朱俊鵬

摘 要：瓦斯為煤炭生產(chǎn)的伴生氣，如果處理不好可能會(huì)引發(fā)安全事故，但該氣體又是清潔的能源，直接排放會(huì)對(duì)空氣造成污染。煤炭和瓦斯共采的方法可以有效解決該問(wèn)題，在進(jìn)行煤炭開(kāi)采時(shí)，可以把煤層當(dāng)中的瓦斯進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)于減小安全事故概率、解決能源緊缺問(wèn)題和保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著重要意義。

關(guān)鍵詞：煤炭開(kāi)采;瓦斯抽采;煤與瓦斯共采

煤炭對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有著很大的貢獻(xiàn)，隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的開(kāi)發(fā)，煤炭占能源總消費(fèi)的比例下降到了62%，但煤炭仍是我國(guó)重要的能源。我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于轉(zhuǎn)型時(shí)期，煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨著戰(zhàn)略機(jī)遇，煤和伴生能源開(kāi)發(fā)和利用十分緊迫。國(guó)內(nèi)的煤炭資源約有48%的高瓦斯煤 層，瓦斯總儲(chǔ)量為31萬(wàn)億方，很多煤層透氣性并不好，瓦斯抽采難度較高，煤礦安全生產(chǎn)受到較大的威脅。

1 我國(guó)煤與瓦斯共采理論研究進(jìn)展

周世寧等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，煤礦瓦斯和8項(xiàng)基本的地質(zhì)因素有著直接的關(guān)系，形成了煤粒及裂隙構(gòu)成等觀念。提出了煤層瓦斯應(yīng)力場(chǎng)概念，建立起煤層瓦斯賦存和流動(dòng)理論，從根源上對(duì)瓦斯來(lái)源和賦存條件進(jìn)行了說(shuō)明，可以為瓦斯的生成、運(yùn)移及賦豐，還有生成的瓦斯災(zāi)害及資源開(kāi)發(fā)評(píng)估創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。把Darcy定律作為研究的前提，從而對(duì)煤層強(qiáng)吸附作用的瓦斯建立起微分方程，把瓦斯流動(dòng)相關(guān)理論提升到新的階段，從而對(duì)煤層瓦斯抽采和事故防治，裂隙、溫度場(chǎng)等耦合方面進(jìn)行了研究。

2 煤炭與瓦斯共采技術(shù)方法

煤炭和瓦斯共采主要有巷道法、地面鉆井法和留巷鉆孔法三個(gè)主要類(lèi)型。

2.1 巷道法煤與瓦斯共采

是由煤層賦存的實(shí)際情況，在合理的煤層位置設(shè)置專(zhuān)用的瓦斯抽采巷道，并在巷道內(nèi)進(jìn)行穿層鉆孔，在進(jìn)行上下煤層共采的前提下，對(duì)上下煤層的瓦斯進(jìn)行抽取，從而達(dá)到煤炭與瓦斯共采的目的。此開(kāi)采技術(shù)可以避免鄰層卸壓瓦斯進(jìn)入到首采層，也可以對(duì)鄰近層瓦斯實(shí)現(xiàn)有效的抽取，把鄰近層強(qiáng)突出或突出狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉峭怀鰻顟B(tài)，巷道在進(jìn)行回采時(shí)可以用作運(yùn)輸、回等，該種共采方法按著抽采時(shí)間可以劃分為采中卸壓抽采和采前預(yù)抽兩種。

2.2 留巷鉆孔法無(wú)煤柱煤炭與瓦斯共采

回采工作面采用Y型通風(fēng)辦法，利用混凝土來(lái)作為充填墻體來(lái)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效的支撐，從而形成了留巷。在留巷中向上下進(jìn)行穿層鉆孔，把采空區(qū)裂隙帶內(nèi)部及領(lǐng)近層的瓦斯進(jìn)行卸壓。該種煤炭和瓦斯共采的辦法保證工作面處在進(jìn)風(fēng)流內(nèi)，不會(huì)存在上隅角，工作面中的瓦斯不會(huì)大于規(guī)定的上限。因?yàn)楣ぷ髅嬖谶M(jìn)風(fēng)流條件下，工作面溫度會(huì)比U型通風(fēng)減小2-5度，可以進(jìn)行深度開(kāi)采。

