礦井瓦斯抽采技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前景

王鐵軍，趙傳龍，代華明，王 寧

(1．山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 273100;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;3．淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232100)

瓦斯抽采是近幾年提出來(lái)的新概念，它建立在瓦斯抽放之上。傳統(tǒng)的瓦斯抽放技術(shù)給環(huán)境帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，煤礦抽采的低濃度的瓦斯幾乎全排放到大氣中。瓦斯抽采正是基于瓦斯抽放技術(shù)而形成的新的處理礦井瓦斯的方法。所謂的礦井瓦斯抽采技術(shù)一般是指利用瓦斯泵或其他抽采設(shè)備抽取煤層中的瓦斯，并通過(guò)與巷道隔離的管網(wǎng)，把抽出的各種濃度的瓦斯經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)手段采集起來(lái)的技術(shù)［1］。自1952年撫順龍鳳礦建立抽放系統(tǒng)［2］，開(kāi)始抽放瓦斯以來(lái)，我國(guó)瓦斯抽放工作經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)。長(zhǎng)時(shí)間的抽放經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤礦瓦斯抽放不僅是降低礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施，而且抽采的高濃度瓦斯可作為清潔能源，變害為利?；谌绱酥匾淖饔茫咚钩椴杉夹g(shù)的研究顯得很關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)中外幾代采礦人的努力，逐步完善了瓦斯抽采技術(shù)［3－6］。然而，必須認(rèn)識(shí)到瓦斯抽采技術(shù)還有很多不足，比如對(duì)于低濃度瓦斯的利用、煤與瓦斯突出的機(jī)理與預(yù)測(cè)等，這些都值得深入研究。因此，把握煤礦瓦斯抽采技術(shù)的研究現(xiàn)狀和前景，對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治、開(kāi)發(fā)新技術(shù)具有重要的參考意義。

1 礦井瓦斯抽采的可行性分析

1．1 礦井瓦斯抽采的目的

1)預(yù)防瓦斯超限，確保礦井安全。

2)開(kāi)采保護(hù)層并具有抽采瓦斯系統(tǒng)的礦井，應(yīng)抽采被保護(hù)層的卸壓瓦斯。抽采近距離保護(hù)層的瓦斯，可減少卸壓瓦斯涌入保護(hù)層工作面和采空區(qū)，保證保護(hù)層安全順利地回采;抽采遠(yuǎn)距離被保護(hù)層的瓦斯，可以擴(kuò)大保護(hù)范圍與程度，并于事后在被保護(hù)層內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)和回采時(shí)，瓦斯涌出量會(huì)顯著減少。

3)無(wú)保護(hù)層可采的礦井，預(yù)抽瓦斯可作為區(qū)域性或局部防突措施來(lái)使用。

4)開(kāi)發(fā)利用瓦斯資源，變害為利。

1．2 近幾年我國(guó)瓦斯抽采情況

2008年，我國(guó)瓦斯抽采量達(dá)到58億m3，比2005年增加150%;瓦斯利用量比2005年增長(zhǎng)160%。2009年1－10月，累計(jì)抽采量達(dá)50．2億 m3，利用量15．1 億 m3，同比分別增長(zhǎng) 9．8%、10．2%。目前，我國(guó)民用瓦斯用戶約90萬(wàn)戶，瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)92萬(wàn)kW。隨著煤礦瓦斯抽采利用量的大幅增加，瓦斯事故和死亡人數(shù)將會(huì)大幅下降，瓦斯排放污染也將會(huì)大幅減少。2008年，全國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別比2005年下降56%和64%。2009年1－10月，全國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故127起，死亡551人，同比分別下降21．1%和22．0%，共減少排放二氧化碳2 100萬(wàn)t。2011年我國(guó)煤礦瓦斯抽采量達(dá)到115億m3，比去年增長(zhǎng)36．7%，這些數(shù)據(jù)都表明，瓦斯抽采正在我國(guó)得以迅速推廣，而且逐步成為瓦斯治理的主要手段。

1．3 常用的瓦斯抽采方法

礦井瓦斯抽采根據(jù)不同地點(diǎn)、不同煤層條件及巷道布置方式，提出了各種各樣的抽采方法。各個(gè)國(guó)家的抽采方法也不盡相同，一般情況下按抽采瓦斯的來(lái)源分類可分為：開(kāi)采煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采、采空區(qū)瓦斯抽采和圍巖瓦斯抽采。各類瓦斯抽采方法的適用條件及抽采率見(jiàn)表1［3］：

