王耀鋒

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

煤礦瓦斯，又名煤層氣，是成煤過程中由有機(jī)質(zhì)演化生成并賦存于煤系地層內(nèi)的烴類氣體，它兼具優(yōu)質(zhì)清潔能源、主要溫室氣體和礦井致災(zāi)氣體三重屬性。作為我國重要的非常規(guī)天然氣資源，其儲(chǔ)量十分豐富[1]，我國僅埋深在2 000 m 以淺的煤層氣地質(zhì)資源儲(chǔ)量就有36.81×1012m3，其中可采資源量為10.87×1012m3（約占30%）。作為主要溫室氣體之一，煤層氣的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳（CO2）的21 倍。作為礦井主要致災(zāi)氣體，瓦斯是瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和瓦斯燃燒等事故的主要誘因之一，且瓦斯事故往往具有發(fā)生突然、破壞強(qiáng)度大、范圍廣等特點(diǎn)。根據(jù)黃繼廣等[2]對(duì)2009—2018 年間全國煤礦各類死亡事故的不完全統(tǒng)計(jì)，在所發(fā)生的各類死亡事故中，共發(fā)生瓦斯事故722 起（占事故總起數(shù)的10.2%），瓦斯事故死亡人數(shù)為3 433 人（占總死亡人數(shù)的28.1%）。因此，能同時(shí)滿足能源供應(yīng)、環(huán)保和安全生產(chǎn)3 個(gè)方面需求的煤礦瓦斯（煤層氣）高效開發(fā)利用技術(shù)，一直是國內(nèi)外采礦界關(guān)注的熱點(diǎn)和關(guān)鍵科學(xué)問題。

目前，我國煤礦開采以每年約10～20 m 的速度向深部不斷延深[3]，隨著煤炭開采新興技術(shù)與裝備的不斷投用，礦井的開采強(qiáng)度和延深速度將進(jìn)一步加大。再者，煤層的原始瓦斯含量和瓦斯壓力也在一定范圍內(nèi)隨開采深度的增加而增大。綜合考慮以上因素，在全國煤炭總產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定的前提下，我國煤礦的總瓦斯涌出量也將持續(xù)增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4-5]，2017 年我國煤礦風(fēng)排瓦斯量達(dá)170 億m3，井下瓦斯抽采量為128 億m3，地面煤層氣產(chǎn)量為50 億m3。如忽略地面抽采的影響，則2017 年我國煤礦的年總涌出量達(dá)到近300 億m3。煤層瓦斯抽采是繼機(jī)械通風(fēng)后在煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)上的又一次巨大進(jìn)步，是減少礦井風(fēng)排瓦斯量、防治瓦斯災(zāi)害的治本措施。國家先后出臺(tái)的一系列加強(qiáng)煤礦瓦斯防治工作的重要舉措，有力地推動(dòng)了煤礦瓦斯（煤層氣）抽采水平的不斷提升。特別是“十二五”以來，我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用取得了令人矚目的成就，煤層氣產(chǎn)量由2011 年的115 億m3提高至2018 年的184 億m3，科技進(jìn)步對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)巨大[5]。

然而，我國煤礦瓦斯（煤層氣）的賦存條件具有“三低一高”（低飽和度、低滲透性、低儲(chǔ)層壓力，高變質(zhì)程度）的特點(diǎn)，此類條件下的瓦斯抽采屬于世界性難題，傳統(tǒng)的技術(shù)難以支撐該產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，直接移植國內(nèi)外其他地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)也難以奏效。對(duì)照我國煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃[6]的發(fā)展目標(biāo)，到2020 年，我國煤層氣（煤礦瓦斯）抽采量達(dá)到240 億m3（其中地面100 億m3、井下140 億m3）。若按近年來煤層氣產(chǎn)量的增率來估算，到2020 年末，地面煤層氣產(chǎn)量難以突破70 億m3，這將造成連續(xù)3 個(gè)“五年規(guī)劃”完不成產(chǎn)量目標(biāo)的局面?；诖耍瑢?duì)我國現(xiàn)有煤礦瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分類梳理，簡(jiǎn)要回顧了其發(fā)展歷程，在總結(jié)分析其發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)瓶頸的基礎(chǔ)上，展望了其未來發(fā)展趨勢(shì)，以期為“十四五”期間我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展提供建議。

1 煤礦瓦斯抽采方法分類

煤礦瓦斯抽采的目的是：針對(duì)不同的瓦斯涌出源，依據(jù)開采空間與時(shí)間條件，綜合考慮抽采工程（鉆孔或巷道）施工的可行性和經(jīng)濟(jì)性，采取不同的抽采方法或工藝有效地抽出瓦斯，減少瓦斯向風(fēng)流涌入并防止局部積聚，保障煤礦安全生產(chǎn)，并盡可能地利用抽出瓦斯以降低對(duì)環(huán)境的污染。

至今，我國尚未對(duì)煤礦瓦斯抽采方法制定統(tǒng)一分類的標(biāo)準(zhǔn)。于不凡[7]把瓦斯抽采方法分為：未卸壓煤層和圍巖抽采、卸壓煤層和圍巖抽采、采空區(qū)抽采和綜合抽采；俞啟香[3]把瓦斯抽采方法分為：開采層抽采、鄰近層抽采、采空區(qū)抽采和圍巖抽采。這2 種分類方法的主要依據(jù)是開采煤層和鄰近煤（巖）層的空間關(guān)系，在次級(jí)分類方法上則考慮開采時(shí)間關(guān)系。為適應(yīng)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的考核要求，程遠(yuǎn)平[8]提出的分類方法為：第1 層次按煤層的開采時(shí)間劃分為采前抽采（預(yù)抽）、采中抽采和采后抽采；第2 層次按煤層開采的空間關(guān)系劃分為本煤層抽采、鄰近層抽采、回采工作面抽采、掘進(jìn)工作面抽采和采空區(qū)抽采；第3 層次為具體瓦斯抽采方法，如穿層鉆孔抽采、順層鉆孔抽采等。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)，總結(jié)出目前瓦斯抽采方法大致有以下幾種分類方式。

1）按抽采工程的施工位置分類：可分為地面抽采、井下抽采和井上下聯(lián)合抽采3 大類。地面抽采一般通過施工地面鉆井進(jìn)行抽采，次級(jí)分類多按鉆井的類型來劃分，如直井、U 型井、L 型井、對(duì)接井、叢式井等。井下抽采一般通過施工鉆孔、巷道或埋設(shè)抽采管路進(jìn)行抽采，次級(jí)分類多按照瓦斯來源分為本煤層瓦斯抽采（包括預(yù)抽、邊采邊抽、邊掘邊抽等）、鄰近層（包括圍巖及鄰近煤層）瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采（包括高位鉆孔、頂板定向水平長(zhǎng)鉆孔、高抽巷、埋管抽采、尾巷抽采等）。

