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1、1 绪论1.1 研究背景及意义煤炭是我国的主体能源和重要资源，国民经济的快速发展，对煤炭的需求日益增加，然而伴随着煤炭的高强度开采，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯事故也频繁发生。由表1-1可分析出在我国矿井中，高瓦斯矿井和突出矿井占比例较大，因而瓦斯问题更加严峻。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5798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39人重大事故367起，共计死亡1694人，其中，瓦斯事故267起，死亡1281人，分别占39人重大事故
2、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1398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1319人，分别占10人以上特大事故起数的92.00、死亡人数的94.351。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下，特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。由下图1.1和图1.2可知，我国已度过了事故高发期，随着近年来安全投入力度增大，煤矿安全事故总体呈下降趋势，2011年煤矿事故死亡人数达到了1973人，2012年降至1384人。不难看出，煤矿事故中，瓦斯事故为主要灾害2。
3、瓦斯灾害已成为制约高效开采和安全生产的最重要因素。对于高瓦斯以及瓦斯突出矿井，单纯采用通风的方法难以把工作面的瓦斯浓度控制在允许的范围内，因此，强化瓦斯抽采才是防止瓦斯灾害事故最有效的途径。表1-1 瓦斯矿井数量和比例矿井瓦斯等级国有重点煤矿年产量大于3000吨国有重点煤矿总计数量比例数量比例数量比例瓦斯矿井33855.697346.4131148.5高瓦斯矿井16426.893844.8110240.8突出矿井10717.61848.829110.7总计609100.02095100.02704100.0 图1.1 2001-2012年煤矿事故死亡人数图1.2 2001-2012年煤矿事故统
4、计分析在过去的二十年里，我国煤炭科学技术取得了前所未有的突破。与此同时，伴随着现代化、科技化、机械化、自动化和大强度煤炭开采规模的不断扩大，导致了整个矿井的采动空间和开采范围剧增，使得回采工作面以及采空区的瓦斯呈现出高强度、高速率、大体积和非均匀式的涌出特点，同时更增大了有关专 家对各种煤矿瓦斯灾害防治的难度系数。为满足国内企业对煤炭与日俱增的需要，保证我国经济快速、稳定的发展，很多煤矿企业开始引进国外先进的生产设备，不断进行技术革新，特别是在高效率、高产量的集约化生产和综合采煤工艺方面取得了前所未有的跨越式进步。取得可喜成绩的同时，我们也看到了我国煤矿瓦斯安全高效抽采技术的发展速度缓慢，仍旧
5、远远落后于全国煤炭产量的提高速度，这就给煤矿安全生产工作埋下了重大的隐患。矿井瓦斯对煤矿安全生产工作的突出性危害有三个大方面：爆炸、突出和窒息。特别的，煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故不仅能对矿井巷道设施造成巨大的毁坏（如井巷垮塌），而且常常会导致矿井火灾、水灾和煤尘爆炸等二次、甚至多次矿井灾害事故的连续发生。更严重的是，此类事故会造成大量煤矿工人的伤亡和难以估计的财产损失。统计表明2，我国高瓦斯矿井和有瓦斯突出危险的矿井占到了全国矿井总数量的30%左右，而重、特大恶性瓦斯事故的高发生频率并没有得到根本性的解决，这将严重阻碍着未来我国煤矿安全生产工作的顺利进行。因此，煤矿瓦斯抽采工作，势在必行。
6、煤矿瓦斯抽采是减少矿井瓦斯涌出量的重要途径之一，对于矿井瓦斯灾害事故的防治具有重要的作用3-4。首先，采取瓦斯抽采的办法能够有效地解决井下瓦斯浓度超限问题，提高煤矿开采过程中的安全性。当对井下进行瓦斯抽采之后，采空区瓦斯涌出量将会降低70%以上，同时还能大大降低井下通风成本费用。瓦斯抽采另一个好处是变害为利，瓦斯在严重影响煤矿安全的同时，瓦斯又是一种重要的矿物能源，每立方米瓦斯的燃烧热为3.7107J，相当于11.5kg烟煤9，人们可以对抽采出的瓦斯进行合理利用，为我国的工业生产和人民生活服务，取得较好的社会和经济效益。1.2 国内外瓦斯抽采研究现状1.2.1 国内研究现状下面从瓦斯抽采量、瓦
7、斯抽采率、瓦斯抽采方法、瓦斯抽采存在的问题等四个方面介绍国内煤矿瓦斯抽采现状。 瓦斯抽采量：近年来，我国也开始重视对煤层气的开发和利用，煤矿井下瓦斯抽采从少到多，据统计12，2000年我国煤矿建立了地面永久瓦斯泵站的矿井有141个，年抽采量达8.67亿m。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，强化了瓦斯抽采治理瓦斯灾害的地位，煤矿安全规程也以法规的形式对煤矿瓦斯抽采作了详尽的规定，我国实施瓦斯抽采的矿井数量和瓦斯抽采量逐年稳步上升5-6。2002年抽采矿井达到193个，抽采量达11.46亿m。2005年全国煤矿瓦斯累计抽采瓦斯量达23亿m。而2
8、006年的抽采量到达32亿m，利用量达11.5亿m。到了2007年，全国瓦斯抽采达47.35亿m，利用量14.46亿m。2008年我国矿井瓦斯抽采量达到55亿m，同年8月，国土资源部最新的煤层气资源评价中指出：中国煤层气资源非常丰富，全国埋深2000米以浅煤层气地质资源量为36.8万亿m，相当于国内目前常规天然气的地质资源量（35万亿m），是仅次于俄罗斯、加拿大的世界第三大煤层气储藏国。到2009年全国299处原国有重点煤矿高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井中，有28313个建立了瓦斯抽采系统，全国抽采两量达65亿m，利用量达到17.7亿m。2011年1月5日，全国煤矿瓦斯防治部际协调领导小组第八次会议
9、中指出，2010年全国煤层气抽采量88亿m，利用量36亿立方米。另外会议还要求，2011年我国煤层气抽采量要达110亿m，利用量要达50亿m11。具体抽采量如下表所示：表1-2 2001-2012年我国瓦斯抽采量年份抽采量/亿m年份抽采量/亿m年份抽采量/亿m20019.84200521.33200965200211.46200632.4201088200315.202007442011115200419.292008552012125由表可以分析：自2001年至2012年十二年间我国瓦斯抽采量逐年增长，一方面说明我国科技飞速发展，同时也反映了我国煤矿治理取得了重大突破。近几年，随着煤层开采深
10、度的不断增加，任何单一瓦斯抽采方法都无法有效地解决煤矿瓦斯隐患。因此，国内矿井，特别是高瓦斯低透气性矿井开始采取多种瓦斯抽采技术综合应用的办法，用以提高了瓦斯抽采量。瓦斯抽采率：晋城、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、六枝是我国的主要瓦斯抽采矿区。据统计，2002年其抽采率分别为46.39%、79.3%、30.95%、50.06%、80.24%、26.14%、15.87%、28.80%、39.97%、18.67%、20.85%、20.98%、46.76%、24.87%、14.15%、15.40%、9.30%、12.
