深部煤与瓦斯共采技术浅析设计专题报告

深部煤与瓦斯共采技术浅析摘要：近年来，随着开采深度和集约化生产程度的迅速提高，地质条件越来越复杂，煤层瓦斯已成为制约矿井安全高效生产的关键因素。煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体，其大量直接排放将严重污染大气环境，但是，瓦斯又是经济的可燃气体，是一种清洁、方便、高效的能源。我国埋深在2 km以内的煤层瓦斯储量为32351012 m3 ，几乎与常规天然气资源量相当，大力开发煤层气，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全生产条件和提高经济效益，并有利于改善地方环境质量和全球大气环境。因此，如何更有效地开发和利用煤层瓦斯实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采，一直以来都是广大科研工作者努力的方向和目标。论述了我国煤与瓦斯共采现状、技术理论基础、原理、需解决的关键问题及其研究方向。关键词：深部；煤；瓦斯；共采；方法。1绪论1.1世界煤与煤层气共采研究现状煤层气是一种清洁、高效的非常规天然气能源，煤层气的开发利用有利于煤炭企业的安全高效生产和可持续发展， 有利于资源节约型、环境友好型社会的建设。目前， 美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家的煤层气产业发展比较迅速， 其中美国是世界上煤层气产量最高的国家， 也是迄今为止世界上煤层气商业化开发最成功的国家。由于各国的煤层气资源条件、政策等差别， 煤层气发展的状况有所不同。美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家， 也是迄今为止煤层气产量最高的国家。目前， 美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位。美国利用地面钻孔水力压裂开采煤层气技术， 进行煤层气地面开发有两种情况， 一种是以圣胡安盆地为代表， 在没有采煤作业的煤田开采煤层气， 采用的技术与常规天然气生产技术基本相似， 渗透率低的煤层往往需要采取煤层激励增产措施; 另一种以黑勇士盆地为代表， 在生产矿区内开发煤层气。采气与采煤密切相关， 特别是采用地面钻井抽取采空区的煤层气， 由于采煤时引起上覆煤层和岩层下沉与煤裂， 采空区上方岩石冒落， 压力释放， 透气性增加，瓦斯大量释放聚集于采空区， 抽气容易， 不需要进行煤层压裂处理。由于美国极力支持煤层气的开发利用， 国内大批科研院所积极投身于煤与煤层气共采的科学研究。美国还十分重视煤层气的勘探技术开发， 20世纪80年代先后投入60多亿美元， 进行了大规模科研试验， 取得了总体勘探技术的突破， 对世界煤层气产业的发展做出了重要贡献加拿大对煤层气的开发利用和对煤与煤层气共采的研究的起步时间基本和我国相当。由于加拿大政府一直支持煤层气的发展， 一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点， 开展了一系列的技术研究工作，在多分支水平羽状井、连续油管压裂、煤与瓦斯共采等技术方面取得了进展，降低了煤层气的开采成本，给煤层气的发展带来了机遇。澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气，主要在昆士兰的鲍恩盆地。1987年1988年期间已经用地面钻井方法在煤层中采出了煤层气。昆士兰天然气公司已经在靠近Chinachill的Argyle-1井取得煤层气生产成功，日产气量超过2.832万m3。但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。欧洲等国开发利用煤层气资源已有很长的历史，但将煤层气作为单独的资源进行开发是最近的事，对煤与煤层气共采技术的研究也处于初级阶段。欧洲主要的产煤国有三个，即德国、波兰和英国。此外，乌克兰、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法国、比利时及荷兰也拥有大量的煤炭资源，因而也是煤层气开发的有利地区。全球已进入能源紧缺时代，煤层气作为气体能源家族三大成员之一，与天然气、天然气水合物的勘探开发一样，日益受到世界各国的重视。世界范围内，美国、加拿大、澳大利亚、印度、英国等国家的煤层气勘探开发活动最为活跃，煤炭大国纷纷重视煤层气的勘探与开发。到目前为止，世界上已有29个国家开展了煤层气研究、勘探和开发活动。煤与煤层气共采的开发理念日益被人们重视，各国加大科研投入研究煤与煤层气共采技术，实现科学采矿、绿色采矿。1.2我国煤与瓦斯的现有情况我国的煤炭资源较丰富，目前的保有储量1100多亿t，且有48%的煤层属于高瓦斯和突出煤层，因此，瓦斯储量丰富。