2）按煤層的開采時(shí)間分類：采前抽采（預(yù)抽、邊掘邊抽）、采中抽采（邊采邊抽）和采后抽采。

3）按原始煤體的透氣性分類：高透氣性煤層抽采、低透氣性煤層強(qiáng)化抽采。

4）按所抽采煤（巖）層的應(yīng)力狀態(tài)分類：未卸壓煤（巖）層抽采、卸壓煤（巖）層抽采及強(qiáng)化抽采（人為卸壓）等。

5）按抽采瓦斯工藝分類：鉆孔（地面鉆孔、穿層鉆孔、順層鉆孔等）抽采、巷道（頂、底板巖巷、煤巷及尾巷等）抽采及插（埋）管抽采等。

6）按煤層的開采技術(shù)條件分類：?jiǎn)我幻簩映椴?、遠(yuǎn)距離煤層群抽采及近距離煤層群抽采等。

7）按瓦斯抽采設(shè)備的安設(shè)位置分類：地面固定式抽采、井下移動(dòng)式抽采。

8）按抽采系統(tǒng)內(nèi)瓦斯?jié)舛确诸悾焊邼舛韧咚钩椴?、低濃度瓦斯抽采；按抽采系統(tǒng)壓力分類：高負(fù)壓瓦斯抽采、低負(fù)壓瓦斯抽采。

總之，考慮抽采問題的角度不同，對(duì)瓦斯抽采方法的分類方式也不盡相同。

2 煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展

中國是文獻(xiàn)記載最早利用天然氣的國家，早在晉朝時(shí)期常璩撰寫的《華陽國志》（354 年）一書，就描述了2200 多年前秦朝時(shí)期四川臨邛縣鉆井開采天然氣煮鹽的情景。明末宋應(yīng)星所著的《天工開物》（1637 年）一書，記載了利用竹管引排煤中瓦斯的方法，這是最早關(guān)于煤礦人工排放煤中瓦斯的文獻(xiàn)記載。自1938 年撫順礦務(wù)局龍鳳煤礦首次利用瓦斯抽采泵開展采空區(qū)瓦斯抽采起，開啟了我國利用機(jī)械設(shè)備抽采瓦斯的歷程，1952 年龍鳳煤礦建立正規(guī)抽采泵站標(biāo)志著我國煤礦進(jìn)入工業(yè)規(guī)模連續(xù)抽采瓦斯階段。

2.1 我國煤礦瓦斯（煤層氣）抽采的發(fā)展歷程

近70 年來，隨著煤炭行業(yè)的波浪式前進(jìn)、煤炭產(chǎn)量的持續(xù)增加、礦井瓦斯涌出量的日益增大、生態(tài)環(huán)境約束趨緊、國家對(duì)煤礦瓦斯防治工作政策法規(guī)的接連出臺(tái)和監(jiān)察監(jiān)管力度的不斷加大，我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)得以迅速發(fā)展。為方便敘述與分析，以煤礦井下瓦斯抽采和地面煤層氣開發(fā)的發(fā)展水平及國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展五年規(guī)劃（“十一五”前為“五年計(jì)劃”）綱要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為依據(jù)，把煤礦瓦斯（煤層氣）抽采的發(fā)展歷程劃分為4 個(gè)階段[9]。

第1 階段：井下瓦斯抽采的探索發(fā)展和地面煤層氣開發(fā)的試驗(yàn)階段（1952—1990 年）。此階段跨越國家“一五”至“七五”這7 個(gè)五年計(jì)劃時(shí)期。王魁軍[10]等按照這一階段不同時(shí)期主要發(fā)展的瓦斯抽采技術(shù)特點(diǎn)將其細(xì)分為4 個(gè)階段，即高透氣性煤層瓦斯抽采階段、鄰近層卸壓瓦斯抽采階段、低透氣性煤層強(qiáng)化抽采瓦斯階段和綜合抽采瓦斯階段。20 世紀(jì)50年代初期，在撫順的高透氣性特厚煤層中，首次采用井下鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯獲得成功，并將抽出的瓦斯作為民用燃料來利用，標(biāo)志著進(jìn)入高透氣性煤層瓦斯抽采階段。50 年代中期至60 年代初，在陽泉礦區(qū)煤層群開采的礦井中，采用穿層鉆孔抽采上鄰近層瓦斯的試驗(yàn)首獲得成功，此后又在該礦區(qū)試驗(yàn)成功利用高抽巷抽采上鄰近層瓦斯技術(shù)，這一階段被稱為鄰近層卸壓瓦斯抽采階段。從20 世紀(jì)60 年代初期進(jìn)入了低透氣性煤層強(qiáng)化抽采瓦斯階段，為解決低透氣性高瓦斯或突出煤層采用常規(guī)鉆孔預(yù)抽效果不理想問題，試驗(yàn)研究了包括深孔預(yù)裂控制爆破、水力壓裂、水力割縫等在內(nèi)的多種強(qiáng)化抽采瓦斯方法，多數(shù)方法在試驗(yàn)區(qū)能夠提高瓦斯抽采量, 但仍處于試驗(yàn)階段，沒能大范圍推廣應(yīng)用。從20 世紀(jì)80年代開始，為提高瓦斯抽采量和抽采率，以解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的問題，綜合考慮煤層開采技術(shù)條件，把多種瓦斯抽采方法有機(jī)結(jié)合起來實(shí)施瓦斯綜合抽采，由此進(jìn)入綜合抽采瓦斯階段，直至國家“七五”計(jì)劃末期。第1 階段期間的煤礦井下瓦斯抽采為我國煤炭產(chǎn)量的穩(wěn)步提升起到了重要支撐作用。1975 年，我國在遼寧撫順、山西陽泉等礦區(qū)開展了地面直井開采煤層氣試驗(yàn)，但都未能取得理想的效果。

