我國煤與瓦斯共采技術(shù)現(xiàn)狀及展望

簡煊祥,李云飛,林 毅

煤層瓦斯是指儲集于煤層及其鄰近巖層中的天然氣。煤層瓦斯是成煤母質(zhì)在煤化作用過程中形成的,我國煤層氣資源豐富,居世界第三位,埋藏2 000 m以內(nèi)的煤層氣資源約有 36萬億 m3,相當(dāng)于450多億 t標(biāo)準(zhǔn)煤或 350多億 t標(biāo)準(zhǔn)油,與陸上天然氣資源量相當(dāng)。長期以來,煤層瓦斯已成為我國煤礦安全生產(chǎn)的最大隱患,同時煤層瓦斯也是一種具有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的氣體,其大量直接排放將嚴(yán)重污染大氣環(huán)境,但其是一種高效、清潔可燃?xì)怏w,發(fā)熱量為33.5～36.8 MJ/m3,所以煤與瓦斯的共采既可以保證煤礦安全生產(chǎn),又可以節(jié)省煤炭等其他能源,變害為利,對于保護(hù)生命、保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境,促進(jìn)煤炭工業(yè)的安全發(fā)展、節(jié)約發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展,都具有重要的現(xiàn)實意義。

1 煤與瓦斯共采技術(shù)現(xiàn)狀

煤與瓦斯共采首先應(yīng)該實現(xiàn)煤層瓦斯的抽采,我國工業(yè)抽放瓦斯始于 1938年的撫順龍鳳礦,但系統(tǒng)聯(lián)系的抽放瓦斯是 1952年在龍鳳礦建抽放瓦斯泵開始的,到 2001年底,全國已有 185個煤礦建立了井下瓦斯抽放系統(tǒng)和地面輸氣系統(tǒng),2002年,全國瓦斯抽放量達(dá) 1 146 Mm3?，F(xiàn)有瓦斯抽放技術(shù)中在煤與瓦斯共采中主要采用卸壓瓦斯抽放方法,即在采掘工作面影響范圍內(nèi)的抽放。卸壓瓦斯抽放方法從抽放部位上分：鄰近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放和掘進(jìn)巷道瓦斯抽放;從抽放形式上分：鉆孔抽放和埋管抽放。

1.1 鄰近層瓦斯抽放[1]

開采煤層群時,回采煤層的頂、底板圍巖將發(fā)生冒落、移動、龜裂和卸壓、透氣系數(shù)增加?；夭蓪痈浇簩又械耐咚咕湍芟蚧夭蓪拥牟煽諈^(qū)運(yùn)移。這類向開采層采空區(qū)涌出瓦斯的煤層叫做鄰近層,其中位于開采層頂板內(nèi)的鄰近層叫做上鄰近層,底板內(nèi)的叫下鄰近層。鄰近層抽放瓦斯方法主要有巷道法和鉆孔法。陽泉抽放上、下鄰近層瓦斯的鉆孔布置方法見圖 1,圖2。

圖 1 上鄰近層卸壓瓦斯抽放示意圖

圖 2 下鄰近層卸壓瓦斯抽放示意圖

需要注意的是,由于鄰近層瓦斯抽放鉆孔必須深入到鄰近層的卸壓帶內(nèi),而且又要避開冒落和大的破碎裂隙區(qū),以免抽放鉆孔大量漏氣、乃至被切斷而使鉆孔失效。因此,在鄰近層瓦斯抽放鉆孔布置中,應(yīng)注意鉆孔布置的角度、鉆孔間距、鉆孔直徑等,以便達(dá)到最佳抽放效果。

1.2 采空區(qū)瓦斯抽放[2]

采空區(qū)的瓦斯涌出在礦井瓦斯來源中占有相當(dāng)大的比例,采空區(qū)瓦斯抽放的方法主要有低位頂板走向或斜交鉆孔、冒落拱鉆孔、采空區(qū)埋管抽放等。

