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1、第五章瓦斯的抽放5-1煤层瓦斯抽放技术及方法煤层瓦斯抽放一般是指利用瓦斯泵或其他抽放设备、抽取煤层中高浓度的瓦斯、并通过与巷道隔离的管网，把抽出的高浓度的瓦斯排至地面或矿井总回风巷中。目前认为煤矿瓦斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且抽出的瓦斯还可变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用。因此，从本世纪50年代起，世界上各主要产煤对煤矿的瓦斯抽放甚为重视使瓦斯抽放工作得到了较快的发展，世界煤矿年抽出瓦期量由135106m3增至543010106m3左右。近年来，随着煤矿开采深度增大和开采强度的提高、矿井瓦斯涌出量增大，抽放瓦斯已越来越成为高瓦斯煤层开采
2、的一个必不可少的重要环节，并为煤矿瓦斯利用提供了重要条件。5-1-1国内外瓦斯抽放发展及现状瓦斯抽放工作历史悠久。据资料记载。早在1730年英国Whitehaven煤矿Saltom竖并掘至76.8m深，遇到一层厚0.61m的煤(其下部有0.15m的黑色页岩)时有瓦斯涌出，当时人们用直径50mm管密闭后，将瓦斯引至并外，以供当地一坡学者的实验室用。原苏联在帝俄时期，大约于1907年在尤索夫克的中央矿井内把莫梁宁诺夫层的邻近层大量喷出的瓦斯进行引排10年内依靠自然的压力，每日涌出的瓦斯量达4000m3；马克耶夫救护站的工作人员也曾于1912年在伊万矿井中设法引排大量喷出的瓦斯。1923年日本在夕张
3、煤矿的最上部坑道密闭中，接管将自然涌出的瓦斯排至地面；1934年新幌内煤矿开始第一次抽放密闭瓦斯，用粘土封闭该矿的四h号煤层的采空区，抽出瓦斯浓度为60一70。抽放虽1525m3min，供发电厂锅炉用。德国鲁尔煤田Mansfeld煤矿Ronersbsnk第一层向顶板上打直径为280mm钻孔贯穿各层时有高压瓦斯喷出当时Sehrodter博士决定排放瓦斯向孔内扦入套管用水泥砂浆封孔联管直径为80mm瓦斯排放量达16000m1d而后发现上部瓦斯排放与下部工作面开采有关随即跟着工作面前进打钻。正式抽放煤居中瓦斯从l943年3月1日至1944年10月20日共抽出瓦斯560106m3。这种抽放方法在二次世
4、界大战末期中断；后来又在开采层顶板作巷道排放瓦斯这一方法也取得成功。但是世界各国正规的抽放瓦斯工作是从40年代末至50年代切开始的；随后抽放方法不断增加瓦斯抽放技术也逐渐提高抽放规模日益扩大。瓦斯抽放一般具有如下几个方面的作用:（1）通过抽放，可降低矿并瓦斯涌出量和回采空间中的瓦斯浓度，从而达到矿井安全生产之目的。（2）通过抽放，可降低煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量，防治煤与瓦斯突出，从而减少矿并伤亡事故及重大恶性事故的发生。（3）矿井瓦斯是一种优质燃料具有商业利用价值。（4）通过抽故和瓦斯利用、可减少瓦斯对大气的污染(据资料分析研究表明；cH4对臭氧层的破坏比CO2强16倍)。因此瓦斯抽放对环境
5、的保护还具有至关重要的作用。由于人们逐步认识到了抽放瓦斯具有上述四个方面的重要作用世界上各主要产煤国均逐步投入了大量的人力、物力和财力开展矿井瓦斯的抽放工作；尤其是自1951年以来，煤矿瓦斯抽放工作得到了迅猛的发展。据有关资料统计表明：195l-1987年间，世界煤矿瓦斯抽放量基本上呈线性增加。自1951年的134106m3增至1987年的5430106m3，增加了39倍。这种瓦斯油放量的迅速增加，一方面是由于瓦斯抽故技术相设备性能的提高。位单个抽放矿井数平均年抽放量增大；另一方面则是由于随着煤炭产量增大和矿井向深部的延伸，高瓦斯矿井增多，导致了抽放瓦斯矿井数增加。据有关资料统计表明：目前为止
