发布时间 : 星期三 文章煤与瓦斯共采技术现状及展望更新完毕开始阅读796b0d242f60ddccda38a047
2 煤与瓦斯共采技术的理论基础
无论是采空区的瓦斯抽采，还是掘进巷道的瓦斯抽采均属于卸压瓦斯抽采，但是渗透率低下一直影响着我国煤矿煤层气的抽放。在巷道开掘过程中会改变巷道围岩的应力的分布，并使巷道围岩产生裂隙，这就会引起煤层及周围岩层产生“卸压增透”效应。引起上层岩层封闭的破坏(上覆煤岩层下沉、破裂、垮落、下位煤岩层上鼓、破裂)、地质构造封闭性的破坏(地质构造的封闭性因采掘而开放、松弛)以及周围岩层地应力封闭的破坏(裂缝与孔隙张开、地应力降低一卸压)。三者综合效应，从而导致煤层及其围岩的透气性系数大大增加，这就为卸压瓦斯高效的抽采创造出了前提条件[7]。
随着工作面不断地扩展与推进，采空区顶板充分垮落后，下方的矸石和采空区中部岩层紧密接触，进而把采空区中部顶板岩层裂隙压实，从采场空间特点来看，采空区四周形成了一个环形的采动裂隙发育区，文献称其“0”形圈[8]。在“O”形圈上方或者下方受采动影响的煤层瓦斯在压力梯度和含量梯度作用下以渗流和扩散的形式向“0”形圈内移动，使得“0”形圈成为卸压煤层瓦斯运移和聚集的主要通道。所以矿井可利用采空区“0”形圈作为煤层气移动的主要通道来抽采采空区的煤层气，主要方法就是在沿工作面倾斜方向和靠近回风巷侧布置一组大直径的抽采钻孔进行瓦斯抽采。同时由于采用空区“0”形圈的长期存在，这就可以让钻孔能够稳定的、长时间的抽采出高含量煤层气，而且可以很好的解决上隅角瓦斯聚集过多的问题。“0”形圈如图六所示。
风流方向型压实区开采方向圈
图六 “0”形圈示意图
3 煤与瓦斯共采技术应用实例
3.1 永贵集团煤与瓦斯共采技术技术应用实例与效果
3.1.1 永贵某矿工作面采用煤与瓦斯共采技术的现状
永贵矿区是贵州主要的产煤基地，它的地质构造比较简单、煤层赋存稳定且储量丰富、地理位置优越。因此成为重点开发的矿区，但是该矿瓦斯涌出量大，积聚时间长、治理难度大，瓦斯灾害在矿井建设和生产过程中特别严重。近些年，永贵
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集团在瓦斯治理方面开展了一系列的研究和试验，取得了很好的成效，其中煤与瓦斯共采技术成为其治理矿井瓦斯突出和爆炸的主要措施。
3.1.2 工作面煤与瓦斯共采技术实践
永贵矿区主要采用工作面前方卸压带抽采技术和采空区插管抽采技术。采空区插管抽采[9]即是对采空区上隅角的煤层气聚积区进行插管抽采。当工作面回采时，煤层和岩层涌出的瓦斯一部分扩散、升漂到采空区内，另大部分瓦斯被回风流带到回风巷中排出，扩散、升漂到采空区内的瓦斯和采空区内的岩层中所解析出的瓦斯共同组成了采空区瓦斯。这部分瓦斯占到了工作面瓦斯涌出总量的40.0％左右。针对工作面的具体情况，永贵矿区将d220mm抽放管路末端的5条支管插入上隅角采空区，对采空区的瓦斯进行抽采。
同时由于煤层的采掘会引起周围岩层产生“卸压增透”效应，当围岩松动、高瓦斯低渗透煤层卸压后，瓦斯会立即解吸，涌出量急剧增大，这就可以实施工作面前方卸压带浅孔抽放。具体措施即是在回风巷内靠近最上部支架顶梁外侧沿走向密集布置斜向工作面下方的钻孔，对瓦斯进行集中抽放。在工作面支架顶梁外边缘位置错开l.0m，沿走向方向打一排密集斜眼，深6.0m，倾角700，将带有2.0m的长钢管接头的铠装软管插入钻孔，所有的钻孔都由铠装软管与d220mm主抽放管路连接，从而在支架尾梁上部的煤体裂隙中形成一个较高的负压区，将此处积聚或涌出的瓦斯通过抽放管路采出。
