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1、1煤矿瓦斯抽采技术的发展摘要: 在多年煤矿瓦斯理论研究及工程实践的基础上,总结提出了适用于煤矿瓦斯抽采指标考核要求的瓦斯抽采分类方法,即采前抽采、采中抽采和采后抽采。对各种抽采方法的基础理论进行了简要论述,并给出了具体的设计方法和技术参数。通过实例重点介绍了采前抽采煤层瓦斯的区域性瓦斯抽采方法,充分体现了“区域性防突措施先行”的工作原则。最后以淮北祁南煤矿为例,简要介绍了该矿通过瓦斯的综合抽采实现煤矿安全高效开采的先进经验。关键词: 先抽后采;抽采达标;瓦斯抽采;煤与瓦斯突出;区域性瓦斯治理1. 1 煤矿瓦斯赋存条件煤炭是中国的主要能源, 占一次能源的70%以上。 进入21世纪以来, 随着中国
2、经济的快速增长, 煤炭需求量也快速增长, 2001年至2008年中国煤炭产量由11.06亿t 猛增到27. 2亿t, 平均每年增长了18. 24%。 中国煤炭工业在保障中国经济快速增长的同时, 也使煤炭的开采条件不断恶化,突出表现在开采深度增加、瓦斯压力和瓦斯含量增大、地质构造条件复杂, 瓦斯灾害、特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重。 20世纪80年代初, 南桐矿务局平均开采深度380m, 瓦斯压力1. 56. 0MPa; 淮南矿务局平均开采深度490m, 瓦斯压力1. 8 3. 6MPa。目前,南桐矿务局平均开采深度810m, 瓦斯压力5. 010. 0MPa; 淮南矿业集团平均开采深度800m
3、, 瓦斯压力4. 2 5. 6MPa, 所开采的煤层90%为突出煤层, 原来无突出危险的保护层已升级为突出危险煤层。 2004年, 全国大中型煤矿平均开采深度456m。平均采深华东约620m, 东北约530m, 西南约430m, 中南约420m, 华北约360m, 西北约280m。 采深超过1000m的煤矿有8处, 采深大于600m的矿井产量占28. 47%。 全国煤矿开采以每年约1020m的速度向深部延深。中国含煤地层以石炭二叠纪为主, 经历过多次大型构造运动, 许多矿区发生隆起、坳陷、褶皱和断裂等活动, 在构造挤压和剪切应力的作用下, 煤层结构破坏而形成构造煤发育, 表现为煤质松软( 硬度
4、系数f =0. 1 0. 5) , 煤层渗透性差( 透气性系数多为10-310m2/ ( MPa2d) ) , 原始煤体瓦斯抽采困难。1. 2 瓦斯抽采的目的中国煤矿的瓦斯事故类型分为瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧和窒息。 瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和窒息事故的原因之一是瓦斯积聚达到一定的体积分数。例如瓦斯体积分数达到5% 15%时, 有可能引起瓦斯爆炸事故; 瓦斯体积分数大于15%时,有可能引起瓦斯燃烧事故; 由于瓦斯积聚使空气中氧气体积分数降到12%时, 人感到呼吸非常短促.煤与瓦斯突出是煤体中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放。 煤层瓦斯的大量直接排放不仅浪费了能源资源而且严重污染了环境, 以甲烷
5、为主要成分的煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体, 甲烷的温室效应比二氧化碳大20倍以上。因此, 煤矿瓦斯抽采的目的为:1) 减少瓦斯涌出、预防瓦斯超限、降低瓦斯积聚, 为矿井通风创造有利的条件;2) 降低煤层中存储的瓦斯能量、提高煤体强度, 防治煤与瓦斯突出;3) 开发利用高效洁净的能源;4) 降低对环境的污染。中国煤矿安全规程第145条规定了必须建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统的条件。1. 3 煤矿瓦斯抽采量中国于2002年提出了“先抽后采, 监测监控, 以风定产”的12字工作方针。 由于20世纪末期,中国煤炭企业经营十分困难, 造成煤矿安全的投入普遍不足, 很多煤矿采掘失衡