埋深2000m以浅已探明煤层气资源约为31万亿m3，位列世界第三。但我国大规模的商业化瓦斯开采尚处于起步阶段，国家的相关产业政策出台较晚，或尚不明朗。这里有认识和技术问题，更有我国煤层的透气性差，抽放困难等原因。煤层气体压力也对瓦斯的抽放起着重要作用，有关资料表明，我国煤层压力普遍偏低，这对抽放瓦斯极为不利。中国的含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，成为低透气性的高延性结构。目前，我国瓦斯勘探和开发的主要煤阶是中阶煤和高阶煤，具有很强的非均质性，导致井网的井间干扰效应降低，相互间不能形成有效的联系，水力压裂增产效果也不明显。1.3煤与煤层气共采技术研究历史阶段我国煤层气资源的开发利用历史可以追溯到20世纪50年代。1952年原煤炭部首先在辽宁抚顺矿务局龙凤煤矿进行了井下瓦斯抽采实验并获得成功。20世纪60年代到70年代，一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用。20世纪70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂实验，但是效果不佳。20世纪80年代初期，国内开始进行煤层甲烷相关资源研究。20世纪90年代煤矿井下瓦斯抽放利用工作普遍在高瓦斯大型煤矿开展，形成了多种抽放方式，抽放技术也得到快速发展。1992年，联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了中国煤层气资源开发项目，1993年又资助了/中国深层煤层气勘探项目，对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用。1996年，一批有影响的研究项目和规划相继完成，如原煤炭部计划项目/全国煤层气资源评价、国家计委I类资源勘查项目/中国煤层气资源评价、国土资源部地质调查项目、全国煤层气综合规划研究等。现阶段，井下瓦斯抽放方法很多，例如，掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等。1.4我国瓦斯抽采现状我国是世界上煤层气资源储量丰富的国家之一。据2006年国土资源部油气中心对全国煤层气资源的评价结果，我国煤层气资源量居世界第3位，与我国陆上天然气资源量相当，为36.81万亿m3，可采资源量10.86万亿m3。我国煤矿井下的瓦斯抽采始于20世纪50年代。2005年瓦斯抽采量23亿m3，平均利用率达40%左右。我国煤层瓦斯资源为美国的3倍，但瓦斯抽采量与美国相差较大，这主要是由我国煤层瓦斯赋存特征所决定。1.5煤与瓦斯共采技术的研究现状我国的煤层甲烷研究开始于50年代煤矿井下的瓦斯抽放，其中抚顺、阳泉是抽放量最大的矿区。目前，我国已有123个矿井建立了井下瓦斯抽放系统，年抽放量达6亿m3，抽放瓦斯利用率达80%，但井下瓦斯的抽放率很低，只有20%左右。60年代到70年代，一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用。70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂实验，但是效果不佳。80年代初期，国内开始进行煤层甲烷相关资源研究。“六五”期间，煤炭、石油以及地质等行业通过国家重点科技攻关项目对国内煤成气资源进行区域性评价和基础理论研究。随后，国家“七五”科技攻关项目设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”专题，取得了对中国煤层气资源状况的初步认识。华北石油地质局1986年在唐山地区开展了煤层甲烷勘探开发实验和工艺技术研究，并进行了“煤层甲烷评价与开发利用状况”调研。1989年，第一次“开发煤层气研讨会”在沈阳召开，标志着煤层甲烷从“瓦斯灾害”到“优质能源”的认识转变、从“井下抽放”到“地面开发”的技术转移。“八五”期间，国家科技攻关项目设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”专题。此后，煤层甲烷的研究重点转移到了开发工艺攻关上。1992年，联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了“中国煤层气资源开发”项目，1993年又资助了“中国深层煤层气勘探”项目，对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用。1996年，一批有影响的研究项目和规划相继完成，如原煤炭部计划项目“全国煤层气资源评价”、国家计委类资源勘查项目“中国煤层气资源评价”、国土资源部地质调查项目“全国煤层气综合规划研究”、原石油天然气总公司“九五”科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”、国家“九五”科技攻关项目“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等。