第2 階段：井下瓦斯抽采的加速發(fā)展和地面煤層氣開發(fā)的探索、啟動(dòng)階段（1991—2005 年）。此階段涵蓋了國家“八五”至“十五”3 個(gè)“五年計(jì)劃”時(shí)期。1997 年煤炭工業(yè)部頒布了《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦瓦斯抽放技術(shù)規(guī)范》，明確了必須建立瓦斯抽采系統(tǒng)的條件及驗(yàn)收要求。為加強(qiáng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作的組織領(lǐng)導(dǎo)，2000 年成立國家煤礦安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)。在2002—2005 年期間，國家又以30 億元/年的資金投入來帶動(dòng)地方和企業(yè)投資，對(duì)重點(diǎn)煤礦進(jìn)行了瓦斯治理和安全技術(shù)改造。上世紀(jì)90 年代中期開始，國內(nèi)對(duì)煤礦井下鉆探設(shè)備的研究集中于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和組合鉆具定向技術(shù)與裝備方面。1997—2005 年期間，部分煤炭企業(yè)為了提高瓦斯抽采水平，開始引進(jìn)多套包括采用孔底馬達(dá)定向鉆進(jìn)的千米鉆機(jī)在內(nèi)的國外先進(jìn)瓦斯抽采技術(shù)與裝備[11]，在一定程度上提高了抽采鉆孔施工能力。國家“九五”攻關(guān)科研成果，如大直徑鉆（擴(kuò)）孔、網(wǎng)格式密集鉆孔、交叉鉆孔等，為進(jìn)一步提高預(yù)抽煤層瓦斯能力奠定了基礎(chǔ)。通過國家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目《煤層氣井下抽放成套工藝技術(shù)研究》專題研究，順煤層長(zhǎng)鉆孔成孔工藝技術(shù)取得突破，在晉城礦區(qū)寺河煤礦施工鉆孔長(zhǎng)度已達(dá)500 m。這一期間，針對(duì)煤層群和松軟煤層的開采地質(zhì)條件，創(chuàng)立和發(fā)展了煤層卸壓抽采模式—淮南模式[12-13]，解決了多煤層、構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)高瓦斯礦井抽采的技術(shù)難題，促進(jìn)了瓦斯抽采技術(shù)的快速發(fā)展。由于政府的政策引導(dǎo)和資金支持，本階段我國煤礦瓦斯抽采迅速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2005 年，我國已有228 座煤礦開展瓦斯抽采，全國抽采總量大幅度增長(zhǎng)至23 億m3。

在地面煤層氣開發(fā)方面，也開始進(jìn)入積極探索階段。1989 年原能源部召開的第1 次“開發(fā)煤層氣研討會(huì)”，掀起了國內(nèi)全面勘探開發(fā)煤層氣的熱潮[14]。隨著1996 年中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司的成立，在地面煤層氣開發(fā)步入了基礎(chǔ)研究與開發(fā)試驗(yàn)并舉的階段，中石油、中石化和部分煤礦企業(yè)也分別在井下和地面開展了初步的勘探與試驗(yàn)[15]。1998 年在阜新市劉家礦區(qū)開展的采前地面預(yù)抽煤層氣的試點(diǎn)工作，2003 年煤層氣地面小井網(wǎng)試驗(yàn)成功[16]，標(biāo)志著我國地面煤層氣開發(fā)從試驗(yàn)階段進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)啟動(dòng)階段。在90 年代中后期，安徽的淮北、山西的沁水煤田等地也進(jìn)行了地面煤層氣開發(fā)試驗(yàn)并取得了不錯(cuò)的成果[17]。

第3 階段：井下瓦斯規(guī)?；椴珊偷孛婷簩託馍虡I(yè)化開發(fā)階段（2006—2015 年）。此階段即為國家“十一五”、“十二五”這2 個(gè)“五年規(guī)劃”階段。2005年國家能源局發(fā)布的《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》提出了“可保盡保、應(yīng)抽盡抽、先抽后采、煤氣共采”的瓦斯綜合治理戰(zhàn)略[8]。2006 年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的若干意見》，首次將瓦斯抽采和煤層氣開發(fā)統(tǒng)稱為煤層氣（煤礦瓦斯）抽采，并明確要求：必須堅(jiān)持先抽后采、治理與利用并舉的方針；煤層中噸煤瓦斯含量必須降低到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以下，方可實(shí)施煤炭開采。制定的煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十一五”和“十二五”規(guī)劃，都將煤層氣（煤礦瓦斯）抽采作為煤礦瓦斯綜合治理的治本之策。2006 年國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局發(fā)布了《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》，要求煤礦經(jīng)抽采瓦斯后，采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回風(fēng)流瓦斯含量必須達(dá)標(biāo)。這些方針政策的接連出臺(tái)，極大促進(jìn)了煤層氣（煤礦瓦斯）抽采的進(jìn)步。以松藻礦區(qū)為代表，開展了松軟突出煤層鉆進(jìn)及煤礦井下水力壓裂增透抽采為主的技術(shù)示范，形成“三區(qū)配套三超前增透抽采”的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式—松藻模式[18]。2006—2017 年期間，全國瓦斯（煤層氣）抽采情況[4,19-20]如圖1，煤礦瓦斯事故死亡人數(shù)[21-23]如圖2。從圖中可以看出，2006 至2015年期間，隨著煤炭產(chǎn)量的持續(xù)增加和井下規(guī)模化抽采的發(fā)展，井下瓦斯抽采量、利用量迅速增長(zhǎng)，而煤礦瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)急劇下降。2015 年，全國瓦斯抽采礦井?dāng)?shù)已達(dá)1 800 余座，建成了30 個(gè)年抽采量達(dá)到億m3級(jí)的煤礦，全國煤礦井下瓦斯抽采量135.7×108m3。

圖2 2006—2017 年煤礦瓦斯事故起數(shù)、死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of coal mine gas accidents and deaths from 2006 to 2017

在煤層氣開發(fā)方面，以晉城礦區(qū)為代表，把煤礦井下瓦斯治理和煤層氣地面開發(fā)結(jié)合起來，形成了三區(qū)聯(lián)動(dòng)的煤層氣（煤礦瓦斯）立體遞進(jìn)抽采模式—晉城模式[24]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一厚煤層的規(guī)?；椴?。從圖1 可以看出，2006 至2015 年期間，隨著煤炭產(chǎn)量的持續(xù)增加和地面煤層氣商業(yè)化進(jìn)程加速，地面煤層氣產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)。到2015 年全國新鉆煤層氣井11 300 余口，新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量3 504×108m3，全國煤層氣地面開發(fā)量達(dá)到43.3×108 m3，進(jìn)入了地面煤層氣商業(yè)化開發(fā)階段。

