矿井瓦斯抽采技术的研究现状及前景

王铁军，赵传龙，代华明，王 宁

(1．山东裕隆矿业集团有限责任公司，山东 济宁 273100;2．中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116;3．淮南矿业集团，安徽 淮南 232100)

瓦斯抽采是近几年提出来的新概念，它建立在瓦斯抽放之上。传统的瓦斯抽放技术给环境带来沉重的负担，煤矿抽采的低浓度的瓦斯几乎全排放到大气中。瓦斯抽采正是基于瓦斯抽放技术而形成的新的处理矿井瓦斯的方法。所谓的矿井瓦斯抽采技术一般是指利用瓦斯泵或其他抽采设备抽取煤层中的瓦斯，并通过与巷道隔离的管网，把抽出的各种浓度的瓦斯经过一定的技术手段采集起来的技术［1］。自1952年抚顺龙凤矿建立抽放系统［2］，开始抽放瓦斯以来，我国瓦斯抽放工作经历了半个多世纪。长时间的抽放经验发现，煤矿瓦斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且抽采的高浓度瓦斯可作为清洁能源，变害为利。基于如此重要的作用，瓦斯抽采技术的研究显得很关键。经过中外几代采矿人的努力，逐步完善了瓦斯抽采技术［3－6］。然而，必须认识到瓦斯抽采技术还有很多不足，比如对于低浓度瓦斯的利用、煤与瓦斯突出的机理与预测等，这些都值得深入研究。因此，把握煤矿瓦斯抽采技术的研究现状和前景，对矿井瓦斯灾害防治、开发新技术具有重要的参考意义。

1 矿井瓦斯抽采的可行性分析

1．1 矿井瓦斯抽采的目的

1)预防瓦斯超限，确保矿井安全。

2)开采保护层并具有抽采瓦斯系统的矿井，应抽采被保护层的卸压瓦斯。抽采近距离保护层的瓦斯，可减少卸压瓦斯涌入保护层工作面和采空区，保证保护层安全顺利地回采;抽采远距离被保护层的瓦斯，可以扩大保护范围与程度，并于事后在被保护层内进行掘进和回采时，瓦斯涌出量会显著减少。

3)无保护层可采的矿井，预抽瓦斯可作为区域性或局部防突措施来使用。

4)开发利用瓦斯资源，变害为利。

1．2 近几年我国瓦斯抽采情况

2008年，我国瓦斯抽采量达到58亿m3，比2005年增加150%;瓦斯利用量比2005年增长160%。2009年1－10月，累计抽采量达50．2亿 m3，利用量15．1 亿 m3，同比分别增长 9．8%、10．2%。目前，我国民用瓦斯用户约90万户，瓦斯发电装机容量达92万kW。随着煤矿瓦斯抽采利用量的大幅增加，瓦斯事故和死亡人数将会大幅下降，瓦斯排放污染也将会大幅减少。2008年，全国煤矿发生瓦斯事故起数和死亡人数分别比2005年下降56%和64%。2009年1－10月，全国煤矿发生瓦斯事故127起，死亡551人，同比分别下降21．1%和22．0%，共减少排放二氧化碳2 100万t。2011年我国煤矿瓦斯抽采量达到115亿m3，比去年增长36．7%，这些数据都表明，瓦斯抽采正在我国得以迅速推广，而且逐步成为瓦斯治理的主要手段。

1．3 常用的瓦斯抽采方法

矿井瓦斯抽采根据不同地点、不同煤层条件及巷道布置方式，提出了各种各样的抽采方法。各个国家的抽采方法也不尽相同，一般情况下按抽采瓦斯的来源分类可分为：开采煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采和围岩瓦斯抽采。各类瓦斯抽采方法的适用条件及抽采率见表1［3］：

表1 瓦斯抽采的常用方法及适用条件

2 我国矿井瓦斯的利用情况及存在的问题

煤矿的瓦斯抽采包括两方面内容，一为抽，二为采。所以，不光看到瓦斯在抽方面的研究状况，也要关注采的现状。采，主要体现在采集瓦斯后怎样利用瓦斯。因而，合理的利用瓦斯也是瓦斯抽采一个重要的方面，也是更新以前“瓦斯抽放”观念的症结所在。

2．1 矿井瓦斯的利用情况

煤矿瓦斯是宝贵的资源，它是大自然留给我们的财富。然而，由于开采方法和工艺的限制，对瓦斯的利用率很低。早期的《煤矿安全规程》规定瓦斯利用时，浓度低于30%的不予抽采，而直接排空，这就导致瓦斯资源的浪费。瓦斯中含的甲烷所产生的温室效应是二氧化碳的16倍，所以，也是导致环境污染的重要因素之一。现在，在国家新的能源政策的引导下瓦斯利用得到了推动。