表1 瓦斯抽采的常用方法及適用條件

2 我國(guó)礦井瓦斯的利用情況及存在的問(wèn)題

煤礦的瓦斯抽采包括兩方面內(nèi)容，一為抽，二為采。所以，不光看到瓦斯在抽方面的研究狀況，也要關(guān)注采的現(xiàn)狀。采，主要體現(xiàn)在采集瓦斯后怎樣利用瓦斯。因而，合理的利用瓦斯也是瓦斯抽采一個(gè)重要的方面，也是更新以前“瓦斯抽放”觀念的癥結(jié)所在。

2．1 礦井瓦斯的利用情況

煤礦瓦斯是寶貴的資源，它是大自然留給我們的財(cái)富。然而，由于開(kāi)采方法和工藝的限制，對(duì)瓦斯的利用率很低。早期的《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定瓦斯利用時(shí)，濃度低于30%的不予抽采，而直接排空，這就導(dǎo)致瓦斯資源的浪費(fèi)。瓦斯中含的甲烷所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的16倍，所以，也是導(dǎo)致環(huán)境污染的重要因素之一?，F(xiàn)在，在國(guó)家新的能源政策的引導(dǎo)下瓦斯利用得到了推動(dòng)。

常用的利用瓦斯的方法是：1)民用，比如可以作為鍋爐燃料和民用爐灶使用。2)工業(yè)原料。比如甲烷在高溫時(shí)燃燒分解后可產(chǎn)生粉狀碳顆粒，這就是炭黑，它是橡膠、涂料等工業(yè)的添加劑。陽(yáng)泉一礦曾建立了一座炭黑廠，瓦斯利用率得到了大大提高。該炭黑廠使用瓦斯量12 m3/min，甲烷濃度為50%，全年生產(chǎn)時(shí)間約7個(gè)月，年產(chǎn)炭黑200 t，取得了較好的效益。甲烷還可以用來(lái)生產(chǎn)甲醛等其它工業(yè)原料。3)發(fā)電用，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多煤礦建立了低濃度的瓦斯發(fā)電廠，不僅充分利用了低濃度的瓦斯，還帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益。比如在2009年，徐礦集團(tuán)夾河煤礦建立了低濃度瓦斯發(fā)電廠，標(biāo)志江蘇的低濃度瓦斯利用實(shí)現(xiàn)了零的突破。

2．2 瓦斯利用中存在的問(wèn)題

1)對(duì)于濃度低于5%的瓦斯利用不足?，F(xiàn)在，低濃度的瓦斯利用主要是濃度在10%～30%之間［7～18］。這部分的瓦斯的提純方法［7，8］主要有膜分離法、變壓吸附法(PsA)和真空變壓吸附法(VPsA)等。經(jīng)過(guò)一級(jí)提純后濃度30%以上瓦斯可以作為民用燃?xì)狻㈠仩t等使用。經(jīng)過(guò)二級(jí)提純后濃度達(dá)到90%以上，可以作為更大范圍的工業(yè)使用。然而，在超低濃度的瓦斯利用方面沒(méi)有重大突破，或者某些方法不能投產(chǎn)，收益與成本相差懸殊，目前，像淮南礦區(qū)［19］、淮北礦區(qū)［20］、以及湖南一些煤礦［21］等開(kāi)始對(duì)瓦斯利用進(jìn)行一系列探索。

2)瓦斯利用受煤礦抽采量的影響大。煤礦在開(kāi)采的不同階段，不同位置，以及在處理“采、掘、抽”上所采用的不同方案會(huì)嚴(yán)重影響瓦斯的抽采量。使得瓦斯有時(shí)產(chǎn)量多，有時(shí)產(chǎn)量少，不能很好地延續(xù)地面上的瓦斯利用。比如在瓦斯抽采多時(shí)，只得排空處理，而在瓦斯抽采少時(shí)，不得不停止部分民用或工用。