第4 階段：煤炭開采和地面煤層氣開發(fā)、井下瓦斯抽采的協(xié)同規(guī)劃與聯(lián)合開發(fā)階段（2016 年至今）。此階段自“十三五”規(guī)劃開始，至今已將近5 年。中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度從2012 年開始放緩并進(jìn)入新常態(tài)，2016 年國家實(shí)施了“煤改氣”“油改氣”等天然氣替代項(xiàng)目且煤炭開始去產(chǎn)能，這些原因?qū)е氯珖禾慨a(chǎn)量略有下降，至2018 年煤礦井下瓦斯抽采量也略有下降但降幅不大。與此同時(shí)，地面煤層氣開發(fā)量雖穩(wěn)步增長(zhǎng)，但增幅也很小。2016 版《煤礦安全規(guī)程》第35 條，要求有突出危險(xiǎn)煤層的新建礦井開工前，應(yīng)當(dāng)對(duì)首采區(qū)突出煤層進(jìn)行地面鉆井預(yù)抽瓦斯，且預(yù)抽率應(yīng)當(dāng)達(dá)到30%以上。2019 版《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第16 條，要求按突出礦井設(shè)計(jì)的礦井建設(shè)工程開工前，應(yīng)當(dāng)對(duì)首采區(qū)內(nèi)評(píng)估有突出危險(xiǎn)且瓦斯含量大于等于12 m3/t 的煤層進(jìn)行地面井預(yù)抽煤層瓦斯，預(yù)抽率應(yīng)當(dāng)達(dá)到30% 以上；第64條對(duì)于煤層瓦斯壓力達(dá)到3 MPa 的區(qū)域，不能開采保護(hù)層或者采用遠(yuǎn)程操控鉆機(jī)施工鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的，應(yīng)當(dāng)采用地面井預(yù)抽煤層瓦斯。這些要求將在一定程度上促進(jìn)地面煤層氣開發(fā)工作。

雖然前期我國煤礦瓦斯（煤層氣）抽采取得了很大進(jìn)展，已進(jìn)入了井下瓦斯規(guī)?；椴珊偷孛婷簩託馍虡I(yè)化開發(fā)階段，初步建立了煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式，形成了一批適應(yīng)我國煤層氣（煤礦瓦斯）資源賦存條件的抽采關(guān)鍵技術(shù)，但“十三五”規(guī)劃已近尾聲，煤層氣產(chǎn)業(yè)的實(shí)際發(fā)展遠(yuǎn)低于預(yù)期。這是由于我國煤礦瓦斯（煤層氣）的賦存條件的先天不足且開采深度日益增加造成抽采難度不斷加大，加之受中國煤炭去產(chǎn)能、重安全和環(huán)保輕資源開發(fā)等外部環(huán)境因素的影響造成的?？梢灶A(yù)見，單井產(chǎn)氣量低、地面煤層氣抽采量少、煤層氣（煤礦瓦斯）利用率偏低的局面仍將在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)持續(xù)存在。

早在2003 年，錢鳴高等[25]就把煤與瓦斯共采技術(shù)作為煤礦綠色開采技術(shù)之一提了出來。此后，程遠(yuǎn)平[26]、袁亮[13,27]、王家臣[28]、謝和平[29]等圍繞這一關(guān)鍵技術(shù)開展了理論、技術(shù)體系和試驗(yàn)研究，取得了大量的成果。煤與瓦斯共采技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：為克服已有煤礦瓦斯（煤層氣）抽采技術(shù)的不足，利用煤炭開采過程中所形成的采動(dòng)作用，使煤巖層所處的應(yīng)力場(chǎng)得以釋放、煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，以增加煤巖層的滲透特性，進(jìn)而促進(jìn)煤層內(nèi)瓦斯吸附解吸動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的變化，使瓦斯更多地向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)煤炭資源與瓦斯能源的共同開采。這樣既解決了煤炭開采過程中的瓦斯災(zāi)害，又提高了瓦斯這種優(yōu)質(zhì)清潔能源的收集與利用效率。煤與瓦斯共采技術(shù)體系尚存在大量急需研究解決的核心理論與技術(shù)問題，它們直接關(guān)系著煤與瓦斯共采技術(shù)體系理論系統(tǒng)的完善及在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

我國煤炭資源的基礎(chǔ)能源地位決定了煤炭開采在國家能源供給中的決定性作用。煤與煤礦瓦斯（煤層氣）耦合伴生，煤礦瓦斯（煤層氣）抽采與煤炭的開采密切相關(guān)，因此，將煤礦瓦斯（煤層氣）抽采與煤炭開發(fā)相結(jié)合，把煤礦瓦斯（煤層氣）抽采的資源屬性和煤炭開采的安全屬性充分結(jié)合，堅(jiān)持井上下聯(lián)合立體抽采的方針，不斷加大卸壓抽采和煤與瓦斯共采的力度，通過協(xié)同規(guī)劃與聯(lián)合開發(fā)實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯（煤層氣）與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)是未來必由之路，也是本階段的工作重點(diǎn)。

2.2 煤礦瓦斯抽采典型技術(shù)進(jìn)展

前已述及，經(jīng)過近70 年的探索與實(shí)踐，我國已發(fā)展出種類繁多、各具特色的瓦斯抽采技術(shù)，基本建立了瓦斯抽采技術(shù)體系。煤礦瓦斯抽采方法的選擇, 主要是依據(jù)礦井瓦斯來源、煤層開采技術(shù)條件、煤層開采順序及采掘巷道布置等因素來進(jìn)行綜合考慮。由于礦井?dāng)?shù)量眾多且煤層賦存條件復(fù)雜多樣，因此幾乎所有的瓦斯抽采方法都在我國進(jìn)行過試驗(yàn)與應(yīng)用，許多瓦斯抽采技術(shù)已成為礦井瓦斯治理常規(guī)措施。限于篇幅，不能一一介紹，僅篩選出6 種應(yīng)用前景看好的瓦斯抽采技術(shù)裝備，闡述它們的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況。

2.2.1 碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術(shù)

對(duì)于碎軟低滲高瓦斯煤層來說，由于其強(qiáng)度低、彈性模量小、泊松比高的力學(xué)特性，在煤層內(nèi)施工定向長(zhǎng)鉆孔極易發(fā)生卡鉆、埋鉆、噴孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆進(jìn)成孔十分困難，即使成孔后也常出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、垮塌、固井質(zhì)量不好等問題。若直接對(duì)碎軟煤層進(jìn)行壓裂改造，往往很難在碎軟煤層中形成長(zhǎng)縫且壓裂砂鑲嵌嚴(yán)重，造成泄流面積有限、增滲效果不明顯。因此，在碎軟低滲煤層瓦斯抽采中的“煤層水力壓裂穩(wěn)定造縫”一直是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題[30]。