6、, 再加上后来煤炭产量的大幅度提升, 导致2004年底至2005年初, 郑州煤业集团大平煤矿、铜川矿务局陈家山煤矿、阜新煤业集团孙家湾煤矿接连发生了3起一次死亡百人以上特别重大瓦斯事故。 2005年至2008年,国家每年投入30亿元, 带动企业和地方投资, 对重点煤矿进行瓦斯治理和安全技术改造。经过近4年多的科技攻关、安全技术改造和加大监管及监察力度, 中国煤矿瓦斯治理科技水平、装备水平和管理水平取得了长足进步。 图1给出了中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况, 从图1中可以看出, 2002年以来中国煤矿瓦斯抽采增长迅速, 2007年全国瓦斯抽采量达到44亿m3, 有10个矿业集团年瓦斯抽采量超过1亿
7、m3。图1 中国煤矿瓦斯抽采量增长情况1. 4 煤矿瓦斯事故分析近年来随着中国煤矿安全投入不断增加, 煤矿瓦斯抽采量增长迅速, 安全管理水平也得到了大幅度的提升。 表1给出了2005- 2008年中国煤矿瓦斯事故起数和死亡人数的对比分析, 表中的事故起数和死亡人数是相对于2005年同类数据的百分比。表1 2005- 2008年中国煤矿瓦斯事故对比从表1中可以看出, 无论是事故起数还是死亡人数( 包括全部瓦斯事故、重大以上瓦斯事故和特别重大瓦斯事故) 都呈逐年下降的趋势, 2008年的瓦斯事故起数和死亡人数仅为2005年的43. 69%和35. 84%. 值得一提的是, 对特别重大瓦斯事故( 一
8、次死亡30人及以上的事故) 的控制效果显著,2008年的特别重大瓦斯事故起数和死亡人数仅为2005年的16. 67%和5. 41%, 且消灭了1次死亡50人以上的特别重大恶性瓦斯事故。综合分析认为, 中国煤矿瓦斯事故呈现以下特点:1) 煤矿瓦斯起数和死亡人数呈明显下降趋势, 特别重大瓦斯事故得到有效控制;2) 煤与瓦斯突出事故超过瓦斯爆炸事故, 上升为第一位的瓦斯事故;3) 乡镇煤矿仍然是煤矿瓦斯事故的重灾区,一些低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和未鉴定矿井发生了煤与瓦斯突出事故。2 煤矿瓦斯抽采理念的发展中国煤矿瓦斯抽采理念的发展先后经历了“ 局部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突措施先行”4
9、个阶段。2. 1 局部防突措施为主20世纪50-80年代, 中国煤矿瓦斯治理的重点是, 摸清煤与瓦斯突出规律, 引进消化和吸收国外煤与瓦斯突出防治技术和经验, 研究适合中国特点的煤与瓦斯突出预测方法和突出防治工程方法。在此基础上, 20世纪80- 90年代末, 进入局部防突措施为主的阶段, 主要任务是贯彻落实“四位一体”综合防突措施, 以1988年防治煤与瓦斯突出细则出版和1995年的修订为代表, 研究重点是煤与瓦斯突出危险性预测方法与预测指标, 同时兼顾突出防治工程方法的深化研究。2. 2 先抽后采2002年8月30日, 在辽宁省铁法煤业集团召开的全国煤矿瓦斯防治现场会上, 时任国家安全生产
10、监督管理局、国家煤矿安全监察局局长王显政同志作了“ 以防治瓦斯灾害为重点, 开创煤矿安全生产工作新局面”重要讲话。 提出了“先抽后采, 监测监控, 以风定产”的12字工作方针, 致力于建立防范瓦斯事故的长效机制.“ 先抽后采”是瓦斯防治工作的基础, 是从源头上治理瓦斯灾害的治本之策和关键之举, 体现了瓦斯治理预防为主、关口前移的要求, 是煤矿长期治理瓦斯实践经验的总结。这期间也是区域性治理与局部治理并重阶段,一些瓦斯治理基础较好的矿业集团, 如淮南矿业集团, 在长期瓦斯治理经验总结的基础上, 提出了“可保尽保, 应抽尽抽”的瓦斯治理战略, 并得到全国突出危险严重矿区的积极相应。 2005年3月
11、国家发展改革委、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局在总结淮南、阳泉、平顶山、松藻等煤矿瓦斯治理经验的基础上, 编写了煤矿瓦斯治理经验五十条, 在瓦斯治理的基本思想中明确提出区域性治理与局部治理并重, 实施“可保尽保, 应抽尽抽”的瓦斯治理战略。 并在第32条中明确提出:“ 强制开采保护层, 做到可保尽保, 并抽采瓦斯, 降低瓦斯含量”。 第35条中提出: “ 顶、底板穿层钻孔掩护强突出煤层掘进”。2. 3 抽采达标2008年7月8日, 国务院安全生产委员会在辽宁省沈阳市召开全国煤矿瓦斯治理现场会, 时任国家安全生产监督管理总局局长王君同志作了,“ 通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到