到目前为止，对全国范围内的煤层气资源、分布、储层特征取得了基础性认识，基本明确了煤层气开发的有利地区。但是由于我国的煤层地质现状(地质条件复杂，构造煤发育，瓦斯含量高，瓦斯压力低，渗透率低等)，煤层气的地面开发并不能很好解决井下瓦斯问题。现阶段，下瓦斯抽放方法很多，例如，掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等。因此，如何将井下瓦斯抽放与地面煤层气开发协调地结合起来，更好地实现煤与瓦斯共采，就成为一个值得深思的问题。总之，我国煤与瓦斯共采的研究开发取得了很大进步，但也存在许多有待于进一步研究和解决的问题。1.6我国瓦斯开采面临的主要问题1)地面开采效率不高。目前地面钻井开采瓦斯最常用的水力压裂法，专用设备复杂、庞大而笨重，成本高，裂缝与支撑剂在煤层内部的控制技术尚有待解决，对低透气性煤层瓦斯抽放效果大多不明显。近年来开始引进国外的多分支水平钻井技术，该项技术成本高，效果也没有预期的好。2)地下开采浪费严重。我国是世界上年开采煤炭最多的国家，2006年全国煤炭产量23.8亿t国有重点煤矿井下瓦斯抽放量约24亿m3。以平均吨煤瓦斯含量8m3/t计，则每年排掉188亿m3。事实上，我国煤炭采出率平均低于30%，大量破坏煤层，实际排气约440亿m3/a，由于开采煤炭而破坏的瓦斯储量在至少1000亿m3以上，是2006年中国天然气总产量的2倍，造成了资源的严重浪费。3)煤矿瓦斯抽放设备缺乏，利用率低。在煤层瓦斯的井下抽放利用方面，瓦斯的预抽会影响采掘接替和工作面推进速度，建立瓦斯抽放系统费时费力，抽放的瓦斯浓度较低，需要进一步压缩提纯，经济效益又不明显，因此绝大多数矿井在保证安全开采标准的条件下，都采用加大通风的方式来代替瓦斯抽放。据统计，到2004年底国有重点煤矿建有瓦斯地面抽放系统308套，井下移动抽放系统272套，高瓦斯矿井的覆盖率不足10%;年瓦斯抽放量为18.66亿m3，利用率不足50%，除部分用于矿区居民用气和自备发电外，绝大部分直接排空。不但井下瓦斯的抽放率低，利用率也低。2我国瓦斯开采模式探讨我国地面煤层气抽放，采用钻孔水力压裂等措施后抽放瓦斯，虽然取得了一些经验，但产气效果不理想，抽气成本太高。到目前为止，在全国已施工的十几个矿区数百口井中，最大产气量达10000m3/d以上，但超过80%的气井产气量小于1000m3/d，据估算，按现有市场价格计，地面钻孔产量小于3000m3/d时，抽放10年以上方可收回投资。因此，从目前试验的情况看，地面钻孔抽放效果较差，商业化大规模开采的前景不明朗。目前，我国煤炭产量的95%来自于地下开采，厚煤层占相当大的比重，占煤炭可采储量的448%，且较大比例为瓦斯或高瓦斯煤层，地质构造复杂，开采困难，瓦斯蕴藏量丰富。目前，我国开采厚煤层主要采用比较成熟的放顶煤和大采高开采工艺，由于一次开采厚度大，上覆岩层的破裂场和卸压场范围也大，有利于瓦斯解吸和增加煤岩透气性，这可以解决我国煤层透气性差，原始煤体中直接钻孔抽放效果不佳的特点。因此，煤炭开采客观上形成的煤岩大范围卸压场和裂隙场，有利于瓦斯的解吸，使原始煤岩体中90%以吸附状态存在的瓦斯能够在开采过程中大量转化为游离状态的瓦斯，并增加煤岩的透气性，从而才能进行有效开采。煤炭开采客观上为瓦斯开采创造了有利的卸压条件。煤炭开采的各种巷道工程等均已到达煤层或者是煤层中，这就为瓦斯开采提供了有利的生产条件，可以充分利用煤矿生产矿井和井下巷道资源，直接铺设管道输送瓦斯，节约了勘探钻孔的工程量。我国的井下瓦斯抽放已有50多年的历史，抽放理论和抽放技术相对成熟，不但拥有较完整的瓦斯抽放理论体系，而且具有丰富的成功经验。井下瓦斯抽放系统的机动性更强，对于抽放可以有重点、分步骤地进行，只要正确处理好采煤、掘进和瓦斯抽放的关系，促进瓦斯抽放利用的最大化，其经济效益是相当可观的。煤层经过充分抽放后，不仅工作面的瓦斯威胁得到解除，也可以提高生产效率。在煤炭资源开采过程中，开发利用煤层瓦斯资源是一个变废为宝的过程，在热值上，瓦斯与常规天然气相当，每1000m3纯瓦斯相当于1t燃油或1.25t标准煤。我国高瓦斯矿井吨煤瓦斯含量平均为610m3，如果取吨煤瓦斯含量10m3，瓦斯抽出率按40%计算，煤与瓦斯共采时，综合利用瓦斯所带来的产值约为煤炭的1/50，产生热值仅为煤炭的1/200。这说明，瓦斯是一种能源，但它仅仅是煤炭的伴生能源，其经济价值与煤炭相比很小，属于附加开发的副产品，而且在瓦斯开采过程中，仍然是以煤矿的安全开采、满足煤矿安全开采标准为前提，因此不能因为瓦斯的能源属性就夸大了其能源的重要性，独立于煤炭开采之上进行先行开采，这样在我国煤层低透气性条件下不但在客观技术上难以取得满意的效果，开采成本高，而且其取得的经济效益与煤炭开采相比很小，更无法弥补其给后续煤炭开采带来的问题。