作者简介:吴财芳(19762),男,山东省烟台市人,博士研究生,从事瓦斯地质、煤层气地质方面的研究.

第33卷第2期　　　　　　　　　　　　　　中国矿业大学学报　　　　　　　　　　　V ol .33N o .22004年3月　　　　　　　　Journal of Ch ina U niversity of M ining &T echnol ogy 　　　　　　　　　M ar .2004

文章编号:1000219(2004)022*******

煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展

吴财芳,曾　勇,秦　勇

(中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州　221008)

摘要:论述了煤与瓦斯共采技术的重要性及其对煤矿绿色开采的意义,介绍了煤与瓦斯共采技术的研究现状及面临的新问题,并阐明了其理论依据.分析了煤与瓦斯共采在煤矿井下的成功经验,并举例说明了井下瓦斯抽放与地面煤层气开发有机结合的重要性.最后指出了煤与瓦斯共采应注意的问题以及今后的研究方向.

关键词:煤与瓦斯共采;煤层气;瓦斯抽放;绿色开采中图分类号:TD 712;TD 82　　文献标识码:A

P resent Situati on ,A pp licati on ,and D evel opm ent of

Si m ultaneous Extracti on of Coal and Gas

WU Cai 2fang ,ZEN G Yong ,Q I N Yong

(School of R es ources and Eeath Sciene ,CUM T ,Xuzhou ,J iangsu 221008,Ch ina )

Abstract :T he i m portance of si m ultaneous extracti on of coal and gas and its purpo rt to green

exp l oitati on are discussed .T he p resent situati on and the theo ry of th is technique asw ell a s om e ne w p roble m s are in troduced .Experience of si m ultaneous extracti on of coal and gas in coal m ine is analyzed and an exa mp le is used to exp lain the sign ificance of the organic com binati on of gas

dra w ing underground w ith coalbed m ethan exp l o iting on ground surface

.F inally ,p roble m s w e should pay attenti on to and the devel op ing w ay of si m ultaneous extracti on of coal and gas are pointed out .Key words :si m ultaneous extracti on of coal and gas ;coal bed m ethan ;gas dra w ing ;green exp l oitati on

　　煤层瓦斯,又称为煤层气,自生自储地赋存于煤层之中.近几年来,随着煤矿井下开采深度的增加和开采强度的增大,地质条件越来越复杂,频发的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全,制约着矿井生产的发展.但是,煤层气又是经济的可燃气体,是一种清洁、方便、高效的能源,其发

热量为33.5～36.8M J m 3

,并且不存在环境污染问题.大力开发煤层气,既可以充分利用地下资源,又可以改善矿井安全条件和提高经济效益,并有利于改善地方环境质量和全球大气环境.因此,如何更有效地开发和利用煤层瓦斯,一直以来都是广大的科研工作者努力的方向和目标.钱鸣高院士首次提出了“煤矿绿色开采”的概念[1],并且阐述了它的内涵和技术体系[1].绿色开采技术的主要内容[1]包括:保水开采、“三下”采煤、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分矸石的井下处理、煤炭地下气化等.由此可见,煤与瓦斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一[223],其研究内容和发展方向具有重要的理论意义和现实意义.我国煤矿在防治瓦斯灾害方面应彻底转变观念,从采掘部署上把瓦斯抽取纳入正规生产的工艺流程,从时间和空间上给予充分保证,促进煤层瓦斯的开发和利用规模化、系统化.只有这样,我国煤矿瓦斯灾害才会得到有效控制,高瓦斯突出矿井才会随着治理瓦

