我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討

1、我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討    我國是世界上最大的產(chǎn)煤國，同時(shí)也是發(fā)生煤礦災(zāi)害事故最嚴(yán)重的國家。2000年，我國原煤產(chǎn)量由關(guān)井壓產(chǎn)前的13億 t降至10億t，煤炭生產(chǎn)死亡5 798人，百萬噸死亡率為5.8，是俄羅斯的12倍，印度的16倍，美國的182倍。瓦斯災(zāi)害是造成我國煤礦災(zāi)害事故嚴(yán)重的主要原因。2000年，我國煤礦共發(fā)生一次死亡39人重大事故367起，共計(jì)死亡1 694人，其中瓦斯事故267起，死亡1 281人，分別占39人重大事故起數(shù)的72.75%、死亡人數(shù)的75.62%;發(fā)生一次死亡10人以上的特大事故75起，死亡1 398人，其中，

2、瓦斯事故69起，死亡1 319人，分別占10人以上特大事故起數(shù)的92.00%、死亡人數(shù)的94.35%。瓦斯抽放是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，我國政府及有關(guān)部門對此給予了高度重視。從20世紀(jì)50年代開始，我國就將瓦斯抽放作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的重要措施在高瓦斯和突出礦井推廣;2002年，國家煤礦安全監(jiān)察局制定了“先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測監(jiān)控”的煤礦瓦斯防治方針，強(qiáng)化了瓦斯抽放治理瓦斯災(zāi)害的地位;煤礦安全規(guī)程(2001年版)也以法規(guī)的形式對煤礦瓦斯抽放作了詳盡的規(guī)定。半個(gè)世紀(jì)以來，我國實(shí)施瓦斯抽放的礦井?dāng)?shù)量和瓦斯抽入量逐年穩(wěn)步上升，抽放瓦斯總量僅少于美國，居世界第2位，盡管如此，和煤礦瓦斯災(zāi)害治

3、理對瓦斯抽放的要求相比，我國煤礦瓦斯抽放效果亟待提高。1 我國煤礦瓦斯抽放現(xiàn)狀1.1 瓦斯抽放量據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2002年，我國共有141個(gè)煤礦實(shí)施瓦斯抽放，年抽放瓦斯總量達(dá)到12.17億 m3。與20世紀(jì)50年代初期相比，瓦斯抽放礦井?dāng)?shù)量增加了25.5倍，年瓦斯抽放量增加了近10倍。晉城(28個(gè)地方煤礦)、撫順、陽泉、松藻、天府、淮南、盤江、鐵法、石炭井、水城、平頂山、芙蓉、中梁山、南桐、淮北、鶴崗、峰峰、焦作、豐城、六枝是我國目前的主要抽放瓦斯礦區(qū)，各礦區(qū)瓦斯抽入情況見表1。其中，晉城(地方煤礦)，撫順和陽泉3個(gè)礦區(qū)的瓦斯抽放量最多，年瓦斯抽放量均超過了1億m3。2002年，我國21個(gè)主要瓦

4、斯抽放礦區(qū)共計(jì)123個(gè)抽放礦井的瓦斯抽放量為11.24億 m3，占全國瓦斯抽放總量的92.36%。表1 我國主要瓦斯抽放礦區(qū)瓦斯抽放量和抽放率統(tǒng)計(jì)礦區(qū)名稱2002 年1994 年瓦斯涌出量 /Mm3瓦斯抽放量 /Mm3瓦斯抽放率 / %瓦斯涌出量 /Mm3瓦斯抽放量 /Mm3瓦斯抽放率 / %晉城地方撫順陽泉松藻天府盤江淮南鐵法石炭井水城平頂山芙蓉中梁山南桐淮北鶴崗鶴壁峰峰焦作豐城六枝合計(jì)760.65162.11378.87194.0879.41202.49312.82157.4186.20157.29137.2798.6851.2491.38223.7292.60134.95125.6986

5、.81157.2945.343 736.48352.48128.56117.2676.5563.7251.1849.3944.4834.3026.2125.8624.6823.9622.7318.0113.2112.3811.4810.459.418.171 124.4746.3979.3030.9550.0680.2426.1415.8728.8039.7918.6720.8420.9846.7624.8714.1515.409.3012.1412.5815.4019.0430.09/197.15357.36150.9182.80166.49199.57129.4041.17150.4612

6、5.1699.1097.9894.33116.5396.32108.14109.3494.5264.7793.722 575.22/118.8189.4268.1819.7318.265.2217.6012.5011.171.6620.1422.2313.644.5512.008.2011.1512.449.8219.06495.78/60.2623.4041.9623.8312.182.8014.0730.368.561.8929.2943.3815.143.9012.458.5711.3214.3915.9218.6819.251.2 瓦斯抽放率按照抽放率大小，我國主要瓦斯抽放礦區(qū)可以劃分

