【正文】 是我國(guó)各行各業(yè)都要遵循的安全生產(chǎn)方針。采煤作業(yè)作為高危險(xiǎn)行業(yè)，在安全生產(chǎn)方面尤為重視。但是隨著煤礦開采技術(shù)的快速發(fā)展，一方面煤礦機(jī)械化水平不斷提高，煤礦生產(chǎn)越來(lái)越高效化、集約化；另一方面隨著煤礦開采深度的不斷加深，采煤作業(yè)的不斷提速，使得礦井瓦斯涌出量一直處于上升狀態(tài)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成重大威脅。 近年來(lái)我 國(guó)煤礦安全生產(chǎn)狀況有明顯改善，百萬(wàn)噸 死亡率從 2020年的 降至 2020 年的 ，但是 與發(fā)達(dá)國(guó)家 的百萬(wàn)噸死亡率相比仍相差甚遠(yuǎn)，煤炭行業(yè) 在我國(guó) 仍然是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，煤礦事故發(fā)生率居高不下。而在這些事故中，瓦斯事故死亡人數(shù)所占比例最大 ； 據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤礦一次死亡 10 人以上的特大事故中有 70%以上是由于瓦斯（煤塵）爆炸事故 ； 2020 年～ 20201 年，工礦類相關(guān)行業(yè)死亡 10 人 /次以上特重大事故中，煤礦死亡人數(shù)就占 %～ %；而在煤礦企業(yè)所發(fā)生的一次死亡10 人以上事故中，瓦斯事故占死亡人數(shù)的 77%。這些血淋淋的事實(shí)無(wú)不說(shuō)明了瓦斯事故是制約煤礦安全生產(chǎn)的 “ 頭號(hào)大敵 ” [1]。 為了減少或解除礦井瓦斯對(duì)煤 礦安全生產(chǎn)的 威脅，就要利用機(jī)械設(shè)備和專用管道造成負(fù)壓，將煤層中賦存或釋放的瓦斯抽放出來(lái)，送到地面 或其它安全地點(diǎn)，也就是瓦斯抽放。瓦斯抽放對(duì)煤礦瓦斯治理有以下幾方面的作用 ：首先，瓦斯抽放可以減少開采時(shí)的瓦斯涌出量，從而減少瓦斯隱患和各種瓦斯事故，是保證安全生產(chǎn)的一項(xiàng)預(yù)防性措施。其次，瓦斯抽放可以減少通風(fēng)負(fù)擔(dān)，能夠解決通風(fēng)不易解決的瓦斯難題，降低通風(fēng)費(fèi)用。尤其針對(duì)瓦斯涌出量很大的礦井或采區(qū)，瓦斯抽放在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是必須的。最后，煤層中的瓦斯同樣是一種地下資源，將瓦斯抽采出來(lái)送到地面作為燃料和原料加以使用，可 以起到保護(hù)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。 因此，瓦斯抽放已成為我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害治理的主要技術(shù)手段。 新疆焦煤集團(tuán) XX 煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力 ，服務(wù)年限為 44a，根據(jù)瓦斯涌出預(yù)測(cè)，XX 煤礦的礦井相對(duì)瓦斯涌出量為 m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量 m3/min，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量遠(yuǎn)大于高低瓦斯礦井臨界量的 40m3/min，該礦井屬于高瓦斯礦井。并且該礦井通過(guò)通風(fēng)方式無(wú)法消除瓦斯隱患，安全難以得到保證，所以本次對(duì) XX 煤礦進(jìn)行的瓦斯抽放設(shè)計(jì)，具有防止該煤礦發(fā)生瓦斯事故，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)該煤礦本質(zhì)安 全化的重要作用。 