1　煤与瓦斯共采技术的研究现状

我国的煤层甲烷研究开始于50年代煤矿井下的瓦斯抽放,其中抚顺、阳泉是抽放量最大的矿区.目前,我国已有123个矿井建立了井下瓦斯抽放系统,年抽放量达6亿m3,抽放瓦斯利用率达80%,但井下瓦斯的抽放率很低,只有20%左右.60年代到70年代,一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用.70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作,主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿,并进行了压裂实验,但是效果不佳.80年代初期,国内开始进行煤层甲烷相关资源研究.“六五”期间,煤炭、石油以及地质等行业通过国家重点科技攻关项目对国内煤成气资源进行区域性评价和基础理论研究.随后,国家“七五”科技攻关项目设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”专题,取得了对中国煤层气资源状况的初步认识.华北石油地质局1986年在唐山地区开展了煤层甲烷勘探开发实验和工艺技术研究,并进行了“煤层甲烷评价与开发利用状况”调研.19年,第一次“开发煤层气研讨会”在沈阳召开,标志着煤层甲烷从“瓦斯灾害”到“优质能源”的认识转变、从“井下抽放”到“地面开发”的技术转移.“八五”期间,国家科技攻关项目设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”专题.此后,煤层甲烷的研究重点转移到了开发工艺攻关上. 1992年,联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了“中国煤层气资源开发”项目,1993年又资助了“中国深层煤层气勘探”项目,对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用.1996年,一批有影响的研究项目和规划相继完成,如原煤炭部计划项目“全国煤层气资源评价”、国家计委 类资源勘查项目“中国煤层气资源评价”、国土资源部地质调查项目“全国煤层气综合规划研究”、原石油天然气总公司“九五”科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”、国家“九五”科技攻关项目“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等.到目前为止,对全国范围内的煤层气资源、分布、储层特征取得了基础性认识,基本明确了煤层气开发的有利地区.但是由于我国的煤层地质现状(地质条件复杂,构造煤发育,瓦斯含量高,瓦斯压力低,渗透率低等),煤层气的地面开发并不能很好解决井下瓦斯问题.现阶段,井下瓦斯抽放方法很多,例如,掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取、以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等等.因此,如何将井下瓦斯抽放与地面煤层气开发协调地结合起来,更好地实现煤与瓦斯共采,就成为一个值得深思的问题.总之,我国煤与瓦斯共采的研究开发取得了很大进步,但也存在许多有待于进一步研究和解决的问题.

2　煤与瓦斯共采技术的理论基础[223]

我国高瓦斯矿井井下瓦斯抽放的原因,主要是煤层的低渗透率和高可塑性,使得沿煤层打钻孔困难,煤层采前预抽效果较差[122].由于我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动,煤层内生裂隙系统遭到破坏,塑变性大大增强,因而成为低透气性的高可塑性结构,这使得地面钻孔完井后采气效果差,水力压裂增产效果不明显[223].而且煤层普遍具低渗透率,一般在0.1×10-6～1×10-6Λm2范围内,水城、丰城、霍岗、开滦、柳林等渗透率较好的矿区也仅为0.1×10-3～1.8×10-3Λm2,这一特点决定了我国地面开发煤层气的难度很大[223].鉴于此,我国煤层气开发生产的重点应放在井下,利用井下的采掘巷道,并尽量利用煤层采动影响,通过打钻孔和其它各种有效技术强化煤层的瓦斯抽放[3].同时,应进一步研究和不断完善提高煤层渗透率的技术和钻孔技术,研究提高气体质量的技术,研究井下煤炭与瓦斯的协调开采配套技术以及煤矿瓦斯利用技术,使之与井下煤层气开发产业配套,实现煤与瓦斯的安全共采[223].现场测定和实验研究表明,不论原始渗透系数怎样低的煤层,在采动影响煤层卸压后,其渗透系数会急剧增加,煤层内瓦斯渗流速度大增,瓦斯涌出量也随之剧增.因此,只要合理布置钻孔位置和其它相关参数,完全能够高效地实现瓦斯抽放.

3　煤与瓦斯共采技术的应用实例

3.1　松藻矿务局矿井瓦斯抽取现状[4]

松藻矿务局是重庆地区的主要煤炭产地,由于煤炭储量丰富、地质构造简单、煤层赋存稳定以及地理位置优越等有利条件,而成为重点开发的矿区,但是瓦斯灾害在矿井生产建设过程中特别严重,不仅矿井瓦斯涌出量大并且煤与瓦斯突出频繁.矿区现有6对生产矿井,均为高瓦斯和突出矿井,到1990年底,共发生突出358次,突出频率和突出强度逐年增大,最大突出强度为煤1624t,瓦斯15.1万m3.由于所采的8号煤层为严重突出煤层,因此只能选择弱突出煤层(6号、7号、11号)作

831　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国矿业大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第33卷为层先行开采,而层本身也得采取防突措施,同时在近距离煤层群条件下,首采层时,邻近煤层卸压瓦斯大量集中涌出,占回采工作面总瓦斯涌出量的80%以上,从而给煤矿安全增加了很大困难.十多年来,矿务局所属各矿,在治理瓦斯方面进行了大量工作,开展了一系列的研究试验,取得了很好的成效,其中矿井瓦斯抽取已成为治理矿井瓦斯灾害的一种主要措施,抽取瓦斯技术不断提高和完善,瓦斯抽取量有较大幅度的增长,逐步赶上抚顺和阳泉局,成为我国三大主要抽取瓦斯矿区之一.

