煤矿瓦斯抽采技术优化研究与展望

周小刚+庄园+张家彬

摘要：我国煤矿瓦斯抽放技术已走向成熟，但大多数地区实际应用效率低下，瓦斯问题仍制约着煤矿安全生产。为了提高长治地区瓦斯抽放效率，有效解决矿井瓦斯问题，在该地区中20多座大中型煤矿开展科研项目的基础上，分析该地区瓦斯抽采存在的诸多问题，获得了瓦斯抽放系统的优化方法，为矿井瓦斯抽放提供了必要的技术指导。

关键词：瓦斯预抽；钻孔；邻近层；技术优化；展望；

1 我国瓦斯抽采技术现状

矿井瓦斯对煤矿安全生产工作的突出性危害有三个大方面爆炸、突出和窒息。特别的，煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故不仅能对矿井巷道设施造成巨大的毁坏如井巷垮塌，而且常常会导致矿井火灾、水灾和煤尘爆炸等二次、甚至多次矿井灾害事故的连续发生[1]。更严重的是，此类事故会造成大量煤矿工人的伤亡和难以估计的财产损失。因此，煤矿瓦斯抽采工作，势在必行。

2 山西长治地区主要可采煤层及瓦斯情况

根据地质资料，山西省长治地区位于沁水煤田东部，受燕山期构造运动控制。由于东西向主压应力作用，构造变动在形态上主要表现为大型开阔褶皱；大部分为第四系黄土覆盖，主要含煤地层有：石炭系上统太原组（C3t）由灰-深灰色砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层及石灰岩组成；二叠系下统山西组（P1s）由砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成。

该区属于煤层富集带，区内山西组、太原组煤层多达13层，其中：3-2、3-3、8-1、8-2、12、15-2、15-3为可采煤层。山西组3号煤层为该区主要可采煤层，在南部长治县到屯留县境内3号煤层基本没有分层，平均厚度6m，从襄垣县北部开始以北地区分为3-1、3-2、3-3三个分层，根据襄垣县上良煤业地质资料上分层3-1未达到可采厚度，中层3-2厚度1.26-1.30m，属薄-中厚煤层，3-3煤层厚2.56-2.77m，为中厚煤层。武乡县境内3-1、3-2煤层尖灭，3-3分层变薄。根据武乡县温庄煤业地质资料，3号煤层厚度0.55～2.0m，平均1.18m。

太原组8-1、8-2、12、15-2号煤在该区南部基本属薄煤层，井田内稳定性较差，属局部可采煤层。15-3号煤层在井田内属稳定煤层，厚度多在1.30-2.50m之间，为太原组之主要可采煤层。其余大多数未达可采厚度。自襄垣县以北至武乡县地区，15号煤层逐渐增厚，据三元福达煤业地质资料，15号煤层厚度3.70～4.97，平均厚度4.47，全区稳定可采，为该井田范围内主要可采煤层。该区内煤层煤类大多属贫煤，为优良动力用煤。

3 瓦斯抽采现状

长治地区多数煤矿为高瓦斯矿井，均已安装瓦斯抽采系统，其中90%为地面瓦斯抽采系统，且在建的居多，抽采能力勉强满足生产要求。由于技术力量及矿井生产遗留问题影响，瓦斯抽采方法及抽采系统存在众多问题。

瓦斯抽采方法的选用主要依据瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采条件等因素综合考虑。常用瓦斯抽采方法有：开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采。

4 瓦斯抽采方法及存在问题

该区目前主要开采3号和15号煤层，瓦斯抽采以针对邻近层和采空区为主。抽采方法主要采用高位钻孔。部分矿井兼用上隅角插管方法，少数矿井兼用本煤层预抽方法解决开采层瓦斯。

目前存在的主要问题：

1）本煤层瓦斯预抽不足

长治地区原小煤矿占多数，大多数矿井生产接续条件限制了煤层瓦斯预抽时间。本煤层瓦斯没有得到充分预抽，回采工作面煤壁瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯超限次数多。多数矿井对本煤层瓦斯预抽重视不够，一些矿井随采用本煤层预抽，但对预抽时间、钻孔参数等无计算和设计，盲目施工。

2）邻近层瓦斯抽采效率低下

长治地区煤层赋存属于近距离煤层群，工作面瓦斯来源中邻近层占很大比例。开采之前或开采过程中抽采邻近层瓦斯能有效减少工作面瓦斯涌出量，减轻通风压力。尤其回采过程中邻近层及现采采空区抽采有投资少、可操作性强、见效快等特点。这种方法目前被广泛应用，多数矿井以这种方法为主。但由于技术力量不足，缺少具体研究与设计，多数矿井邻近层瓦斯抽采达不到理想效果。

