中国煤矿瓦斯抽放问题及对策.docx
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中国煤矿瓦斯抽放问题及对策
提高煤矿瓦斯抽放效果的技术对策探讨
王兆丰（河南理工大学，河南焦作454000）
摘要：
本文通过对我国煤矿瓦斯抽放现状的分析，指出预抽时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽放系统不匹配、管理不到位是造成目前我国煤矿瓦斯抽放率偏低的主要原因，并结合国内外的最新研究进展，探讨了解决上述问题的技术对策。
关键词：
煤矿瓦斯抽放问题对策
我国是世界上最大的产煤国，同时也是发生煤矿灾害事故最严重的国家。
2000年，我国原煤产量由关井压产前的13亿吨降至10亿吨，煤炭生产死亡5798人，百万吨死亡率为5.8［1］，是俄罗斯的12倍，印度的16倍，美国的182倍。
瓦斯灾害是造成我国煤矿灾害事故严重的主要原因。
2000年，我国煤矿共发生一次死亡3～9人重大事故367起，死亡1694人，其中，瓦斯事故267起，死亡1281人，占3～9人事故起数的72.75%、死亡人数的75.62%；发生一次死亡10人以上的特大事故75起，死亡1398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1319人，占10人以上事故起数的92.00%、死亡人数的94.35%。
瓦斯抽放是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，我国政府及有关部门对此给予了高度重视。
从20世纪50年代开始，我国就将瓦斯抽放作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿推广；2002年，国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯防治方针，强化了瓦斯抽放治理瓦斯灾害的地位；新版《煤矿安全规程》也以法规的形式对煤矿瓦斯抽放作了详尽的规定。
半个世纪以来，我国实施瓦斯抽放的矿井数量和瓦斯抽放量逐年稳步上升，抽放瓦斯总量仅少于美国，居世界第二位［2］。
尽管如此，和煤矿瓦斯灾害治理对瓦斯抽放的要求相比，我国煤矿瓦斯抽放效果亟待提高。
本文根据我国煤矿瓦斯抽放的现状，分析制约煤矿瓦斯抽放效果的主要问题，并探讨解决这些问题的技术对策。
1我国煤矿瓦斯抽放现状
1.1瓦斯抽放量
据不完全统计，2002年，我国共有141个煤矿实施瓦斯抽放，年抽放瓦斯总量达到8.67×108m3［2］。
与50年代初期相比，瓦斯抽放矿井数量增加了23.5倍，年瓦斯抽放量增加了7.67倍。
抚顺、阳泉、松藻、天府、淮南、盘江、铁法、石炭井、水城、平顶山、芙蓉、中梁山、南桐、淮北、鹤岗、鹤壁、峰峰、焦作、丰城、六枝是我国目前的主要抽放瓦斯矿区（见表1），其中，抚顺和阳泉两个矿区的瓦斯抽放量最多，年瓦斯抽放量均超过了108m3。
2002年，20个主要瓦斯抽放矿区共计95个抽放矿井的瓦斯抽放量之和为7.12×108m3，占全国瓦斯抽放总量的82.1%。
表11994和2000年我国主要瓦斯抽放矿区瓦斯抽放量和抽放率统计表
矿区
名称
2002年
1994年
瓦斯涌出量（106m3）
瓦斯抽放量（106m3）
瓦斯抽放率
（%）
瓦斯涌出量（106m3）
瓦斯抽放量（106m3）
瓦斯抽放率
（%）
抚顺
162.11
128.56
79.30
197.15
118.81
60.26
阳泉
378.87
117.26
30.95
357.36
89.42
23.40
松藻
194.08
76.55
50.06
150.91
68.18
41.96
天府
79.41
63.72
80.24
82.80
19.73
23.83
盘江
202.49
51.18
26.14
166.49
18.26
12.18
淮南
312.82
49.39
15.87
199.57
5.22
2.80
铁法
157.41
44.48
28.80
129.40
17.60
14.07