7、為3類：類礦區(qū)：瓦斯抽放率>40%，抽放效果好;類礦區(qū)：瓦斯抽放率25%40%，抽放效果一般;類礦區(qū)：瓦斯抽放率<25%，抽放效果差。我國主要瓦斯抽放礦區(qū)的瓦斯抽放效果分類情況(見表2)。表2 我國主要抽放礦區(qū)瓦斯抽放效果分類瓦斯抽放效果類別礦區(qū)數(shù)/ 個(gè)平均瓦斯抽放率/ %占主要瓦斯抽放礦礦區(qū)數(shù)的比例 / %類560.1423.80類429.9619.06類1213.9357.14由表2可以看出，我國主要瓦斯抽放礦區(qū)的總體與瓦斯抽放效果不好。瓦斯抽放效果好的類礦區(qū)只有5個(gè)，僅占主要瓦斯抽放礦區(qū)數(shù)的23.80%，平均瓦斯抽放率為60.14%;瓦斯抽放效果一般的類礦區(qū)有4個(gè)，占主要瓦斯

8、抽放礦區(qū)數(shù)19.06%，平均瓦斯抽放率為29.96%;瓦斯抽放效果差的類礦區(qū)則多達(dá)12個(gè)，占主要瓦斯抽放礦區(qū)數(shù)高達(dá)57.14%，平均瓦斯抽放率僅為13.93%。如果考慮所有抽放瓦斯礦井，瓦斯抽放率低于25%的礦井比例更會(huì)大。1.3 瓦斯抽放方法我國煤礦最常用的瓦斯抽放方式是井下抽放。考慮到抽放對象的不同，又可以分為本煤層瓦斯抽放、鄰近層瓦斯抽放和采空區(qū)瓦斯抽放。目前，煤礦應(yīng)用最為普遍的瓦斯抽放方法有如下6種。(1)本煤層采前預(yù)抽。絕大多數(shù)開采單一煤層的高瓦斯或突出礦區(qū)均采用采前預(yù)抽抽放本煤層瓦斯，如焦作、鶴壁、晉城、潞安等礦區(qū)。部分開采遠(yuǎn)距離煤層群的礦區(qū)，往往也采用這種方式抽放本煤層瓦斯，淮南

9、礦區(qū)C13-1煤層群開采就屬于此情形。(2)本煤層邊采邊抽。許多高瓦斯或突出礦井為了解決本煤層預(yù)抽時(shí)間短、瓦斯抽放率低等問題或者是為了增加瓦斯抽放量，在回采過程中往往采取邊采邊抽瓦斯措施。(3)本煤層邊掘邊抽。煤巷掘進(jìn)時(shí)，我國大部分高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井采取邊掘邊抽措施防治煤與瓦斯突出和瓦斯超限。(4)鄰近層鉆孔抽放。開采煤層群的礦區(qū)，當(dāng)回采工作面瓦斯涌出以鄰近層為主且通風(fēng)方法不能保證瓦斯不超限時(shí)，幾乎全部實(shí)施了鄰近層瓦斯抽放，其中約有70%以上的工作面采用穿層鉆孔抽放鄰近層瓦斯。穿層鉆孔抽放鄰近層瓦斯在陽泉、天府、松藻、中梁山等礦區(qū)應(yīng)用非常普遍，工作面瓦斯抽放率普遍超過50%。(5)鄰近層

10、巷道抽放。陽泉礦區(qū)是鄰近層巷道抽放瓦斯方式的先驅(qū)，瓦斯抽放效果也最為顯著，工作面瓦斯抽放率普遍高于70%，最高時(shí)達(dá)到90%以上;目前，該方法已在陽泉礦區(qū)15號煤層工作面廣泛推廣。(6)采空區(qū)瓦斯抽放。我國部分礦區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出較大的工作面，采用抽放采空區(qū)瓦斯的方法，以減少工作面風(fēng)排瓦斯量和防治上隅角瓦斯超限。2、我國煤礦瓦斯抽放存在的問題目前，我國煤礦總體瓦斯抽放效果不佳，具體表現(xiàn)為瓦斯抽放率低。導(dǎo)致我國煤礦瓦斯抽放率低的原因有2個(gè)方面：一方面是客觀原因，我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數(shù)只有0.0040.04 m2/(MPa2·d)，瓦斯抽