2013—2015 年，在淮北蘆嶺井田施工了1 組U型對(duì)接井，試驗(yàn)了沿煤層頂板的砂質(zhì)泥巖中施工水平井并進(jìn)行分段壓裂的煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術(shù)，煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術(shù)原理如圖3。該技術(shù)的關(guān)鍵問題是：套管水平井在分段壓裂過程中壓裂縫能否向下延伸到煤層中，壓裂縫是否既在巖層橫向延伸又能在煤層中橫向延伸。頂板巖層水平井分段壓裂工藝為：施工U 型對(duì)接井→采用地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)在頂板巖層中（緊鄰煤層2 m）施工水平井段→下入生產(chǎn)套管固井→采用泵注橋塞電纜射孔壓裂技術(shù)實(shí)施水平井分段壓裂→精細(xì)排采。該井組從2015 年1 月開始排采，截至2017 年2 月28 日，日產(chǎn)量最高達(dá)10 754.8 m3，連續(xù)3 個(gè)月日產(chǎn)氣量達(dá)1 萬m3以上，累計(jì)產(chǎn)氣量401.57 萬m3。

圖3 煤層頂板水平井分段壓裂增滲技術(shù)原理Fig.3 Technology principle of fracturing and permeability enhancement in horizontal well with roof of coal seam

本技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)碎軟低滲高瓦斯煤層的增滲及高效預(yù)抽。在煤層回采過程中，頂板覆巖發(fā)生變形破壞，地面直井及水平井井身結(jié)構(gòu)也會(huì)有一定程度的破壞。若破壞程度較小，還可以利用直井和水平井的垂直段，對(duì)回采期間的煤層卸壓瓦斯和井筒附近一定范圍內(nèi)的采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，甚至對(duì)老空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行間歇式抽采，實(shí)現(xiàn)一井多用。

2.2.2 采動(dòng)區(qū)地面L 型頂板水平定向井抽采技術(shù)

對(duì)于開采原始瓦斯含量不高的厚煤層或特厚煤層的高產(chǎn)高效綜放工作面來說，僅采用通風(fēng)稀釋和采前預(yù)抽煤層瓦斯方法難以解決回采期間工作面及采空區(qū)瓦斯涌出量大的問題。目前常用的采空區(qū)瓦斯抽采方法有頂板高抽巷、高位鉆孔、上隅角插管、采空區(qū)埋管、尾巷抽采等。采用高抽巷雖然瓦斯抽采量大但存在巷道掘進(jìn)機(jī)維護(hù)成本高、掘進(jìn)進(jìn)度慢等問題，高位鉆孔則存在鉆孔工程量大、鉆孔利用率不高、抽采接續(xù)緊張等缺點(diǎn)，上隅角插管、采空區(qū)埋管等存在抽采濃度低、純量小等不足，因瓦斯尾巷存在諸多難以解決的缺點(diǎn)而被《煤礦安全規(guī)程》2016 版廢除，均難以適應(yīng)工作面高產(chǎn)高效的要求。結(jié)合高位鉆孔抽采與地面直井抽采技術(shù)特點(diǎn)的采動(dòng)區(qū)地面L 型鉆井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，融合了“地面垂直井”、“采動(dòng)區(qū)直井”和“井下水平井”等多種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[31]，還具有瓦斯抽采覆蓋范圍大、成本低等特點(diǎn)，該技術(shù)近幾年發(fā)展迅速。

采動(dòng)區(qū)地面L 型頂板水平定向井布置于采掘準(zhǔn)備區(qū)，其直井段需要采取特殊設(shè)計(jì)來保證采動(dòng)后的暢通，而水平段位于煤層頂板巖層中，主要利用煤層的采動(dòng)卸壓效應(yīng)，采用負(fù)壓抽采工作面回采期間煤層的卸壓瓦斯及采空區(qū)、鄰近層（包括圍巖）瓦斯，在工作面推至水平段附近時(shí)開始運(yùn)行，采動(dòng)區(qū)地面L 型頂板水平定向井抽采技術(shù)如圖4[32]。該技術(shù)的關(guān)鍵問題是：保證直井段能夠承受住采場(chǎng)覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)的影響，確保水平井段位于煤層頂板裂隙帶內(nèi)且不會(huì)發(fā)生垮塌堵塞。在攻克大孔徑地面井破碎巖層護(hù)壁鉆進(jìn)、小角度穿層鉆進(jìn)等鉆完井難題的基礎(chǔ)上，采動(dòng)區(qū)地面L 型頂板水平定向井抽采得以成功應(yīng)用，達(dá)到了單一煤層單井抽采覆蓋工作面長(zhǎng)度超1 000 m 和日抽采量3.3 萬m3的效果[5]。

圖4 采動(dòng)區(qū)地面L 型頂板水平定向井抽采技術(shù)Fig.4 Extraction technology of horizontal directional well with L-shaped roof in the mining area

2.2.3 井下定向長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)

鉆孔抽采是我國煤礦井下最廣泛采用的抽采方式，對(duì)于高瓦斯壓力的松軟、低透氣性突出煤層，以前主要通過施工常規(guī)順層鉆孔和底（頂）板穿層鉆孔來實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巷條帶、回采區(qū)域煤層瓦斯的預(yù)抽。由于在突出煤層鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生噴孔、夾鉆、頂鉆、埋鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆進(jìn)成孔困難。另外，由于鉆孔淺、鉆孔軌跡無法控制的限制，導(dǎo)致鉆孔工程量大、成本高、工期長(zhǎng)、容易出現(xiàn)抽采空白帶、礦井采掘接替緊張等困局?！睹旱V安全規(guī)程》第210 條限制了將在本巷道施工順煤層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯作為區(qū)域防突措施的應(yīng)用范圍，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第64 條規(guī)定了定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施的鉆孔施工要求，這些都限制了常規(guī)鉆孔在突出煤層預(yù)抽中的應(yīng)用。

作為鉆探工程領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)[11,33]逐漸興起并成為我國煤礦瓦斯高效抽采的1 種重要技術(shù)途徑，通過實(shí)時(shí)測(cè)量鉆孔軌跡和孔底螺桿馬達(dá)工具面向角，控制鉆孔軌跡沿設(shè)計(jì)延伸，提高了鉆孔空間定位精度，增加了鉆孔深度。另外，還可以采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行多分支鉆孔、羽狀鉆孔、梳狀鉆孔[34]、枝狀鉆孔等的施工，具有能均勻覆蓋預(yù)定區(qū)域、鉆進(jìn)效率高、鉆孔長(zhǎng)度大、一孔多用等優(yōu)點(diǎn)。2004 年在大寧試驗(yàn)區(qū)，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆探了中國第1 口定向羽狀水平井（DNP02），氣體流量最高達(dá)到了21 000 m3/d[35]。2019 年9 月，中煤科工集團(tuán)西安研究院在神東煤炭集團(tuán)保德煤礦使用西安研究院自主研制的ZDY15000LD 定向鉆進(jìn)裝備、泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)造了主孔深度為3 353 m 井下沿煤層定向鉆進(jìn)孔深新的世界紀(jì)錄[36]。