2.3 地面鉆井法煤炭與瓦斯共采

該種技術(shù)是在地面向井下采用多種形式的鉆井，從而把煤層中的瓦斯抽取出來(lái)，該辦法依據(jù)抽采煤層采動(dòng)情況可以分為兩種，一種是采用地面鉆井對(duì)初始煤層的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，地面上采用的鉆井方法有豎井、L型井及魚(yú)刺狀水平分支井等，主要用于地質(zhì)構(gòu)造較好，煤層硬度大，滲透性能較好的采煤區(qū)塊。另一種是在工作面回采以前，在地面上布置鉆井，當(dāng)工作面回采之后，在卸壓空間內(nèi)，采用鉆井來(lái)對(duì)上下卸壓煤層的瓦斯或抽采層采空區(qū)域內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽取，多用于低透氣性的煤層開(kāi)采，也可以用于對(duì)本煤層采空瓦斯的抽取。

3 典型開(kāi)采條件煤與瓦斯共采實(shí)踐

3.1 松軟低透煤層群煤與瓦斯的共采

國(guó)內(nèi)的高瓦斯低透氣性煤田多為瓦斯事故的重災(zāi)區(qū)，為了避免再次出現(xiàn)血的教訓(xùn)，提出采用煤層群卸壓瓦斯抽采煤炭與瓦斯共采新技術(shù)，建立了保護(hù)層卸壓井上下立體抽采煤層瓦斯技術(shù)體系，具體見(jiàn)圖1。利用卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采，沿空留巷Y型通風(fēng)無(wú)煤柱共采、地下礦井共同瓦斯抽采等多種技術(shù)，抽采庇從原來(lái)的5%上升到70%，有效地避免了瓦斯爆炸安全入，煤炭的回收率從原來(lái)的60%提升到70%。

3.2 高瓦斯原生結(jié)構(gòu)煤層與瓦斯共采

高透氣性高瓦斯原生結(jié)構(gòu)煤層有著很高的滲透率，具有硬煤層原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育特點(diǎn)，可以把煤礦區(qū)分成為煤炭生產(chǎn)區(qū)、規(guī)劃區(qū)及開(kāi)拓準(zhǔn)備區(qū)，在規(guī)劃區(qū)中采用地面鉆井抽采煤層瓦斯的方式，開(kāi)采時(shí)間大多為3-5年，在開(kāi)拓準(zhǔn)備區(qū)中，可以在準(zhǔn)備巷道內(nèi)安排千米鉆井，形成順層長(zhǎng)鉆孔來(lái)對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采，也可進(jìn)行施工穿層鉆孔來(lái)對(duì)煤層群瓦斯進(jìn)行抽采。在生產(chǎn)區(qū)中可以采用穿層孔、順層孔來(lái)對(duì)卸壓瓦斯進(jìn)行抽取，再應(yīng)用地面外、高抽巷及高位鉆孔等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)瓦斯的抽取，從而建立起礦井上下三區(qū)聯(lián)動(dòng)抽采方式，可以進(jìn)行煤炭與瓦斯協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)。