11、放(特別是預(yù)抽)難度非常大;另一方面是主觀原因，主要表現(xiàn)為抽放時(shí)間短、鉆孔工程量不足、封孔質(zhì)量差、抽放系統(tǒng)不匹配和管理不到位。下面針對主觀原因分析我國煤礦瓦斯抽放存在的問題。2.1 抽放時(shí)間短瓦斯抽放率隨抽放時(shí)間延長而增大。對透氣性系數(shù)低于0.04 m2/(MPa2·d)的低透氣性煤層，要達(dá)到較高的瓦斯抽放率，預(yù)抽時(shí)間不能少于68個(gè)月。我國的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井都程度不同地存在采掘失調(diào)，回采工作面預(yù)抽瓦斯的時(shí)間普遍不足，據(jù)焦作、鶴壁、平頂山、淮南、淮北、撫順、鐵法等礦區(qū)的統(tǒng)計(jì)，突出煤層回采工作面預(yù)抽瓦斯時(shí)間最長為8個(gè)月，最短僅為1個(gè)月，平均預(yù)抽時(shí)間只有3.3個(gè)月。2.2 鉆孔工程

12、量不足抽放鉆孔具有輸排瓦斯和提高煤層透氣性的雙重作用。鉆孔工程量不足是導(dǎo)致瓦斯抽放率偏低的主要原因之一。我國約有80%以上的高瓦斯和突出危險(xiǎn)工作面采用本煤層預(yù)抽，單個(gè)工作面抽放鉆孔長度一般為15 00035 000m，鉆孔總長度看起來不少，但噸煤鉆孔長度少得可憐。據(jù)焦作、鶴壁、平頂山、晉城、潞安、淮南、淮北、鐵法等礦區(qū)的不完全統(tǒng)計(jì)，回采工作面噸煤預(yù)抽鉆孔長度最多為0.04m，最少只有0.006 5m，平均僅為0.018 m。實(shí)施鄰近層瓦斯抽放的礦區(qū)也存在同樣的問題，部分礦區(qū)的鄰近層抽放鉆孔瓦斯流速高達(dá)3050 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過瓦斯抽放的經(jīng)濟(jì)流速，抽放鉆孔數(shù)量嚴(yán)重不足。2.3 封孔質(zhì)量差孔底抽放

13、負(fù)壓具有引流瓦斯和強(qiáng)制瓦斯解吸的功效、封孔質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到瓦斯抽放效果的好壞。目前，我國約有2/3的瓦斯抽放礦井仍然采用黃泥或水泥砂漿封孔，甚至少數(shù)開采近水平或緩傾斜煤的礦井也采用水泥砂漿封孔，封孔長度短而且密封質(zhì)量很差。我國約有65%的回采工作面預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，充分反映了抽放鉆孔封孔質(zhì)量差的現(xiàn)狀。2.4 抽放系統(tǒng)不匹配近年來，我國政府利用國債資金對部分煤礦的抽放系統(tǒng)進(jìn)行了更新改造，抽放系統(tǒng)不匹配的狀況有了一定的改觀，但這種現(xiàn)象仍然非常普遍;部分礦井瓦斯抽放泵能力不足，極限抽放流量小，真空度低，不足以克服抽放管道沿程阻力;部分礦井瓦斯抽放泵能力雖然較大。但選用的抽放支管甚至主干管管

14、徑太小，抽放泵產(chǎn)生的負(fù)壓絕大部分消耗在抽放管道的沿程阻力上。其結(jié)果是，這些礦井的本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔孔口負(fù)奪<490 Pa，有的甚至靠正壓自排瓦斯。2.5 管理不到位瓦斯抽放管理不到位是造成我國煤礦瓦斯抽放效果差的重要原因。抽放管理不到位具體表現(xiàn)為：部分礦井沒有專門的瓦斯抽放隊(duì)伍;鉆孔施工質(zhì)量缺乏監(jiān)管，不按設(shè)計(jì)施工抽放鉆孔，虛報(bào)鉆孔長度;抽放系統(tǒng)不按規(guī)定安設(shè)計(jì)量裝備、監(jiān)測設(shè)施和放水器;不進(jìn)行投放系統(tǒng)的定期維護(hù)和檢漏等等。3 提高瓦斯抽放率的對策3.1 改善采掘平穩(wěn) 確保抽放時(shí)間改善采掘平衡、確保抽放時(shí)間是提高煤層瓦斯抽放率的重要保障措施，這對實(shí)施本煤層預(yù)抽瓦斯的礦井尤為關(guān)鍵。我國有1/3以

