我國煤礦地下瓦斯抽放方法

王義林

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

我國大部分煤田在成煤階段經(jīng)歷了地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，煤體結(jié)構(gòu)被破壞，煤層滲透率下降，打鉆成孔困難，瓦斯抽放尤其是地面瓦斯抽放效果很差，少數(shù)可進(jìn)行地面抽放的高滲透率煤層多集中于河?xùn)|煤田和沁水盆地[1]，其他低滲透性煤層瓦斯難以治理，對煤礦安全生產(chǎn)提出了極大的挑戰(zhàn)。

自二十世紀(jì)四五十年代，我國開始瓦斯抽放試驗(yàn)，發(fā)展至今應(yīng)用較廣的抽放方法包括：順層鉆孔抽放、高位鉆孔抽放、巖層水平長鉆孔抽放、高抽巷抽放及埋管抽放。這些方法極大地改善了井下瓦斯治理狀況，為煤與瓦斯共采提供了技術(shù)支持和實(shí)現(xiàn)途徑。

當(dāng)前的研究解決了瓦斯抽放中的很多難題，但仍存在諸多問題未能解決，如普適性的最優(yōu)參數(shù)計(jì)算模型的建立，各抽放方法對高產(chǎn)高效礦井適應(yīng)性優(yōu)化等。筆者對各抽放方法取得的成就和存在的問題進(jìn)行總結(jié)，對現(xiàn)階段研究結(jié)果進(jìn)行分析與評述，為今后的研究提供參考。

1 本煤層瓦斯抽放方法

本煤層瓦斯治理主要采用順層鉆孔抽放方法，這是一種在上下平巷向煤體內(nèi)打孔，利用鉆孔卸壓來抽放瓦斯的方法。1954年，撫順龍鳳礦進(jìn)行了鉆孔抽放試驗(yàn)獲得成功；九十年代初期，焦作礦區(qū)及平頂山礦區(qū)開展了交叉布孔抽放突出煤層瓦斯的試驗(yàn)[2]。目前，對順層鉆孔抽放方法的研究主要從布孔方式和布孔參數(shù)進(jìn)行。

順層鉆孔抽放布孔方式主要有3種：扇形鉆孔、平行鉆孔和交叉鉆孔。陳金剛等在焦作韓王礦通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬對比平行面割理和垂直面割理布置鉆孔的效果，發(fā)現(xiàn)后者抽放量(2.61倍)與抽放率(4.34倍)均高于前者[3]；陳國新等在平頂山十礦采用相同孔徑孔深進(jìn)行交叉鉆孔和平行鉆孔抽放效果的對比試驗(yàn)，交叉鉆孔的百米抽放量(1.52倍)和抽放率(1.16倍)均高于平行鉆孔，但鉆孔數(shù)與鉆孔長度高于平行鉆孔(2.07倍)[4]。在布孔參數(shù)方面，謝雄剛等對比150m單向鉆孔與60～70m雙向鉆孔的百米鉆孔抽采量，發(fā)現(xiàn)后者是前者的2倍多[5]；姜文忠等建立了防突型、減風(fēng)型和復(fù)合型合理預(yù)抽期評價模型，結(jié)合平頂山十礦的煤田地質(zhì)條件與交叉布孔參數(shù)進(jìn)行預(yù)抽時間設(shè)計(jì)并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證[6]。

結(jié)合各學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，順層鉆孔抽放在現(xiàn)階段的發(fā)展中具有以下特點(diǎn)：

(1)3種布孔方式各有其優(yōu)劣，交叉布孔效果最優(yōu)，平行布孔成本最低，扇形布孔勞動強(qiáng)度最低。

(2)垂直面割理進(jìn)行斜孔布置可明顯提高順層鉆孔抽采效果，雙側(cè)斜孔、密集布孔、立體布孔能有效強(qiáng)化抽采。

(3)150mm以上孔徑鉆進(jìn)和護(hù)孔技術(shù)快速發(fā)展，大直徑鉆孔是現(xiàn)階段發(fā)展趨勢。

順層鉆孔抽放能有效處理本煤層瓦斯，目前對順層鉆孔抽放的研究中存在以下未盡之處：

(1)當(dāng)前的抽采參數(shù)研究中對不同參數(shù)的強(qiáng)化作用與相互對比的研究尚存在不足，如缺乏對雙向長鉆孔及對應(yīng)兩孔的重疊長度的理論研究與試驗(yàn)等。

