我国煤与瓦斯共采技术现状及展望

简煊祥,李云飞,林 毅

煤层瓦斯是指储集于煤层及其邻近岩层中的天然气。煤层瓦斯是成煤母质在煤化作用过程中形成的,我国煤层气资源丰富,居世界第三位,埋藏2 000 m以内的煤层气资源约有 36万亿 m3,相当于450多亿 t标准煤或 350多亿 t标准油,与陆上天然气资源量相当。长期以来,煤层瓦斯已成为我国煤矿安全生产的最大隐患,同时煤层瓦斯也是一种具有强烈温室效应的气体,其大量直接排放将严重污染大气环境,但其是一种高效、清洁可燃气体,发热量为33.5～36.8 MJ/m3,所以煤与瓦斯的共采既可以保证煤矿安全生产,又可以节省煤炭等其他能源,变害为利,对于保护生命、保护资源、保护环境,促进煤炭工业的安全发展、节约发展和可持续发展,都具有重要的现实意义。

1 煤与瓦斯共采技术现状

煤与瓦斯共采首先应该实现煤层瓦斯的抽采,我国工业抽放瓦斯始于 1938年的抚顺龙凤矿,但系统联系的抽放瓦斯是 1952年在龙凤矿建抽放瓦斯泵开始的,到 2001年底,全国已有 185个煤矿建立了井下瓦斯抽放系统和地面输气系统,2002年,全国瓦斯抽放量达 1 146 Mm3。现有瓦斯抽放技术中在煤与瓦斯共采中主要采用卸压瓦斯抽放方法,即在采掘工作面影响范围内的抽放。卸压瓦斯抽放方法从抽放部位上分：邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和掘进巷道瓦斯抽放;从抽放形式上分：钻孔抽放和埋管抽放。

1.1 邻近层瓦斯抽放[1]

开采煤层群时,回采煤层的顶、底板围岩将发生冒落、移动、龟裂和卸压、透气系数增加。回采层附近煤层中的瓦斯就能向回采层的采空区运移。这类向开采层采空区涌出瓦斯的煤层叫做邻近层,其中位于开采层顶板内的邻近层叫做上邻近层,底板内的叫下邻近层。邻近层抽放瓦斯方法主要有巷道法和钻孔法。阳泉抽放上、下邻近层瓦斯的钻孔布置方法见图 1,图2。

图 1 上邻近层卸压瓦斯抽放示意图

图 2 下邻近层卸压瓦斯抽放示意图

需要注意的是,由于邻近层瓦斯抽放钻孔必须深入到邻近层的卸压带内,而且又要避开冒落和大的破碎裂隙区,以免抽放钻孔大量漏气、乃至被切断而使钻孔失效。因此,在邻近层瓦斯抽放钻孔布置中,应注意钻孔布置的角度、钻孔间距、钻孔直径等,以便达到最佳抽放效果。

1.2 采空区瓦斯抽放[2]

采空区的瓦斯涌出在矿井瓦斯来源中占有相当大的比例,采空区瓦斯抽放的方法主要有低位顶板走向或斜交钻孔、冒落拱钻孔、采空区埋管抽放等。

低位顶板走向或斜交钻孔抽放冒落拱上方的卸压瓦斯,见图 3。

图 3 向冒落顶上方打钻抽放采空区瓦斯示意图

钻孔从风巷侧面钻场开孔,与回风巷夹角 15°～20°,仰角 10°～18°,孔深 80 ～140 m,向采空区冒落拱上方打钻,钻场间距 50～80 m,每个钻场打钻孔 3～5个,相邻钻场钻孔有 40～65 m重叠搭接,以保证抽放量连续稳定。钻孔直径越大,抽放量越高,抽放封孔套管内径应与钻孔的直径相同,封孔长度以 5～6 m为宜。随着无煤柱开采的发展,该技术在松藻打通、铁法大兴、淮南潘一、潘三等煤矿成功试验并取得显著效果。

埋管抽放法[3]是将抽放瓦斯管埋设在采空区起采线上隅角附近,为适应开采方式 (俯采或仰采),埋管方式又有水平埋管和垂直埋管两种,见图 4。

图 4 采空区埋管抽放法示意图

实践证明,采空区埋管管口的位置越高,越远离工作面,相对于工作面的负压差越大,采空区与工作面直接隔离做的越好,其抽放效果越好。水城木冲沟采空区埋管抽放瓦斯取得了较好的效果,抽出瓦斯浓度达 30%～40%,抽放瓦斯量在 18.5～24.4 m3/min,抽放率达到 81%左右。

1.3 掘进巷道瓦斯抽放[3]