12、位, 把煤矿瓦斯治理攻坚战扎实有效地推向深入”的重要讲话。 根据中国煤矿安全生产实际情况, 在认真总结煤矿瓦斯治理科研成果和经验教训的基础上, 国家安全生产监督管理总局提出了, 构建“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的煤矿瓦斯治理工作体系。 为贯彻落实全国煤矿瓦斯治理现场会精神, 巩固煤矿瓦斯治理攻坚战成果, 进一步提高煤矿瓦斯治理水平, 有效防范和遏制重特大瓦斯事故, 实现煤矿安全生产形势的明显好转, 国务院安全生产委员办公室以安委办 2008 17号文下发了, 关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导意见。明确提出“强化多措并举、应抽尽抽、可保尽保、抽采平衡的技术措施, 确保抽采达标”
13、。 要求煤矿经抽采瓦斯后, 采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回风流瓦斯含量要达到煤矿瓦斯抽采基本指标( AQ1026-2006)的要求。2. 4 区域防突措施先行由于近年来中国煤矿煤与瓦斯突出灾害日趋严重, 煤与瓦斯突出事故已经超过瓦斯爆炸事故,上升为第一位的瓦斯事故。 为了有效地遏制煤与瓦斯突出事故, 2008年国家煤矿安全监察局组织有关专家对防治煤与瓦斯突出细则( 1995年版) 进行了全面修改, 将以防治煤与瓦斯突出规定的形式颁布实施。 在即将颁布实施的防治煤与瓦斯突出规定中系统地总结了中国煤与瓦斯突出矿区煤与瓦斯突出防治中的经验与教训, 明确提出: 煤与瓦斯突出防治工作坚持“
14、 区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则。 未采取区域综合防突措施并未达到指标要求的严禁进行采掘活动, 做到“不掘突出头, 不采突出面”。3 煤矿瓦斯抽采指标、方法分类及选择瓦斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策, 必须努力实现抽采达标。 瓦斯治理必须坚持标本兼治、重在治本。通过瓦斯抽采, 降低煤层中的瓦斯含量, 从根本上治理防范瓦斯灾害。因此要加大瓦斯抽采力度, 提高瓦斯抽采率和利用率。3. 1 瓦斯抽采指标煤矿瓦斯抽采基本指标第4节, 瓦斯抽采应达到的指标中规定了以下4种类型的抽采指标:1) 突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或将瓦斯压力降到
15、煤层始突深度的煤层瓦斯压力以下。 若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力, 则必须将煤层瓦斯含量降到8m3/t 以下, 或将煤层瓦斯压力降到0. 74MPa( 表压)以下。即突出煤层工作面必须在采前通过瓦斯抽采区域性消除煤与瓦斯突出危险性。2) 瓦斯涌出量主要来自于开采层的采煤工作面前方20m以上范围内, 煤的可解吸瓦斯量必须根据工作面的日产量在采前通过开采层的瓦斯抽采使煤的可解吸瓦斯含量降到规定指标之下。3) 瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩的采煤工作面必须根据工作面绝对瓦斯涌出量情况确定工作面的最低瓦斯抽采率, 这部分瓦斯可以在工作面开采过程中同时进行抽采。 4) 规定了不同绝对瓦斯
16、涌出量的矿井应达到的最低瓦斯抽采率。 即矿井通过各种抽采( 综合抽采) 后应达到的最低瓦斯抽采率。上述第1种类型规定了突出煤层采前抽采应达到的指标, 第2种类型规定了高瓦斯煤层采前抽采应达到的指标, 第3种类型规定了回采工作面开采过程中抽采应达到的指标, 第4种类型规定了矿井瓦斯抽采应达到的指标。由此可见煤矿瓦斯抽采基本指标对抽采方法的划分依据煤层开采时间, 即煤层开采前、开采过程中和开采过程后。3. 2 瓦斯抽采方法分类煤矿瓦斯抽采方法目前尚无统一分类. 俞启香在矿井瓦斯防治中将瓦斯抽采方法分为: 开采层抽采、邻近层抽采、采空区抽采和围岩抽采。 于不凡在煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册中将瓦斯抽采方法分为: 未卸压煤层和围岩抽采、卸压煤层和围岩抽采、采空区抽采和综合抽采。 以上两种分类方法主要