常用的利用瓦斯的方法是：1)民用，比如可以作为锅炉燃料和民用炉灶使用。2)工业原料。比如甲烷在高温时燃烧分解后可产生粉状碳颗粒，这就是炭黑，它是橡胶、涂料等工业的添加剂。阳泉一矿曾建立了一座炭黑厂，瓦斯利用率得到了大大提高。该炭黑厂使用瓦斯量12 m3/min，甲烷浓度为50%，全年生产时间约7个月，年产炭黑200 t，取得了较好的效益。甲烷还可以用来生产甲醛等其它工业原料。3)发电用，现在国内很多煤矿建立了低浓度的瓦斯发电厂，不仅充分利用了低浓度的瓦斯，还带来了一定的经济效益。比如在2009年，徐矿集团夹河煤矿建立了低浓度瓦斯发电厂，标志江苏的低浓度瓦斯利用实现了零的突破。

2．2 瓦斯利用中存在的问题

1)对于浓度低于5%的瓦斯利用不足。现在，低浓度的瓦斯利用主要是浓度在10%～30%之间［7～18］。这部分的瓦斯的提纯方法［7，8］主要有膜分离法、变压吸附法(PsA)和真空变压吸附法(VPsA)等。经过一级提纯后浓度30%以上瓦斯可以作为民用燃气、锅炉等使用。经过二级提纯后浓度达到90%以上，可以作为更大范围的工业使用。然而，在超低浓度的瓦斯利用方面没有重大突破，或者某些方法不能投产，收益与成本相差悬殊，目前，像淮南矿区［19］、淮北矿区［20］、以及湖南一些煤矿［21］等开始对瓦斯利用进行一系列探索。

2)瓦斯利用受煤矿抽采量的影响大。煤矿在开采的不同阶段，不同位置，以及在处理“采、掘、抽”上所采用的不同方案会严重影响瓦斯的抽采量。使得瓦斯有时产量多，有时产量少，不能很好地延续地面上的瓦斯利用。比如在瓦斯抽采多时，只得排空处理，而在瓦斯抽采少时，不得不停止部分民用或工用。

3 瓦斯抽采的研究方向及发展思路

瓦斯抽采技术在我国的发展还面临着很多挑战。在新形势下，必须牢牢把握时代发展的要求来重新认识瓦斯抽采的重大意义。通过2009年的哥本哈根气候大会，不难发现低碳经济已逐步作为各国经济发展的策略。在我国，制定了很多促进低碳经济的各项政策。煤矿以前实行的瓦斯排放已严重违反了低碳要求。因而，作为煤矿来讲，瓦斯抽采的效率以及瓦斯的利用率势必是研究的重点。

在把握了以上瓦斯抽采研究方向后，还要认识到今后对于瓦斯抽采的发展思路。现今，煤矿瓦斯抽采的发展思路主要有：

1)在技术上，很多方面需要加强和深化，主要包括以下两个方面：

a)工程方面：

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继续研究试验单一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。⑤ 继续开采地面钻孔抽采瓦斯试验，做到先抽后采。⑥ 从技术上研究采、掘、抽之间的关系，提出煤矿合理的采、掘、抽之间的比例关系，丢弃采掘衔接的旧观念，树立采、掘、抽的新概念。合理分配掘、抽、采的比例，加大资金投入，保证充分的抽采时间和地点，实施综合抽。

b)理论方面：

①煤层中瓦斯发育的地质环境及形成机理的研究和针对这些含瓦斯煤层的评价体系的建立。②在高温高压条件下，煤的吸附特征及描述模型，以及煤吸附性能的地质控制因素的研究。③ 在开采过程中，煤层的孔、渗变化，在多重变形介质中不稳定渗流机理以及瓦斯在多重变形介质中多相耦合条件下的解吸—渗流数学模型的研究。④不同动力场的耦合作用、水化学作用对瓦斯成藏过程的影响、成藏过程的数值模拟的研究。⑤包括褐煤中的瓦斯在内的新的瓦斯资源量和可采资源量的计算与评价。

2)在管理上，要加强以下几个方面的工作［22］：

a)完善抽采专职队伍，保证抽采人员的相对稳定。b)加强抽采人员的培训，提高抽采人员的技术素质。c)搞好抽采设备管理，保证设备完好，满足施工要求。d)完善责任制和施工监督机制等，确保钻孔施工质量。e)建立健全瓦斯抽采激励机制，促进抽采工作健康发展。f)做好关于瓦斯抽采的职业安全健康管理体系，让职工掌握安全作业规程。

