煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展探究

＊徐 游

（貴州文家壩礦業(yè)有限公司 貴州 552100）

引言

瓦斯作為煤礦開采的伴生產(chǎn)物，其本身利用價值極高，部分情況下已經(jīng)成為某些特定工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料。同時在利用過程中，甲烷燃燒的環(huán)境友好度控制較好，且特殊的燃燒性質(zhì)也使得其逐漸成為部分工業(yè)應(yīng)用的最優(yōu)解。針對甲烷抽采易發(fā)生爆炸問題，嘗試對現(xiàn)代煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)進行了改良，從而保證瓦斯抽采過程中的安全性。

1.現(xiàn)階段我國瓦斯抽采中遇到的問題

(1)工程實例

目標煤礦位于我國山西省東部，煤礦面積高達105km2，預(yù)計生產(chǎn)效能可達到410萬t/a。18620工作面的煤層構(gòu)造簡單，主要以8#、3#煤層開采為主。該煤層厚度在3.3～5.2m之間，平均厚度可達到5.4m。其中，8#煤層性質(zhì)上為滲透性煤層，該煤層中瓦斯性質(zhì)特殊，衰減快、透氣性低、吸附能力強等特點直接增加了該煤層的瓦斯抽取難度。不過，在預(yù)計勘測中，該煤層的瓦斯含量已經(jīng)達到12m3/t，巷道瓦斯壓力也達到1.0MPa。改為從周圍區(qū)域為采空區(qū)，部分區(qū)域工作面頂板的主要構(gòu)成為砂石和泥巖。在數(shù)據(jù)切眼的分析中，可發(fā)現(xiàn)運輸帶瓦斯體積分數(shù)可達到12%，過度帶缺氧而處理20～50m范圍內(nèi)，瓦斯體積分數(shù)可達到15%～20%。該區(qū)域瓦斯含量較高，但分布較為復(fù)雜。瓦斯滯留帶與切眼位置相距超過50m，瓦斯體積分數(shù)已達到33%，空氣流動速度遠低于預(yù)期。

(2)問題分析

①認知偏差過大，對開采產(chǎn)生錯誤預(yù)期

我國瓦斯抽采技術(shù)出現(xiàn)時間較短，大多數(shù)是來源于其他國家的操作經(jīng)驗，因此對瓦斯抽采技術(shù)中的認知偏差較大，部分情況下甚至?xí)蓴_瓦斯抽采計劃的制定[1]。在21世紀初的多數(shù)瓦斯抽采認知中，可發(fā)現(xiàn)我國相關(guān)經(jīng)驗均來源于美國的數(shù)據(jù)報告，所以在相關(guān)模型計算上，多直接套用，所以報告中誤差難以避免，給瓦斯開采帶來的損失也很難進行準確估量。其次，我國地形復(fù)雜，本身就與西方以及其他地區(qū)有較大差異，所以盲目地使用資料也必然會導(dǎo)致預(yù)期偏差增加[2]。最后，我國煤炭資源都以構(gòu)造煤、深層煤為主，開采難度較大，其質(zhì)量管控也需要大量的資金投入。但由于并未意識到該內(nèi)容，所以我國“十二五”瓦斯利用目標完成度僅僅只有預(yù)定值的30%。對當(dāng)前數(shù)據(jù)進行分析后，可發(fā)現(xiàn)認知判斷失誤所帶來的惡劣影響甚至?xí)由熘?037年[3]。

②過于看重工程經(jīng)驗，忽視研發(fā)

在實例瓦斯開采中，我國的開采行為依然受到西方開采體系的影響。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國1990年正式引入西方開采技術(shù)，以便通過該技術(shù)創(chuàng)造出了喜人的氣體開采量[4]。但從整體上看，我國巨額的瓦斯開采量多源于較大的生產(chǎn)井基數(shù)，所以核心技術(shù)在20世紀內(nèi)并未得到明顯提升[5]。在平均數(shù)據(jù)對比上，發(fā)現(xiàn)我國設(shè)計出平均生產(chǎn)井采氣量遠遠低于世界同等水平。到了2010年后，我國開采技術(shù)有明顯提升，但本質(zhì)上還是缺少開采針對性與研發(fā)自主性，這導(dǎo)致在部分開采事故的預(yù)防中表現(xiàn)并不理想。在該時期后，我國開始逐漸向瓦斯開采領(lǐng)域投入更多研發(fā)基金，但由于人員、技術(shù)占比差距較大，研發(fā)能力的提升與預(yù)期還是有較大差距[6]。