低位頂板走向或斜交鉆孔抽放冒落拱上方的卸壓瓦斯,見圖 3。

圖 3 向冒落頂上方打鉆抽放采空區(qū)瓦斯示意圖

鉆孔從風(fēng)巷側(cè)面鉆場開孔,與回風(fēng)巷夾角 15°～20°,仰角 10°～18°,孔深 80 ～140 m,向采空區(qū)冒落拱上方打鉆,鉆場間距 50～80 m,每個鉆場打鉆孔 3～5個,相鄰鉆場鉆孔有 40～65 m重疊搭接,以保證抽放量連續(xù)穩(wěn)定。鉆孔直徑越大,抽放量越高,抽放封孔套管內(nèi)徑應(yīng)與鉆孔的直徑相同,封孔長度以 5～6 m為宜。隨著無煤柱開采的發(fā)展,該技術(shù)在松藻打通、鐵法大興、淮南潘一、潘三等煤礦成功試驗并取得顯著效果。

埋管抽放法[3]是將抽放瓦斯管埋設(shè)在采空區(qū)起采線上隅角附近,為適應(yīng)開采方式 (俯采或仰采),埋管方式又有水平埋管和垂直埋管兩種,見圖 4。

圖 4 采空區(qū)埋管抽放法示意圖

實踐證明,采空區(qū)埋管管口的位置越高,越遠(yuǎn)離工作面,相對于工作面的負(fù)壓差越大,采空區(qū)與工作面直接隔離做的越好,其抽放效果越好。水城木沖溝采空區(qū)埋管抽放瓦斯取得了較好的效果,抽出瓦斯?jié)舛冗_(dá) 30%～40%,抽放瓦斯量在 18.5～24.4 m3/min,抽放率達(dá)到 81%左右。

1.3 掘進(jìn)巷道瓦斯抽放[3]

當(dāng)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大或當(dāng)掘進(jìn)巷道掘至地質(zhì)構(gòu)造帶附近,其瓦斯量可能較大,此時可采用邊掘邊抽方式,利用巷道兩幫的卸壓條帶,向巷道前方打鉆抽放瓦斯。布孔方式見圖 5,鉆孔參數(shù)見表 1[2]?？讖?50 100 mm,孔深 200 mm以內(nèi)。

圖 5 煤巷掘進(jìn)抽放瓦斯鉆孔布置示意圖

雞西穆梭礦采用這種方式抽放瓦斯取得了很好的效果。在掘進(jìn)煤厚1.7～1.9 m的煤巷時,瓦斯涌出量曾高達(dá) 8.2 m3/m in,使掘進(jìn)無法正常進(jìn)行。經(jīng)采用巷道兩幫打超前鉆孔抽放瓦斯,抽出 5～7 m3/min瓦斯后,巷道瓦斯涌出量降低了 60% ～70%。

表 1 抽放瓦斯鉆孔參數(shù)表

2 煤與瓦斯共采技術(shù)的理論基礎(chǔ)[4-5]

無論是采空區(qū)的瓦斯抽采,還是掘進(jìn)巷道的瓦斯抽采均屬于卸壓瓦斯抽放,但是低滲透率一直是影響我國礦井瓦斯抽放的主要原因。在煤層的掘進(jìn)巷道過程中會引起巷道圍巖的應(yīng)力重新分布,并在巷道圍巖中產(chǎn)生裂隙,引起其周圍巖層產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng),即引起周圍巖層地應(yīng)力封閉的破壞 (地應(yīng)力降低 —卸壓、孔隙與裂縫增生張開)、層間巖層封閉的破壞(上覆煤巖層垮落、破裂、下沉、下位煤巖層破裂、上鼓)以及地質(zhì)構(gòu)造封閉的破壞 (封閉的地質(zhì)構(gòu)造因采動而開放、松弛)。三者綜合導(dǎo)致圍巖及其煤層的透氣性系數(shù)大幅度增加,為卸壓瓦斯高產(chǎn)高效抽采創(chuàng)造前提條件。

隨著工作面不斷地向前推進(jìn),采空區(qū)頂板充分垮落后,采空區(qū)中部巖層和下方的矸石緊密接觸,從而使得采空區(qū)中部頂板巖層裂隙基本被壓實,結(jié)合采場空間特點,采空區(qū)四周形成了一個環(huán)形的采動裂隙發(fā)育區(qū) ,文獻(xiàn)稱之為“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采動影響的煤層瓦斯在含量梯度和壓力梯度作用下以擴(kuò)散和滲流的形式向“O”形圈內(nèi)運(yùn)移,使得“O”形圈成為卸壓煤層瓦斯聚集和運(yùn)移的主要通道。在沿工作面傾斜方向靠近回風(fēng)巷側(cè)布置一組大直徑抽采鉆孔,利用采動裂隙“O”形圈作為運(yùn)移通道來抽采采空區(qū)瓦斯,不但可以有效解決上隅角瓦斯超限問題,而且“O”形圈長期存在,抽采鉆孔能夠長時間、穩(wěn)定的抽采出高含量瓦斯。