(2)現(xiàn)階段對孔內(nèi)負(fù)壓的研究缺少現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，對具體負(fù)壓最優(yōu)值及其與鉆孔其他參數(shù)的相關(guān)性的研究未得出統(tǒng)一結(jié)論。

2 臨近層瓦斯抽放方法

臨近層瓦斯治理主要包括高位鉆孔抽放、巖層水平長鉆孔抽放和高位抽放巷抽放3種方法。下面將就此展開論述。

2.1 高位鉆孔抽放瓦斯

高位鉆孔抽放方法，是一種從回風(fēng)平巷開鉆場向采空區(qū)頂板打高位長鉆孔，利用頂板裂隙抽放瓦斯的方法，其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確定位裂縫帶高度和選擇鉆孔位置[7]。20世紀(jì)50年代中期，采用穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯的試驗(yàn)在陽泉礦區(qū)首先獲得成功[2]；近幾年，高位鉆孔抽放方法逐漸成熟，在陽泉等礦區(qū)應(yīng)用普遍，瓦斯抽放率超過50%[8]。目前學(xué)者對高位鉆孔抽放方法的研究主要從裂隙理論、三帶測量方法和布孔參數(shù)著手。

高位鉆孔抽放主要依據(jù)頂板裂隙理論，在關(guān)鍵層理論與“橫三區(qū)”、“豎三帶”劃分的基礎(chǔ)上，錢鳴高等結(jié)合采動裂隙場與卸壓瓦斯抽放，建立“O形圈”理論[9]；袁亮等以顧橋礦為試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行模擬，建立高位環(huán)形裂隙體的概念及其參數(shù)確定方法[10]。在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，學(xué)者們總結(jié)出了一系列測量垮落帶和裂縫帶范圍的方法。張彬等使用多匝矩形發(fā)射線框?qū)幭募t柳礦進(jìn)行探測，精確地探測出頂板裂縫帶高度、寬度[11]。在布孔參數(shù)方面，王海峰等于祁南礦開采有堅(jiān)硬巖層頂板的煤層時，提出將鉆孔布置在垮落帶，并通過實(shí)踐驗(yàn)證[12]；吳建亭在平煤四礦應(yīng)用193mm高位鉆孔，使用全液壓坑道鉆機(jī)，最長鉆孔超過200m，采用改良封孔技術(shù)后取得良好抽采效果[13]。

當(dāng)前研究表明，高位鉆孔抽放的發(fā)展存在以下特征：

(1)裂隙發(fā)展理論正經(jīng)歷由面到體的過程，裂隙理論模擬向著精準(zhǔn)定量方向發(fā)展。

(2)裂縫帶測定方法中，觀察法簡單易行，但需要觀察周期；數(shù)值模擬法最為安全，但建模復(fù)雜，精準(zhǔn)度低；三維地震勘探法探測精準(zhǔn)，但設(shè)備復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理困難。

(3)200mm孔徑與200m孔深的鉆進(jìn)工藝發(fā)展較為成熟，大直徑一次成孔、復(fù)合擴(kuò)孔和篩管完孔成為新的發(fā)展方向。

盡管高位鉆孔抽放的理論與技術(shù)都較為成熟，但在以下方面的研究還不夠深入：

(1)傳統(tǒng)的理論和方法對于一些特厚煤層及高產(chǎn)高效礦井存在不適應(yīng)性，對此的研究有待深入。

(2)在大直徑大孔深的鉆孔布置下，先進(jìn)有效的護(hù)孔技術(shù)亟待研發(fā)。

(3)三維地震物探的設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)仍依賴進(jìn)口，且后期數(shù)據(jù)整合處理研究不足。

2.2 巖層水平長鉆孔抽放瓦斯

巖層水平長鉆孔抽放，是一種從巷道向預(yù)抽區(qū)域的上覆巖層施工水平定向長鉆孔來抽放瓦斯的方法，最先應(yīng)用于石油開采和地質(zhì)勘探行業(yè)。國內(nèi)外煤礦引進(jìn)了定向鉆孔技術(shù)進(jìn)行水平長鉆孔抽放試驗(yàn)，瓦斯抽放率可達(dá)50%～80%；近年來，我國多家企業(yè)引進(jìn)千米鉆機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，取得了良好效果[7]。目前對水平長鉆孔的研究主要從鉆孔施工技術(shù)和鉆孔布孔參數(shù)著手。

