我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨
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 t降至10亿t，煤炭生产死亡5 798人，百万吨死亡率为5.8，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，共计死亡1 694人，其中瓦斯事故267起，死亡1 281人，分别占3～9人重大事故起数的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1 398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1 319人，分别占10人以上特大事故起数的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井推广；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；《煤矿安全规程》（2001年版）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入量逐年稳步上升，抽放瓦斯总量仅少于美国，居世界第2位，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。
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12.17亿 m3。与20世纪50年代初期相比，瓦斯抽放矿井数量增加了25.5倍，年瓦斯抽放量增加了近10倍。晋城（28个地方煤矿）、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、峰峰、焦作、丰城、六枝是我国目前的主要抽放瓦斯矿区，各矿区瓦斯抽入情况见表1。其中，晋城（地方煤矿），抚顺和阳泉3个矿区的瓦斯抽放量最多，年瓦斯抽放量均超过了1亿m3。2002年，我国21个主要瓦斯抽放矿区共计123个抽放矿井的瓦斯抽放量为11.24亿 m3，占全国瓦斯抽放总量的92.36％。
表1 我国主要瓦斯抽放矿区瓦斯抽放量和抽放率统计
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矿区名称 |
2002年 |
1994年 | ||||
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瓦斯涌出量/Mm3 |
瓦斯抽放量/Mm3 |
瓦斯抽放率/％ |
瓦斯涌出量/Mm3 |
瓦斯抽放量/Mm3 |
瓦斯抽放率/％ | |
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晋城地方 抚顺 阳泉 松藻 天府 盘江 淮南 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 合计 |
760.65 162.11 378.87 194.08 79.41 202.49 312.82 157.41 86.20 157.29 137.27 98.68 51.24 91.38 223.72 92.60 134.95 125.69 86.81 157.29 45.34 3 736.48 |
352.48 128.56 117.26 76.55 63.72 51.18 49.39 44.48 34.30 26.21 25.86 24.68 23.96 22.73 18.01 13.21 12.38 11.48 10.45 9.41 8.17 1 124.47 |
46.39 79.30 30.95 50.06 80.24 26.14 15.87 28.80 39.79 18.67 20.84 20.98 46.76 24.87 14.15 15.40 9.30 12.14 12.58 15.40 19.04 30.09 |
/ 197.15 357.36 150.91 82.80 166.49 199.57 129.40 41.17 150.46 125.16 99.10 97.98 94.33 116.53 96.32 108.14 109.34 94.52 64.77 93.72 2 575.22 |
/ 118.81 89.42 68.18 19.73 18.26 5.22 17.60 12.50 11.17 1.66 20.14 22.23 13.64 4.55 12.00 8.20 11.15 12.44 9.82 19.06 495.78 |
/ 60.26 23.40 41.96 23.83 12.18 2.80 14.07 30.36 8.56 1.89 29.29 43.38 15.14 3.90 12.45 8.57 11.32 14.39 15.92 18.68 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3类：
Ⅰ类矿区：瓦斯抽放率＞40％，抽放效果好；
Ⅱ类矿区：瓦斯抽放率25％～40％，抽放效果一般；
Ⅲ类矿区：瓦斯抽放率＜25％，抽放效果差。
我国主要瓦斯抽放矿区的瓦斯抽放效果分类情况（见表2）。
表2 我国主要抽放矿区瓦斯抽放效果分类
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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 矿区数的比例/％ |
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Ⅰ类 |
5 |
60.14 |
23.80 |
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Ⅱ类 |
4 |
29.96 |
19.06 |
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Ⅲ类 |
12 |
13.93 |
57.14 |
由表2可以看出，我国主要瓦斯抽放矿区的总体与瓦斯抽放效果不好。瓦斯抽放效果好的Ⅰ类矿区只有5个，仅占主要瓦斯抽放矿区数的23.80％，平均瓦斯抽放率为60.14％；瓦斯抽放效果一般的Ⅱ类矿区有4个，占主要瓦斯抽放矿区数19.06％，平均瓦斯抽放率为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57.14％，平均瓦斯抽放率仅为13.93％。如果考虑所有抽放瓦斯矿井，瓦斯抽放率低于25％的矿井比例更会大。
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抽放。目前，煤矿应用最为普遍的瓦斯抽放方法有如下6种。
（1）本煤层采前预抽。绝大多数开采单一煤层的高瓦斯或突出矿区均采用采前预抽抽放本煤层瓦斯，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，往往也采用这种方式抽放本煤层瓦斯，淮南矿区C13-1煤层群开采就属于此情形。