3 煤與瓦斯共采技術(shù)應(yīng)用實例

3.1 潞安某礦工作面煤與瓦斯共采現(xiàn)狀

潞安集團(tuán)是山西主要的產(chǎn)煤基地,由于煤炭儲量豐富、地質(zhì)構(gòu)造簡單、煤層賦存穩(wěn)定以及地理位置優(yōu)越等有利條件,而成為重點開發(fā)的礦區(qū),但是瓦斯災(zāi)害在礦井建設(shè)生產(chǎn)過程中特別嚴(yán)重,瓦斯不僅涌出量大,而且積聚時間長、治理難度大。近些年,潞安礦務(wù)局在瓦斯治理方面開展了一系列的研究試驗,并取得了很好的成效,其中煤與瓦斯共采成為其治理礦井瓦斯災(zāi)害的主要措施。

3.2 工作面煤與瓦斯共采技術(shù)實踐[6]

3.2.1 采空區(qū)插管抽采

采空區(qū)插管抽采即對上隅角的采空區(qū)瓦斯聚積區(qū)進(jìn)行插管抽放。工作面回采時,煤壁涌出的瓦斯一部分被風(fēng)流帶到回風(fēng)巷中排出,另一部分升浮、擴(kuò)散到采空區(qū)內(nèi),匯同采空區(qū)內(nèi)的浮煤中的瓦斯共同形成采空區(qū)瓦斯。這部分瓦斯約占工作面瓦斯涌出總量的40%。針對工作面的具體情況,將 d219 mm抽放管路末端的 4條支管插入上隅角采空區(qū),對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。

3.2.2 工作面前方卸壓帶抽采

由于煤層的采動會引起周圍巖層產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng),當(dāng)?shù)蜐B透高瓦斯煤層卸壓、圍巖松動后,瓦斯會瞬間解吸,涌出量急劇增加,實施工作面前方卸壓帶淺孔抽放。在回風(fēng)巷內(nèi)靠近最上部支架頂梁外側(cè)沿走向密集布置斜向工作面下方的鉆孔,對瓦斯進(jìn)行集中抽排。在工作面支架頂梁外邊緣位置錯開1 m,沿走向方向打 1排密集斜眼,深 6 m,傾角 60°,將帶有2 m長鋼管接頭的鎧裝軟管插入鉆孔,所有的鉆孔都由鎧裝軟管與 d219 mm主抽放管路連接,從而在支架尾梁上部的煤體裂隙中形成一個較高的負(fù)壓區(qū),將此處涌出或積聚的瓦斯通過抽放管路采出。

3.3 效果檢驗

實驗結(jié)果表明,該礦在實施煤與瓦斯共采技術(shù)后,瓦斯抽取量大大增加,保持在 10 000 m3/d,工作面相對瓦斯涌出量由實施共采技術(shù)前的14%～22%降低至 8%～12%,而煤炭產(chǎn)量也由共采前的 960～2 120 t/d提高到 2 840～3 160 t/d,達(dá)到了穩(wěn)產(chǎn)高效的目的,既保證了工作面安全生產(chǎn),消除了瓦斯隱患,又抽取了瓦斯,取得了良好效果。實施煤與瓦斯共采前后工作面有關(guān)指標(biāo)對比見表 2[6]。

4 煤與瓦斯共采技術(shù)現(xiàn)存問題

4.1 煤與瓦斯共采理論有待提高[7-8]

利用煤層開采引起的巖層移動對煤層滲透性的增大作用,在采煤的同時高效開采卸壓瓦斯,即形成煤與瓦斯共采技術(shù),將是我國煤層瓦斯開采的重要途徑,也是煤礦綠色開采技術(shù)的重要內(nèi)容之一。巖層移動與采動裂隙分布規(guī)律是煤與瓦斯共采技術(shù)研究的重要理論基礎(chǔ)。利用采動卸壓場與裂隙場增加煤層瓦斯的解吸速度與煤巖的透氣性。實現(xiàn)礦井煤與瓦斯雙能源開采的思想提出來已經(jīng)有幾年了,我國相關(guān)大學(xué)和企業(yè)進(jìn)行了必要的研究和工程實踐,取得了一定的成果。但是總體上,理論研究有落后于工程實踐的趨勢,對于卸壓瓦斯在采動裂隙場內(nèi)的滲流規(guī)律、不同區(qū)段不同濃度煤層氣的分布和動態(tài)變化規(guī)律、在進(jìn)行煤層氣抽放過程中固體煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化和煤層氣抽放時的流變規(guī)律、巖層移動對卸壓瓦斯抽放鉆孔的破壞及其防護(hù)對策等方面還有待進(jìn)一步研究。