2.2.4 以孔代巷抽采技術(shù)

如前所述，目前采用的治理采空區(qū)及上隅角瓦斯常規(guī)方法，由于存在諸多缺點(diǎn)與不足，亟需尋求更經(jīng)濟(jì)高效的新方法來替代。隨著隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)、大直徑套管鉆進(jìn)等技術(shù)的發(fā)展，以孔代巷技術(shù)的出現(xiàn)為上述問題的解決提供了新思路。所謂以孔代巷，是指利用最新的定向鉆進(jìn)、大直徑鉆進(jìn)等技術(shù)，以低成本、高速度、高成功率完成大直徑抽采鉆孔施工，來代替高抽巷等巷道進(jìn)行瓦斯抽采。

為提高采空區(qū)頂板高位走向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效率，程志恒等[37]研究了頂板高位走向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯作用機(jī)制并在山西華晉吉寧煤業(yè)2102 綜采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及抽采效果考察。王勇等[38]在端氏煤礦3109 工作面試驗(yàn)驗(yàn)證了頂板定向長(zhǎng)鉆孔代替高抽巷的合理性和可行性，頂板定向長(zhǎng)鉆孔和高位鉆孔抽采示意圖如圖5。林海飛等[39]在山西某礦三采區(qū)的工作面開展了定向鉆孔代替尾巷治理瓦斯試驗(yàn)。

圖5 頂板定向長(zhǎng)鉆孔和高位鉆孔抽采示意圖Fig.5 Schematic diagram of roof directional long hole and high hole extraction

煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司的祝釗等[40]針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑鉆孔成孔后孔壁易坍塌的難題，開展了大孔徑套管鉆進(jìn)一次性成孔技術(shù)研究，并研制出配套的ZDY15000L 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)（圖6），該鉆機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能夠鉆進(jìn)大直徑鉆孔（500 mm）的特點(diǎn)，為煤礦井下大直徑瓦斯抽采鉆孔的施工提供裝備支撐。程波等[41]開展了大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)研究，董燕飛等[42]通過在屯蘭礦22301 瓦斯治理巷施工大直徑鉆孔替代回風(fēng)巷與瓦斯治理巷橫貫進(jìn)行抽采解決了工作面瓦斯超限問題。目前，以孔代巷技術(shù)已在我國晉城、陽泉、淮南、鐵法、沙曲等多個(gè)礦區(qū)試驗(yàn)成功并得到推廣應(yīng)用。

圖6 ZDY15000L 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)Fig.6 ZDY15000L caterpillar full hydraulic tunnel drilling machine for coal mine

2.2.5 保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)

多年來突出危險(xiǎn)煤層的開采實(shí)踐和理論研究表明，在開采保護(hù)層的同時(shí)預(yù)抽被保護(hù)層的瓦斯是防治煤與瓦斯突出的有效區(qū)域性防突措施，既可以避免與突出危險(xiǎn)煤層長(zhǎng)期短兵相接，又能提高防突措施的安全性和可靠性[43]?！睹旱V安全規(guī)程》第204 條要求“具備開采保護(hù)層條件的突出危險(xiǎn)區(qū)，必須開采保護(hù)層”，第208 條要求“開采保護(hù)層時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)抽采被保護(hù)層和鄰近層的瓦斯”，這些規(guī)定有力地促進(jìn)了保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)的研究及應(yīng)用。

保護(hù)層開采之后，上被保護(hù)層的透氣性可增加1 000～3 000 倍、卸壓瓦斯抽采率達(dá)60 % 以上；下被保護(hù)層的透氣性最大可增加1 000 多倍、卸壓瓦斯抽采率可達(dá)50%以上[44]。因此，通過抽采保護(hù)層開采卸壓瓦斯，不僅可以區(qū)域性消除煤層的突出危險(xiǎn)性，還能夠?qū)崿F(xiàn)被保護(hù)層瓦斯的高效抽采，該技術(shù)具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。自1958 年以來，我國先后在北票、南桐等局礦開展了保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)試驗(yàn)研究并在在紅衛(wèi)、六枝等局礦進(jìn)行了大范圍推廣應(yīng)用；1998 年以來，中國礦業(yè)大學(xué)與淮南礦業(yè)集團(tuán)合作發(fā)展了保護(hù)層開采這一防突技術(shù)措施，擴(kuò)大了該技術(shù)適用范圍?；茨系V區(qū)針對(duì)其煤層群開采的特點(diǎn)，提出了改變煤層群開采程序和采場(chǎng)布置，通過卸壓開采來提高煤層群開采治理瓦斯效果的技術(shù)方案，在大量理論研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，建立了卸壓開采“抽采”瓦斯安全高效開采工程技術(shù)體系，并對(duì)煤與瓦斯共采進(jìn)行了有益探索[27,45-46]?；茨系V區(qū)B、C 組煤聯(lián)合開采保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)示意圖如圖7[47]，選擇B10 煤層作為關(guān)鍵保護(hù)層開采，該煤層的工作面采用“一面六巷”模式（軌道巷、運(yùn)輸巷、B10 煤底板巷、B10 煤高抽巷、C13 煤底板巷和B6煤底板巷）分別施工抽采鉆孔治理瓦斯。B10 煤層的開采，上保護(hù)B11b 煤層、下保護(hù)B8 煤層，同時(shí)利用B10 煤高抽巷和C13 煤底板巷鉆孔抽采B11b 煤層的卸壓瓦斯、利用B10 煤底板巷和B6 煤底板巷鉆孔抽采B8 煤層的卸壓瓦斯。再依次上行開采B11b煤層保護(hù)C13 煤層，開采B8 煤層向下逐層保護(hù)。

圖7 淮南礦區(qū)B、C 組煤聯(lián)合開采保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)示意圖Fig.7 Schematic diagram of pressure relief gas extraction technology in the protective layer of coal joint mining in group B and C of Huainan Mining area

2.2.6 水力化煤層增滲技術(shù)