15、上的礦區(qū)開采的是突出煤層，煤巷掘進(jìn)速度普遍<100 m/月，有的嚴(yán)重突出礦井煤巷月掘進(jìn)速度只有2030 m，采掘嚴(yán)重失調(diào)，無法保證足夠的預(yù)抽瓦斯時(shí)間。提高煤巷掘進(jìn)速度是突出煤層實(shí)現(xiàn)采掘平衡、確保預(yù)抽瓦斯時(shí)間的根本途徑，具體措施如下：(1)針對礦區(qū)或礦井的瓦斯地質(zhì)條件，開展瓦斯突出區(qū)域預(yù)測和煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值的研究，減小突出預(yù)測率，提高突出預(yù)測準(zhǔn)確率，達(dá)到減少不必要的防突工程量、提高掘進(jìn)速度的目的。圖1 水力擠出消突措施鉆孔布置示意圖(2)研究探索適合礦區(qū)煤層條件的快速消突措施，縮短防突周期，提高掘進(jìn)效率。圖1為我國最近試驗(yàn)成功的水力擠出高效消突措施鉆孔布置示意圖

16、。該方法的實(shí)質(zhì)在于：通過注水使掘進(jìn)頭煤體適量外移，造成前方煤體破壞，集中應(yīng)力帶前移，增大卸壓帶寬度，快速消除掘進(jìn)前方一定距離的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。3.2 改革打鉆工藝 增加噸煤抽放鉆孔長度國內(nèi)外的預(yù)抽瓦斯實(shí)踐表明，透氣性系數(shù)介于0.0040.04 m2/(MPa2·d)的煤層要取得好的抽放效果，除了選用合理的抽放方式和保證抽放時(shí)間外，噸煤抽放鉆孔的長度不應(yīng)低于0.05 m。大部分突出煤層屬于結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞煤層，打鉆難是預(yù)抽瓦斯鉆孔施工的技術(shù)瓶頸。我國煤礦普遍采用水排粉濕式鉆進(jìn)和壓風(fēng)排粉干式鉆進(jìn)2種鉆孔施工工藝。采用水排粉濕式鉆進(jìn)施工順層預(yù)抽鉆孔(特別是下向鉆孔)，鉆粉易于結(jié)團(tuán)，容易造成

17、卡鉆、塌孔;壓風(fēng)排粉干式鉆進(jìn)施工順層預(yù)抽鉆孔，煤粉污染環(huán)境嚴(yán)重，當(dāng)鉆孔過長或風(fēng)壓不足時(shí)，也容易卡鉆、塌孔。要增加突出煤層噸煤抽放鉆孔長度，可以選用如下技術(shù)措施：(1)配套風(fēng)粉分離裝備，普及壓風(fēng)排粉干式鉆孔施工工藝;(2)鉆孔施工地點(diǎn)加裝移動(dòng)式壓風(fēng)設(shè)備，增加壓風(fēng)風(fēng)壓;(3)借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)并推廣泡沫排粉鉆孔施工工藝;(4)選用大功率強(qiáng)力鉆機(jī)和鉆具。3.3 強(qiáng)化綜合抽放瓦斯(1)強(qiáng)制增大煤層透氣性，提高低透氣性煤層的瓦斯抽放率?？梢赃x用的技術(shù)途徑包括：深孔爆破致裂、高能氣體致裂、水力壓裂、淹沒射流和空間立體交叉布孔(交叉鉆孔)等。圖2為交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯方式示意圖。圖2 交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯方式示

18、意圖(2)采用頂板巖石鉆孔高效抽放采空區(qū)瓦斯。這種方法是淮南礦業(yè)集團(tuán)公司試驗(yàn)成功的一種抽放采空區(qū)瓦斯的新方法，只要參數(shù)選取適宜，瓦斯抽放率可以達(dá)到50%80%，圖3為頂板巖石鉆孔采空區(qū)瓦斯抽放示意圖。圖3 頂板巖石鉆孔采空區(qū)瓦斯抽放示意圖(3)采用煤巷“鉆墻”布孔高效邊掘邊抽瓦斯“鉆墻”布孔邊掘邊抽是河南理工大學(xué)最近試驗(yàn)成功的一種高效瓦斯抽放方法，掘進(jìn)工作面煤壁截流瓦斯抽入率(和巷道瓦斯涌出總量相比)可達(dá)70%以上，特別適用于高瓦斯和突出煤層煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯強(qiáng)化抽放。圖4為“鉆墻”布孔邊掘邊抽方式示意圖。圖4 “鉆墻”布孔邊掘邊抽方式示意圖3.4 推廣聚氨酯封孔工藝 提高封孔質(zhì)量聚氨酯具有膨脹系數(shù)高、凝固時(shí)間短、封孔效率高、收縮率小和封孔質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，采用本煤層預(yù)抽瓦斯的礦井(特別是開采近水平和緩傾斜煤層的礦井)，應(yīng)當(dāng)采用聚氨酯封孔工藝，同時(shí)保證封孔深度46 m。為降低聚氨酯封孔成本，建議購買礦用聚