高瓦斯矿井瓦斯抽放系统研究专题报告

高瓦斯矿井瓦斯抽放系统研究摘 要系统总结评述了近年来煤矿瓦斯治理和抽采理论及其应用的诸多成果和最新进展，指出高瓦斯综放工作面（特别是受到采掘工作面影响的卸压综放面）的瓦斯抽采技术是今后的研究重点，也是治理我国煤矿瓦斯灾害的最主要技术措施。基于此，结合相似材料模拟实验和RFPA 数值模拟，分析煤层开采后上覆岩体裂隙产生发展的时空规律和分布形态以及充分卸压范围与特征，说明了采动卸压之后形成的穿层破断裂隙和层面离层裂隙相互贯通，其空间分布形状是一个存在动态变化的采动裂隙椭抛带（即椭抛带），并进一步研究了其基本特征。本文的主要研究工作是矿井瓦斯抽放管网的优化管理技术。首先，文章分析影响瓦斯抽放效果的各种因素，建立单孔的数学模型并提出提高单孔抽放效果的方法，其次，提出整个瓦斯抽放系统的改造及优化、建立科学的监测监控系统的方法，提出采用有效的技术经济管理的手段。1. 绪论1.1. 瓦斯及瓦斯事故我国煤炭资源丰富，分布地域广阔，煤炭产量居世界首位。煤炭是我国国民经济和社会发展的基础。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中始终占?0%左右。预测到 2010 年煤炭占60%左右，2050 年将占 50%以上，因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前， 快速增长的经济，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。我国煤矿主要是井下开采，生产环境条件复杂，与其它行业相比，煤矿安全尤为重要。对高瓦斯矿井而言，煤矿生产过程中的最大安全隐患就是瓦斯事故，表 1 为我国 1992 年到 2000 年一次死亡 3 人以上重大瓦斯事故的死亡人数及占总死亡人数的比例。表 1 1990 年到 2000 年一次死亡 3 人以上重大瓦斯事故的死亡人数及占总死亡人数的比例1Tablet Ratio of the death in the gas accident of which more than 3 people dead to the total death from 1992to 2000年份199219931994199519961997199819992000三人以上瓦斯事故死亡135816752157216225853080247024892600占总死亡人数的比例/%27.48%31.17%30.74%33.85%40.37%45.61%40.27%45.11%44.91%由上表可以明显看出:一次死亡 3 人以上重大瓦斯事故所占比例逐年上升，最高达到45.61%,1996 年以后一直保持在 40%以上。因此，瓦斯事故是我国煤矿安全事故居高不下的主要矛盾，有效控制瓦斯事故的发生是解决我国煤矿安全问题的关键。由于瓦斯事故的危害极大，消除瓦斯事故隐患需要花费较多的时间、空间和费用，对高瓦斯突出矿井，机械化采掘设备很难发挥效用。因此，瓦斯灾害事故的威胁也极大限制了煤矿生产规模、生产效率和经济效益的提高。瓦斯灾害的有效控制是保证我国煤炭工业可持续发展的一个关键性问题。然而，瓦斯又是一种优质资源，对煤矿瓦斯进行抽放并加以利用，可以给矿带来较好的经济效益。我国埋藏 2000 m 以内浅瓦斯资源量(煤层气)约 30 Bm3 相当于约 40 Gt 标准煤，按我国现有能耗标准，相当于我国约使用 27 年的能源。瓦斯还是一种温室气体，温室效应是二氧化碳的 29 倍，按生产吨煤排放 10m3 瓦斯估算， 近年在煤炭生产过程中涌出的瓦斯量约 140 亿 m3，其中抽放量约 12 亿 m3，利用量不足 50%; 因此年排入大气中的瓦斯产生的温室效应约相当于排放 2 亿 t C02。过去 200300 年来，大气中甲烷浓度已增加一倍。据测算，大气中甲烷浓度每增加 1 X 10-6 kg/m3，可导致地球表面温度增加 1。1.2. 瓦斯灾害的治理对策总体而言，瓦斯治理的方法有两类:一是加强矿井通风，稀释并排放矿井涌出的瓦斯；二是加大瓦斯抽放力度，弥补矿井通风能力不足。(1)煤矿安全规程严格规定了“每一矿井必须建立完整的独立通风系统”和“每一矿井都必须采用机械通风”。尤其对高瓦斯矿井重点加强和改善矿井通风技术与管理水平，包括矿井通风系统改造，更新通风设备并增大通风能力，建立有效的通风工作管理制度，安装矿井环境监测系统，加强以掘进工作面通风为重点的井下局部通风系统的管理。(2)对于瓦斯涌出或突出严重的矿井，为了保证安全生产不受影响，单纯依靠通风的方法来解决瓦斯问题，往往技术上不可行、经济上不合理。因此必须采取根治矿井瓦斯源的有效方法，即瓦斯抽放。瓦斯抽放的作用有:一是减少煤炭开采过程中的瓦斯涌出，避免发生瓦斯爆炸事故，预防煤与瓦斯突出，以保证矿井安全生产;二是便于瓦斯能源的利用，变害为宝， 创造良好的经济效益;三是减少矿井瓦斯向大气排放量，防止环境污染，以产生良好的社会效应。