煤層的滲透率是影響原始煤體預(yù)抽瓦斯效果的主要因素。我國70%以上高瓦斯和突出煤層大多屬于低滲透性煤層，煤層的滲透率大都在0.001～0.1×10-3mD（1 mD=10-15m2）之間，滲透率低造成瓦斯運(yùn)移難度加大，進(jìn)行預(yù)抽時(shí)其有效抽采半徑也相對(duì)較小[48]。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的單一、低滲煤層來說，采用常規(guī)方法進(jìn)行預(yù)抽來實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的難度非常大。因此，如何增加煤層的滲透率已成為制約礦井瓦斯抽采的瓶頸之一。作為非貫通裂隙巖體[49]，煤層內(nèi)部存在大量的裂隙與孔洞，屬于極其不連續(xù)、各向異性、非彈性的損傷材料，力學(xué)特性非常復(fù)雜。要提高它的滲透率，就必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，煤巖體結(jié)構(gòu)改造是煤層增滲的核心問題。儲(chǔ)層增滲技術(shù)是從20 世紀(jì)30 年代開始，伴隨著石油、煤炭等礦藏的開采而發(fā)展起來的，可分為力學(xué)方法和物理化學(xué)方法。水力化煤層增滲技術(shù)是煤巖體結(jié)構(gòu)改造的有效途徑，該技術(shù)是以高壓水作為動(dòng)力，使儲(chǔ)層內(nèi)原生裂隙擴(kuò)大、延伸或者人為形成新的孔洞、槽縫、裂隙等，促使巖體產(chǎn)生位移，達(dá)到儲(chǔ)層卸壓、增滲的目的。自1947 年美國開始第1 次水力壓裂以來，歷經(jīng)70 余年的發(fā)展，水力化技術(shù)從理論到應(yīng)用都取得了驚人的進(jìn)展。2003 年以后，我國水力化煤層增滲技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段，單項(xiàng)水力化增透技術(shù)不斷完善，總體向著集成化、多元化和智能化的方向發(fā)展。中國礦業(yè)大學(xué)、煤科集團(tuán)沈陽研究院等10 余家科研院所在煤層水力化增滲方面開展了大量研究，形成了水射流和水力壓裂2 大類共10 余種技術(shù)，主要有水射流割縫（或擴(kuò)孔、鉆孔）、水力沖孔、水力掏槽、水力擠出、水力疏松、水力壓裂等。在全國30 余個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)及應(yīng)用，作業(yè)區(qū)域由煤巷掘進(jìn)、石門揭煤等局部地點(diǎn)發(fā)展到地面鉆孔抽采、煤層區(qū)域預(yù)抽、突出煤層消突等，多數(shù)應(yīng)用取得了很好的效果。目前，水力化煤層增滲技術(shù)已成為我國煤礦應(yīng)用范圍最廣、效果最顯著的低滲煤層增滲技術(shù)。

事實(shí)上，每種增滲技術(shù)都有其自身優(yōu)勢(shì)和局限性。水射流割縫（或擴(kuò)孔）在其控制范圍內(nèi)卸壓充分、增滲效果明顯，但是它的影響范圍小，僅有幾米。水力壓裂的控制范圍大，影響半徑可達(dá)數(shù)十米以上，但很難確保在控制范圍內(nèi)均勻卸壓、增滲而不留空白帶。如何將水射流與水力壓裂有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，是以后仍需長(zhǎng)期深入研究的重要課題。針對(duì)這一問題，王耀鋒等[50]開展了三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)研究，提出了1 種通過定向孔與壓裂孔聯(lián)合布置的煤層增滲方式，定向孔與壓裂孔聯(lián)合布置壓裂裂隙分布模擬結(jié)果如圖8，布置在中間的常規(guī)鉆孔作為定向孔，布置在四周的4 個(gè)水射流擴(kuò)孔鉆孔作為壓裂孔，通過對(duì)4 個(gè)壓裂孔實(shí)施同步壓裂來實(shí)現(xiàn)煤層的大范圍卸壓和均勻增滲。三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)已在淮南、焦作、山西焦煤、沈陽等礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采純流量達(dá)到常規(guī)鉆孔的3.67～4.79 倍。

3 煤礦瓦斯抽采技術(shù)裝備未來發(fā)展趨勢(shì)

圖8 定向孔與壓裂孔聯(lián)合布置壓裂裂隙分布模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of fracture distribution in combined arrangement of directional hole and compression hole

1）煤礦瓦斯（煤層氣）抽采利用相關(guān)扶持政策和煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)管理制度的制定。從我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程來看，國家科技攻關(guān)計(jì)劃的實(shí)施和煤礦安全相關(guān)管理制度的制定，在很大程度上促進(jìn)了煤礦瓦斯（煤層氣）抽采利用技術(shù)與裝備的發(fā)展，因此，建議以后繼續(xù)加大煤礦瓦斯（煤層氣）抽采利用的政策與資金支持，提升瓦斯抽采科技創(chuàng)新能力并加快科技成果轉(zhuǎn)化；進(jìn)一步加強(qiáng)瓦斯抽采相關(guān)煤礦安全生產(chǎn)管理制度的制定，盡快建立健全煤礦瓦斯抽采標(biāo)準(zhǔn)體系。

2）大功率、低故障率、高效率、智能化煤礦鉆探技術(shù)與裝備。煤礦鉆探裝備是開展礦井瓦斯綜合治理、沖擊地壓防治、隱蔽致災(zāi)因素探測(cè)等多種礦井災(zāi)害防治工作的必備裝備，是煤礦安全高效開采的重要保障。為適應(yīng)我國不同賦存條件煤（巖）層內(nèi)鉆孔施工的需求，大功率、高可靠性、高效率、智能化鉆探技術(shù)與裝備的研發(fā)迫在眉睫，今后需圍繞長(zhǎng)距離大直徑煤（巖）層孔定向鉆進(jìn)、防爆地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)系統(tǒng)及配套鉆進(jìn)、遠(yuǎn)程故障診斷與預(yù)警、地面遙控智能鉆進(jìn)、煤礦井下鉆孔機(jī)器人等方向開展技術(shù)與裝備的研發(fā)。

3）煤層增滲技術(shù)及裝備。煤層增滲技術(shù)是單一、低滲的高瓦斯和突出煤層提高瓦斯抽采效果、實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)的重要手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，水力化煤層增滲技術(shù)已成為我國煤礦廣泛應(yīng)用且效果顯著的增滲技術(shù)，但仍存在諸多問題與不足，還需在增滲機(jī)理、順層鉆孔分段水力壓裂、穿層鉆孔定向控制壓裂、高壓水射流鉆分枝鉆孔、煤層增透范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制等技術(shù)與裝備方面進(jìn)一步深入研究。此外，還可以試驗(yàn)嘗試一些在石油等行業(yè)成功應(yīng)用的技術(shù)，如超聲波增透、重復(fù)壓裂、同步壓裂、高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作、注氣驅(qū)替、酸化壓裂復(fù)合增透等技術(shù)。