石炭井
86.20
34.30
39.79
41.17
12.50
30.36
水城
157.29
26.21
18.67
150.46
11.17
8.56
平顶山
137.27
25.86
20.84
125.16
1.66
1.89
芙蓉
98.86
24.68
20.98
99.10
20.14
29.29
中梁山
51.24
23.96
46.76
97.98
22.23
43.38
南桐
91.38
22.73
24.87
94.33
13.64
15.14
淮北
223.72
18.01
14.15
116.53
4.55
3.90
鹤岗
92.60
13.21
15.40
96.32
12.00
12.45
鹤壁
134.95
12.38
9.30
108.14
8.20
8.57
峰峰
125.69
11.48
12.14
109.34
11.15
11.32
焦作
86.81
10.45
12.58
94.52
12.44
14.39
丰城
157.29
9.41
15.40
64.77
9.82
15.92
六枝
45.34
8.17
19.04
93.72
19.06
18.68
合计
2975.83
771.79
25.94
2575.22
495.78
19.25
1.2瓦斯抽放率
按照抽放率大小，我国主要瓦斯抽放矿区可以划分为三类：
Ⅰ类矿区：
瓦斯抽放率大于40%，抽放效果好；
Ⅱ类矿区：
瓦斯抽放率为25～40%，抽放效果一般；
Ⅲ类矿区：
瓦斯抽放率小于25%，抽放效果差。
表2为我国主要抽放矿区的瓦斯抽放效果分类情况。
由表2可以看出，我国主要瓦斯抽放矿区的总体瓦斯抽放效果不好。
Ⅰ类矿区只有4个，仅占主要瓦斯抽放矿区数的20%，平均抽放率为60.14%；瓦斯抽放效果一般的Ⅱ类矿区也只有4个，占主要瓦斯抽放矿区数的20%，平均抽放率为29.96%；瓦斯抽放效果差的Ⅲ类矿区则多达12个，占主要瓦斯抽放矿区数高达60%，平均抽放率仅为13.93%。
如果考虑所有抽放瓦斯矿井，抽放率低于25%的矿井比例会更多。
表2我国主要抽放矿区瓦斯抽放效果分类统计情况
瓦斯抽放效果类别
矿区数
（个）
平均瓦斯抽放率
（％）
占主要瓦斯抽放矿
区数的比例（％）
Ⅰ类
4
60.14
20
Ⅱ类
4
29.96
20
Ⅲ类
12
13.93
60
1.3瓦斯抽放方法
我国煤矿最常用的瓦斯抽放方式是井下抽放。
考虑到抽放对象的不同，又可以分为本煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放和采空区瓦斯。
目前，煤矿应用最为普遍的瓦斯抽放方法有如下六类。
⑴本煤层采前预抽
图1为常见的本煤层采前预抽瓦斯方式。
绝大多数开采单一煤层的高瓦斯或突出矿区，采用这种方法抽放本煤层瓦斯，例如，焦作、鹤壁、晋城、潞安等矿区。
部分开采远距离煤层群的矿区，也往往采用应用这种方式抽放本煤层瓦斯，淮南矿区C13－1开采就属于此情形。
图1本煤层采前预抽瓦斯方式示意图
⑵本煤层边采边抽
许多高瓦斯或突出矿井为了解决本煤层预抽时间短、瓦斯抽放率低等问题，或者是为了增加瓦斯抽放量，在工作面回采过程中往往采取边采边抽瓦斯措施，钻孔布置方式如图2示。
图2本煤层边采边抽钻孔布置示意图
⑶本煤层边掘边抽
煤巷掘进时，我国大部分高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井采取边掘边抽方式防治瓦斯突出和瓦斯超限，其抽放钻孔布置如图3示。
图3本煤层边掘边抽瓦斯示意图
⑷邻近层钻孔抽放
开采煤层群的矿区，当回采工作面瓦斯涌出以邻近层为主且通风方法不能保证瓦斯不超限时，几乎全部实施了邻近层瓦斯抽放，其中约有70%以上的工作面采用穿层钻孔抽放邻近层瓦斯，如图4示。
穿层钻孔抽放邻近层在阳泉、天府、松藻、中梁山等矿区应用非常普及，工作面瓦斯抽放率普遍超过50%。
图4穿层钻孔邻近层瓦斯抽放示意图
⑸邻近层巷道抽放
阳泉矿区是邻近层巷道抽放瓦斯方式的先驱，瓦斯抽放效果也最为显著，工作面瓦斯抽放率普遍高于70%，最高时达到90%以上；目前，该方法已在阳泉矿区15号煤工作面广泛推广。