所以，在煤炭与瓦斯共采体系里，煤炭是开采的主体，瓦斯开采要服从于煤炭开采。综上所述，从我国煤层的客观条件、开采的技术可行性与经济性、瓦斯资源相对煤炭资源的经济价值等方面考虑，在我国进行瓦斯资源开采的技术模式是实现煤与瓦斯共同开采，而不是独立于煤炭开采之外的先行瓦斯开采。3煤与瓦斯共采技术的理论基础限制我国高瓦斯矿井井下瓦斯抽放的原因，主要是煤层的低渗透率和高可塑性，使得沿煤层打钻孔困难，煤层采前预抽效果较差。由于我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，塑变性大大增强，因而成为低透气性的高可塑性结构，这使得地面钻孔完井后采气效果差，水力压裂增产效果不明显。而且煤层普遍具低渗透率，一般在0.00000010.000001m2范围内，水城、丰城、霍岗、开滦、柳林等渗透率较好的矿区也仅为0.110-31.810-3m2，这一特点决定了我国地面开发煤层气的难度很大。鉴于此，我国煤层气开发生产的重点应放在井下，利用井下的采掘巷道，并尽量利用煤层采动影响，通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的瓦斯抽放。同时，应进一步研究和不断完善提高煤层渗透率的技术和钻孔技术，研究提高气体质量的技术，研究井下煤炭与瓦斯的协调开采配套技术以及煤矿瓦斯利用技术，使之与井下煤层气开发产业配套，实现煤与瓦斯的安全共采。现场测定和实验研究表明，不论原始渗透系数怎样低的煤层，在采动影响煤层卸压后，其渗透系数会急剧增加，煤层内瓦斯渗流速度大增，瓦斯涌出量也随之剧增。因此，只要合理布置钻孔位置和其它相关参数，完全能够高效地实现瓦斯抽放。4煤与瓦斯共采需要解决的关键问题4.1深入的理论研究利用采动卸压场与裂隙场增加煤层瓦斯的解吸速度与煤岩的透气性，实现矿井煤与瓦斯双能源开采的思想提出来已经有几年了，按照这一技术思路，我国相关大学和企业进行了必要的研究和工程实践，取得了一定的成果，但是总体上，理论研究有落后于工程实践的趋势，今后在理论上需要解决的主要问题有:1)采动裂隙场的透气规律研究。经过多年采矿学者和技术人员的研究，目前对于采动卸压场和裂隙场的范围已经有了相对成熟的成果和研究手段，研究的技术思路上也相对成熟，有经验的学者已经能够估算出采动卸压场和裂隙场的范围以及随采动影响的变化规律，这对于裂隙场卸压抽放瓦斯具有重要的指导作用。但是对于裂隙场内岩体的破裂情况及破裂分布尚没有相对成熟的研究成果，对于瓦斯气体在裂隙场内的解吸、扩散、渗流等规律以及裂隙场内的透气性等还有待进一步研究。2)瓦斯浓度分布规律研究。进行煤与瓦斯抽放时的一个重要问题就是要掌握高浓度瓦斯的分布规律，为抽放工程设计提供理论指导。目前需要深入研究的有卸压带、采空区、上覆岩层裂隙场内等不同瓦斯浓度的分布规律，以及它们随着工作面推进风量变化等的动态变化规律。3)瓦斯抽放时的流动规律。主要研究采空区和裂隙场内进行不同压力抽放时瓦斯流动规律、瓦斯气体与裂隙岩体的耦合相互作用规律，研究原始煤体、卸压带与裂隙带内瓦斯抽放过程中固体煤岩物理力学性质的变化，尤其是抽放过程中透气性变化规律等，这些工作需要大量的室内试验和研制专用的试验设备及大量的现场观测与试验研究。4.2卸压煤层内的瓦斯吸附解吸规律煤层内的瓦斯赋存状态是非常复杂的，其中包括80%90%的吸附态瓦斯和10%20%的游离态瓦斯，且游离瓦斯和吸附瓦斯还处于一个动态平衡之中，如图1所示。当外界条件(如外加应力场、瓦斯压力或者温度等因素)发生变化时，煤层内的瓦斯分子能量将发生变化，这将破坏吸附瓦斯与游离瓦斯之间的动态平衡，从而导致煤层内吸附瓦斯和游离瓦斯在量上发生变化，并最终达到新的动态平衡状态。而被采动卸压后的煤层所处的外加应力场将发生变化，且煤层内部结构也将发生变化，这些变化必将导致煤层内吸附瓦斯与游离瓦斯所处的动态平衡被破坏，并向建立新的动态平衡演化。因此，研究卸压煤层内的瓦斯吸附解吸速度变化、吸附解吸动态平衡变化、吸附瓦斯与解吸瓦斯在量上的变化与卸压程度的关系，将对于掌握煤与瓦斯共采过程中低饱和度煤层内瓦斯动态演化规律具有重要意义，这也将是保证煤与瓦斯共采技术有效性的关键因素之一，是煤与瓦斯共采技术体系需解决的一大理论问题图1煤层内瓦斯赋存状态4.3卸压煤岩体内部结构演化规律煤岩是一种包含有机质在内的多孔岩石类材料，其内部的微孔系统极为庞大，有些煤岩内表面积达到200m2/g，这些微孔系统不仅决定这煤岩体的力学性质，也为煤岩体内瓦斯的赋存提供了极佳的场所。煤中的这些微孔隙相互联通，又形成了煤层内瓦斯扩散、渗透、运移的通道。研究表明，煤体内的微孔结构主要构成煤中瓦斯的吸附容积，而从小孔到可见孔、甚至裂隙则构成煤层中瓦斯运移的通道。