（2）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，在回采过程中往往采取边采边抽瓦斯措施。
（3）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措施防治煤与瓦斯突出和瓦斯超限。
（4）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。穿层钻孔抽放邻近层瓦斯在阳泉、天府、松藻、中梁山等矿区应用非常普遍，工作面瓦斯抽放率普遍超过50％。
（5）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号煤层工作面广泛推广。
（6）采空区瓦斯抽放。我国部分矿区采空区瓦斯涌出较大的工作面，采用抽放采空区瓦斯的方法，以减少工作面风排瓦斯量和防治上隅角瓦斯超限。
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有2个方面：一方面是客观原因，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，煤层透气性系数只有0.004～0.04 m2/（MPa2·d），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0.04 m2/（MPa2·d）的低透气性煤层，要达到较高的瓦斯抽放率，预抽时间不能少于6～8个月。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15 000～35 000m，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0.006 5m，平均仅为0.018 m。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 m/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、封孔质量的好坏直接关系到瓦斯抽放效果的好坏。目前，我国约有2/3的瓦斯抽放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；部分矿井瓦斯抽放泵能力不足，极限抽放流量小，真空度低，不足以克服抽放管道沿程阻力；部分矿井瓦斯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，这些矿井的本煤层瓦斯预抽钻孔孔口负夺＜490 Pa，有的甚至靠正压自排瓦斯。
2.5 管理不到位
瓦斯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；不进行投放系统的定期维护和检漏等等。
3 提高瓦斯抽放率的对策
3.1 改善采掘平稳 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瓦斯的矿井尤为关键。我国有1/3以上的矿区开采的是突出煤层，煤巷掘进速度普遍＜100 m/月，有的严重突出矿井煤巷月掘进速度只有20～30 m，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：
（1）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。
图1 水力挤出消突措施钻孔布置示意图
（2）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1为我国最近试验成功的水力挤出高效消突措施钻孔布置示意图。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，快速消除掘进前方一定距离的煤与瓦斯突出危险性。
3.2 改革打钻工艺 增加吨煤抽放钻孔长度
国内外的预抽瓦斯实践表明，透气性系数介于0.004～0.04 m2/（MPa2·d）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0.05 m。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2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，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：（1）配套风粉分离装备，普及压风排粉干式钻孔施工工艺；（2）钻孔施工地点加装移动式压风设备，增加压风风压；（3）借鉴国外成功经验，引进并推广泡沫排粉钻孔施工工艺；（4）选用大功率强力钻机和钻具。
3.3 强化综合抽放瓦斯
（1）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、水力压裂、淹没射流和空间立体交叉布孔（交叉钻孔）等。图2为交叉钻孔预抽瓦斯方式示意图。
图2 交叉钻孔预抽瓦斯方式示意图
（2）采用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，只要参数选取适宜，瓦斯抽放率可以达到50％～80％，图3为顶板岩石钻孔采空区瓦斯抽放示意图。
图3 顶板岩石钻孔采空区瓦斯抽放示意图
（3）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最近试验成功的一种高效瓦斯抽放方法，掘进工作面煤壁截流瓦斯抽入率（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4为“钻墙”布孔边掘边抽方式示意图。
图4 “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
聚氨酯具有膨胀系数高、凝固时间短、封孔效率高、收缩率小和封孔质量高等优点，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），应当采用聚氨酯封孔工艺，同时保证封孔深度≥4～6 m。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 优化瓦斯抽放系统 提高瓦斯抽放能力
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，提高抽放钻孔孔口负压。
3.6 加强瓦斯抽放管理
煤矿各级领导要高度重视瓦斯抽放工作，组建专门的瓦斯抽放管理机构；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；瓦斯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。
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