③環(huán)境資源矛盾處理不及時，負面影響反噬

A.環(huán)境矛盾處理

瓦斯利用價值較高，所以我國早在21世紀初就確定了資源開發(fā)方針，即通過自動調(diào)整的方式處理環(huán)境與資源之間的矛盾問題，從而盡可能的對皖事資源進行充分利用。但在實際處理中，可發(fā)現(xiàn)資源環(huán)境矛盾巨大，很難通過動態(tài)調(diào)整的方式取得平衡。比如在2005年—2010年間，可查的煤礦瓦斯挖掘事故已達到45起，死亡人數(shù)已超過160人[7]。出現(xiàn)該問題后，我國相關(guān)部門立即調(diào)整戰(zhàn)略方針，迅速將發(fā)展重點集中到環(huán)境保護中。但從2015年—2020年的相關(guān)數(shù)據(jù)中可以看出，我國可查的瓦斯采取事故件數(shù)已降低到13起，死亡人數(shù)下降至49人，但瓦斯抽取效率降低至原有的47%，環(huán)境保護支出上升了43個百分點，瓦斯資源采取收益整體下降27%。相關(guān)專家分析，未來瓦斯開采中用于環(huán)境保護的資金會繼續(xù)上漲，其帶來的實際收益會再次降低[8]。

B.開采難度增加導(dǎo)致環(huán)境資源平衡困難

常規(guī)勘探開發(fā)耗費成本較少，由于該方面的環(huán)境資金也較少，所以針對該階段的技術(shù)優(yōu)化所帶來的收益十分有限。而在深層煤的處理中，所耗費的資金會明顯上漲。開采行為本身屬于線性過程，隨著開采的推進，開采的難度也會迅速提升。在相關(guān)報告中，可以發(fā)現(xiàn)我國深度超過1000m以上的開采井已超過38%，而我國大部分瓦斯都存在于1000～2000m地層中，現(xiàn)在深度層的瓦斯保留占比超過全國占比的70%[9]。

2.現(xiàn)階段瓦斯抽采技術(shù)

(1)定向長鉆孔瓦斯抽采

①技術(shù)介紹

千米鉆機移動能力依靠履帶行走實現(xiàn)，機體本身負載有鉆進系統(tǒng)，可根據(jù)設(shè)定數(shù)值自由調(diào)整方位、轉(zhuǎn)角、工作面積等其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在鉆探過程中，可實時反饋鉆孔數(shù)據(jù)，并記錄鉆孔軌跡。在驅(qū)動方式上，我國大多數(shù)定向長鉆孔都依靠電液能源進行驅(qū)動，鉆進區(qū)域能源依靠高壓水。

②技術(shù)要點

在開始鉆孔作業(yè)前，技術(shù)人員要提前預(yù)留一個標準孔洞，孔洞直徑數(shù)據(jù)為170mm，長度20m，并在孔中安裝長12m寬100mm的PVC管?？湛谖恢冒惭b鋼管，長度6m，寬18mm。安裝完成后直接接管，并在其中注入泥沙封孔。在鉆進過程中，技術(shù)人員需要提前對高瓦斯區(qū)域進行判斷，并提前做好引流，保證鉆井過程安全性。多數(shù)情況下，噴出保護裝置的最大保護范圍為18～20MPa，可保證技術(shù)人員在部分情況下的人員安全[10]。

(2)智能瓦斯抽采技術(shù)

智能瓦斯抽采技術(shù)以現(xiàn)代技術(shù)為準，通過多種方式實現(xiàn)瓦斯抽采的智能化。在現(xiàn)階段，智能抽采技術(shù)多為這種技術(shù)概念總和，基本智能是達到綠色開采、安全開采、經(jīng)濟開采、高效開采的最終目的。從整體上看，智能瓦斯抽采技術(shù)至少具備物料識別、數(shù)據(jù)分析、具體定位、云計算、流程監(jiān)視、自動數(shù)據(jù)調(diào)整等基礎(chǔ)功能[11]。為更加準確表現(xiàn)出相關(guān)概念，本文也嘗試通過具體技術(shù)說明智能瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)狀，詳情如下：

①地質(zhì)信息透明化

地質(zhì)信息透明化可以提高操作人員對目標瓦斯層的判斷精度，也是智能瓦斯抽采技術(shù)基礎(chǔ)。在該技術(shù)下，系統(tǒng)可自動識別煤層賦存情況，并根據(jù)媒體結(jié)構(gòu)推斷瓦斯分布。雖然現(xiàn)階段地質(zhì)分析技術(shù)并不夠成熟，但可收集到的信息已經(jīng)能夠準確表現(xiàn)出該區(qū)域的基本性質(zhì)。同時，地質(zhì)技術(shù)分析并非單一技術(shù)，它包含數(shù)據(jù)庫整理、探測技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)，比如在X光技術(shù)的應(yīng)用下，地質(zhì)分析精度再次增加，而增加的數(shù)據(jù)也會直接進入數(shù)據(jù)庫中，通過篩選進一步恢復(fù)該地區(qū)的實例地質(zhì)條件。而隨著地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的增加，技術(shù)人員也能夠更加輕松的對目標開采區(qū)域進行數(shù)據(jù)復(fù)原，并通過3D透明化的地質(zhì)建模確定瓦斯開采的最佳方案[12]。

另外在部分歐洲國家，開始嘗試通過模型模擬開采過程，并推測瓦斯抽采過的地區(qū)環(huán)境變化情況，最后達到資源與環(huán)境的平衡?？梢园l(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠有效降低傳統(tǒng)瓦斯開采的被動性，并能夠盡早發(fā)現(xiàn)開采中的不穩(wěn)定因素，及時排除。而當(dāng)數(shù)據(jù)庫達到一定規(guī)模后，對資源利用也有相當(dāng)寶貴的指導(dǎo)作用，比如在未來部分非再生資源的利用中，就能夠最大程度提升該資源的具體收益。

