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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
2、斯已越来越成为高瓦斯煤层开采的一个必 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4000 m3；马克耶夫救护站的工作人员也曾 于1912年在
3、伊万矿井中设法引排大量喷出的瓦斯。1923年 日本在夕张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
4、l 943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。
5、（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
6、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，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
7、年达到了534106m3/a，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)。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
8、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 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
9、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
10、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。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
11、。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 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
12、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 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
13、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
14、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
15、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