当掘进工作面瓦斯涌出量大或当掘进巷道掘至地质构造带附近,其瓦斯量可能较大,此时可采用边掘边抽方式,利用巷道两帮的卸压条带,向巷道前方打钻抽放瓦斯。布孔方式见图 5,钻孔参数见表 1[2]。孔径 50 100 mm,孔深 200 mm以内。

图 5 煤巷掘进抽放瓦斯钻孔布置示意图

鸡西穆梭矿采用这种方式抽放瓦斯取得了很好的效果。在掘进煤厚1.7～1.9 m的煤巷时,瓦斯涌出量曾高达 8.2 m3/m in,使掘进无法正常进行。经采用巷道两帮打超前钻孔抽放瓦斯,抽出 5～7 m3/min瓦斯后,巷道瓦斯涌出量降低了 60% ～70%。

表 1 抽放瓦斯钻孔参数表

2 煤与瓦斯共采技术的理论基础[4-5]

无论是采空区的瓦斯抽采,还是掘进巷道的瓦斯抽采均属于卸压瓦斯抽放,但是低渗透率一直是影响我国矿井瓦斯抽放的主要原因。在煤层的掘进巷道过程中会引起巷道围岩的应力重新分布,并在巷道围岩中产生裂隙,引起其周围岩层产生“卸压增透”效应,即引起周围岩层地应力封闭的破坏 (地应力降低 —卸压、孔隙与裂缝增生张开)、层间岩层封闭的破坏(上覆煤岩层垮落、破裂、下沉、下位煤岩层破裂、上鼓)以及地质构造封闭的破坏 (封闭的地质构造因采动而开放、松弛)。三者综合导致围岩及其煤层的透气性系数大幅度增加,为卸压瓦斯高产高效抽采创造前提条件。

随着工作面不断地向前推进,采空区顶板充分垮落后,采空区中部岩层和下方的矸石紧密接触,从而使得采空区中部顶板岩层裂隙基本被压实,结合采场空间特点,采空区四周形成了一个环形的采动裂隙发育区 ,文献称之为“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采动影响的煤层瓦斯在含量梯度和压力梯度作用下以扩散和渗流的形式向“O”形圈内运移,使得“O”形圈成为卸压煤层瓦斯聚集和运移的主要通道。在沿工作面倾斜方向靠近回风巷侧布置一组大直径抽采钻孔,利用采动裂隙“O”形圈作为运移通道来抽采采空区瓦斯,不但可以有效解决上隅角瓦斯超限问题,而且“O”形圈长期存在,抽采钻孔能够长时间、稳定的抽采出高含量瓦斯。

3 煤与瓦斯共采技术应用实例

3.1 潞安某矿工作面煤与瓦斯共采现状

潞安集团是山西主要的产煤基地,由于煤炭储量丰富、地质构造简单、煤层赋存稳定以及地理位置优越等有利条件,而成为重点开发的矿区,但是瓦斯灾害在矿井建设生产过程中特别严重,瓦斯不仅涌出量大,而且积聚时间长、治理难度大。近些年,潞安矿务局在瓦斯治理方面开展了一系列的研究试验,并取得了很好的成效,其中煤与瓦斯共采成为其治理矿井瓦斯灾害的主要措施。

3.2 工作面煤与瓦斯共采技术实践[6]

3.2.1 采空区插管抽采

采空区插管抽采即对上隅角的采空区瓦斯聚积区进行插管抽放。工作面回采时,煤壁涌出的瓦斯一部分被风流带到回风巷中排出,另一部分升浮、扩散到采空区内,汇同采空区内的浮煤中的瓦斯共同形成采空区瓦斯。这部分瓦斯约占工作面瓦斯涌出总量的40%。针对工作面的具体情况,将 d219 mm抽放管路末端的 4条支管插入上隅角采空区,对采空区瓦斯进行抽采。

3.2.2 工作面前方卸压带抽采

由于煤层的采动会引起周围岩层产生“卸压增透”效应,当低渗透高瓦斯煤层卸压、围岩松动后,瓦斯会瞬间解吸,涌出量急剧增加,实施工作面前方卸压带浅孔抽放。在回风巷内靠近最上部支架顶梁外侧沿走向密集布置斜向工作面下方的钻孔,对瓦斯进行集中抽排。在工作面支架顶梁外边缘位置错开1 m,沿走向方向打 1排密集斜眼,深 6 m,倾角 60°,将带有2 m长钢管接头的铠装软管插入钻孔,所有的钻孔都由铠装软管与 d219 mm主抽放管路连接,从而在支架尾梁上部的煤体裂隙中形成一个较高的负压区,将此处涌出或积聚的瓦斯通过抽放管路采出。