我国从 50 年代初开始，首先在我国抚顺矿区开展抽放本煤层瓦斯，此后又相继研究并成功推广应用了邻近层抽放瓦斯、采空区抽放瓦斯、低透气煤层强化抽放瓦斯等技术，以及包括瓦斯泵、钻机钻具、抽放系统配套装置和瓦斯抽放动态监测系统等设备。1.3. 国内外研究现状1.3.1. 我国煤矿瓦斯抽放的发展与现状我国工业抽放瓦斯始于 1938 年的抚顺龙凤矿，但系统地连续抽放瓦斯是 1952 年在龙凤矿建抽放瓦斯泵站开始的。经过几十年的发展，无论瓦斯抽放方法，还是抽放瓦斯装备等均具有较先进的水平。到 2001 年底，全国己有 185 个煤矿建立了井下瓦斯抽放系统和地面输气系统，2002 年全国瓦斯抽放量达 11.46 亿 m3，其中阳泉和抚顺矿区连续多年抽放量均超过 1 亿 m3，阳泉为 1.99 亿 m3，抚顺为 1.31 亿 m3。晋城、淮南和盘江的瓦斯抽放量也都迅速增加。据 1995 年各类矿井瓦斯抽放率统计见表 2:表 2 我国矿井瓦斯抽放率统计表瓦斯抽放率30%20%30%10%20%1 时，表明随着雷诺数增大，流体流动时在转弯、扩大、缩小等局部阻力处引起的压力损失增大致使比流量 qn 降低，此时流体在多孔介质中的流动就表现为非线性渗流。2.3. 瓦斯在煤层中的流动规律(1)按时间因素分，流动类型可分为稳定流动和非稳定流动两种类型，前者流动场不随时间而变化，后者流动场则随时间而改变。(2)按流场的空间流向分类单向流动一一在 x, y, z 三维空间内，只有一个方向有流速，其余两个方向流速为零。如图 1 所示。球向流场一一在 x, y,z 三维空间内，一般在三个方向都有分速度，如在矿井厚煤层中， 煤巷的掘进工作面煤壁内，钻孔或石门刚进入煤层时从其中涌出的瓦斯流动基本上都属于球向流动。球向流动的特点在于，在煤体中形成近似同心球状的等压线，而流线一般呈放射网状。径向流场一一在 x, y, z 三维空间内，一般在两个方向有分速度，而第三个方向的分速度为零。例如钻孔垂直穿透煤层时，在煤壁内的瓦斯流动基本上就属于径向流场。一般情况下， 其瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆形，如下图 2 所示。由于径向流动一般是平面流动，可采用 x, y 两向直角坐标表示，也可采用极坐标、表示。图 1 煤层瓦斯单向流动示意图1 一一瓦斯流线2 一一等瓦斯压力线Chart3Sketch map of single direction flow of gas in the coal seams1 一一 The flown lie of gas2 一一 Isobar of gas图 4煤层瓦斯径向流动示意图1瓦斯流线2等瓦斯压力线Chart4Sketch map of radial flow of gas in the seams 1The flown line of gas2Isobar of gas实际煤层是非均质的，因此，瓦斯在实际煤层中的流动属于非均质层中的径向流动。图 5瓦斯在煤层中径向流动瓦斯压力分布Chart5Stress disposal of radial flow of gas in coal seams3. 瓦斯抽放方法3.1. 抽放瓦斯原则瓦斯抽放是一项集技术、装备和效益与一体的工作。因此，要做好瓦斯抽放工作，应注意以下几条原则。（1）抽放瓦斯应具有明确的目的性，即主要是降低风流中的瓦斯浓度，改善矿井生产的安全状况，并使通风处于合理和良好状况。因此应尽可能在瓦斯进入矿井风流之前将它抽放出来。在实际应用中，瓦斯抽放还可作为一项防治煤与瓦斯突出的措施单独应用。此外抽出的瓦斯又是一种优质能源，只要保持一定的抽放瓦斯量和浓度，则可以加以利用，从而形成“以抽促用，以用促抽”的良性循环。（2）抽放瓦斯要有针对性，即针对矿井瓦斯来源，采取相应措施进行抽放。目前认为， 矿井瓦斯来源主要包括：本煤层瓦斯涌出（掘进和回采时的瓦斯涌出）；邻近层瓦斯涌出（上下邻近层的可采和不可采煤层涌向开采空间的瓦斯）；围岩瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出（本煤层开采后遗留的煤柱、丢煤以及邻近层、围岩的瓦斯在已采区的继续涌出）。这些瓦斯来源是构成矿井或采区瓦斯涌出量的组成部分。在瓦斯抽放中应根据这些瓦斯来源，并考虑抽放地点时间和空间条件，采取不同的抽放原理和方法，以便进行有效地瓦斯抽放。（3）要认真做好抽放设计、施工和管理工作等，以便获得好的瓦斯抽放效果。因此，在设计时，首先应了解清楚矿井地质、煤层赋存及开采等条件，矿井瓦斯方面的有关参数，预测矿井瓦斯涌出量及其组成来源。在此基础上，选择合适的抽放方法，确定可靠的抽放规模， 设计一套合理的抽放系统。其次，在抽放瓦斯的开始阶段，还应进行必要的有关参数的测定， 以确定合理的抽放工艺和参数；在正常抽放时，要全面加强管理，积累资料，不断总结经验， 从而使瓦斯抽放工作得到不断地改进和提高。3.2. 影响瓦斯抽放方法选择的因素一般地，选择抽放方法和形式时，要考虑瓦斯来源、煤层状况、采掘条件、抽放工艺等因素。