3.3 山區(qū)松軟低滲突出煤層的煤與瓦斯共采

山區(qū)松軟低滲突出煤層并不具備安排地面井來(lái)預(yù)抽的條件，把煤礦開(kāi)采區(qū)域劃分為回采區(qū)、開(kāi)拓區(qū)及準(zhǔn)備區(qū)，三個(gè)不同的區(qū)域是保持獨(dú)立的，又可以進(jìn)行相互配合，從而建立起配套的系統(tǒng)。開(kāi)拓區(qū)可以提前對(duì)瓦斯進(jìn)行抽取，安排在煤炭開(kāi)采之前進(jìn)行，保護(hù)層的開(kāi)采應(yīng)該提前被保護(hù)支的開(kāi)發(fā)利用，采用該種開(kāi)采方式，該類(lèi)煤層的瓦斯抽采率、利用率得以有效提升。

4 煤與瓦斯共采面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

4.1 深層煤與瓦斯共采矛盾比較突出

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)煤炭資源需求也比較旺盛，國(guó)內(nèi)的煤炭資源的開(kāi)采以每年10-25m的速度不斷向深層延伸。煤層瓦斯含量比較高，滲透性能較低，對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采存在著較大的困難，煤炭資源的開(kāi)采受到瓦斯威脅。由于煤層開(kāi)采深度的不斷提升，會(huì)導(dǎo)到煤層瓦斯含量和壓力都變大，透氣性會(huì)減弱，深層開(kāi)采瓦斯存在著較大的難度。在深層高瓦斯含量、較高的地層壓力及溫度、高滲透壓力及低滲透性等狀況下，煤炭及瓦斯開(kāi)采產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)更加嚴(yán)重，會(huì)引起沖擊地壓等災(zāi)害事故，煤炭與瓦斯共采變得更為困難。

4.2 煤與瓦斯共采理論落后于工程實(shí)踐

雖然國(guó)內(nèi)的煤與瓦斯共采取得了較大的成績(jī)，可是煤巖層中的瓦斯場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及裂隙場(chǎng)等多場(chǎng)耦合條件下，呈現(xiàn)出富含瓦斯煤達(dá)西流的復(fù)雜特性，煤與瓦斯共采機(jī)理還沒(méi)有進(jìn)行深入的分析和研究，共采技術(shù)較多的停在經(jīng)驗(yàn)層面，從而引起煤與瓦斯共采缺少科學(xué)性，瓦斯的抽采和煤炭資源開(kāi)發(fā)無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)和裝備還沒(méi)有完全突破

由于瓦斯抽采需要的鉆孔量比較在，需要較大的資金投入，抽采需要較長(zhǎng)的周期，鉆孔及增透等技術(shù)裝備并不具備較強(qiáng)的地質(zhì)適應(yīng)性。由于煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前的采煤機(jī)械設(shè)備進(jìn)行大空間推進(jìn)會(huì)對(duì)煤炭體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，會(huì)加大煤層瓦斯流動(dòng)及涌出，特別是煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采設(shè)想的提出，將來(lái)的煤炭智能化開(kāi)采已經(jīng)變成可能，當(dāng)前的技術(shù)裝備還無(wú)法達(dá)到煤層瓦斯精準(zhǔn)抽采的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，煤與瓦斯共采可以有效地避免出現(xiàn)安全事故，是改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，這需要對(duì)開(kāi)采理論進(jìn)行創(chuàng)新，并使開(kāi)采技術(shù)不斷進(jìn)步。國(guó)內(nèi)的煤炭和瓦斯開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境和安全問(wèn)題比較突出，但還處于初步探索時(shí)期，深層高瓦斯、高滲透壓力等條件下進(jìn)行煤炭與瓦斯共采會(huì)迎接新的挑戰(zhàn)。應(yīng)該走綠色煤炭開(kāi)采道路，進(jìn)行理論和技術(shù)方面的研究，加強(qiáng)對(duì)采煤裝備的開(kāi)發(fā)，建立起煤炭與瓦斯共采技術(shù)體系，打造示范煤炭與瓦斯共采工程，把成功的經(jīng)驗(yàn)推廣到國(guó)內(nèi)其他煤礦生產(chǎn)區(qū)，提升煤炭與瓦斯共采能力，從而真正地實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯資源的共采。

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