3)在经济上，企业要做好以下工作：

a)企业要为瓦斯抽采设置独立的预算资金，不要让它依附于其它部门，否则容易受到轻视。因为瓦斯抽采不能像采煤那样带来较大的直接的经济收益。b)建立瓦斯抽采资金利用的具体制度，使瓦斯抽采制度化、长久化。c)建立创新资金，提高抽采瓦斯的利用，比如建立低浓度瓦斯，特别是浓度＜5%的瓦斯利用的研究机构。

4 结论

1)通过瓦斯抽采的目的和《煤矿安全规程》的相关规定，可以看出，瓦斯抽采是可行的。由数据表明，经过几十年的发展，我国瓦斯抽采量也在逐年增加。这更加说明了瓦斯抽采的必要性和可行性。

2)按瓦斯抽采的来源分，常用的瓦斯抽采方法主要有：开采层瓦斯抽采，邻近层瓦斯抽采，采空区瓦斯抽采。这三种方法各有优缺点和适用条件，在选择时要充分考虑矿井的具体实情以及费用情况。

3)瓦斯抽采不仅要重视“抽”，而且要重视“采”。这是瓦斯抽采不同于瓦斯抽放的关键所在。而“采”就要注意瓦斯的利用情况，以及瓦斯利用所面临的问题。抛弃抽放是因为它带来的污染和能源浪费，而选择抽采就是体现对瓦斯的充分利用。

4)在新的形势下，选择瓦斯抽采是国际国内关于环境问题和能源问题的共同呼声。所以，把握瓦斯抽采的研究方向显得尤为重要。

［1］ 林伯泉．矿井瓦斯防治理论与技术［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2010：76－78．

［2］ 胡殿明，林柏泉．煤层瓦斯赋存规律及防治技术［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2006：91－92．

［3］ 王德明．矿井通风与安全［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2007：26－28．

［4］ 俞启香．矿井瓦斯防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1992：42－43．

［5］ 黄盛初，刘文革，赵国泉．中国煤层气开发利用现状及发展趋势［J］．中国煤炭，2009，25(1)：5－10．

［6］ 郑 爽，王估安．中国煤矿抽放瓦斯和利用［J］．煤矿安全，2003，34(9)：4－6．

［7］ 张增平．煤矿低浓度瓦斯提纯技术及经济性分析［J］．中国煤层气，2010，7(1)：42－44．

［8］ 王长元，王正辉，陈孝通．低浓度煤层气变压吸附浓缩技术研究现状［J］．矿业安全与环保，2008，35(6)：70－72．

［9］ 郑顺朝．低浓度煤矿瓦斯的利用方法［J］．山西建筑，2010，36(13)：178 －179．

［10］ 傅国廷．低浓度瓦斯发电技术及应用［J］．煤，2009，18(17)：17 －19．

［11］ 韩志婷，冯朝朝，葛万亮，等．煤层瓦斯的合理利用［J］．煤炭技术，2010，19(6)：117 －119．

［12］ 龙伍见．我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望［J］．矿业安全与环保，2010，37(4)：74－77．

［13］ 刘应书，李永玲，张 辉，等．煤矿低浓度瓦斯及其分离富集技术［J］．气体分离，2010(1)：53－59．

［14］ 宋 岩，张新民．中国煤层气基础研究和勘探开发技术新进展［J］．天然气工业，2005，25(1)：1－7．

［15］ 赵兴旗．提高矿井抽放瓦斯效果的途径［J］．矿业安全与环保，2007，34(5)：38－41．

［16］ 朱诗仙．煤矿瓦斯抽放技术［J］．煤炭技术，2009，28(6)：102 －103．

［17］ 程建军，程绍仁．煤矿瓦斯抽放存在问题及对策［J］．煤炭工程，2005(1)：33－35．

［18］ 彭 成．我国煤矿瓦斯抽采的现状及问题［J］．中国煤炭，2007，33(2)：60－62，77．

［19］ 王 岩．淮南矿区瓦斯抽采利用现状与前景［J］．中国煤层气，2005，2(4)：26，36－38．

［20］ 吴建国，李 伟．淮北矿区煤层气抽采利用技术探讨［J］．中国煤层气，2005，2(4)：16－19．

［21］ 赵 军．湖南省煤矿瓦斯抽采现状与整治对策［J］．江西煤炭科技，2009(3)：4－7．

［22］ 罗新荣，汤道路．安全法规与安全管理［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2009：51－53．