因此，可以认为煤层内的微结构对煤层瓦斯赋存情况和运移特性具有决定性的影响作用。由于煤层形成的条件和环境的不同，煤层的微孔隙结构差别很大，且受多种因素的影响。如烟煤随着其破坏程度的提高，其内的微孔系统将越发达;而压性地应力往往导致煤体内微孔系统的闭合，张性应力则会导致煤体内微孔系统的张开。如何利用煤层内微孔体系对外界因素的敏感性这一特点，有效的使采动影响下煤层内部结构发生明显变化，促使其内微孔结构向小孔以上结构转化，从而减小煤层内瓦斯的吸附容积并增加煤层内瓦斯运移通道的顺畅性，将是实现煤与瓦斯共采的重要一环;而煤炭开采过程中的采动作用将对煤层产生明显的卸压释放作用，并导致其内部结构发生变化。因此，研究采动卸压作用与煤岩体内部结构演化规律，将是煤与瓦斯共采技术体系的核心理论问题。4.4卸压煤岩体内瓦斯分布规律进行煤与瓦斯共采时，必须找准瓦斯高浓度集聚区域的位置和范围，即高浓度瓦斯的分布规律，才能提高瓦斯抽采的效率。采动卸压煤层内吸附瓦斯和游离瓦斯所处的动态平衡被破坏后，将有更多的吸附瓦斯转化为游离瓦斯，从而在卸压煤岩体内形成瓦斯压力增高区;另一方面，采动卸压作用导致煤岩体内部结构的变化，这将使煤岩体内微孔体积减小且瓦斯吸附容积减小，从而促进吸附瓦斯向游离瓦斯的转化，这一变化也将使煤岩体内大孔隙结构增加和瓦斯运移通道变得更加通畅，这均有利于瓦斯在煤层内的运移。瓦斯气体密度小于空气，约为空气密度的60%。在采煤过程中的通风条件下，煤岩体内涌出的瓦斯将在漂浮力的作用下向上覆卸压煤岩层内的孔隙、裂隙结构中运动;同时，采掘空间通风将促使瓦斯向一定区域集聚，从而在卸压煤岩体内形成瓦斯集聚区，即高瓦斯浓度区域，这些区域将是瓦斯资源采集最为有利的区域，也是煤与瓦斯共采技术体系需要准确确定的区域。因此，研究卸压作用程度与瓦斯浓度分布规律、工作面通风特点与卸压瓦斯浓度分布规律及其分布范围，将是煤与瓦斯共采技术体系急需研究的又一重要理论问题。4.5增加和稳定抽放的瓦斯浓度在原始煤体中进行预抽放的瓦斯体积分数可以达到30%以上，但是由于原始煤岩的透气性低，抽放难度较大，且一般只能抽出煤层瓦斯的20%30%，煤体中还残留大量瓦斯。在高位裂隙带内抽放的瓦斯体积分数可以达到20%以上，这两部分抽出的瓦斯浓度相对较高，目前大部分进行了利用，具有利用的前景和可行性。在煤层卸压带内和采空区抽出的瓦斯体积分数一般均低于20%，大部分为13%15%，这主要是由于卸压带内煤岩破裂、空气渗入，采空区顶板垮落，大量空气混入等原因，对于这些相对浓度较低的瓦斯输送、利用和安全保障技术等还需要进一步研究。4.6低浓度瓦斯利用与提纯除了原始煤层中预抽和高位裂隙带内抽出的瓦斯浓度相对较高外，采空区、卸压带内抽出的瓦斯浓度相对较低，巷道风排的瓦斯浓度更低，但是这些低浓度的瓦斯量很大，一般会占瓦斯总量的50%以上，如何安全利用这些低浓度瓦斯，一直是瓦斯作为能源开采时的最大障碍之一。目前，在这些方面进行了许多探讨和研究，但是核心问题，如输送与使用的安全问题、提纯的高成本问题等，依然没有解决。5煤与瓦斯共采技术原理煤层的采动会引起其周围岩层产生“卸压增透”效应，即引起周围岩层地应力封闭的破坏(地应力降低-卸压、孔隙与裂缝增生张开)、层间岩层封闭的破坏(上覆煤岩层垮落、破裂、下沉、下位煤岩层破裂、上鼓)以及地质构造封闭的破坏(封闭的地质构造因采动而开放、松弛)，三者综合导致围岩及其煤层的透气性系数大幅度增加，为卸压瓦斯高产高效抽采创造前提条件。煤层卸压瓦斯的流动是一个连续的两步过程:1)以扩散的形式，瓦斯从没有裂隙的煤体流到周围的裂隙中去。2)以渗流的形式，瓦斯沿裂隙流到抽采钻孔处。卸压瓦斯的运移与岩层移动及采动裂隙的动态分布特征有着紧密的关系。5.1低浓度瓦斯利用与提纯高抽钻孔组抽采技术原理。煤层开采将引起岩层移动与破断，并在岩层中形成采动裂隙。按采动裂隙性质可分为两类:一类为离层裂隙，是随岩层下沉在不同岩性地层之间出现的沿层裂隙，它可使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压，并使卸压瓦斯沿离层裂隙流动;另一类为竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它构成上下层间的瓦斯通道。当采空区顶板充分垮落后，采空区中部岩层和下方的矸石紧密接触，从而使得采空区中部顶板岩层裂隙基本被压实，结合采场空间特点，采空区四周形成了一个环形的采动裂隙发育区，文献称之为“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采动影响的煤层瓦斯在含量梯度和压力梯度作用下以扩散和渗流的形式向“O”形圈内运移，使得“O”形圈成为卸压煤层瓦斯聚集和运移的主要通道。卸压瓦斯“O”形圈抽采理论表明，卸压瓦斯抽采钻孔的合理位置应打到离层裂隙的“O”形圈内。高抽钻孔组就是在沿工作面倾斜方向靠近回风巷侧布置一组千米大直径抽采钻孔，利用采动裂隙“O”形圈作为运移通道来抽采采空区瓦斯。