3.3 效果检验

实验结果表明,该矿在实施煤与瓦斯共采技术后,瓦斯抽取量大大增加,保持在 10 000 m3/d,工作面相对瓦斯涌出量由实施共采技术前的14%～22%降低至 8%～12%,而煤炭产量也由共采前的 960～2 120 t/d提高到 2 840～3 160 t/d,达到了稳产高效的目的,既保证了工作面安全生产,消除了瓦斯隐患,又抽取了瓦斯,取得了良好效果。实施煤与瓦斯共采前后工作面有关指标对比见表 2[6]。

4 煤与瓦斯共采技术现存问题

4.1 煤与瓦斯共采理论有待提高[7-8]

利用煤层开采引起的岩层移动对煤层渗透性的增大作用,在采煤的同时高效开采卸压瓦斯,即形成煤与瓦斯共采技术,将是我国煤层瓦斯开采的重要途径,也是煤矿绿色开采技术的重要内容之一。岩层移动与采动裂隙分布规律是煤与瓦斯共采技术研究的重要理论基础。利用采动卸压场与裂隙场增加煤层瓦斯的解吸速度与煤岩的透气性。实现矿井煤与瓦斯双能源开采的思想提出来已经有几年了,我国相关大学和企业进行了必要的研究和工程实践,取得了一定的成果。但是总体上,理论研究有落后于工程实践的趋势,对于卸压瓦斯在采动裂隙场内的渗流规律、不同区段不同浓度煤层气的分布和动态变化规律、在进行煤层气抽放过程中固体煤岩物理力学性质的变化和煤层气抽放时的流变规律、岩层移动对卸压瓦斯抽放钻孔的破坏及其防护对策等方面还有待进一步研究。

表 2 实施煤与瓦斯共采前后工作面有关指标对比表

4.2 煤层瓦斯抽采难度大、地质构造复杂

我国高瓦斯矿井多,煤层瓦斯含量高,煤田地质构造形态多样,抽采难度大。现今我国重点煤矿矿井平均开采深度约为420 m,而开采深度超过1 000 m的也有 10余处,随着矿井开采深度的加大,瓦斯压力和地应力增加,瓦斯抽采难度进一步增大。

4.3 煤层瓦斯渗透率低、抽放不稳定、利用困难

我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点,70%以上的渗透率小于 0.001 μm2,这无疑是加大了瓦斯的抽采难度,目前,我国瓦斯抽采水平不高、抽采形式单一,混入空气较多,抽采的瓦斯浓度普遍偏低,需要将抽采的瓦斯进一步提纯才能加以利用,这样就给瓦斯的综合利用造成很大困难。

4.4 共采观念有待提高、资金投入不足

目前,我国煤与瓦斯共采更多只是理论研究,而实际应用的却是极少数。企业对煤与瓦斯共采的认识不够,对煤与瓦斯共采投放的专项资金有限,造成瓦斯抽放钻孔工程量太小,无法加大钻孔密度以形成网格式布孔,使得所抽取的瓦斯浓度偏低不能满足利用的要求,须尽快转变观念,加快煤与瓦斯共采系统建设及更新改造,只有这样才能真正实现绿色开采。

5 煤与瓦斯共采技术的展望

大部分高瓦斯矿井仍然停留在对瓦斯的抽放上而没有真正实现煤与瓦斯共采。展望未来,我国从事煤矿安全管理和科学研究的工程技术人员任重道远。为了保证高瓦斯煤层开采中的安全生产,不断提高对瓦斯的抽放量,同时兼顾对抽放瓦斯的综合利用,实现煤与瓦斯共采,需着重研究采空区和掘进巷道的抽放瓦斯技术;研究提高开采低透气性突出煤层抽放瓦斯的方法,以岩层移动与采动裂隙分布规律等为基础理论,力争在抽放瓦斯技术、抽放设备和装备的研究中有所突破;提高对抽放瓦斯的认识,健全机制,完善管理制度,增大投入和完善装备,保证在实现矿井安全生产的同时实现煤与瓦斯共采,达到绿色开采。

6 结 语

近年来,随着煤矿开采深度增大和开采速度的提高,矿井瓦斯涌出量增大,抽放瓦斯已越来越成为高瓦斯含量煤层开采的一个必不可少的重要环节。矿井瓦斯不仅是煤矿安全生产的最大隐患,同时也是一种贵重的能源,煤与瓦斯共采是绿色开采的重要组成部分。目前,实现煤与瓦斯共采中除地面瓦斯抽放外矿井瓦斯的抽放方法主要有：从抽放的部位上分：邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和掘进巷道瓦斯抽放;从抽放的形式上分：钻孔抽放和埋管抽放。煤与瓦斯共采主要是以岩层移动与采动裂隙分布规律为理论基础,结合潞安矿务局某矿工作面煤与瓦斯共采实例说明煤与瓦斯共采不但能保证工作面安全生产消除安全隐患,而且能对瓦斯进行利用,具有广阔的前景。

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