3 瓦斯抽采的研究方向及發(fā)展思路

瓦斯抽采技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展還面臨著很多挑戰(zhàn)。在新形勢(shì)下，必須牢牢把握時(shí)代發(fā)展的要求來(lái)重新認(rèn)識(shí)瓦斯抽采的重大意義。通過(guò)2009年的哥本哈根氣候大會(huì)，不難發(fā)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)已逐步作為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的策略。在我國(guó)，制定了很多促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)政策。煤礦以前實(shí)行的瓦斯排放已嚴(yán)重違反了低碳要求。因而，作為煤礦來(lái)講，瓦斯抽采的效率以及瓦斯的利用率勢(shì)必是研究的重點(diǎn)。

在把握了以上瓦斯抽采研究方向后，還要認(rèn)識(shí)到今后對(duì)于瓦斯抽采的發(fā)展思路?，F(xiàn)今，煤礦瓦斯抽采的發(fā)展思路主要有：

1)在技術(shù)上，很多方面需要加強(qiáng)和深化，主要包括以下兩個(gè)方面：

a)工程方面：

①進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)篩選及適用性研究，總結(jié)各項(xiàng)瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用情況、技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍和條件，開(kāi)展適用性研究。為全國(guó)各礦區(qū)的瓦斯抽采提供指導(dǎo)。②繼續(xù)研究試驗(yàn)單一低透氣性煤層強(qiáng)化抽采技術(shù)，提高開(kāi)采層預(yù)抽的抽采率，降低煤層的瓦斯涌出量，消除或降低煤層的突出危險(xiǎn)性。③ 研制功率大，故障率低，打鉆效率及成孔率高的新型鉆機(jī)及配套設(shè)備，完善打鉆工藝，解決松軟煤層打鉆及成孔問(wèn)題。④研究瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔施工及定向技術(shù)，開(kāi)發(fā)定向長(zhǎng)鉆孔的監(jiān)控裝置，保證鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。⑤ 繼續(xù)開(kāi)采地面鉆孔抽采瓦斯試驗(yàn)，做到先抽后采。⑥ 從技術(shù)上研究采、掘、抽之間的關(guān)系，提出煤礦合理的采、掘、抽之間的比例關(guān)系，丟棄采掘銜接的舊觀念，樹(shù)立采、掘、抽的新概念。合理分配掘、抽、采的比例，加大資金投入，保證充分的抽采時(shí)間和地點(diǎn)，實(shí)施綜合抽。

b)理論方面：

①煤層中瓦斯發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境及形成機(jī)理的研究和針對(duì)這些含瓦斯煤層的評(píng)價(jià)體系的建立。②在高溫高壓條件下，煤的吸附特征及描述模型，以及煤吸附性能的地質(zhì)控制因素的研究。③ 在開(kāi)采過(guò)程中，煤層的孔、滲變化，在多重變形介質(zhì)中不穩(wěn)定滲流機(jī)理以及瓦斯在多重變形介質(zhì)中多相耦合條件下的解吸—滲流數(shù)學(xué)模型的研究。④不同動(dòng)力場(chǎng)的耦合作用、水化學(xué)作用對(duì)瓦斯成藏過(guò)程的影響、成藏過(guò)程的數(shù)值模擬的研究。⑤包括褐煤中的瓦斯在內(nèi)的新的瓦斯資源量和可采資源量的計(jì)算與評(píng)價(jià)。

2)在管理上，要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作［22］：

a)完善抽采專職隊(duì)伍，保證抽采人員的相對(duì)穩(wěn)定。b)加強(qiáng)抽采人員的培訓(xùn)，提高抽采人員的技術(shù)素質(zhì)。c)搞好抽采設(shè)備管理，保證設(shè)備完好，滿足施工要求。d)完善責(zé)任制和施工監(jiān)督機(jī)制等，確保鉆孔施工質(zhì)量。e)建立健全瓦斯抽采激勵(lì)機(jī)制，促進(jìn)抽采工作健康發(fā)展。f)做好關(guān)于瓦斯抽采的職業(yè)安全健康管理體系，讓職工掌握安全作業(yè)規(guī)程。

3)在經(jīng)濟(jì)上，企業(yè)要做好以下工作：

a)企業(yè)要為瓦斯抽采設(shè)置獨(dú)立的預(yù)算資金，不要讓它依附于其它部門，否則容易受到輕視。因?yàn)橥咚钩椴刹荒芟癫擅耗菢訋?lái)較大的直接的經(jīng)濟(jì)收益。b)建立瓦斯抽采資金利用的具體制度，使瓦斯抽采制度化、長(zhǎng)久化。c)建立創(chuàng)新資金，提高抽采瓦斯的利用，比如建立低濃度瓦斯，特別是濃度＜5%的瓦斯利用的研究機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)瓦斯抽采的目的和《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，可以看出，瓦斯抽采是可行的。由數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)瓦斯抽采量也在逐年增加。這更加說(shuō)明了瓦斯抽采的必要性和可行性。