高抽钻孔组布置靠近在“O”形圈的回风侧，改变了采空区瓦斯流场，有效解决上隅角瓦斯超限问题，且“O”形圈长期存在，抽采钻孔能够长时间、稳定的抽采出高含量瓦斯。如图2所示。图2“O”形圈理论5.2顶板裂隙钻孔组抽采技术原理采用全部垮落法管理顶板时，上覆岩层下沉稳定后，在采动区沿垂直方向由上至下形成了冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。研究表明，在回采过程中，靠近工作面一定范围内的采空区中部上覆岩层离层裂隙发育，结合采动裂隙“O”形圈，在采空区竖直方向上，形成了一个“”形拱，采动裂隙区，采空区不同瓦斯涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采动裂隙带裂隙通道上升，上升中不断掺入周围气体，使涌出源瓦斯与环境气体的密度差逐渐减小直到密度差为零，混合气体则会聚集在裂隙带上部的离层裂隙内。涌入采空区的瓦斯，在其含量梯度作用下引起普通扩散，由于空气的重力产生方向向下的压强梯度，则其产生的扩散流方向，与压强梯度反向，即瓦斯气体具有向上扩散的趋势。因此，在瓦斯浮力、含量梯度及通风负压的作用下“”形拱采动裂隙区成为瓦斯聚集区，为采动裂隙带内钻孔抽采、巷道排放等治理瓦斯技术提供依据。如，华晋焦煤集团公司沙曲矿近距离高瓦斯煤层群的赋存特性瓦斯涌出量大，仅靠高抽钻孔组不能完全解决沙曲矿的瓦斯治理难题，因此，基于上述理论分析，在采空区顶板裂隙区布置顶板裂隙抽采钻孔组。顶板裂隙钻孔组加强了采空区瓦斯抽采，直接对上邻近层卸压瓦斯进行抽采，减弱了采空区瓦斯涌出强度，从根本上解决瓦斯超限难题。5.3构建煤与瓦斯共采技术体系依据以上分析研究，结合本煤层预抽法，构建沙曲矿近距离高瓦斯煤层群“煤与瓦斯共采”技术体系，见图3。图3沙曲矿煤与瓦斯共采技术构成框图6我国瓦斯开采的技术途径和方法我国瓦斯地质条件复杂，大多数煤层具有瓦斯压力低、透气性低、低饱和等三低现象，低压使气流驱动能力不足，低渗无法形成以抽放钻孔为半径的大范围解吸-扩散-渗流圈，低饱和是温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附性质等综合作用的结果。在目前的技术条件下，三低煤层瓦斯抽放是很困难的，照搬石油天然气的地面钻孔直采和国外经验很难取得满意效果。天然气一般是与液态的石油共同存在于储油层内，且通常漂浮在液态石油的上方，在储油层内具有很好的流动性，因此地面钻孔直接抽放的效果也会很好。而瓦斯则不然，它是存在于固体煤炭内，通常是吸附在煤颗粒表面或者是微空隙壁，不是以自由气体形式存在，不能自由流动，这种以吸附状态存在的瓦斯占煤体瓦斯总量的80%90%，在温度升高或者压力降低时，吸附瓦斯会转变为游离瓦斯，游离瓦斯符合自由气体定律，可以进行抽放。因此，利用采煤形成的卸压场和裂隙场，促使瓦斯从吸附状态向游离状态的转变和增加煤岩透气性，实现煤与瓦斯共采是我国瓦斯开采的正确途径。在矿井下进行瓦斯开采方式有多种，但是目前主要是采前预抽、边采边抽、采空区抽放和高位裂隙带抽放等。煤与瓦斯共采理论体系，除瓦斯开采外，也应包括瓦斯的综合利用等。6.1采前预抽放对于高瓦斯和突出煤层而言，为了消除开采过程中的瓦斯威胁，一般均采取工作面回采前进行预抽放瓦斯。在对未卸压煤层进行瓦斯预抽时，由于抽放负压对瓦斯抽放率的影响极小，所以瓦斯抽放率仅与钻孔间距、直径及抽放时间有关，用高负压抽放的方法来提高瓦斯抽放率是极其有限的。我国大多数煤层煤质松软，透气性低，顺层钻孔施工困难，抽放效果极差。工作面回采前，常用网格式穿层钻孔、交叉式布孔、穿层水力扩孔、深孔控制预裂爆破等技术来提高瓦斯抽放效果。预抽所需时间较长，工程量较大，影响采掘接替，并且随着预抽时间增加，抽放流量迅速下降，如图4所示。因此，预抽瓦斯一般以能够满足工作面安全开采的标准为主。但预抽的瓦斯浓度较高，一般可以达到30%以上，这对利用和安全输送瓦斯有利。图4钻孔瓦斯流量与抽放时间的关系采前抽放包括很多种类，现在我国运用的主要有以下几种：1）地面钻孔抽放地面钻孔抽放瓦斯系引用天然气勘探开发技术，由地面向煤层或采空区钻孔抽放瓦斯。其主要优点是抽放工作有充分的时间，地面作业不受井下采掘工作的干扰，也不干扰井下的生产工作。使用条件一般为：（1）煤层埋深为3001000m。（2）煤质以低、中挥发分烟煤至无烟煤最好；（3）煤厚不小于1.5m；（4）煤层瓦斯含量大于7m3/t；（5）煤层渗透率3410-3um2以上最好，但不小于110-3um2。地面钻孔抽放瓦斯系统一般较简单，系统图如下；2）开采层未卸压抽放开采层未卸压抽放是指在煤层开拓和准备已完成后回采还没开始时由煤层底板、岩石巷道、煤层巷道等向煤层打钻孔进行瓦斯抽采。开采层未卸压抽放适用于透气性较高的煤层，煤层透气性系数一般要大于0.1m2/MPa2d。