（1）如果瓦斯来自于开采层本身，则既可采用钻孔抽放，也可采用巷道预抽形式直接把瓦斯从开采层中抽出，且多数形式采用钻孔预抽法。（2）如果瓦斯主要来自开采煤层顶、底板邻近煤层内，则可采用开在顶底板煤、岩中的巷道，打一些穿至邻近煤层的钻孔，抽放邻近煤层中的瓦斯。（3）如果在采空区或废弃巷道内有大量瓦斯积聚，则可采用采空区瓦斯抽放方法。（4）如果在煤巷掘进时就有严重的瓦斯涌出，而且难以用通风方法加以排除，则需采用钻孔预抽或巷道边掘边抽的方法。（5）如果是低透气性煤层，则在采取正常的瓦斯抽放方法的同时，还应当采取人工增大煤层透气性的措施（如水力压裂、水力切割等），以提高煤层瓦斯抽放效果。总之，在选择瓦斯抽放方法时，应综合考虑，既要考虑煤层条件，瓦斯赋存状况，开拓开采及巷道布置条件，又要考虑抽放设备的能力及经济条件，以求达到最佳效果。3.3. 瓦斯抽放方法的抽放率及其适用条件到目前为止，各国对于瓦斯抽放方法的分类还没有统一，但均相应提出了各种各样的瓦斯抽放方法，其名称大体相似，一般按不同的条件进行不同的分类，主要有：（1）按抽放中瓦斯来源分类这种分类方法有：本煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放， 各类瓦斯抽放方法的适应条件及抽放率如表 3.1 所示。（2）按抽放瓦斯的煤层是否卸压分类这种分类方法主要有：未卸压煤层抽放瓦斯和卸压煤层抽放瓦斯。（3）按抽放瓦斯与采掘时间关系分类主要分为：煤层预抽瓦斯、边采（掘）边抽和采后抽放瓦斯。（4）按抽放工艺分类这种分类方法主要有：钻孔抽放、巷道抽放和钻孔巷道混合抽放。表 3.1各类瓦斯抽放方法的适应条件及抽放率表抽放分类抽放方法适用条件抽放率/%本煤层瓦斯抽 放未卸压抽放岩巷揭煤由岩巷向煤层打穿层钻孔突出危险煤层30-60煤巷掘进预抽煤巷工作面打超前钻孔高瓦斯煤层20-60采空区大面积预抽由开采层机巷、风巷或煤门等打上向、下向顺层钻孔有预抽时间的高瓦斯煤层、突出危险煤层20-60由石门、岩巷、邻近层煤巷等向开采层打穿层钻孔属“勉强抽放”煤层20、个别超过50地面钻孔高瓦斯“容易抽放”煤层，埋深较浅20-30密封开采巷道高瓦斯“容易抽放”煤20-30卸压抽放边掘边抽由煤巷两侧或岩巷向煤层周围打防护钻孔高瓦斯煤层20-30边采边抽由开采层机巷、风巷等向工作面前方卸压区打钻高瓦斯煤层20-30由岩巷、煤门等向开采分层的上部或下部末分层打穿层或顺高瓦斯煤层20-30水力割缝、水力压裂、松动爆破（预抽）由开采层机巷、风巷等打顺层高瓦斯“难以抽放”煤层20-30由岩巷或地面打钻孔30邻近层瓦斯抽放卸压抽放开采层工作面推过后抽放上、下临近煤层由开采层机巷、风巷、中巷或岩巷等向邻近层打钻邻近层瓦斯涌出量大， 影响开采层安全时40-80由开采层机巷、风巷、中巷等向采空区方向打斜交钻孔40-80由煤门打沿邻近层钻孔40-80在邻近层掘汇集瓦斯巷道邻近层瓦斯涌出量大，钻孔抽放不能满足抽放40-80地面打钻孔地面打钻优于井下时30-70采空区瓦斯抽放密封采空区插管抽放无自燃危险或采取防火措施时50-60现采采空区设密闭墙插管或向采空区打钻抽放，预埋管抽放20-60围岩瓦斯抽放由岩巷两侧或正前向溶洞或裂隙带打钻、密闭岩巷进行抽放、封堵岩巷喷瓦斯区插管抽放围岩有瓦斯喷出危险， 瓦斯涌出量大或有溶洞、裂隙带储存高压瓦斯时20-604. 影响抽放管网系统的抽放效果的因素4.1. 国内矿井瓦斯抽放率低的原因分析我国的矿井瓦斯抽放率普遍不高，使矿井的安全面貌得不到应有的改善，矿井的生产能力得不到充分发挥，而且影响了矿井的投资效益。经分析，影响抽放率低的原因有：(1) 抽放方法比较单一我国矿井的瓦斯来源除主要来自邻近层、开采层外，还来自采空区和围岩。开采煤层群时，邻近层涌入开采层工作面的瓦斯常常占到该工作面瓦斯涌出量的 60%以上，对安全生产威胁很大，所以对抽放邻近层瓦斯十分重视，邻近层抽放方法亦得到广泛的应用。另外，有的矿井却常常忽视了对开采层，采空区及围岩瓦斯的抽放。对，于近距离煤层群，解放层开采后，邻近层的卸压瓦斯往往来不及抽放就大量快速涌入开采层面，仅用钻孔法抽邻近层瓦斯往往得不到应有的抽放效果，如阳泉矿区综采面快速推进，邻近层涌入开采层的瓦斯量占采面的比例高达 64%，原来只用钻孔法抽放已不能满足生产要求，在增加了顶板巷道抽放方法，使矿井瓦斯抽放有较大的提高。综合抽放方法是近年世界要产煤国抽放瓦斯的主要发展方向，我国一些矿井经实践也证明该法是提高矿井瓦斯抽放率的有效途径。而目前我国仍有较多的矿井采用单一抽放方法， 很难适应矿井瓦斯的涌出规律，这是影响矿井瓦斯抽放率提高的重要原因之一。(2) 抽放参数不适宜在诸多的抽放参数中，钻孔工程量对矿井瓦斯抽放率影响较大，而目前尚未引起人们足够的重视。我国矿井抽放瓦斯的目的是解决井下采掘面、回风巷瓦斯浓度不超限，没有把它当作一种宝贵能源来开发，故对抽放钻孔工程量控制较严，以此减少生产费用。