6、，世界上已有17个采煤国家进行了瓦斯抽放，世界上各主要采煤国家几乎都开展了瓦斯抽放工作。其中，年抽放量超过100106m3的国家有10个（原苏联、美国、中国、英国、德国、日本、波兰、原捷克斯洛伐克、法国、澳大利亚），其瓦斯抽放情况如表5-1所示。从中看出：前苏联瓦斯抽放量最多，达2120106m3a。约占世界煤矿抽放瓦斯总量的40左右。其次是德国为700106m3a，英国也在500106m3a以上。我国瓦斯抽放星1992年达到了534106m3a，1993年为536106m3。表5-1主要瓦斯抽放国家的瓦斯抽放情况表衡量瓦斯抽故工作优劣的另两个主要指标是抽放率和相对瓦斯抽故量(吨煤瓦斯抽故量)
7、。一般认为，这两个指标可以反映出各抽放瓦斯国家的瓦斯抽放技术水平和抽放瓦斯在煤矿中的普通应用程度。我国煤矿瓦斯抽放方面和国外相比，还存在着较大的差距，这种差距集中反映在：抽放瓦斯总量少；矿井瓦斯抽放率低；吨煤瓦斯抽放量相对瓦斯抽放量)少，吨煤钻孔量少综合抽放工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。我国是一个产煤大国，瓦斯储量丰富，矿井瓦斯抽放已有40多年的历史。目前在科研和生产实践中已经建立了一套适应各种不同地质条件和采掘布置的抽放瓦斯方法，并有成套的装备可供应用。此外，在基础理论方面也开展了许多研究，得出了一些理性认识，故而发展前景是好的。目前约有110对矿井建立了瓦斯抽放系统，这对提高矿井
8、瓦斯抽放总量和发展瓦斯抽放技术，奠定了很好的基础。5-1-2抽放瓦斯的原则及方法一)抽放瓦斯的原则瓦斯抽放是一项集技术、装备和效益于一体的工作。因此，要做好瓦斯抽放工作、应注意如下几条原则：(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
9、行抽放。目前认为，矿井瓦斯来源主要包括：本煤层瓦斯涌出(掘进和回来时的瓦斯涌出)；邻近层瓦斯涌出(上下邻近层的可采和不可采煤层捅向开采空间的瓦斯)；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，以便进行有效的瓦斯抽放。(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。
10、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考查测定，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，从而使抽放瓦斯工作得到不断改进和提高。(二)抽放瓦斯的方法瓦斯抽放工作经过几十年的不断发展和提高。根据不同地点、不同煤层条件及巷道布置方式，人们也提出了各种各样的瓦斯抽放方法。但是到目前为止，还没有统一的分类方法；尽管如此，为了便于抽放瓦斯技术的发展和加强管理，各国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，其主要有：1按抽放中瓦斯来源分类
11、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用条件及抽放率如表5-2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。西欧各国根据开采关系划分的抽放瓦斯方法主要有：煤层预抽瓦斯；工作面抽放瓦斯；采空区抽放瓦斯和地面钻孔抽放煤层瓦斯。5-1-3抽放方法选择依据由上所述可知，尽管人们提出了各种各样的瓦斯抽放方法，但是，在实际应用中应如何选择呢一般