开采层未卸压抽放法的布孔方式一般可分为穿层式和沿层式两种，其优点为：（1）穿层钻孔.由于钻孔正交或斜交煤层，穿透了煤层的全部分层接触面，而沿这些接触面方向的透气性较垂直于这些层理和接触面方向的透气性较高，所以在煤层孔长相同的条件下，穿层孔抽出的瓦斯大于沿层孔抽出的瓦斯量。.一般岩石中开孔，封孔较可靠。(2)沿层钻孔.钻孔揭露煤层的面积大。.在煤层中打钻孔速度较快、成本低。我国常用的未卸压抽放瓦斯方法包括以下几种：1）底板专用瓦斯抽放巷预抽抽放方法及布孔方式：在底板开掘专用抽放巷，设钻场向煤层打钻，进行密集网格钻孔预抽，如图5所示。2）岩巷揭煤与煤巷掘进抽放抽放方法及布孔方式：(1).由石门向煤层打穿层钻孔抽放，预抽一定时间后继续掘进揭煤，如图6所示；(2).由煤巷工作面打超前钻孔抽放，预抽一定时间后继续掘进，如图7所示。3）巷道预抽抽放方法及布孔方式：预先掘出回采巷道加以密闭，然后进行预抽，如图8所示。4）顺层钻孔抽放抽放方法及布孔方式：由煤门或联络眼钻场向煤层打顺层钻孔进行预抽，如图9所示。 图5底板专用瓦斯抽放巷预抽 图6 岩巷揭煤抽放 图7 煤巷掘进抽放图8 巷道预抽 图9 顺层钻孔抽放6.2卸压带抽放在厚煤层综放开采时， 顶煤位移量随煤壁的靠近而逐渐增大， 并在顶煤体中形成松动膨胀区。在松动膨胀区内部，顶煤体被裂隙切割为不同形状的碎块体。同时，由于受采动的影响，工作面前方应力重新分布，在工作面前方形成了卸压带和应力集中带，在应力集中带内，最大应力比原始应力高13倍，造成煤体发生塑性破坏。由最大应力点到煤壁的距离称为塑性极限应力带，在集中应力的作用下，塑性极限应力带内煤层受采动卸压后出现扩容膨胀现象，大量裂隙形成并相互贯穿，煤体由三向应力状态转为二向应力状态，煤层裂隙与空隙率比原始煤层值增大了10%20%，煤层透气性显著提高，瓦斯排放能力增强，为瓦斯流动提供了有利通道，如图10所示。 图10 放顶煤开采煤体前方形成卸压带当工作面推进时，采场前方支承压力峰值降低且向深部移动，煤壁前方卸压瓦斯涌出活跃区范围亦扩大，实践证明，不论原始渗透系数怎样低的煤层，在采动影响煤层卸压后，其渗透系数会急剧增加，煤层内瓦斯渗流速度大增。将钻孔位置布置在卸压瓦斯活跃区内，可以高效地抽取瓦斯。对于放顶煤开采，其卸压带范围较分层开采大，且煤层愈松软愈厚，卸压带范围愈大。除煤层卸压带内进行抽放外，在顶板岩石的卸压带内同样可以进行抽放。由于卸压带内煤岩破裂、空气渗入等，一般抽放的瓦斯浓度为10%15%。卸压抽放瓦斯法是指在采掘后，由于采动影响，煤层中的瓦斯发生重新分布而更加容易抽放的方法。卸压抽放瓦斯法的主要特点是：1）在薄及中厚煤层条件下，鉴于采掘工作对开采层本身的卸压范围较小，且卸压区的位置随采掘工作面推进而变化，所以同时起作用的抽放孔数少，而且钻孔服务期短。2）开采层卸压抽放瓦斯，因卸压范围小，抽放时间短，可作为辅助抽放方法应用。3）在分层开采厚煤层条件下，向开采分层上下各未采分层打钻孔抽放瓦斯时，由于煤体充分卸压，在其中产生大量裂隙，而且大面积与采空区相连，为此，只有在煤层厚度特别大时，该法效果才会较好。我国常用的卸压带抽放瓦斯方法包括以下几种：1) 边掘边抽抽放方法及布孔方式：由煤巷两侧每隔一定距离掘一钻场，向掘进方向打钻孔抽放，如图11所示。2）边采边抽抽放方法及布孔方式：由运输或回风顺槽向煤层打钻孔，随着回采面的推进，可起到预抽及采动卸压的作用，如图12所示。3)人为抽压抽放包括水力割缝、水力压裂、松动爆破、酸洗煤层等方法4）领近层瓦斯抽放抽放方法及布孔方式：（1）由瓦斯底板岩石巷道向上、下领近煤层打钻孔抽放，如图13所示；（2）从工作面尾巷向上、下领近层打钻孔抽放瓦斯，如图14所示；（3）由下区段工作面回风顺槽向上、下领近层打钻孔抽放，如图15所示；（4）利用石门、联络巷钻场向上、下领近层打钻孔抽放，如图16所示；（5）由煤门打顺层钻孔抽放，如图17所示；（6）预先掘出领近层回采巷道或掘出一条专用集瓦斯巷道，加以密闭，进行抽放，如图18所示。 图11 边掘边抽 图12 边采边抽 图13 领近层瓦斯抽放（1） 图14 领近层瓦斯抽放（2） 图15 领近层瓦斯抽放（3） 图16 领近层瓦斯抽放（4） 图17 领近层瓦斯抽放（5） 图18 领近层瓦斯抽放（6）6.3 采空区及高位裂隙带抽放随着工作面开采距离不断增大，采空区中部离层裂隙趋于压实，而在采空区四周保持有一个垂直应力降低区，且采空区上下两侧由于煤壁的支撑作用，离层裂隙仍较发育，这样采空区四周形成一个连通的离层裂隙发育区，即环形裂隙圈，如图19所示。该区域的最大特点是存在两种特性相差很大的空隙，即采动空隙和原有空隙。由于采空区内采动空隙和原有空隙并存，瓦斯在采空区内的运动表现为煤块内的解吸、扩散和煤岩采动空隙系统的层流渗透、紊流。采空区埋管抽放的瓦斯浓度一般为12%20%，高位裂隙带抽放的瓦斯浓度一般为23%30%。 