2)按瓦斯抽采的來(lái)源分，常用的瓦斯抽采方法主要有：開(kāi)采層瓦斯抽采，鄰近層瓦斯抽采，采空區(qū)瓦斯抽采。這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，在選擇時(shí)要充分考慮礦井的具體實(shí)情以及費(fèi)用情況。

3)瓦斯抽采不僅要重視“抽”，而且要重視“采”。這是瓦斯抽采不同于瓦斯抽放的關(guān)鍵所在。而“采”就要注意瓦斯的利用情況，以及瓦斯利用所面臨的問(wèn)題。拋棄抽放是因?yàn)樗鼛?lái)的污染和能源浪費(fèi)，而選擇抽采就是體現(xiàn)對(duì)瓦斯的充分利用。

4)在新的形勢(shì)下，選擇瓦斯抽采是國(guó)際國(guó)內(nèi)關(guān)于環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的共同呼聲。所以，把握瓦斯抽采的研究方向顯得尤為重要。

［1］ 林伯泉．礦井瓦斯防治理論與技術(shù)［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010：76－78．

［2］ 胡殿明，林柏泉．煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006：91－92．

［3］ 王德明．礦井通風(fēng)與安全［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：26－28．

［4］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992：42－43．

［5］ 黃盛初，劉文革，趙國(guó)泉．中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．中國(guó)煤炭，2009，25(1)：5－10．

［6］ 鄭 爽，王估安．中國(guó)煤礦抽放瓦斯和利用［J］．煤礦安全，2003，34(9)：4－6．

［7］ 張?jiān)銎剑旱V低濃度瓦斯提純技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析［J］．中國(guó)煤層氣，2010，7(1)：42－44．

［8］ 王長(zhǎng)元，王正輝，陳孝通．低濃度煤層氣變壓吸附濃縮技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(6)：70－72．

［9］ 鄭順朝．低濃度煤礦瓦斯的利用方法［J］．山西建筑，2010，36(13)：178 －179．

［10］ 傅國(guó)廷．低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用［J］．煤，2009，18(17)：17 －19．

［11］ 韓志婷，馮朝朝，葛萬(wàn)亮，等．煤層瓦斯的合理利用［J］．煤炭技術(shù)，2010，19(6)：117 －119．

［12］ 龍伍見(jiàn)．我國(guó)煤礦低濃度瓦斯利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及前景展望［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(4)：74－77．

［13］ 劉應(yīng)書(shū)，李永玲，張 輝，等．煤礦低濃度瓦斯及其分離富集技術(shù)［J］．氣體分離，2010(1)：53－59．

［14］ 宋 巖，張新民．中國(guó)煤層氣基礎(chǔ)研究和勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)新進(jìn)展［J］．天然氣工業(yè)，2005，25(1)：1－7．

［15］ 趙興旗．提高礦井抽放瓦斯效果的途徑［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(5)：38－41．

［16］ 朱詩(shī)仙．煤礦瓦斯抽放技術(shù)［J］．煤炭技術(shù)，2009，28(6)：102 －103．

［17］ 程建軍，程紹仁．煤礦瓦斯抽放存在問(wèn)題及對(duì)策［J］．煤炭工程，2005(1)：33－35．

［18］ 彭 成．我國(guó)煤礦瓦斯抽采的現(xiàn)狀及問(wèn)題［J］．中國(guó)煤炭，2007，33(2)：60－62，77．

［19］ 王 巖．淮南礦區(qū)瓦斯抽采利用現(xiàn)狀與前景［J］．中國(guó)煤層氣，2005，2(4)：26，36－38．

［20］ 吳建國(guó)，李 偉．淮北礦區(qū)煤層氣抽采利用技術(shù)探討［J］．中國(guó)煤層氣，2005，2(4)：16－19．

［21］ 趙 軍．湖南省煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀與整治對(duì)策［J］．江西煤炭科技，2009(3)：4－7．

［22］ 羅新榮，湯道路．安全法規(guī)與安全管理［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：51－53．