該方法的成孔工藝主要有先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔工藝和大直徑一次成孔工藝，鉆進(jìn)工藝主要有回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和定向鉆進(jìn)。趙建國等針對200mm以上孔徑鉆孔，需進(jìn)行2次以上擴(kuò)孔的問題，提出引入液動(氣動)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)輔助擴(kuò)孔[14]；彭旭等將回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)尺快以及定向鉆進(jìn)軌跡可控的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，提出利用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高效率、利用定向鉆進(jìn)調(diào)整軌跡的混合鉆進(jìn)工藝，在唐家會煤礦進(jìn)行試驗(yàn)并取得良好效果[15]。在鉆孔參數(shù)方面，謝生榮等在高瓦斯煤層群研究利用順層千米大鉆孔實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采技術(shù)，對沙曲礦綜采面進(jìn)行了模擬，并于此進(jìn)行了200mm孔徑大鉆孔試驗(yàn)，解決了長期制約沙曲礦的上隅角及回風(fēng)流瓦斯超限問題[16]。

綜合各學(xué)者的研究結(jié)果，可以將水平長鉆孔抽放研究的進(jìn)展歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔工藝可完成150mm孔徑長鉆孔，經(jīng)二次擴(kuò)孔可實(shí)現(xiàn)200mm孔徑以上的長鉆孔。

(2)大直徑一次成孔工藝操作簡單，目前可實(shí)現(xiàn)120mm孔徑，對150mm孔徑以上一次成孔技術(shù)和機(jī)械的研究是目前的發(fā)展方向。

(3)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)難以施工超過500m的長鉆孔，定向鉆孔進(jìn)度過慢，二者的有效結(jié)合與液動(氣動)輔助破巖可實(shí)現(xiàn)千米長鉆孔。

在大力推進(jìn)大直徑長鉆孔的同時，水平長鉆孔抽放的研究中還有以下問題亟待解決：

(1)先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔工藝復(fù)雜難以簡化，一次成孔無法實(shí)現(xiàn)150mm孔徑以上長鉆孔。

(2)鉆孔參數(shù)的研究并不完善，如多組百米鉆孔與一組千米鉆孔的效果比對未見研究。

(3)原有的預(yù)抽時間模型對于數(shù)百米長的定向水平長鉆孔無法完全適用，急需更具適應(yīng)性的預(yù)抽模型進(jìn)行指導(dǎo)。

2.3 高抽巷抽放瓦斯

高位瓦斯抽放巷抽放，是通過在卸壓巖層中預(yù)先開掘?qū)Ｓ酶呶煌咚钩榉畔镞M(jìn)行瓦斯抽放的方法。陽泉礦區(qū)采用鄰近層巷道抽放瓦斯，瓦斯抽放率達(dá)70%～90%，是我國高抽巷抽放的先驅(qū)[2]。現(xiàn)階段對高抽巷抽放的研究集中在對采空區(qū)自燃的影響和調(diào)風(fēng)增透等外部參數(shù)的影響等方面。

在采空區(qū)自燃方面，屈昀等依照天池煤礦綜采面建立三維模型，分別模擬0，1，2，3kPa負(fù)壓時抽采效果及自燃帶范圍，發(fā)現(xiàn)隨抽采負(fù)壓增大，漏風(fēng)帶與氧化升溫帶寬度增加但與工作面相對位置變化不大[17]；褚廷湘等提出內(nèi)生火風(fēng)壓概念并建立了數(shù)學(xué)模型，得出巷道瓦斯抽采會增加煤層自燃風(fēng)險的結(jié)論[18]。在外部參數(shù)方面，王大強(qiáng)等于余吾煤業(yè)北一采區(qū)調(diào)整進(jìn)風(fēng)量，觀測上隅角瓦斯?jié)舛燃案叱橄锍椴闪孔兓M(jìn)行數(shù)值擬合得出配風(fēng)量與高抽巷抽采效果的關(guān)系，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫矫黠@降低[19]。