图5阳泉矿区常用的邻近层瓦斯巷道抽放布置方式。
图5邻近层巷道抽放方式示意图
⑹采空区瓦斯抽放
我国部分采空区瓦斯涌出较大的工作面，为了减少工作面风排瓦斯量和防治上隅角瓦斯超限，采用如图6所示的方法抽放采空区瓦斯。
图6采空区瓦斯抽放方式示意图
2我国煤矿瓦斯抽放存在的问题
目前，我国煤矿总体瓦斯抽放效果不佳，具体表现为瓦斯抽放率低。
导致我国煤矿瓦斯抽放率低的原因来自两个方面：
一方面是客观原因，因为我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，透气性系数只有10-3～10-4mD，瓦斯抽放（特别是预抽）难度非常大；另一方面是主观原因，主要表现为抽放时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽放系统不匹配和管理不到位。
下面针对主观原因分析我国煤矿瓦斯抽放存在的问题。
2.1抽放时间短
瓦斯抽放率随抽放时间延长而增大。
对透气性系数低于10-3mD的低透气性煤层，要达到较高的瓦斯率，预抽时间不能短于6～8个月。
由于我国的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井都程度不同地存在采掘失调，回采工作面预抽瓦斯的时间普遍不足，据焦作、鹤壁、平顶山、淮南、淮北、抚顺、铁法等矿区的统计，突出煤层回采工作面预抽瓦斯时间最长为8个月，最短仅为1个月，平均预抽时间只有3.3个月。
2.2钻孔工程量不足
抽放钻孔具有输排瓦斯和提高煤层透气性的双重作用。
钻孔工程量不足是导致瓦斯抽放率偏低的主要原因之一。
我国约有80%以上的高瓦斯和突出危险工作面采用本煤层预抽，单个工作面抽放钻孔长度一般为15000～35000m，钻孔总长度看起来不少，但吨煤钻孔长度少得可怜。
据焦作、鹤壁、平顶山、晋城、潞安、淮南、淮北、铁法等矿区的不完全统计，回采工作面吨煤预抽钻孔长度最多为0.04m,最少只有0.0065m,平均仅为0.018m。
实施邻近层瓦斯抽放的矿区也存在同样的问题，部分矿区的邻近层抽放钻孔瓦斯流速高达30～50/s,远远超过瓦斯抽放的经济流速，抽放钻孔数量严重不足。
2.3封孔质量差
孔底抽放负压具有引流瓦斯和强制瓦斯解吸的功效，封孔质量的高低直接关系到瓦斯抽放效果的好坏。
目前，除三分之一的矿经推广采用聚氨酯封孔技术外，其余三分之二的矿井仍然采用黄泥或水泥砂浆封孔，甚至少数开采近水平或缓倾斜煤层的矿井也采用水泥砂浆封孔，封孔长度短而且密封质量很差。
我国约有65％的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%，充分反映了抽放钻孔封孔质量差的现状。
2.4抽放系统不匹配
近年来，我国政府利用国债资金对部分煤矿的抽放系统进行了更新改造，抽放系统不匹配的状况有了一定的改观，但这种现象仍然非常普遍：
部分矿井抽放泵能力不足，极限抽放流量小，真空度低，不足以克服抽放管道沿程阻力；部分矿井抽放泵能力虽然较大，但选用的抽放支管甚至主干管管径太小，抽放泵产生的负压绝大部分消耗在抽放管道的沿程阻力上；其结果是，这些矿井的本煤层预抽钻孔孔口负压不到50mm水柱，有的甚至靠正压自排。
2.5管理不到位
抽放管理不到位是造成我国煤矿瓦斯抽放效果差的重要原因。
抽放管理不到位具体表现为：
部分矿井没有专门的瓦斯抽放队伍；钻孔施工质量缺乏监管，不按设计施工抽放钻孔，虚报钻孔长度；抽放系统不按规定安设计量装备、监测设施和放水器，不进行抽放系统的定期维护和检漏等等。
3提高瓦斯抽放效果的技术对策
3.1改善采掘平衡，确保抽放时间
改善采掘平衡、确保抽放时间是提高煤层瓦斯抽放率的重要保障措施，这对实施本煤层预抽的矿井尤为关键。
我国有三分之一以上的矿区开采的是突出煤层，煤巷掘进速度普遍低于100m/mon，有的严重突出矿井煤巷月掘进速度只有20～30m，采掘严重失调，无法保证足够的预抽瓦斯时间。
提高煤巷掘进速度是突出煤层实现采掘平衡、确保预抽瓦斯时间的根本途径，具体措施如下：