二十多年来,随着矿井产量的增加、开采层面积的扩大、抽取瓦斯技术的提高、工艺的完善以及抽取瓦斯范围的扩大,矿井瓦斯抽取量及抽取率都有大幅度的增加.矿井瓦斯抽取在20a内,由原来88万m3增加到5923.1万m3,近十年内增加了4倍,特别是近几年来平均以每年800万m3的速度增加.瓦斯抽取率由原来的5.8%增加到33.44%,吨煤抽取瓦期量及层单位面积的瓦斯抽取量都达到较高的水平.抽取瓦斯的浓度也逐年提高,有的矿井高达75%.吨煤抽瓦斯钻孔工程量达0.63m t.上述各项指标中,不少都处于国内领先水平,有的已接近和达到世界先进水平[4].

3.2　井下瓦斯抽放技术的应用研究[4]

所用抽取瓦斯的方法为:开采层瓦斯抽取;邻近层瓦斯抽取;采空区瓦斯抽取以及预抽;边采边抽;采后抽等.目前各矿已全面采用的方法主要有:缓倾斜煤层开采上层抽取瓦斯方式和倾斜煤层开采下层时抽取上邻近层瓦斯方式.这些方法分别经过了不断改进和完善,包括抽瓦斯巷位置的改变,钻场、钻孔间距的缩短,钻孔方向的改变以及采用新的封孔材料和工艺等.

近几年来,松藻矿务局在煤与瓦斯共采方面又取得了多项新的科研成果[4]:

1)采空区瓦斯抽放技术的研究.分别进行了半封闭采空区瓦斯抽取和全封闭采空区瓦斯抽取的试验,从1987年开始,历时3年多,在打通二矿N1707东工作面进行了有煤柱斜交钻孔试验.两者均是工作顶回风侧向7号层冒落拱上方打孔,钻孔间距10m左右,终孔点离7号层项板13～30m的范围,试验结果见表1[4],这一瓦斯抽取方式也可以认为是上邻近层瓦斯的抽取.

表1　瓦斯抽取实验各参数

Table1　The t able of param eters i n the exper i m en t a ti on of m ethane-draw i n g

工作面

V瓦斯涌出量 (m3・m in-1)

回风(含引排)总量采空区

V抽取

(m3・m in-1)

采空区涌出率

%

抽取率 %

工作面采空区

N1707东4.347.605.883.2077.3742.8055.44 N1709东4.909.026.984.1277.3745.6759.03 N1709西4.858.166.313.3177.3740.5652.45平均4.708.266.393.5677.3743.0455.

　　2)下向孔抽放下邻近层瓦斯的研究.在打通

一矿S1713工作面于1987年至1988年间进行试

验.在原上向孔抽取下邻近层瓦斯的基础上,结合

下向孔配套抽放,试验结果见表2[4].

表2　工作面瓦斯抽放效果

Table2　The t able of the effect of

m ethane-draw i n g on work i n g face

V涌出 (m3・m in-1)总量开采层邻近层

V抽取 (m3・m in-1)

上下联

合抽放

上向孔

抽放

下向孔

抽放

风巷及

尾巷引放

24.766.9317.8312.69.82.812.16

3)倾斜煤层瓦斯合理抽放方式的研究.在松藻矿一井七采区进行试验,主要是对上邻近层抽取瓦斯的布置减少一排上向孔,改在回风巷加打一排下向孔,另外增加下邻近层12号层的抽取瓦斯,实际效果比原来提高50%.

4)采用综合抽放瓦斯技术提高工作面瓦斯抽放率的研究,即矿井由过去单一的下邻近层抽放瓦斯,变为现在的上、下邻近层抽放、本煤层抽放和全封闭采空区抽放等综合抽放瓦斯技术,各种单一技术之间相互协调、相互补充,达到最大限度地、最有效地治理瓦斯,提高抽放率.