11、14%、12.58%、15.40%、19.40%、30.09%11。各矿区按照抽采率大小，我国主要瓦斯抽采矿区可以划分为3类：类矿区：瓦斯抽采率40，抽采效果好；类矿区：瓦斯抽采率2540，抽采效果一般；类矿区：瓦斯抽采率25，抽采效果差；我国主要瓦斯抽采矿区的瓦斯抽采效果分类情况（见表1-3）11。表1-3 我国主要抽采矿区瓦斯抽采效果分类瓦斯抽采效果 类别 矿区数/个 平均瓦斯抽采率/ 占主要瓦斯抽采 矿区数的比例/类5 60.14 23.80类4 29.96 19.06类12 13.93 57.14由表1-3看出，我国主要瓦斯抽采矿区总体瓦斯抽采效果不好。瓦斯抽采效果好的类矿区只有5个，
12、仅占主要瓦斯抽采矿区数的23.80，平均瓦斯抽采率为60.14；瓦斯抽采效果一般的类矿区有4个，占主要瓦斯抽采矿区数19.06，平均瓦斯抽采率为29.96；瓦斯抽采效果差的类矿区多达12个，占主要瓦斯抽采矿区数高达57.14，平均瓦斯抽采率仅为13.93。如果考虑所有抽采瓦斯矿井，瓦斯抽采率低于25的矿井比例更会大。瓦斯抽采方法：随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽采技术也得到了不断地提高和发展，我国煤矿瓦斯抽采技术大致经历了五个发展阶段：（1）高透气性煤层瓦斯抽采阶段20世纪50年代初期，在高透气性特厚煤层中（如抚顺矿区）首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯，成功解决了矿区向深部发展过程中的瓦斯安全问题，
13、获得了理想的效果。但由于当时对煤层透气性与瓦斯抽采效果间的关系认识不深，对于将该方法应用于透气性较小的矿井效果较差。（2）邻近层卸压瓦斯抽采阶段20世纪50年代中期，在开采煤层群矿井中，首先在阳泉矿区采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯获得成功，解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。随后试验了顶板瓦斯高抽巷抽采上邻近层瓦斯技术，该方法在不同煤层赋存条件下的上、下邻近层中取得了较好应用效果。（3）低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及有突出危险的煤层采用通常的布孔方式预抽采瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁，为此，从60年代开始，试验研究了多种强化抽采开
14、采煤层瓦斯的方法，如煤层注水，水力压裂，水力割缝，松动爆破，大直径钻孔，网格式密集布孔，预裂控制爆破，交叉布孔等。在这些方法中，多数方法在试验中取得了提高瓦斯抽采量的效果，但仍处于试验阶段，没有大范围推广应用。如本煤层瓦斯抽采，其难点在于低透气性煤层瓦斯难以抽出。我国20世纪70年代曾经试验过水力割缝、水力压裂等方法，但由于工艺复杂、技术难度大，还必须有一些特殊设备等原因，难以大面积推广使用。80年代后又对预裂爆破增大煤层透气性的方法进行了试验研究，但其工艺复杂、技术难度大，没能大规模推广应用。20世纪末，我国和俄罗斯在焦作合作开展了交叉钻孔抽采本煤层瓦斯的试验，取得了较好的效果。经分析研究认
15、为，交叉布孔除了由于交叉增加煤体卸压范围、提高透气性外，还由于钻孔相互交叉影响，可避免因某一钻孔坍塌堵塞而影响正常抽采。另外斜向钻孔还可延长钻孔在回采工作面前方卸压带内的瓦斯抽采时间。因而交叉钻孔可以较好地提高开采层的抽采瓦斯效果。再有水平长钻孔抽采本煤层瓦斯，过去由于打钻装备及工艺问题，始终打不出理想的长钻孔。近几年由于钻机研究开发的突破，使得打本煤层长钻孔抽采效果有了很大改善。再如采空区抽采，过去一直没有克服抽采浓度低、抽采量小的问题，近些年由于大型抽采泵的出现以及抽采工艺的进一步优化，使采空区抽采有前所未有的发展。（4）综合抽采瓦斯阶段20世纪80年代，随着普采、综采和综放采煤技术的发展和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有邻近层的工作面。为解决高产高效工作面瓦斯涌出量大、瓦斯涌出源多的问题，须结合矿井地质条件及涌出情况，实施综合抽采。综合抽采瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压瓦斯边采边