⑴针对矿区或矿井的瓦斯地质条件，开展瓦斯突出区域预测和煤巷掘进工作面突出危险性预测敏感指标及临界值的研究，减小突出预测率，提高突出预测准确率，达到减少不必要的防突工程量、提高掘进速度的目的。
⑵研究探索适合矿区煤层条件的快速消突措施，缩短防突周期，提高掘进效率。
图7给出了我国最近试验成功的水力挤出高效消突技术钻孔布置示意图，该方法的实质在于：
通过注水使掘进头煤体适量外移，造成前方煤体破坏，集中应力带前移，增大卸压带宽度，快速消除掘进头前方一定距离的瓦斯突出危险性。
图7水力挤出消突措施钻孔布置示意图
3.2改革打钻工艺，增加吨煤孔长
国外的预抽瓦斯实践表明，透气性介于10-3～10-4mD的煤层要取得好的抽放效果，除了选用合理的抽放方式和保证抽放时间外，吨煤抽放钻孔的长度不应低于0.05m。
大部分突出煤层属于结构严重破坏煤层，打钻难是预抽瓦斯钻孔施工的技术瓶颈。
我国煤矿普遍采用水排粉湿式钻进和压风排粉干式钻进两种钻孔施工工艺。
采用水排粉湿式钻进施工顺层预抽钻孔（特别是下向钻孔），钻粉易于结团，容易造成卡钻、塌孔；压风排粉干式钻进施工顺层预抽钻孔，煤粉污染环境严重，工人不愿意施工，当钻孔过长或风压不足时，也容易卡钻、塌孔。
要增加突出煤层吨煤抽放钻孔长度，可以选用如下技术措施：
⑴配套风粉分离装备，普及压风排粉干式钻孔施工工艺；
⑵钻孔施工地点加装移动式压风设备，增加压风风压；
⑶借鉴国外成功经验，引进并推广泡沫排粉钻孔施工工艺；
⑷选用大功率的强力定向钻机和钻具。
3.3强化综合抽放瓦斯
⑴强制增大煤层透气性，提高低透气性煤层的瓦斯抽放率。
可以选用的技术途径包括：
深孔爆破致裂，高能气体致裂［3］，水力压裂，淹没射流和空间立体交叉布孔（交叉钻孔）等。
图8为交叉布孔强化预抽本煤层瓦斯钻孔布置示意图。
图8交叉钻孔预抽本煤层瓦斯布置示意图
⑵采用分段走向顶板岩石钻孔高效抽放采空区瓦斯。
这种方法是淮南矿业集团公司试验成功的一种抽放采空区瓦斯的新方法，只要参数选取合宜，瓦斯抽放率可以达到50～80%［4］，图9为分段走向顶板岩石钻孔采空区瓦斯抽放示意图。
⑶采用煤巷“钻墙”布孔高效边掘边抽瓦斯
“钻墙”布孔边掘边抽是河南理工大学王兆丰等人最近实验获得的一种高效瓦斯抽放方法，掘进工作面煤壁截流瓦斯抽放率（和巷道瓦斯涌出总量相比）可达70以上，特别适用于高瓦斯和突出煤层煤巷掘进工作面瓦斯强化抽放。
图10为“钻墙”布孔边掘边抽方式示意图。
图9分段走向顶板岩石钻孔采空区瓦斯抽放示意图
图10“钻墙”布孔边掘边抽方式示意图
3.4推广聚氨酯封孔工艺，提高封孔质量
聚氨酯封孔具有膨胀倍数高、凝固时间短、封孔效率高、收缩率小和封孔质量高的优点［5］，采用本煤层预抽瓦斯的矿井（特别是开采近水平和缓倾斜煤层的矿井），应当采用氨酯封孔工艺，同时保证封孔深度不小于4～6m。
为降低聚氨酯封孔成本，建议购买矿用聚氨酯配方，实现聚氨酯自给自足。
3.5优化抽放系统，提高抽放能力
主要措施包括：
选用与瓦斯抽放量和抽放系统阻力相匹配的抽放泵，尽量增大井下抽放干管和分支管的直径，管道低洼地段安设自动放水器，减少抽放管网沿程阻力；经常检查井下管网和抽放钻孔的气密性，及时关闭漏气抽放钻孔，提高抽放钻孔空口负压。
3.6加强管理，健全制度
煤矿各级领导要高度重视瓦斯抽放工作，组建专门的抽放管理机构；配备专业钻孔施工队伍和装备，严把钻孔施工质量关，杜绝虚报钻孔长度；抽放系统按规定装设计量仪表、监测设施和放水器，定期进行抽放系统的维护和检漏；加强瓦斯抽放从业人员的技术培训和责任心教育。
参考文献：
［1］全国煤矿安全状况调研报告，国家煤炭工业局，2002
［2］中国煤矿甲烷排放调研报告，煤炭科学研究总院抚顺分院，2003
［3］王故态等，提高煤层瓦斯抽放率的高能气体致裂技术研究，火炸药学报，2000（4），67～68
［4］淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术研究报告，淮南矿业集团公司，淮南工业学院，1999
［5］《煤矿安全手册（第二篇）》，北京：
煤炭工业出版社，1994
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