高抽巷抽放瓦斯流量大而穩(wěn)定，系統(tǒng)簡單，維護(hù)更易實(shí)現(xiàn)，但也存在一系列缺陷。目前，在高抽巷抽放研究中存在以下問題：

(1)抽放通道為巷道，長距離煤巖巷的開掘帶來大工作量、慢進(jìn)度和高成本等問題且難以解決。

(2)高抽巷抽放會改變漏風(fēng)帶與升溫帶范圍，目前對于該問題缺乏解決方案。

(3)巷道瓦斯抽采對封巷工藝提出了更高的要求，高效、環(huán)保的封巷方式是高抽巷抽放研究目前缺乏的部分。

3 采空區(qū)瓦斯抽放方法

治理采空區(qū)瓦斯主要采用埋管抽放方法，高位鉆孔抽放、水平長鉆孔抽放和埋管抽放等方法對采空區(qū)瓦斯也能起到一定的控制作用。埋管抽放是一種在工作面回風(fēng)巷中敷設(shè)管道進(jìn)行瓦斯抽放的方法。在我國，埋管抽放在20世紀(jì)50年代首先在撫順礦區(qū)試驗(yàn)成功，工作面瓦斯抽放率可達(dá)80%[2]；在“八五”、“九五”期間，研制了輕質(zhì)菱鎂管，并開發(fā)了自動監(jiān)控裝置、小型液壓風(fēng)機(jī)等配套設(shè)備[20]。目前，對埋管抽放的研究多著重于采空區(qū)瓦斯運(yùn)移和對采空區(qū)自燃的影響方面。

在當(dāng)前研究中，康雪等進(jìn)行埋管抽放采空區(qū)瓦斯的相似模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抽放口進(jìn)入自燃帶后，漏風(fēng)將擴(kuò)大氧化升溫帶，縮短自燃發(fā)火期，增大采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險[21]；王兵建等以新安煤礦綜放面為模型進(jìn)行CFD模擬，分析比對了抽放前后采空區(qū)走向、傾向及上隅角瓦斯?jié)舛确植迹偨Y(jié)出埋管抽放瓦斯運(yùn)移規(guī)律，為埋管抽放設(shè)計(jì)提供參考[22]；孟鐵中等于官地礦治理工作面上隅角瓦斯，經(jīng)埋管抽放后，上隅角瓦斯平均濃度降低49.4%，解決了瓦斯超限問題[23]。

從埋管抽放研究中可以發(fā)現(xiàn)，埋管抽放具有其處理上隅角瓦斯方面的優(yōu)勢，且由于瓦斯向上流動，埋管高度高且埋管的抽放口處于過渡帶時效果佳，漏風(fēng)少。在埋管抽放研究中也存在一些不足:

(1)前進(jìn)式抽放簡單節(jié)約，但多個支管同時抽，邁步式抽放漏風(fēng)小，現(xiàn)有的研究中缺乏對這兩種埋管方式的現(xiàn)場比較分析。

(2)埋管管材隨材料發(fā)展逐步更新，但目前對抽放口的保護(hù)措施仍處于木垛人工搭棚保護(hù)的階段，保護(hù)方法亟待改進(jìn)。

4 結(jié) 論

經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國煤礦地下瓦斯治理取得了顯著的成效，但瓦斯事故嚴(yán)重、瓦斯超限頻發(fā)的現(xiàn)象仍未得到解決，抽放時間長、效率低的問題仍長期存在。因此，瓦斯抽放方法需要進(jìn)一步加強(qiáng)與完善，其發(fā)展方向可依據(jù)以下幾個方面：

(1)順層鉆孔抽放需要強(qiáng)化最佳布孔參數(shù)的研究，向精準(zhǔn)判別節(jié)理裂隙方向施工高抽采效率的大直徑斜孔發(fā)展。

(2)高位鉆孔抽放與巖層水平長鉆孔抽放需要提高裂隙理論對高產(chǎn)高效礦井的適應(yīng)性，升級探測設(shè)備，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，改良鉆孔工藝及設(shè)備。

(3)高位巷抽放需要研制快速掘巖巷設(shè)備以及支護(hù)設(shè)備，并解決對采空區(qū)自燃的影響。

(4)埋管抽放需要加強(qiáng)對管道材料的改進(jìn)，更新埋管的保護(hù)方法，提高抽采效果。