3.1.3 永贵矿井效果检验
实验结果表明，该矿在实施煤与瓦斯共采技术后，瓦斯抽取量大大增加，保持在10000.0m3/d左右，工作面相对瓦斯涌出量由实施共采技术前的13％～21％降低到7％～11％，而且煤炭产量也由共采前的970—2200t/d提高到2840—3200t/d，达到了高效稳产的目的，这既抽取了瓦斯，又保证了工作面安全生产，消除了瓦斯事故，取得了良好的效果。实施煤与瓦斯共采前后工作面有关指标对比见表2。
表2 实施煤与瓦斯共采前后工作面有关指标对比表 项目 产量 /t/d 范围 平均 相对瓦斯涌出量 /m3/min 范围 平均 回风流瓦斯浓度 /% 范围 平均 平均配风量 /m3/min 1100 1.250 实施共采后 实施共采前 2840-3163000 8.540-11.9.90 400 7 960-2120 1540 13.270-1614..393 83 0.55-0.84 0.70 0.85-1.59 1.22 8
3.2 大吉矿区煤与瓦斯共采技术技术应用实例与效果
3.2.1 大吉某矿工作面采用煤与瓦斯共采技术的现状
大吉煤矿是煤与瓦斯突出矿井,已有40年左右的开采历史。井田倾斜宽约
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3.14km，走向平均为5.4km，面积约16.16km。矿井设计生产能力91万t/a，矿井实际产量171.9万吨。井田内含煤总层数为28层，总厚度为33.84m，可采及局部可采煤层共18层，总厚度为31.9m，主采煤层为1、2、8、9煤层。其中2号煤层为不稳定煤层，8号煤层为井田特厚煤层，储量占全矿井的57%，8、9号煤层为稳定煤层。大吉矿煤层瓦斯含量丰富, 矿井瓦斯相对涌出量为18.28一31.40m3/t。煤层岩层裂隙瓦斯在掘进揭露时,1号煤层曾经多次发生煤与瓦斯突出的事故。2号煤层也曾出现过煤与瓦斯突出预兆。近年，大吉矿区在瓦斯治理方面开展了一系列的研究试验，取得了非常好的效果，其中煤与瓦斯共采技术成为其治理矿井瓦斯灾害的主要措施。
3.2.2 煤与瓦斯共采技术实践
大吉矿2号煤层为特厚煤层，1号煤层是具有煤与瓦斯突出危险的煤层，这两煤层是矿井主要的生产来源，但同时皆有瓦斯突出预兆，所以产量一直上不去，严重影响到煤矿的生产效益。因此要采取合理的措施防治瓦斯涌出，爆炸和防止煤与瓦斯发生突出, 并实现瓦斯与煤炭的和谐共采。由于大吉矿是近距离煤层，对于近距离煤层群来说, 要实现煤与瓦斯和谐共采的技术途径是采取保护层开采技术同时结合卸压瓦斯的抽放。1煤层与2煤层的层间距为14-16m，平均15m，并且都是有突出危险的煤层；8号煤层与9号煤层的间距为33一84m, 平均75m，煤层为非突出煤层；煤层与煤层的层间距为3一15m，平均4.8m。两煤层均为非突出煤层。所以，采取让8号煤层或9号煤层作为2、3号煤层的保护层的措施是可行的。
8号煤层为非突出煤层，厚度在1.08-3.4m之间，平均厚度为2.01m，与2号煤层间距为28-83m之间，平均72m，如果把8号煤层作为2号煤层的保护层，根据保护层开采有关理论计算其间距应该小于123m，大于27m，所以开采8号煤层对保护2号煤层的效果将十分明显,并且8号煤层与1号煤层的平均间距为98m，属于可保护的范围内, 所以开采8号煤层也能对1号煤层进行有效的保护。同时, 8煤层也能作为9号煤层的上保护层, 开采后,9号煤层的瓦斯可以大量涌向8号煤层的工作面。所以，选择8号煤层作为保护层是可行的。