②鉆孔智能設(shè)計體現(xiàn)

傳統(tǒng)鉆孔多以人工操作為主，操作量大且精度難以保證。同時，多數(shù)瓦斯開采為動態(tài)過程，靜態(tài)的鉆孔操作會直接降低瓦斯開采效率，嚴重情況下會導(dǎo)致開采事故的出現(xiàn)。另外，我國多數(shù)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，各工作面之間也會有較大的地質(zhì)差距，顯然人工很難覆蓋。而在智能開采設(shè)計中，技術(shù)人員可根據(jù)開采區(qū)的數(shù)據(jù)變化情況繪制瓦斯關(guān)鍵數(shù)據(jù)變化曲線。在得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化特征調(diào)整鉆孔位置、鉆孔大小[13]。

其次，該數(shù)據(jù)也能夠直接分析各個鉆孔的實際工作效率，并調(diào)整各個鉆孔間的任務(wù)資源分配情況。而當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生較大改變時，技術(shù)人員也能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進行捕捉，并提前做好防范，降低相關(guān)設(shè)備與人員的損失。

③巡檢機器人的使用

瓦斯抽采中巡檢機器人屬于特種機器人，其現(xiàn)階段主要包含三類，分別為輪式巡檢、吊軌式巡檢以及四足巡檢，其主要差異來源于其運動方式的不同。輪式巡檢類型主要用于基礎(chǔ)模塊攝影，功能為礦洞內(nèi)簡單圖像的識別，擁有簡單的數(shù)據(jù)反饋能力，能夠迅速聯(lián)合形成異常信息匯報網(wǎng)絡(luò)。吊軌巡檢活動范圍更大，也更容易通過數(shù)量優(yōu)勢建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。在能源供給上，無線充電的優(yōu)勢也保證其有充足的能量支持。四足機器人為仿生學(xué)設(shè)計，可以有效翻越礦洞地形，并對礦洞關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行收集。雖然成本造價較高，但整體功能集合上限也相對較高，能夠支持較為復(fù)雜的巡檢命令。

3.未來瓦斯抽取技術(shù)優(yōu)化方向

未來瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展會更加科學(xué)化，但本質(zhì)上還是在保證環(huán)境、安全的基礎(chǔ)上提升瓦斯開采效率。所以，除了單純的技術(shù)優(yōu)化外，未來的瓦斯抽取技術(shù)優(yōu)化方向也可以從以下角度進行入手：

(1)提高對開采的認知

在掌握先進技術(shù)后，要充分利用技術(shù)的可能性，最大程度地提高對已有瓦斯抽采技術(shù)的認知，避免陷入銷量、產(chǎn)量的攀比怪圈。比如，在實際分析中要結(jié)合能源的實際需求，通過計劃方式調(diào)整能源開采周期，最大程度降低對環(huán)境的破壞。在透明化地質(zhì)信息的技術(shù)應(yīng)用中，該技術(shù)的潛力已經(jīng)被充分體現(xiàn)。

(2)提高技術(shù)應(yīng)用安全性

不管是何種技術(shù)，在正式使用前都需要及時進行排查，確保運行狀態(tài)穩(wěn)定。尤其在現(xiàn)代智能抽采技術(shù)應(yīng)用中，更是需要注意程序運行邏輯是否符合該區(qū)域的資源開采特征。其次，智能抽采系統(tǒng)中必須要添加異常數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，并最大程度保留智能開采系統(tǒng)的自動判斷過程，確保開采系統(tǒng)的運行穩(wěn)定度。

(3)結(jié)合我國實際，調(diào)整資金投入方向

在相關(guān)技術(shù)研發(fā)中，我國可以參考其他地區(qū)進行相關(guān)的理論實驗，但整體上要以我國地質(zhì)條件為核心，并做好外來技術(shù)的“本地化”，盡可能減少相關(guān)方向的判斷失誤。在戰(zhàn)略上，我國也應(yīng)該加強對科研方面的資金投入，實現(xiàn)從“實驗場”到“研究廠”的定位轉(zhuǎn)變。同時，研究也要注重技術(shù)與資源的綁定性，在提高市場收益的同時，提高對該技術(shù)的應(yīng)用主動性，從而為我國煤礦瓦斯開采爭取更多的市場優(yōu)勢。

4.結(jié)束語

顯而易見，瓦斯開采確實能夠為企業(yè)帶來巨大收益，但由于技術(shù)難度較高，所以開采前需要多次調(diào)整開采規(guī)劃。而對于國家來講，也需要盡可能提高瓦斯抽采技術(shù)的集合性，通過多種輔助技術(shù)降低瓦斯抽采的技術(shù)風(fēng)險，并最大程度提高瓦斯的資源利用價值。另外，在新技術(shù)應(yīng)用中，主要平衡好新技術(shù)收益分配，避免產(chǎn)生過多的資源“債務(wù)”。