國(guó)內(nèi)外瓦斯抽放現(xiàn)狀 國(guó)外瓦斯抽放現(xiàn)狀 在抽放理論方面， 在 1907年美國(guó)學(xué)者 Chamberlin和 Darton研究概括出了甲烷聚集和運(yùn) 2 移的機(jī)理 ； 1928年 Rice提出了在采煤前采用垂直鉆孔從煤層中除去甲烷的設(shè)想 ； 在隨后的 40年里，控制甲烷的通用做法仍然是降低煤炭產(chǎn)量和建立復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng) [2]。 1964年Lindine等根據(jù)所觀察的 瓦斯 含量和殘余 瓦斯 含量與深度之間存在 的非線性函數(shù)關(guān)系，提出了第一個(gè)預(yù)測(cè)生產(chǎn)礦井瓦斯涌出量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?； 1968年， Airey從理論上導(dǎo)出了第一個(gè)預(yù) 測(cè)礦井靜止工作面瓦斯釋放量的偏微 分方程，采用解析法求解，建立了一維、單孔隙、氣相的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型 ； 1972年 PriceAbdalla提出了二維、單孔隙、氣水兩相綜合性產(chǎn)量預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型和有限差分的數(shù)值模型，該模型能求解具不規(guī)則邊界的條件和模擬工作面推進(jìn)的移動(dòng)內(nèi)邊界問(wèn)題，并且開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件 NTERCOMP_1； 1978年美國(guó)煤礦局提出了 定向傾斜鉆孔 法來(lái)抽采煤層瓦斯，該方法將是地面垂直鉆孔和煤層中水平針孔相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了彎曲鉆孔 [3]。 在抽放量 方面 ， 1910 年為 促進(jìn)安全生產(chǎn)，減少甲烷災(zāi)害，美國(guó)成立了礦業(yè) 局這一專門的政府機(jī)構(gòu) ，開始監(jiān)督抽放密閉瓦斯； 1934 年日本北海道新愰內(nèi)礦抽放密閉區(qū)瓦斯，這是人類歷史上首次在工業(yè)規(guī)模上利用機(jī)械開采 瓦斯 ； 隨后，煤礦瓦斯抽放在西歐、美國(guó)、前蘇聯(lián)、東亞開始迅猛發(fā)展 ； 1949~1950 年間，比利時(shí)和英國(guó)先后進(jìn)行的工業(yè)規(guī)模的瓦斯抽放，年抽放量達(dá) 5700m3； 1951~1987 年間，世界煤礦瓦斯呈線性增加，自 1951年的 億 m3 增至 1987 年的 億 m3，抽放瓦斯的礦井由 68 個(gè)增至 619 個(gè)，單個(gè)抽放礦井的平均抽放量由 1951 年的 198 萬(wàn) m3/井，增至 1987 年的 877 萬(wàn) m3/井 ； 到目前為止 [3]，世界上已有 17 個(gè)采煤國(guó)家進(jìn)行了瓦斯抽放，年抽放量超過(guò)了 1 億 m3的國(guó)家有10 個(gè)，如 俄 、德、英、中、法、美、波、日、澳等 ； 其中原蘇聯(lián)抽放的瓦斯量最多，達(dá) 億 m3，德、英年抽放量均在 5 億 m3以上。這些國(guó)家都把抽放瓦斯的工作作為治理瓦斯的生產(chǎn)工序，是高瓦斯含量煤層回采中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié) [4]。 年瓦斯抽放量得到井噴式發(fā)展主要有兩個(gè)原因：一是這期間抽放瓦斯礦井?dāng)?shù)目大大增加，二是單個(gè)礦井的年瓦斯抽放量的增長(zhǎng)。