图19 采空区四周上覆岩卸压形成环形裂隙圈采空区瓦斯抽放布孔原则：1）瓦斯抽放钻孔应该布置在采空区回风侧位置，以便利用通风压力及采空区内漏风对瓦斯起运移作用，以便提高瓦斯抽放浓度和效果。2）向采空区打钻孔抽放瓦斯，并利用瓦斯密度小的特点，钻孔应该尽量偏向冒落带上部，以提高瓦斯抽放浓度。3）插管式钻孔管周围应该封闭严密，尽量减少外部空气漏入，有条件地点可设置均压密封等。4）采空区瓦斯抽放的孔口负压应该适当，以瓦斯浓度满足要求为前提，并注意防止局部漏风引起的煤炭自燃。我国常用的采空区抽放瓦斯方法包括以下几种：1）全封闭式采空区抽放抽放方法及布孔方式：将老采空区加以密闭，插入抽放管进行抽放。为防止漏气，在密闭墙外设一均压室，通过均压达到防漏目的，如图20所示。2）半封闭式采空区抽放抽放方法及布孔方式：顶板裂隙钻孔抽放。钻孔与工作面推进方向相迎，可起到一定的边采边抽的作用，工作面推至钻孔之下即进行采空区抽放，如图21所示。图20 全封闭式采空区抽放图21 半封闭式采空区抽放7煤与瓦斯共采的研究方向1) 煤与瓦斯共采是煤矿绿色开采的重要分点，将煤层气开采出来将是煤与瓦斯共采的一条重要途径。在井下因采动影响地层压力发生变化，由于开采卸压，煤层中的瓦斯压力升高，煤中原来的孔裂隙系统的毛细管力反而降低，极易被瓦斯突破形成更大的孔裂隙系统，结果瓦斯解吸运移过程加剧。因此，合理利用采动矿山压力引起的岩层活动规律，有效地进行井下瓦斯抽放和地面煤层气开发，是煤与瓦斯共采的关键技术问题。岩层运动中的关键层理论、煤与瓦斯突出的流变机理和球壳失稳理论等对煤与瓦斯共采技术的应用发展有着重要参考价值。2) 在进行煤与瓦斯共采技术的研究过程中，应该具体情况具体对待，多提出一些有针对性的瓦斯抽取新技术，如松藻打通一矿的采煤工作面特异型瓦斯涌出及抽放研究，打通二矿的综合瓦斯抽放技术提高工作面瓦斯抽放率研究等。同时应该注重将井下瓦斯抽取与地面煤层气开采有机地结合起来，形成一整套属于煤与瓦斯共采的基础理论和技术体系，从而在煤矿区真正实现煤与瓦斯共采，更好地为煤矿绿色开采服务。8结束语1)瓦斯作为一种可燃气体，既是煤矿重大瓦斯灾害的隐患之一，同时又是煤炭伴生的清洁能源，对其灾害与能源属性的认识必须基于我国煤层特征与开采现状。（1）瓦斯是一种灾害极强的危险气体，煤炭开采中必须加以治理。（2）瓦斯仅是煤炭的伴生能源资源，其单独开采价值远低于煤炭本身。但是作为煤炭伴生能源进行开采，既可提高矿井开采效益，又可一定程度上消除其灾害隐患。（3)由于我国煤层透气性低、埋深大等特点，独立于煤炭开采之外的地面钻孔抽放瓦斯，其效果往往不能达到预期目标，利用采动卸压场与裂隙场实现煤与瓦斯共同开采是我国瓦斯能源开采的正确模式，尤其对于厚煤层一次采全高开采工艺，采动卸压场和裂隙场范围大，客观上为瓦斯解吸等提供了条件。（4)煤与瓦斯共同开采的一些基础理论问题尚需进一步研究，如裂隙场的解吸性、透气性、瓦斯与裂隙场的耦合作用关系等。（5)提高瓦斯抽放的浓度与低浓度瓦斯的利用技术是目前实现瓦斯开采和利用的关键问题，不从核心技术和成本上取得突破，会制约瓦斯能源的大量利用与开采的积极性。2）深部煤层由于深度的增加和采动影响的加剧，造成瓦斯抽采更加的困难，所以必须能够更加灵活应用现有的技术，合理采用多种抽采方式相结合的综合抽采方法，并进一步的改进现有技术和开发新的技术。参考文献1陈家云，何勇，程建圣.深部薄煤层无煤柱煤与瓦斯共采技术应用实践.重庆：矿业安全与环保，20092张恒文.瓦斯综合抽采技术的应用。河南：煤炭科学技术，20103王家臣，范志忠.厚煤层煤与瓦斯共采的关键问题.徐州：煤炭科学技术，20084王志亮，杨仁树.地面钻井卸压瓦斯抽采技术.徐州：煤炭安全，200115范万庆，马兆全.高瓦斯突出煤层群煤与瓦斯共采(抽放孔)钻探技术.徐州：山东煤炭科技，20086廖斌琛。淮南矿区煤与瓦斯共采实践及思考。徐州：煤炭科技，20077王德明.晋城新区煤与瓦斯共采技术探讨.徐州：矿业安全与环保，20018袁亮留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术.北京：煤炭学报，20089汪锋，代凯旋，周中文，王兆刚.煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题.北京：煤，200510吴财芳，曾勇，秦勇.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展.徐州：中国矿业大学学报，200411王家臣.煤与瓦斯共采需解决的关键理论问题与研究现状.徐州：煤炭工程，201112姜海鹏，王术睿，高亚斌.浅析煤与瓦斯共采技术.北京：山西焦煤科技，201013李树刚，李生彩，林海飞，成连华.卸压瓦斯抽取及煤与瓦斯共采技术研究.北京：西安科技学院学报，200214张荣立，何国伟，李铎.采矿工程设计手册.北京：煤炭工业出版社，2003