5 瓦斯抽采技术优化

1） 本煤层预抽技术优化设计

根据钻孔自然瓦斯涌出特征[1] ，t时刻百米钻孔瓦斯涌出量qt=q0e-at

通过0～t时刻积分，百米钻孔在t时间内可抽瓦斯总量为：

a 钻孔间距计算：

应用表1中最接近平均值的上庄煤业数据为例，通过计算不同抽采时间下煤层瓦斯预抽总量和钻孔瓦斯抽采有效系数确定瓦斯预抽时间。

钻孔抽采有效系数可根据百米钻孔t时间内抽采瓦斯总量与理想状态（0～∞时间内）极限瓦斯抽采量之比求得：

式中：Qt——百米钻孔在t时间内可抽瓦斯总量，m3；Qj——百米钻孔理想状态下极限瓦斯抽采量，m3T——抽采时间，d； K——钻孔抽采有效系数，%；α——百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d-1；

b 钻孔间距计算

钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率可以根据不同半径体积煤体中瓦斯抽采量与该范围內瓦斯总含量之比求得：

式中：η-钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率，%；L-钻孔长度，L=100m；M-煤层平均厚度，m；D-钻孔抽采影响范围（直径），m；Y-煤的平均容量，t/m3；X-煤层平均瓦斯含量，m3/t。

根据我国煤层预抽瓦斯目前水平，按照瓦斯抽采基本指标[3]，上庄煤业抽采钻孔影响范围内瓦斯抽采率应大于40%，为了既减少钻孔工程量又保证抽采效果，钻孔预抽时间为5个月时单孔抽采影响范围（直径）取5m。

2）邻近层瓦斯抽采技术优化

有效解决邻近层瓦斯的方法是卸压抽采邻近层及裂隙带瓦斯，长治地区煤层间距小邻近层瓦斯抽采应采用高位钻孔。

钻孔参数的确定：

根据“三带”理论，邻近层抽采钻孔的布置应符合计算结果，钻孔终孔位置应位于上邻近层顶板以上2～5m。钻孔伸入工作面上方段水平投影应满足钻孔不被破坏的水平投影长度。

计算方法如下：

h—钻孔终孔位置距开采煤层顶板垂高，m；h1—顶板冒落高度，取5-8倍采高，m；h2—防止钻孔破坏的预留高度，应不小于2倍的采高，m；钻孔终孔高度应大于钻孔安全高度，即：h>h1+h2终孔点垂高h可根据煤层间距确定，实践中可取开采层顶板至邻近层顶板以上1m的距离；L—钻孔长度，m；L1—頂板岩石卸压段钻孔水平投影距离，m；L2—顶板岩石未卸压段距煤柱距离，m；根据三角形边角关系： S—煤柱以内钻孔段水平投影距离，m；S=L1+L2b—煤柱宽度，m；Φ—顶板岩石卸压角，71°；β—顶板岩石冒落角，63°；σ—钻孔倾角。

6 展望

半个世纪以来，我国煤矿瓦斯抽采技术虽取得了很大发展，但由于我国井工开采煤量大，煤层瓦斯含量非常丰富，抽采瓦斯研究试验与普及工作差距还很大，区域瓦斯抽采思路在一些地区存在打折扣的现象，这就要求我们煤矿的每一位工作人员将瓦斯治理的区域理念时刻记住并运用在各项工作中，今后瓦斯抽采技术发展的方向应围绕以下几方面：（1）进行瓦斯抽采技术筛选及适用性研究 ，总结各项瓦斯抽采技术的应用情况、技术特点、适用范围和条件，开展适用性研究，为全国各矿区的瓦斯抽采提供指导。

（2）继续研究试验单～低透气性煤层强化抽采技术，提高开采层预抽的抽采率，降低煤层的瓦斯涌出量，消除或降低这类煤层的突出危险性。

（3）研制功率大 ，故障率低 ，打钻效率及成孔率高的新型钻机及配套设备，完善打钻工艺，解决松软煤层打钻及成孔问题。

（4）研究瓦斯抽采长钻孔施工及定向技术 ，开发定向长钻孔的监控装置，保证钻孔的各项参数能达到设计要求。

参考文献：

[1] 张铁岗. 煤矿瓦斯综合治理技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2001.

[2] 国家煤矿安全监察局，煤矿安全规程[M] . 北京：煤炭工业出版社，2010.

[3] 国家安全生产监督管理总局，《瓦斯抽采基本指标》 [M] . 北京：煤炭工业出版社，2006.

[4] 张叶青，贾真真等工作面瓦斯涌出量预测及瓦斯来源分析[J].中国矿业，2007.

[5] 刘俊杰，乔德清.对我国煤矿瓦斯事故的思考煤炭学报[J].煤炭学报，2006.