這期間為提高瓦斯抽放率，各國(guó)都對(duì)瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行了研究：前蘇聯(lián)針對(duì)低透氣 性煤層難抽問(wèn)題，在頓巴斯、卡拉干達(dá)和庫(kù)基巴斯礦區(qū)最先提出并試驗(yàn)應(yīng)用了交叉鉆孔強(qiáng)化預(yù)抽煤層瓦斯的方法，顯著提高了低透氣性煤層的瓦斯抽放率；而日本針對(duì)開采深度大的煤層時(shí)采用大直徑鉆孔來(lái)提高抽采效果；德國(guó)和捷克通過(guò)向煤層打放射狀鉆孔以延長(zhǎng)抽采時(shí)間，成功達(dá)到了提高瓦斯抽采量的目的；在封孔工藝上，德國(guó)和日本在首先推廣應(yīng)用聚氨酯封孔技術(shù)，使抽放負(fù)壓達(dá)到 50KPa 以上 ， 近年來(lái)由于石油、天然氣能源的急缺，煤層氣作為煤炭的伴生能源更是受到熱捧，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家掀起了對(duì)瓦斯抽采開發(fā)試驗(yàn)的新浪潮 [5]。針對(duì)美國(guó)煤層埋藏穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單、透氣性好、傾角低的優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)則是采用石油鉆井的成熟工藝在井下水平長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯，獲得了很大的成功 [6]。 3 總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外瓦斯抽放技術(shù)已經(jīng)較為成熟，現(xiàn)在主要采用綜合的總體抽放方式，在掘進(jìn)過(guò)程中抽放瓦斯，回采過(guò)程中邊采邊抽和采空區(qū)抽放千方百計(jì)增加瓦斯抽放量，提高瓦斯抽放率，同時(shí)建立瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，為礦井的安全生產(chǎn)提供保障。 國(guó)內(nèi)瓦斯抽放現(xiàn)狀 （ 1） 抽放技術(shù)的發(fā)展情況 我國(guó)工業(yè)抽放瓦斯始于 1938 年的撫順龍鳳 礦 ，但系統(tǒng)地連續(xù)抽放瓦斯是 1952 年在龍風(fēng)礦建抽放瓦斯泵站開始的 ， 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，無(wú)論瓦 斯抽放方法，還是抽放瓦斯裝備等均具有較先進(jìn)的水平 [7]。特別 是近十年來(lái)，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展 ， 礦井?dāng)?shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過(guò)程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，因此需要抽放瓦斯的礦井越來(lái)越多。由此帶動(dòng)了中國(guó)煤礦瓦斯抽放技術(shù) 的迅速發(fā)展，目前瓦斯抽放技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中得到了普遍的推廣應(yīng)用。 2020 年 時(shí) 我國(guó)共有 141 個(gè)礦井建立了地面永久瓦斯泵站進(jìn)行抽放瓦斯，年抽放量達(dá) 866 Mm3； 到 2020 我國(guó)年 抽放礦井?dāng)?shù)達(dá)到 237 個(gè) ， 抽放量達(dá)到 1984Mm3； 近年來(lái) 我國(guó)瓦斯抽放量如 表 [8]。 表 我國(guó)各年的瓦斯抽放量 年份 抽放量 /Mm3 年份 抽放量 /Mm3 1992 年 534 2020 年 866 1993 年 536 2020 年 984 1994 年 564 2020 年 1146 1995 年 600 2020 年 1520 1996 年 634 2020 年 1929 1997 年 728 2020 年 2133 1998 年 742 2020 年 2614 1999 年 835 2020 年 1984 我國(guó)煤礦瓦斯抽放技術(shù)，大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段 [9]： ① 高透氣性煤層瓦斯抽放階段。 50 年 代初期，在撫順高透氣性特厚煤層中首次采用井下鉆孔預(yù)拄煤層瓦斯，獲得了成功。