由于抽放钻孔不足，影响了抽放范围，也影响到钻孔的合理布置。当今世界上瓦斯抽放率较高的国家， 吨钻孔量一般在 0.3m/t 以上，日本达到 0.5m/t，而我国抽放率较高的矿区，吨煤钻孔仅占国外的 1214%，如中梁山矿为 0.07m/t，松藻局为 0 063m/t。另有不少矿井打钻设备陈旧、效率低、速度慢，满足不了打密集孔、长孔、坚硬岩石孔的要求，导致钻孔工程量不足而达不到设计要求。其它诸如钻孔长度、孔径、抽放半径、抽放负压等，参数的合理选择都会对抽放率产生一定的影响。(3) 抽放设备能力不足，不配套目前，我国缺乏高效率的钻机、钻具，抽放泵性能也满足不了设计、生产要求，所以钻孔参数往往不是以设计为主来确定，而是以钻孔、抽放泵的能力来确定。如抽近距离邻近层瓦斯，需要密集布孔，但目前多数矿井的钻机钻具在性能、效率、速度方面都难于符合要求。据松藻局资料，打茅口灰岩，钻头寿命只一个月，打矽质灰岩，只四小时就损坏一个钻头， 设计的钻孔参数常因机具、抽放设备能力不足、不配套而不得不根据实际而有所削减， 必然会影响到抽放效果。(4) 抽放时间不充分不同的抽放方法，钻孔有不同的最佳和有效抽放时间，在这段时间内，抽放的瓦斯量大、浓度高，之后逐渐衰减到无抽放价值而停抽。但在我国一些矿井中，因抽放巷道层位布置不当，受采动影响大，巷道维护困难而缩短了钻场、钻孔和抽放管路系统的服务时间；有的矿井掘、抽、采的关系失调，不等到应有的抽放时间就回采，使钻孔失去了较多的最佳抽放和有效抽放时间，导致抽放率不高。(5) 抽放范围的影响我国多数矿井把抽放瓦斯的范围局限于抽邻近层和开采层；抽回采面；抽主采层和有突出危险的煤层。忽视了对采空区，掘进面（特别是厚煤层掘进面），含有瓦斯的围岩及主采层突出层以外的煤层抽放。据国内资料，采空区瓦斯涌出量在矿井总涌出量中可占到 2535%，凡对采空区进行抽放的矿井，都取得了明显的抽放效果 如抚顺矿区多年坚持采空区抽放，全局平均抽放率在50%以上；松藻局抽采空区瓦斯，单孔抽放一般为 0.40.6m3/min 最高达 1.23 m3/min 其抽放浓度一般在 30%以上。从国外资料看，矿井抽放率高的主要原因之一就重视了采空区的瓦斯抽放，如比利时、法国、日本、英国、波兰、俄罗斯等，其抽出的瓦斯量占矿井总抽出量的比例都较大，如法国为 48.2%，比利时为 51%而我国矿井采空区的抽出量只占矿井抽出总量的 4.8%，我国应用采空区抽放技术的起步是较早的，但发展缓慢，通常作为解决矿井瓦斯超限的一项应急措施。国内矿井对掘进面实行抽放的很少，约占抽放矿井的 10%，焦作矿区对掘进面抽放，提高矿并瓦斯抽放率很有实际效果。忽视对主采层突出层以外的其它煤层的抽放，使矿井的抽放率受到影响 ，天府局、淮南局就因抽放煤层数少而影响到矿井瓦斯抽放率的提高。(6) 抽放巷道布置不当的影响近年来，从设计生产实践中证明，抽放巷道布置是否合理，对抽放率影响很大。抽放巷道的布置直接影响到钻场的合理布置，钻孔的抽放面积及抽放时间、封孔质量、抽放管路的服务时间和抽放方法的选择等，而这些都与抽放率有关。松藻局的松藻一矿、逢春矿等，均从改进巷道布置来提高矿井的瓦斯抽放率。(7) 封孔质量的影响据原苏联资料，进入抽放系统的空气有 80%以上是通过钻孔吸入的，如果钻孔空气的吸入量减少 1/22/3 ，钻孔的瓦斯量有望增加 1.52 倍，因此国外很重视封孔质量，材料、长度都作了明确规定，如封孔材料要求用聚胺脂，封孔长度规定为 1015m。我国矿井目前封孔材料多用水泥砂浆，封孔长度一般未超过 5m，其封孔质量与国外相比尚存在一定差距。(8) 煤层透气性的影响国内一些抽放率不高的矿井，其煤层透气性都比较差，特别是单一煤层 多层难抽型煤层的透气性系数更小。提高这类矿井的瓦期抽放率，要采取加大煤层透气性的措施，如水力割缝、水力压裂等，而国内矿井目前试验研究这些措施的效果不一，对提高矿井瓦斯抽放率的指标不理想。4.2. 提高矿井瓦斯抽放率的途径针对上述我国矿井抽放率低的原因，采取适当的措施提高矿井的瓦斯抽放率 ，不仅是矿井安全生产的要求，而且也是降低抽放成本、提高抽放效益的需要。 为了提高我国矿井瓦斯抽放效果，国内的科研、高校、设计、生产单位等，从不同的方面开展了数百项研究，取得了可喜的成果。现就从矿井设计方面论述提高抽放率的途径。4.2.1. 合理选择抽放方法合理选择抽放方法是提高抽放效果的关键，选择抽放方法应深入分析和根据矿井的煤层赋存条件、矿井瓦斯来源及涌出规律、矿井开采布置及开采程度、瓦斯利用前景等。按照瓦斯来源可以分为本煤层抽放瓦斯和邻近层抽放瓦斯。本煤层抽放瓦斯的适用条件是当井下开采工作所遇到的瓦斯来自开采层本身时，只有抽放开采层本身的瓦斯才能解决瓦斯问题，这种方法用于透气性效果良好的煤层会收到很好的效果，如抚顺等地，但是一般认为透气性不好的煤层效果较差；邻近煤层抽放瓦斯适用于地压活动明显，开采层上下相邻煤层内的瓦斯涌入开采层的采煤工作面而威胁生产时，采取这种方法，可消除瓦斯威胁，大多数矿井都采用这种方法，如阳泉、鸡西、阜新、重庆等地的矿井采用这种方法取得了良好的效果。