表 2 實施煤與瓦斯共采前后工作面有關(guān)指標(biāo)對比表

4.2 煤層瓦斯抽采難度大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

我國高瓦斯礦井多,煤層瓦斯含量高,煤田地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)多樣,抽采難度大?，F(xiàn)今我國重點煤礦礦井平均開采深度約為420 m,而開采深度超過1 000 m的也有 10余處,隨著礦井開采深度的加大,瓦斯壓力和地應(yīng)力增加,瓦斯抽采難度進(jìn)一步增大。

4.3 煤層瓦斯?jié)B透率低、抽放不穩(wěn)定、利用困難

我國煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點,70%以上的滲透率小于 0.001 μm2,這無疑是加大了瓦斯的抽采難度,目前,我國瓦斯抽采水平不高、抽采形式單一,混入空氣較多,抽采的瓦斯?jié)舛绕毡槠?需要將抽采的瓦斯進(jìn)一步提純才能加以利用,這樣就給瓦斯的綜合利用造成很大困難。

4.4 共采觀念有待提高、資金投入不足

目前,我國煤與瓦斯共采更多只是理論研究,而實際應(yīng)用的卻是極少數(shù)。企業(yè)對煤與瓦斯共采的認(rèn)識不夠,對煤與瓦斯共采投放的專項資金有限,造成瓦斯抽放鉆孔工程量太小,無法加大鉆孔密度以形成網(wǎng)格式布孔,使得所抽取的瓦斯?jié)舛绕筒荒軡M足利用的要求,須盡快轉(zhuǎn)變觀念,加快煤與瓦斯共采系統(tǒng)建設(shè)及更新改造,只有這樣才能真正實現(xiàn)綠色開采。

5 煤與瓦斯共采技術(shù)的展望

大部分高瓦斯礦井仍然停留在對瓦斯的抽放上而沒有真正實現(xiàn)煤與瓦斯共采。展望未來,我國從事煤礦安全管理和科學(xué)研究的工程技術(shù)人員任重道遠(yuǎn)。為了保證高瓦斯煤層開采中的安全生產(chǎn),不斷提高對瓦斯的抽放量,同時兼顧對抽放瓦斯的綜合利用,實現(xiàn)煤與瓦斯共采,需著重研究采空區(qū)和掘進(jìn)巷道的抽放瓦斯技術(shù);研究提高開采低透氣性突出煤層抽放瓦斯的方法,以巖層移動與采動裂隙分布規(guī)律等為基礎(chǔ)理論,力爭在抽放瓦斯技術(shù)、抽放設(shè)備和裝備的研究中有所突破;提高對抽放瓦斯的認(rèn)識,健全機(jī)制,完善管理制度,增大投入和完善裝備,保證在實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)的同時實現(xiàn)煤與瓦斯共采,達(dá)到綠色開采。

6 結(jié) 語

近年來,隨著煤礦開采深度增大和開采速度的提高,礦井瓦斯涌出量增大,抽放瓦斯已越來越成為高瓦斯含量煤層開采的一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。礦井瓦斯不僅是煤礦安全生產(chǎn)的最大隱患,同時也是一種貴重的能源,煤與瓦斯共采是綠色開采的重要組成部分。目前,實現(xiàn)煤與瓦斯共采中除地面瓦斯抽放外礦井瓦斯的抽放方法主要有：從抽放的部位上分：鄰近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放和掘進(jìn)巷道瓦斯抽放;從抽放的形式上分：鉆孔抽放和埋管抽放。煤與瓦斯共采主要是以巖層移動與采動裂隙分布規(guī)律為理論基礎(chǔ),結(jié)合潞安礦務(wù)局某礦工作面煤與瓦斯共采實例說明煤與瓦斯共采不但能保證工作面安全生產(chǎn)消除安全隱患,而且能對瓦斯進(jìn)行利用,具有廣闊的前景。

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