12、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)如果瓦斯主要来自于开采煤层的顶、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
13、气性的措施(如水力压裂、水力割缝等)，以提高煤层瓦斯抽放效果。总之，在选择瓦斯抽放方法时，应综合加以考虑。既要考虑煤层条件、瓦斯旧存状况、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。表5-2各类瓦斯抽放方法的适用条件及抽放率表5-2本煤层瓦斯抽放本煤层瓦斯抽放，又称开采煤层瓦斯抽放。主要是为了减少煤层中的瓦斯含量和回风流中瓦斯浓度，以确保矿井的安全生产；在此基础上，通过提高抽放瓦斯浓度及抽放量，又可为抽放瓦斯的利用创造一定的条件。5-2-1本煤层瓦斯流动及涌出特征一般认为，在顶底板岩石不透气的情况下，且掘进巷道形或后。本煤层瓦斯的流动多数可以看作是单向流动(除厚
14、煤层外)。这种流动形成后，对相邻巷道风流中的瓦斯浓度会产生直接的影响。目前认为，在开采本煤层中，回采工作面的瓦斯涌出通常包括两部分。即开采层的瓦斯涌出和邻近层的瓦斯涌出。而对于单一煤层开采而言，则通常只有前者，即开采后的瓦斯涌出为主。因此，开采层的瓦斯涌出量的大小直接关系到开采层周围巷道风流中的瓦斯浓度的大小，而本煤层的瓦斯抽放，实际上主要是为了减少开采层的瓦斯涌出量。5-2-2本煤层瓦斯抽放方法本煤层瓦斯抽放主要是抽放本煤层中的瓦斯；根据抽放时间与采掘的关系。本煤层瓦斯抽放又可分为预抽煤层瓦斯和边采(掘)边抽煤层瓦斯；此外，根据收集瓦斯的方式不同又可分为巷道抽放煤层瓦斯和钻孔抽放煤层瓦斯。预
15、抽煤层瓦斯一般是属于末卸压煤层的瓦斯抽放虽然掘进巷道或打钻孔都会造成局部卸压；但其范围一般是有限的，特别是钻孔所引起的松动和卸压范围，也只是数倍钻孔直径的距离。因此，在预抽煤层瓦斯时，基本上仍按原始煤层条件下的瓦斯流动状态考虑。而煤层中的瓦斯流动则是一个比较复杂的问题。根据第一章内容所述可知、煤是一种多孔介质，煤中包含着各种不同的孔隙，由直径几十nm的微孔直到肉眼可见的孔隙和裂隙(10-2cm)。瓦斯在煤中的赋存状态，包括游离和吸附二种状态，在一定的瓦斯压力条件下仅是游离状态的瓦斯可以流动，而吸附瓦斯只有当瓦斯压力降低时、发生解吸后转为游离瓦斯才能参与瓦斯流动。目前的研究认为：大孔和裂隙中的瓦
16、斯是以层流或亲流形式流动为主；而过渡孔和微孔中，则是以吸附和扩数为主。因此，煤层中瓦斯的流动包括解吸、扩散和渗透各个过程。而在较小孔隙中的瓦斯扩散速度要比在大孔和裂隙中的渗透速度小得多。因此一般情况下，预抽煤层瓦斯需要经历较长的时间才能达到预期的目的。而未卸压煤层的瓦斯抽放效果则主要取决于从煤体向钻孔捅出瓦斯的强度和延续时间。这两者又取决于煤体中的瓦斯压力和透气性。瓦斯压力是煤层中瓦斯流动的动力或势能，透气性则是反映瓦斯在煤层中流动的难易程度。(一)巷道预抽本煤层瓦斯巷道预抽本煤层瓦斯，一般是利用回采的准备巷道进行抽放。即当采区煤巷施工夫成后将其密闭上，并插入管子进行抽放；其抽放瓦斯工作在煤巷掘进以后和回采开始以前进行，该方法最早用于抚顺煤矿。根据抚顺煤矿的实践，抽故时间一般要2年以上，以使回采时瓦斯涌出量有较大幅度的降低。巷道抽放瓦斯的效果，在一定的煤层条件下与煤巷暴露的面积大小有关，同时与煤层的厚度和透气性能有关。如在抚顺矿区、淮南谢二矿以及淮北芦岭矿进行过的巷道预抽本煤层瓦斯