按抽放与采掘的时间配合可以分为预先抽放煤层瓦斯、边采边抽放瓦斯、采空区抽放瓦斯三类。预先抽放煤层瓦斯实在煤层采掘工作前，就预先抽放煤层内的瓦斯，能够消除回采和掘进时的瓦斯危害，这是一种理想的抽放方法，把瓦斯消除在采掘前，但它限于透气性好的煤层，否则必须采取一些措施才能提高抽放效果；边采边抽放瓦斯是在回采或者掘进的同时抽放瓦斯，实用于由采掘而引起的瓦斯涌出，邻近层抽放瓦斯就是属于这种形式，有的厚煤层进行分层开采时，采第一层瓦斯大，也可以采用这种方法；采空区抽放瓦斯是工作面后方的采空区或者老采空区经常泄出瓦斯，加大了采区总排或全井总排的瓦斯量时会采用这种方式，许多矿井采用过这种方法，对降低采区和全井瓦斯有明显的效果。按照抽放工艺手段可以分为钻孔抽放瓦斯、巷道抽放瓦斯、钻孔巷道混合抽放瓦斯、老空区密闭抽放瓦斯、和地面钻孔抽放瓦斯。钻孔抽放在抽放本层和邻近层瓦斯均可以才用， 其工艺简单，在国内外广泛采用；巷道抽放瓦斯适用于煤层较厚、透气性好、采掘时有大量瓦斯涌出时的煤层；利用预备巷道抽放时，尤其在掘进时有瓦斯涌出，可以密闭抽放，在抚顺早期采用过这种方法；钻孔巷道混合抽放瓦斯是在既能开巷又能打钻的条件下，可以两者兼用，煤巷掘出后，在巷道里打钻，然后密闭巷道进行抽放，有利于提高抽放效果；老空区密闭抽放瓦斯适用于老空区放顶后涌出瓦斯，对减低井口排放瓦斯量有一定的效果，地面钻孔抽放瓦斯适用于采区距地表较浅，地面有施工条件的地方可以采用，因为其施工方便、抽放系统容易建立，国内外均有应用，如在我国的铁法 阳泉等地也有试用。综合抽放方法已成为当前世界瓦斯抽放技木的发展方向，我国抚顺、阳泉、松藻、中梁山、天府等矿区也推行了这一新技术，获得了较为明显的抽放效果。如松藻矿务局打通二矿，1987 年以前，采片单一的抽放邻近层瓦斯方法，矿井瓦斯抽放率多年停留在 30%左右，1987年开始应用抽放邻近层瓦斯和采空区瓦斯相结合的综合抽放方法。一般来说，选择抽放方法和形式的时候，要考虑瓦斯来源、煤质状况、采掘因素、时间配合和抽放工艺等因素，其总的原则是：(1) 如果瓦斯存在于开采层本身，即可以采用钻孔或巷道预抽形式直接把瓦斯从回采层中抽出。(2) 如果瓦斯主要存在于开采煤层的顶、底板邻近煤层内，可以采用顶底板煤岩中的巷道，打一些穿至邻近煤层的钻孔的邻近层抽放形式将瓦斯抽出。(3) 如果在采空区或废弃巷道内有大量的瓦斯涌出，即可以用采空区抽放形式加以消除。(4) 如果在煤巷掘进时就已遇到严重的瓦斯涌出，而且难以用通风方法克服的时候，则需要采用在掘进工作开始前的钻孔预抽或巷道边掘边抽的方法加以解决。(5) 如果煤层的透气性差，利用钻孔或巷道又不易直接抽出瓦斯，掘进时瓦斯 也不大， 而在回采的时候却有大量的瓦斯涌出时，则需采用边采边抽、水力割缝、大直径密集钻孔以及人为的可以改变煤层透气性的方法加以解决。4.2.2. 选择合理的抽放参数(1) 钻孔直径钻孔直径的大小对抽放瓦斯有一定的影响，直径大的钻孔由于暴露的煤面多， 瓦斯涌出量大，排放瓦斯的效果也就较好。反之，直径小的钻孔效果就较差，阳泉一矿的实验证明， 大直径孔（=300 毫米）的瓦斯抽出量远远大于小直径孔，而且有较长的稳定时间。说明除了有暴露面的原因外，还可能有另外的原因卸压，由于孔径大容易造成孔内的坍塌和裂隙， 改变了煤层渗透条件，有利于抽放瓦斯，但是大直径孔在使用上有它的局限性，特别是在岩石巷向煤层中打钻孔抽放时就更加难于施工。(2) 钻孔长度对于开采层瓦斯抽放钻孔的长度越大，露出煤面越多，瓦斯涌出量越大，抽放效果越好； 对于邻近层瓦斯抽放，钻孔一般要穿过所要预抽的煤层，而钻孔中瓦斯成分与钻孔长度没有多少关系，但它受钻机设备和打钻技术的影响，考虑打钻效率和打钻质量，钻孔长度一般大于 60m。(3) 钻孔角度抽放本煤层瓦斯的时候 布置时钻孔的角度应注意以下几个方面i. 由于深部煤层的瓦斯含量比较大，瓦斯向上流动，所以下向式钻孔瓦斯量较大，可以加速瓦斯排放。但下向孔中易积水，对瓦斯涌出有一定的阻力，且打钻施工比较困难。ii. 上向式钻孔内不会积水，瓦斯涌出量也比较均衡，但在相同条件下比下向孔略小。iii. 水平钻孔处于上述两种方式之间，可以克服上向孔和下向孔的缺点，是目前矿井预抽瓦斯的主要形式。抽放邻近层瓦斯的时候，钻孔的角度取决于钻孔的开孔位置与终孔所要达到 的位置，为了确定终孔的位置，首先要摸清邻近煤层的瓦斯来源，确定抽放哪一层或哪几层的瓦斯，由于抽放层位不同，即使开孔地点相同，钻孔角度也不同，因为邻近层瓦斯抽放钻孔必须深入到邻近层的卸压带内，但有要避开冒落带和大的破坏裂隙区，以免抽放钻孔大量漏气，甚至被切断而使钻孔失效，特别抽放上邻近层的时候，更要注意这一原则，即钻孔必须深入到卸压角边界附近以里，而不要进入太远，所以当需要同时抽放间隔相当距离的多层邻近煤层瓦斯时，就需要布置几个层位的抽放钻孔。(4) 钻孔间距及钻孔数目由实验表明，钻孔间距减小，在一个钻场内的钻孔数目增加，瓦斯抽出量也在增加，同时每个单孔的抽出量减少，孔数目越多，瓦斯量衰减越快，孔数目越少，瓦斯量衰减越慢。