实验在打通二矿北一盘区的S1710工作面进行,S1710为走向长壁仰斜单面开采,全部陷落法管理顶板,回采工艺实行高档普采,其开采层瓦斯涌出量为2.74m3 m in,占15.92%;上邻近层为4.17m3 m in,占24.16%;下邻近层为8.60m3 m in,占49.92%;工作面总瓦斯涌出量达17.23 m3 m in.根据瓦斯涌出来源并结合巷道布置及开采顺序,采用下列综合抽放瓦斯技术:在专用瓦斯巷道打底板穿层孔至8号煤层顶板,抽放下邻近层瓦斯;从回风巷顶板开孔,向工作面上方裂隙带打钻孔,抽放上邻近层瓦斯;在回风巷直接布孔,钻孔沿煤层平行于工作面,抽放本煤层瓦斯;当工作面采完后在回风巷(或运输巷)构筑密闭,抽放采空区

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第2期　　　　　　　　　　　　吴财芳等:煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展瓦斯.综合抽放效果如表3所示.为了提高抽放瓦斯效果,对封孔工艺、封孔管径和抽放管径进行了一系列改进:采用长管组合柱封孔法新技术彻底解决了本煤层封孔存在煤体漏气、抽放效果不好这一难题;对上、下邻近层孔封孔段孔径均改为115 mm,长6～8m;封孔管直径38mm,机械封孔;加大抽放支管孔径,由原来的100mm改为150mm.全方位立体综合抽放瓦斯技术是治理保护层综采工作面高瓦斯最有效的措施,不但要抓好上、下邻近层的瓦斯抽放,还要抓好本层和采空区抽放以及钻孔、布孔、封孔等工艺,这样才能提高工作面抽放效果,减轻风排瓦斯的压力,确保安全高效生产.

表3　S1710综合抽放瓦斯前、后效果对比Table3　The con tra st of the for m er and la ter effect of apply i n g the i n tegra ted m ethane-draw i n g

项　目单一抽放综合抽放增减 %

V (m3・m in-1)回风瓦斯抽放瓦斯

抽放率 %

瓦斯超限次数 (次・月-1)影响生产时间 (h・月-1)工作面推进度 (m・月-1)

7.6.59-13.7 6.7210.0950.1 46.8060.4929.3 233-87.0 51.605.00-90.3 24.7532.5031.3

上述研究试验结果不仅提高了层的瓦斯抽取量,并且减少了工作面回风瓦斯超限和上隅角瓦斯积聚.松藻矿区瓦斯资源特别丰富,可抽量达80.6亿m3,至少能够服务80年,矿务局积累了大量经验,而且研制新增了许多瓦斯抽放及瓦斯回收的先进设备,逐步完善了井下抽取系统和地面集输系统.所抽取的瓦斯除了满足矿区自用外,每年可顶替天然气6526万m3,节约民用煤29.8万t,每年可获利润853.71万元,对国家和社会将产生巨大的经济意义和现实意义.同时我们还需要指出,通过试验考察和长期生产实践表明[4],邻近层瓦斯涌出,并非在层工作面回采结束时就停止,而仍较长时间继续不断涌出,抽取瓦斯还可持续一年或更长的时间.因此,如何保持抽瓦斯钻孔具备长期抽放的条件,如何计算层开采面积,如何协调应用各种瓦斯抽放技术,如何保证掘、采、抽的环节平衡,保证充足的瓦斯来源、足够的瓦斯抽放钻孔和充分的抽放时间等,都是煤与瓦斯共采过程中不可忽视的重要问题,有待于进一步研究.

4　煤与瓦斯共采的研究方向

1)煤与瓦斯共采是煤矿绿色开采的重要分支,在开采高瓦斯煤层的同时,利用岩层运动的特点将煤层气开采出来将是煤与瓦斯共采的一条重要途径[126].在井下因采动影响地层压力发生变化[223],由于开采卸压,煤层中的瓦斯压力升高,煤中原来的孔裂隙系统的毛细管力反而降低,极易被瓦斯突破形成更大的孔裂隙系统,结果瓦斯解吸运移过程加剧.因此,合理利用采动矿山压力引起的岩层活动规律,有效地进行井下瓦斯抽放和地面煤层气开发,是煤与瓦斯共采的关键技术问题.岩层运动中的关键层理论[526]、煤与瓦斯突出的流变机理[728]和球壳失稳理论[9]等对煤与瓦斯共采技术的应用发展有着重要参考价值.

2)在进行煤与瓦斯共采技术的研究过程中,应该具体情况具体对待,多提出一些有针对性的瓦斯抽取新技术,如松藻打通一矿的采煤工作面特异型瓦斯涌出及抽放研究,打通二矿的综合瓦斯抽放技术提高工作面瓦斯抽放率研究等.同时应该注重将井下瓦斯抽取与地面煤层气开采有机地结合起来,形成一整套属于煤与瓦斯共采的基础理论和技术体系,从而在煤矿区真正实现煤与瓦斯共采,更好地为煤矿绿色开采服务.

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