解決了撫順礦區(qū)向深部發(fā)展的安全關(guān)鍵問(wèn)題，而且抽出的瓦斯還被作為民用燃料得到了應(yīng)用。 ② 鄰近層卸壓瓦斯抽放階段。 50 年代中期，在開采煤層群的礦井中，采用穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯的試驗(yàn)在陽(yáng)泉礦區(qū)首先獲得成功，解決了煤層群開采中首采工作面瓦斯涌出量大的問(wèn)題。此后在陽(yáng)泉又試驗(yàn)成功頂板收集瓦斯巷 (高抽巷 )抽放上鄰近層瓦斯，抽放率達(dá) 60％一 70％。 60 年代以后，鄰近層卸壓瓦斯抽放技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。 ③ 低透氣性煤層強(qiáng)化抽瓦斯階段。由于 在我國(guó)一些透氣性較差的高瓦斯煤層及突出危險(xiǎn)煤層采用通常的布孔方式預(yù)抽瓦斯的效果不理想、難以解除煤層開采時(shí)的瓦斯威脅，為此，從 60 年代開始。試驗(yàn)研究了多種強(qiáng)化抽放開采煤層瓦斯的方法，如煤層注水，水 4 力壓裂．水力割縫，松動(dòng)爆破，大直徑 (擴(kuò)孔 )鉆孔，網(wǎng)格式密集布孔，預(yù)裂控制爆破，交叉布孔等。在這些方法中。多數(shù)方法在試驗(yàn)區(qū)取得了提高瓦斯抽放量的效果，但仍處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有大范圍推廣應(yīng)用。 ④ 綜合抽瓦斯階段。從 80 年代開始隨著機(jī)采、綜采和綜放采煤技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采區(qū)巷道布置方式有了新的改變，采掘推進(jìn)速度加快、開采強(qiáng)度 增大，使工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有鄰近層的工作面，其瓦斯涌出量的增長(zhǎng)幅度更大。為了解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的問(wèn)題，必須結(jié)合礦井的地質(zhì)條件，實(shí)施綜合抽放瓦斯。所謂綜合抽放瓦斯就是：把開采煤層瓦斯采前預(yù)抽、卸壓鄰近層瓦斯采后抽及采空區(qū)瓦斯采后抽等多種方法在一個(gè)采區(qū)內(nèi)綜合使用，使瓦斯抽放量及抽放率達(dá)到最高。 （ 2） 瓦斯抽放方法 根據(jù)我國(guó)煤層地質(zhì)條件和瓦斯賦存特點(diǎn)，我國(guó)自主開展了多種瓦斯抽放方法。根據(jù)抽放對(duì)象的不同，可分為本煤層瓦斯抽放、鄰近層瓦斯抽放和采空區(qū)瓦斯抽放。目前，煤礦應(yīng) 用最為普遍的瓦斯抽放方法有如下 6 種 [10]： ① 本煤層采前預(yù)抽。 指采用巷道或打鉆孔的方式在開采前抽放開采煤層內(nèi)含有的瓦斯的方法，可以分為巷道預(yù)抽和鉆孔預(yù)抽。巷道預(yù)抽 煤體卸壓范圍大，煤的暴露面積大，有利于瓦斯釋放 ， 但密閉困難，巷道內(nèi)易引起自燃發(fā)火， 目前很少使用。鉆孔預(yù)抽鉆孔貫穿煤層，瓦斯很容易沿層理面流入鉆孔，有利于提高抽放效果，而且 抽放工作是在掘進(jìn)和回采之前進(jìn)行的，能大大減少生產(chǎn)過(guò)程中的瓦斯涌出量，但抽放的煤層沒(méi)有受采動(dòng)影響，煤層壓力變化不大，透氣性低的煤層可能達(dá)不到預(yù)抽效果，目前被廣泛使用。 ② 本煤層邊采 邊抽。 即在工作面前方，在進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷中每隔一定距離打平行于工作面的鉆孔 ，然后插管、封孔進(jìn)行抽放，也可以每隔一段距離（ 2030m）掘一鉆場(chǎng)，布置 3 個(gè)扇形鉆孔，然后插管、封孔進(jìn)行抽放。此方法由于采動(dòng)影響，煤層已卸壓，煤層透氣性增加，抽放效果好，不受采掘工作影響和時(shí)間限制，具有較強(qiáng)的靈活性和針對(duì)性，但開孔位置在煤層，封孔不易保持嚴(yán)密，影響抽放效果和瓦斯?jié)舛取? ③ 本煤層邊掘邊抽。 