4）瓦斯抽采鉆孔提濃增量技術(shù)。除了受原始煤體的滲透性低影響外，地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力高、煤質(zhì)松軟、鉆孔設(shè)計(jì)不合理、施工不到位、封孔質(zhì)量差、管理不到位等因素造成的預(yù)抽鉆孔漏氣、堵塞、塌孔、有效抽采時(shí)間短等問題，也在很大程度上影響了碎軟低滲煤層的瓦斯預(yù)抽效果。因此，建議在開展多重?fù)p傷條件下抽采鉆孔失效機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)瓦斯抽采鉆孔施工視頻監(jiān)控系統(tǒng)、高壓水射流透孔技術(shù)、高強(qiáng)度大直徑篩管下入技術(shù)、下向鉆孔自動(dòng)排水技術(shù)、二次封孔技術(shù)[51]、帶壓封孔技術(shù)[52]、漏氣失效鉆孔修復(fù)技術(shù)[53]、封孔段裂隙探測(cè)及智能封堵技術(shù)和適應(yīng)大變形條件的強(qiáng)柔性新型礦用封孔材料等方向開展瓦斯抽采鉆孔提濃增量技術(shù)研究工作。

5）瓦斯抽采參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)控與智能控制抽采關(guān)鍵技術(shù)。隨著智能化、遠(yuǎn)程控制和計(jì)算機(jī)信息等技術(shù)的飛速發(fā)展，以信息化、智能化為特征的新一輪能源科技革命蓄勢(shì)待發(fā)，礦井瓦斯抽采監(jiān)控技術(shù)也不例外。我國多數(shù)煤礦鉆孔抽采濃度不穩(wěn)、有效抽采時(shí)間短，由于鉆孔數(shù)量龐大，安設(shè)單孔計(jì)量裝置投入成本較高，往往單鉆孔抽采狀態(tài)的檢測(cè)采用人工方法，存在較多的不確定性。抽采管路的巡檢也主要依靠人工，放水器和排渣器也多由人工操作，抽采管路的漏氣檢測(cè)缺少手段，管道內(nèi)的清理疏通基本無法實(shí)現(xiàn)，這在較大程度上影響了抽采系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，建議針對(duì)井下抽采鉆孔單孔瓦斯抽采參數(shù)與狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與調(diào)控、瓦斯抽采系統(tǒng)的提效、低濃度瓦斯的利用率低等方面的難題，開展包括井下鉆孔抽采參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與抽采狀態(tài)分級(jí)管控、抽采達(dá)標(biāo)效果透明可視化、瓦斯抽采管路智能檢測(cè)及維護(hù)保障技術(shù)、抽采泵站無人值守技術(shù)、井下移動(dòng)與地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)協(xié)同抽采技術(shù)及不同抽采狀態(tài)下高、低濃度瓦斯混配輸送工藝等在內(nèi)的成套技術(shù)、工藝、軟件平臺(tái)與裝備的研究，形成井下鉆孔抽采參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)控與智能控制抽采關(guān)鍵技術(shù)，為瓦斯提質(zhì)增效抽采及抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判提供保障，為低濃度瓦斯的利用提供技術(shù)及裝備支撐。

6）煤礦瓦斯（煤層氣）與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)技術(shù)。把煤礦瓦斯（煤層氣）的安全、高效抽采及利用與煤炭資源的綠色開采緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采與煤炭開采一體化部署，把瓦斯抽采計(jì)劃納入到礦井的生產(chǎn)接替安排之中，堅(jiān)持井上下聯(lián)合立體抽采的思路，不斷加大卸壓抽采和煤與瓦斯共采的力度，通過協(xié)同規(guī)劃與聯(lián)合開發(fā)實(shí)現(xiàn)采煤采氣一體化是未來我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。以后需重點(diǎn)圍繞待建礦井碎軟突出煤層地面區(qū)域化高效抽采、分區(qū)聯(lián)動(dòng)地面井連續(xù)抽采、地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采、一井多用技術(shù)、極薄保護(hù)層高效開采技術(shù)、煤與遠(yuǎn)程卸壓瓦斯共采技術(shù)、無煤柱煤與瓦斯安全高效共采技術(shù)等方面開展研究工作。

7）廢棄（關(guān)閉）礦井瓦斯“甜點(diǎn)”資源區(qū)評(píng)判及高效抽采技術(shù)。之前我國煤礦的瓦斯抽采主要集中在生產(chǎn)礦井和待建礦井，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)和煤炭去產(chǎn)能，關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量日益增多，許多關(guān)閉礦井（特別是高瓦斯和突出礦井）中仍儲(chǔ)存有大量瓦斯資源，廢棄（關(guān)閉）礦井瓦斯抽采及利用在我國潛力巨大[54]，也是煤礦瓦斯抽采的一個(gè)發(fā)展方向。雖然我國已開展了一些關(guān)閉礦井瓦斯資源勘探開發(fā)的科研工作，但尚處于試驗(yàn)探索階段，建議盡早建立關(guān)閉礦井閉坑監(jiān)測(cè)制度等相關(guān)政策，系統(tǒng)開展關(guān)閉礦井殘存瓦斯資源量預(yù)測(cè)、瓦斯涌出規(guī)律研究以及瓦斯“甜點(diǎn)”資源區(qū)評(píng)判等核心技術(shù)研究，通過科技攻關(guān)確保我國關(guān)閉礦井瓦斯資源的開發(fā)利用。

4 結(jié) 語

作為減少礦井風(fēng)排瓦斯量、防治瓦斯災(zāi)害的治本措施，中國煤礦瓦斯抽采歷經(jīng)4 個(gè)階段近70 年的發(fā)展，已取得了令人矚目的成就，形成了一批適應(yīng)我國瓦斯資源賦存條件的關(guān)鍵抽采技術(shù)并初步建立了瓦斯抽采技術(shù)體系，有力地保障了煤礦的安全生產(chǎn)，目前已進(jìn)入井下瓦斯規(guī)?；椴珊偷孛婷簩託馍虡I(yè)化開發(fā)階段。但是，應(yīng)清醒認(rèn)識(shí)到，我國煤礦瓦斯資源的賦存條件先天不足，而隨著煤礦開采深度的不斷增加和開采條件的日趨復(fù)雜，煤礦瓦斯抽采還將面臨一系列技術(shù)難題。這些技術(shù)難題，需要在國家的政策與資金的支持下，通過煤礦企業(yè)和煤炭科研院所通力協(xié)作，深入開展基礎(chǔ)理論研究和科技攻關(guān)，使中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)裝備水平再上一個(gè)新臺(tái)階，更好地保障我國煤礦的安全生產(chǎn)。