途径7。风机叶片采用高强度抗静电阻燃塑料加工，使旋转件与外壳之间不产生摩擦火花；风机用电动机驱动，电动机与抽出风流完全隔绝，避免电机火花点燃高瓦斯风流。风机入口安装有瓦斯浓度监测传感器以及参新风自动调节装置，确保风筒内瓦斯浓度不超过规定值。试验研究表明，使用这套装置处理上隅角瓦斯具有较高的安全性能。4 改进瓦斯抽采技术4.1 改善采掘平稳，确保抽采时间改善采掘平衡、确保抽采时间是提高煤层瓦斯抽采率的重要保障措施，这对实施本煤层预抽瓦斯的矿井尤为关键。提高煤巷掘进速度是突出煤层实现采掘平衡、确保预抽瓦斯时间的根本途径，具体措施如下：1、针对矿区或矿井的瓦斯地质条件，开展瓦斯突出区域预测和煤巷掘进工作面突出危险性预测敏感指标及临界值的研究，减小突出预测率，提高突出预测准确率，达到减少不必要的防突工程量、提高掘进速度的目的。2、研究探索适合矿区煤层条件的快速消突措施，缩短防突周期，提高掘进效率。该方法的实质在于：通过注水使掘进头煤体适量外移，造成前方煤体破坏，集中应力带前移，增大卸压带宽度，快速消除掘进前方一定距离的煤与瓦斯突出危险性。4.2 强化综合抽采瓦斯1、强制增大煤层透气性，提高低透气性煤层的瓦斯抽采率。可以选用的技术途径包括：深孔爆破致裂、高能气体致裂、水力压裂、淹没射流和空间立体交叉布孔（交叉钻孔）等。2、采用顶板岩石钻孔高效抽采采空区瓦斯。这种方法是淮南矿业集团公司试验成功的流体力学课程论文5 / 5一种抽采采空区瓦斯的新方法，只要参数选取适宜，瓦斯抽采率可以达到 50%80%。3、采用煤巷“钻墙”布孔高效边掘边抽瓦斯。 “钻墙”布孔边掘边抽是河南理工大学最近试验成功的一种高效瓦斯抽采方法，掘进工作面煤壁截流瓦斯抽入率（与巷道瓦斯涌出总量相比）可达 70%以上，特别适用于高瓦斯和突出煤层煤巷掘进工作面瓦斯强化抽采。4.3 推广聚氨酯封孔工艺，提高封孔质量聚氨酯具有膨胀系数高、凝固时间短、封孔效率高、收缩率小和封孔质量高等优点，采用本煤层预抽瓦斯的矿井（特别是开采近水平和缓倾斜煤层的矿井） ，应当采用聚氨酯封孔工艺，同时保证封孔深度46 m 。为降低聚氨酯封孔成本，建议购买矿用聚氨酯配方，实现聚氨酯自给自足。4.4 优化瓦斯抽采系统，提高瓦斯抽采能力主要措施包括：选用与瓦斯抽采量和抽采系统阻力相匹配的抽采泵，尽量增大井下抽采干管和分支管的直径，管道低洼地段安设自动放水器，减少抽采管网沿程阻力；经常检查井下管网和抽采钻孔的气密性，及时关闭漏气抽采钻孔，提高抽采钻孔孔口负压。4.5 加强瓦斯抽采管理煤矿各级领导要高度重视瓦斯抽采工作，组建专门的瓦斯抽采管理机构；配备专业钻孔施工队伍和装备，严把钻孔施工质量关，杜绝虚报钻孔长度；瓦斯抽采系统按规定装设计量仪表、监测设施和放水器，定期进行抽采系统的维护和检漏；加强瓦斯抽采从业人员的技术培训和责任心教育。参考文献：1文光才,徐三民.煤矿瓦斯防治技术的新进展J. 矿业安全与环保 ,2000.1.2郑建平.高瓦斯矿井主动瓦斯防治技术