所以，如果有较长的抽放时间，孔数可以少些，如果抽放时间较短，孔数可以多些，但孔数多了，又不经济，因而要针对采区的实际条件，瓦斯储量的大小，要求的抽放率来决定。另外，对于钻场间距的确定，主要依据是抽放时间的长短，抽放负压的高低，煤层透气性和瓦斯含量的大小。在抽放时间不变的情况下，它随开采深度的逐步延深，瓦斯含量的逐渐增加，钻场间距应逐渐缩短。铁煤集团晓明矿的钻场间距一般选择 23 个来压步距，根据顶板岩性及打钻设备等情况，钻场间距选择如下：L 场 =2L 压式中L 场钻场间距m （ 取 35m） L 压采场来压步距m （ 取 20m）但大兴矿的 APEC 日本援助项目里钻场间距达到了 180 m ，钻孔长度达到了 300 米，也取得了很好的抽放效果，所以钻场间距应该随着科学技术水平的提高，进行深一步的研究。钻孔数量的多少及钻孔的布置方式直接影响抽放效果的好坏。为确保卸压范围内瓦斯能以最短途径最快时间进入钻孔被抽放出来，需要多次对钻孔布置方式进行改进。根据晓明矿北二采区以往的经验，采场的来压步距为 20 25 米。(5) 抽放负压瓦斯抽放泵能力，运转特性与负压对抽放效果也有很大的影响，抽放负压越大，抽放量越大，但当负压到一定程度后，抽放效果就不会明显增加，有时反而会影响抽放效果，要根据具体情况人为确定。当钻孔在一定负压条件下抽放，瓦斯抽放量的大小对于未卸压的煤层来讲，抽放负压的变化对钻孔抽放量影响不大，这是因为通常情况下，煤层瓦斯压力一般可达 1.0MPa 以上，而钻孔抽放负压变化在 0.1Mpa 以内。但对于具有钻孔连通性好，透气性系数增加的孔网钻孔来讲，这种现象发生了较大的变化，抽放负压对孔网钻孔抽放不仅起到了引导作用，而且起到了拦截瓦斯流的作用，在这种情况下，提高瓦斯抽放负压，可以扩大钻孔的拦截面积，使煤层中的部分瓦斯转向而流入钻孔，从而提高钻孔抽放瓦斯量。并且随着瓦斯逐渐被抽出， 煤体产生收缩变形，引起煤层产生一定程度的卸压，增加煤体的裂隙、孔隙，使孔网交叉节点处两两钻孔相互连通性增强，促使瓦斯抽放量增加。但是目前的封孔技术条件不适应高负压抽放，负压过高会导致漏气，降低抽出瓦斯浓度和抽放效果，因此一般采用 6.6626.66kPa 的负压进行抽放。对于采用综合抽放方法的矿井，由于不同的抽放方法需要的抽放负压大小是不同的，一般来说，采空区抽放需要的负压较小，本煤层抽放时需要的负压较大，所以应该采用改变抽放管路的阻力或者使用移动泵等方法来满足每种抽放方法所需的合理负压。4.2.3. 选择合理的抽放形式将已封的抽放孔网联接或脱离抽放管路系统的顺序和方式称为抽放形式。在抽放瓦斯的矿井中 ，采用非孔网抽放时，一般情况下通常是将以封孔的钻孔均联接在抽放管路中进行抽放，定期对钻孔抽放作用较差时将抽放钻孔撤下来。而网孔抽放时，往往不是所有钻孔均联接在抽放管路上瓦斯抽放效率就最好。应该根据实际抽放条件和测定结果选择不同的抽放形式。一般分为三种抽放形式：i. 抽放钻孔数连续递增方式该方式就是当钻孔封孔后即联接到抽放管路进行抽放，抽放钻孔数连续递增。然后根据抽放极限时间逐一关闭抽放并撤出。ii. 分段定数钻孔单一联接抽放方式根据确定的有效时间，形成打钻、封孔、联接、关闭平行作业，选择最佳抽放时间，实现三稳定（即稳定抽放钻孔数、稳定抽放瓦斯量和稳定抽放瓦斯浓度）iii. 多段间隔间歇动态钻孔联接与关闭抽放方式为充分发挥钻孔网络的抽放作用，有效利用抽放系统的抽放能力，当钻孔封孔后，在抽放的区间内，分多段钻孔组联接到抽放管路上，实现时空间隔、间歇式动态抽放方式。这种方式是发挥孔网作用，最大限度提高抽放量的最佳方式。但操作较复杂，而且要求抽放钻孔检测手段比较高。检测要快速、方便。否则钻孔组组数，钻孔组的孔数，抽放时间，以及停抽时间等参数无法合理确定。4.2.4. 选择合理的钻孔布置方式一般来说，对于钻孔抽放，钻孔的布置形式可以分为穿层钻孔形式和顺层钻孔形式。(1) 穿层钻孔形式。其适用条件是煤层具有很好的透气性，是具有一定的倾斜角度的中厚煤层，有可容许的抽放时间。这种形式钻场是布置在煤层顶底板的岩巷或者煤巷中，由钻场打钻孔贯穿煤层，由于钻孔与煤层层理面垂直，瓦斯易于沿层理面流入钻孔有利于提高抽放效果。在抚顺、中梁山、淮南等矿区均有采用。(2) 顺层钻孔（孔网）形式。其适用条件是煤层透气性小，但有抽放可能，煤层赋存稳定、地质变化小；煤层是较薄及中厚煤层这种钻场是设在工作面顺槽或者开切眼内，平行或者垂直工作面扩大顺层钻孔，由于钻孔与层理面平行，层理裂隙不易沟通，影响抽放效果， 同时由于打钻开孔位置在煤层，封孔不易保持严密，也影响抽出瓦斯浓度。实验结果表明，本煤层瓦斯抽放中，由于交叉布孔施工简便成本低，抽放瓦斯浓度高， 交叉布孔比平行布孔提高瓦斯抽放率 30%左右，瓦斯抽放量可以提高 0.461.02 倍，为此一般在本煤层抽放时，采用孔网布置的方式来增大煤层的透气性，提高抽放效果，具体有以下几种钻孔布置形式：i. 