即在掘進(jìn)巷道兩幫每隔一定距離掘一鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)向工作面推進(jìn)的方向打 23 個(gè)超前鉆孔，然后插管、封孔進(jìn)行抽放。隨著工作面的推進(jìn)，鉆場(chǎng)和鉆孔 也向前排列。此方法的工作面前方和巷道兩幫一范圍內(nèi)的應(yīng)力已發(fā)生變化 ，因而游離和解吸瓦斯能直接被鉆孔抽出，透氣性低的煤層也會(huì)獲得一定的效果，但增加了鉆場(chǎng)和打孔的工程量和時(shí)間，對(duì)掘進(jìn)速度有一定影響，有漏風(fēng)，抽放率低。 ④ 鄰近層鉆孔抽放。 指煤層群條件下，受開采層的采動(dòng)影響，其上部或下部的鄰近煤層得到卸壓后會(huì)發(fā)生膨脹，其透氣性會(huì)大幅提高，鄰近煤層的卸壓瓦斯會(huì)通過(guò)層間裂 5 隙大量涌向開采層，為防止和減少鄰近層瓦斯涌向開采層，在井下鉆孔來(lái)抽采這部分瓦斯的方法。此方法 抽采負(fù)壓與通風(fēng)負(fù)壓方向一致，有利于提高抽采效果， 且 斯管道設(shè)在回風(fēng)巷，容易管理，有利于安全。 ⑤ 鄰近層巷道抽放。 主要指在開采層的頂部處于采動(dòng)形成的裂隙帶內(nèi)挖掘?qū)Ｓ玫某橥咚瓜锏?，用以抽采上鄰近層的卸壓瓦斯。巷道可以布置在鄰近煤層或巖層內(nèi)。 使用較少， 陽(yáng)泉礦是鄰近層巷道抽放瓦斯方式的先驅(qū)，瓦斯抽放效果也最為顯著，工作面瓦斯抽放率普遍高于 70％，最高時(shí)達(dá)到 90％以上。目前，該方法已在陽(yáng)泉礦區(qū) 15 號(hào)煤層工作面廣泛推廣。 ⑥ 采空區(qū)瓦斯抽放。 采空區(qū)瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要來(lái)源之一，而采空區(qū)瓦斯抽放具有抽放流量大、來(lái)源穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為回采工作面瓦斯治理的重要手段。尤其是對(duì)于本煤層 預(yù)抽效果不理想、采空區(qū)瓦斯涌出量大的工作面，采空區(qū)抽放方法是首選的抽放方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)高瓦斯礦井采空區(qū)瓦斯抽放進(jìn)行了大量的研究，隨著煤礦安全生產(chǎn)以及對(duì)瓦斯利用的重視，采空區(qū)抽放比例正在逐步增大。 （ 3） 我國(guó)瓦斯 抽放 現(xiàn)存問(wèn)題 作為防治瓦斯災(zāi)害事故的主要技術(shù)措施的瓦斯抽放技術(shù)雖然取得了較快地發(fā)展，但總體上看水平仍然較低。我國(guó)目前的平均抽放率僅有 23％，而俄羅斯、美國(guó)、澳大利亞等主要采煤國(guó)家的抽放率均在 50％以上，大大高于我國(guó)。我國(guó)抽放率低的原因主要有幾點(diǎn)[11]： ① 抽放不穩(wěn)定，利用閑難。在瓦斯抽放過(guò)程中 ，對(duì)瓦斯?jié)舛荣|(zhì)量是否符合利用要求、抽放量是否穩(wěn)定考慮不夠，抽放水平不高、抽放形式單一，混入空氣較多，給綜合利用造成很大困難。 ② 單純抽放，利用量小，利用率低。目前我國(guó)大部分煤礦對(duì)瓦斯的抽放重點(diǎn)放在了抽放而非綜合利用，造成了許多煤礦瓦斯的利用形式單一，一般均是以民用為主，個(gè)別煤礦用以發(fā)電、汽車燃料等項(xiàng)目，但總體利用率都很低。 ③ 資金投入不足。目前，我國(guó)煤礦瓦斯抽放主要是靠專項(xiàng)資金來(lái)維持，也僅以維持煤礦安全生產(chǎn)為目的，對(duì)如何加大瓦斯抽放量，提高瓦斯質(zhì)量，擴(kuò)大利用范圍考慮不多。同時(shí)，由于投放資金有限，抽放鉆孔工程 量太小，無(wú)法加大鉆孔密度以形成網(wǎng)格式布孔，適應(yīng)中國(guó)這樣的低透氣性煤層的抽放條件，增大煤層透氣性。 ④ 針對(duì)瓦斯抽放礦井，礦井回風(fēng)流中的瓦斯直接排放。目前，中國(guó)的瓦斯綜合利用工程只是針對(duì)瓦斯抽放