但是9号煤层为非突出煤层, 平均厚度是2.88m， 其厚度在0.55-5.0m间,与8号煤层的层间距为2.3一15m之间, 平均间距为4.8m，在理论上把9号煤层作为2号煤层的保护层是可行的。但是，由于8、9号煤层间距太小，9号煤层开采必然破坏8号煤层的结构，不利于8号煤层的开采，因此9号煤层不利于被选择作为保护层。经过充分论证后认为, 鉴于大吉矿各煤层赋存条件, 可以在对1、2号煤层采取瓦斯综合治理措施的条件下进行8号煤层作为保护层的试验研究, 以便尽快确定出3号煤层的卸压保护角以及其它合理保护参数, 为大吉矿的持续稳定和安全生产发展奠定基础。保护层开采技术的应用, 有利于大吉矿新的开采布局, 提高矿井的服务年限。
3.2.3 大吉矿井效果检验
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自从大吉煤矿采用煤与瓦斯共采技术后，1、2号煤层的突出危险性即得到了消除, 2号煤层是特厚煤层, 制约着高产高效生产技术的因素也将得到消除, 既能提高2号煤层的综合开采技术的水平,又能提高工作面回采率和单产水平, 从而最终达到设计产量, 促使综采工作面在大吉煤矿生产中发挥主导作用, 对大吉煤矿的发展具有重大的影响。1号煤层的部分资源将能够进行安全开采, 对大吉矿井公司的煤炭生产有着战略意义, 并将能延长矿井的实用年限。瓦斯大量抽采后, 再被加以利用, 不但确保了矿井安全、增加了瓦斯资源的附加值, 并且减少了温室气体的排放, 经济、安全、生态效益都非常突出。
4 煤与瓦斯共采技术现存问题
4.1 煤与瓦斯共采理论有待研究和提高
开采煤炭的过程中由于采动作用，煤岩层所处的应力场会发生变化，从而煤层内吸附的瓦斯和解吸的瓦斯会发生动态平衡的变化，使更多吸附的瓦斯向游离态瓦斯转化，而且采动过程会导致的煤层和岩层体内部结构的变化，从而增大煤岩和岩
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层的渗透性，最终达到煤与瓦斯的共同开采。这就是煤与瓦斯共采技术的实质。所以，所以了解和解决最核心、最关键的三大理论，即卸压煤岩层内部结构演化规律、卸压煤层内的瓦斯吸附解吸规律和卸压煤岩层内瓦斯分布规律[11]是非常重要的。
4.2 煤层地质构造复杂、瓦斯抽采难度大
我国煤层瓦斯含量高，高瓦斯矿井多，煤田地质构造形态复杂多样，抽采难度巨大。现在我国重点煤矿矿井平均开采深度大多在420m，而且开采深度超过l000m的也有10多处，随着矿井开采深度的加大，瓦斯地应力和压力也会增加，瓦斯抽采难度进一步加大。
4.3 煤层瓦斯抽放不稳定、渗透率低下、利用困难
我国煤层大多具有含气饱和度、渗透率低和低变质程度高的特点，75％以上的渗透率小于0.0015p.m2，这无疑是加大了甲烷的抽采难度，目前，我国瓦斯抽采形式单一、抽采水平不高，混入其他气体较多，抽采的甲烷浓度普遍不高，这需要将抽采的甲烷进一步提纯才能加以利用，这无疑就给甲烷的综合利用造成了巨大的困难。
4.4 共采资金投入不足、观念有待提高
目前，我国煤与瓦斯共采实际应用的是极少数，更多的只是在进行理论基础研究。主要原因是瓦斯回收成本太高。在采空区采集的瓦斯, 混有大量的空气, 而氧气是极其危险的助燃物, 所以成为含氧瓦斯,为利用和输送造成了阻力。目前应该在四个方面进行研究:膜分离技术、变压吸附技术、燃烧脱氧技术和低温精馏分离技术。
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