长壁工作面单侧布置孔网如图 2-1 所示，一般选择工作面的进风巷道一侧向开采工作面圈定的煤层布置钻孔。如焦作九里山煤矿的布孔是采取一个与工作面平行的钻孔，一个与工作面具有一定角度的斜向钻孔，这样交替布孔后即形成了抽放网孔。其钻孔长度、间距、角度可根据工作面瓦斯抽放量、抽放时间、打钻技术及设备等情况确定。单侧布置孔网的优点是打钻和抽放工作相对集中，便于管理。缺点是要求钻孔长度大，往往长钻孔的定向问题难以解决，所以形成孔网的条件很难保证，瓦斯抽放量相对较小，因此该方法适用于工作面长度较短要求瓦斯抽放量较少，打钻技术装备先进的矿井的本煤层抽放。图本煤层单侧孔网布置示意图ii. 长壁工作面双侧布置孔网结合矿井生产的实际，回采巷道布置、工作面接续安排等情况一般有两种布孔方法：即同一工作面两巷两侧相向布置网孔和相邻两工作面在同一条巷道向两个工作面煤层背向布置孔网。该方法适用于双侧孔网抽放方法的优点是使整个工作面圈定的煤层均在孔网抽放控制的范围内，瓦斯抽放量大，钻孔长度适中，孔网抽放作用发挥较好。缺点是钻孔工程量大， 抽放战线长，管理不便，如果缩短战线和便于管理应采用相邻工作面同巷两侧背向布置孔网方法这种方法的另一优点是下一个工作面的孔网抽放时间增加一倍，瓦斯抽放量增大。这种瓦斯抽放量大或煤炭、煤层气双采的工作面。a) 同一工作面两巷相向布置孔网如图 2-2 所示，当工作面进、回风巷掘出后，在两条巷道中向准备开采的煤层相向布置孔网。图两巷相向孔网布置示意图b) 相邻工作面同一条巷道背向布置孔网如图 2-3 所示，当工作面进回风巷道采用无煤柱沿空留巷或双巷掘进时，向两个工作面开采的煤层布置钻孔孔网。图同巷背向孔网布置示意图iii. 工作面分段布置孔网根据钻孔长度将工作面沿推进方向按一定距离掘一条瓦斯抽放专用联络巷 道，利用该巷道和工作面两条回采巷道布置孔网，可有两种方式选择，一种是前述的小角度斜交叉孔网； 一种是垂直交叉孔网，如图 2-4 所示。例如河南郑煤集团王庄矿采用小角度斜交叉孔网疏放局部。高含量煤层的瓦斯，工作面分段布置孔网的优点有：孔网的交叉节点增多，抽放的作用， 瓦斯抽放量大。缺点是掘进的煤巷工程量大，工作面跨采旧巷困难，抽放成本增高。此方法除特殊需要一般不宜采用。图垂直交叉孔网布置示意图iv. 平行钻孔与分段长钻场大直径钻孔交叉孔网其布孔基本思路是在工作面上下顺槽布置平行钻孔的基础上，沿工作面推进方向分段向煤层掘长钻场，在该钻场内打大直径钻孔与平行钻孔相交叉形成孔网， 目的是增加孔网各钻孔相互连通作用，如图 2-5 所示平行钻孔与长钻场大直径钻孔相交叉形成孔网的钻孔布置方式是孔网抽放的发展方向，它的突出优点是利用少量的大直径钻孔将平行的抽放钻孔相互联系起来，形成更佳的孔网抽放体系，即使大直径钻孔封闭后不接入抽放管路，其抽放作用也不会降低多少，建议有可能的条件下应进行现场试验研究。图平行钻孔与长钻场大直径钻孔交叉孔网布置示意图4.2.5. 选择合理有效的钻孔封孔方式及材料现在煤矿采用的封孔方法有胶泥封孔、胀圈封孔和聚氨脂封孔。由于聚氨脂泡沫塑料封孔法封孔，受压变形不破坏，在动压地带和长期抽放瓦斯具有独特的优越性，特别是对深封孔，更为便利，更能保证质量，所以应用前景很好。铁煤集团现在采用的就是聚氨脂封孔。聚氨脂是一种高分子合成树脂，种类很多，用于抽放瓦斯钻孔封孔的是发泡型聚氨脂，主要由异氰酸脂和聚醚生成，另加若干种助剂，目的是调节发泡和固化时间以改善这种硬质泡沫塑料的性能，使之适应密闭抽放瓦斯的需要。聚氨脂药液反应时，异氰酸脂与水发生反应生成 CO2，最终形成稳定的硬质泡沫塑料。药液分为甲、乙两组，这两组药液混合迅速搅拌均匀后约 1min 左右，原液将由黄褐色变成乳白色，5min 后开始发泡和体积膨胀，再经 5min 后逐渐硬化，最后生成硬质泡沫塑料，为乳白色，体内孔隙均匀，不酥脆。在井下封孔前， 先用一批药液在地面做小型发泡试验，观察实物是否符合要求，否则应适当调整药液的配比， 若井下封孔工艺要求加快，或延缓发泡与硬化时间，其配比应根据需要作相应的调整，这种聚氨酯泡沫塑料具有下列性能。膨胀性。甲乙药液混合后，反应生成的硬质泡沫塑料若置于自由空间使之任意膨胀，体积可膨胀 20 倍，但如果将其放入有限空间内，膨胀就会受到阻碍，一般在抽放瓦斯钻孔的环形空间可膨胀 10 倍左右。当其膨胀受到限制时，必然会出现一种膨胀力，这将使药液进入钻孔周围煤，岩体的较大裂隙之中，起着加固煤岩体和堵塞裂隙的作用，这种特性优于水泥、黄泥材料以及橡胶圈膨胀封孔器。可塑性。泡沫塑料具有一定的抗压强度和良好的可塑性，受压变形不破坏，作为封孔材料在动压地区应用，明显优于脆性材料(如水泥固化后等)，即使受压变形，对抽放瓦斯钻孔的封孔作用可保持很好的密封性。抗剪性。泡沫塑料具有一定的抗剪性，断面为 2020mm 泡沫塑料的正方形试块的抗剪强度平均为 0.44MPa。粘结力。泡沫塑料对密闭物体的粘结力很强，泡沫塑料反应过程中与固化后的抽放孔铁管，煤岩体的粘结力很强。气密性。这里说的气密性是指泡沫材料本身的气体渗透情况，封孔质量的气密性。上面已说明其与钻孔壁和抽放管的结合力很强，也意味着，气密性良好。硬质泡沫聚氨酯为一种多孔材料，其本身气密性如何，是封闭钻孔的关键问题。从结构说，甲乙药液混合后发泡和固化内部交联成空间网状结构，属内部封闭型 不属透气物质。另外，硬质泡沫聚氨酯塑料还具有在酸、碱溶液中的抗腐性，离火即灭的自熄性，以及容重轻等优点。 作为抽放瓦斯钻孔封孔材料是适宜的，可以使用。4.2.6. 其他途径(1) 扩大抽放范围扩大抽放范围一是要合理增加钻孔数目来扩大抽放面积，二是要增加抽放煤层及抽放区域。(2) 提高煤层透气性煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数来表示，透气性系数越大， 瓦斯在煤层中流动越容易，瓦斯含量就少；反之，瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量大。(3) 采用综合抽放方法随着煤矿机械化水平的提高，以及综采方顶没煤开采方法的应用，由于开采强度的大幅度提高，开采后邻近层、采空区等的瓦斯涌出两也急剧增加，有的工作面瓦斯涌出量超过100m3/min,这样大的瓦斯涌出量，使用原有单一的抽放方式 方法已不能消除工作面的瓦斯威胁。为了实现高产高效矿井（工作面）的安全生产，要求抽瓦斯技术有一个新的突破，所以综合抽放方法已经是矿井进行瓦斯抽放的一个趋势。如大兴矿为了 N2-702 工作面的生产，采用了巷道钻孔抽放、地面立眼抽放、尾巷抽放等抽放方式、一共形成 3 个抽放系统。5. 抽放管网系统的优化管理技术提高了抽放钻场的抽放效果，只是达到了瓦斯抽放系统的一个基本要求，只是一个局部的抽放效果。但对于整个矿井来说，需要的整个系统有很好的抽放效果，并且尽可能的减少人力、物力，加强瓦斯的利用率，其效果最终也要体现在抽放系统的社会经济效益上来。对于一个要建立或者已经建立抽放管网的矿井，要提高抽放效果，达到预期的目的，除了论文前面的选择合理的抽放方法和抽放参数外，提高单孔的抽放效果外，从宏观上而言， 还应该注意矿井抽放系统的可行性分析，综合抽放方法的选择以及优化布置，建立有效的监测监控系统，健全的管理机制及手段等，这也是要达到整个矿井的预期抽放效果的最基本的因素。5.1. 矿井抽放系统的可行性分析生产矿井抽放瓦斯的主要目的是保证矿井的安全生产，充分利用瓦斯资源。矿井建立瓦斯抽放系统前应该提出完整的可行性研究报告。对矿井开拓与开采方式、通风与瓦斯状况、矿井瓦斯来源瓦斯储量、可抽瓦斯量、稳定抽放量、抽放目的、抽放瓦斯方案、利用瓦斯方式与服务年限、规模与技术经济合理性进行综合评价。最后决定是利用瓦斯泵抽放瓦斯，通过管网抽到地面进行综合利用；还是利用矿井主扇通风把瓦斯冲淡排放到地面大气中去。矿井瓦斯抽放管理规范中第 9 条凡符合下列情况之一者必须建立瓦斯抽放系统，开展瓦斯抽放工作：(1) 符合(煤矿安全规程)第 150 条的(即一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于 5m3/min，或一个掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于 3m3/min，采用通风方法解决不合理的)。(2) 矿井绝对瓦斯涌出量大于 15m3/min，年产量等于或小于 40 万 t； 矿井绝对瓦斯涌出量大于 20m3/min，年产量等于或小于 60 万 t；矿井绝对瓦斯涌出量大于 25m3/min， 年产量等于或小于 100 万 t； 矿井绝对瓦斯涌出量大于 30m3/min，年产量等于或小于 150 万 t； 矿井绝对瓦期涌出量大于 40m3min(3) 开采具有煤与瓦斯突出危险煤层(4) 建立永久瓦斯抽放系统的矿井，还应同时具备瓦斯抽放系统的抽放量可稳定在2m3/min 以上和瓦斯资源可靠、储量丰富、预计瓦斯抽放服务年限在 10 年以上两个条件： 就开采煤层预抽瓦斯的难易来讲，抽放瓦斯的可行性一般分为容易抽放、可以抽放和较难抽放 3 类，对应的钻孔瓦斯流量衰减系数()层的透气性系数( )分别为小于 0.003d-2、0.0030.05d-2、大于 0.05d-2 和大于 10m2 /( MPad) 、10 0.1m2 /( MPad)、 小于 0.1m2/( MPad)；从邻近层卸压瓦斯抽放来说，由于受煤层采动的影响，邻近煤层的透气性大大提高，故其煤层瓦斯均易抽放。显邻近层的瓦斯能够涌入开采层工作面、隐邻近层的瓦斯则不能涌入开采层工作面；从安全生产的角度考虑，前者必须抽放瓦斯，后者可以不抽放瓦斯， 但因为隐邻近层瓦斯也是较易抽放的，为了回收瓦斯资源亦可进行抽放。对于一个矿井在进行抽放瓦斯可行性论证时，除从上述标准评价煤层瓦斯可抽性之外， 还必须从经济和社会的观点阐述瓦斯抽放的合理性，包括抽放瓦斯工程投资、抽放瓦斯促进煤炭生产效益减少通风费用、瓦斯利用收益、投资款回收时间及社会效益等。5.2. 积极改造抽放系统提高系统能力5.2.1. 抽放系统的优化布置采用综合抽放方法是现在煤