【正文】 1 緒論 研究背景及意義 煤炭是我國的主體能源和重要資源，國民經濟的快速發(fā)展，對煤炭的需求日益增加，然而伴隨著煤炭的高強度開采，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等瓦斯事故也頻繁發(fā)生。由表 11 可分析 出 在我國礦井中，高瓦斯礦井和突出礦井占比例較大，因而瓦斯問題更加嚴峻。 2021 年，我國原煤產量由關井壓產前的 13億 t 降至 10 億 t，煤炭生產死亡 5798 人，百萬噸死亡率為 ，是俄羅斯的 12倍，印度的 16 倍，美國的 182 倍。瓦斯災害是造成我國 煤礦 災害 事故 嚴重的主要原因。 2021 年，我國 煤礦 共發(fā)生一次死亡 3～ 9 人重大 事故 367 起，共計死亡 1694 人，其中 ， 瓦斯 事故 267 起，死亡 1281 人，分別占 3～ 9 人重大 事故 起數(shù)的 ％、死亡人數(shù)的 ％；發(fā)生一次死亡 10 人以上的特大 事故75 起，死亡 1398 人，其中，瓦斯 事故 69 起，死亡 1319 人，分別占 10 人以上特大 事故 起數(shù)的 ％、死亡人數(shù)的 ％ [1]。 由于煤礦事故多，死亡人數(shù)多，造成了我國煤礦的百萬噸死亡率一直居高不下，特別是煤礦重大及特大瓦 斯災害事故的頻發(fā)，不但造成國家財產和公民生命的巨大損失，而且嚴重影響了我國的國際聲譽。 由下圖 和圖 可知，我國已度過了事故高發(fā)期，隨著近年來安全投入力度增大，煤礦安全事故總體呈下降趨勢， 2021 年煤礦事故死亡人數(shù)達到了 1973 人， 2021 年降至 1384 人。不難看出，煤礦事故中， 瓦斯 事故 為 主要災害 [2]。瓦斯災害已成為制約高效開采和安全生產的最重要因素。對于高瓦斯以及瓦斯突出礦井，單純采用通風的方法難以把工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂圃谠试S的范圍內，因此，強化瓦斯 抽采 才是防止瓦斯災害事故最有效的途徑。 表 11 瓦斯礦井數(shù)量和比例 礦井 瓦斯等級 國有重點煤礦 年產量大于 3000 噸國有重點煤礦 總計 數(shù)量 比例 數(shù)量 比例 數(shù)量 比例 瓦斯礦井 338 973 1311 高瓦斯礦井 164 938 1102 突出礦井 107 184 291 總計 609 2095 2704 圖 20212021年煤礦事故死亡人數(shù) 圖 20212021年煤礦 事故統(tǒng)計分析 在過去的二十年里，我國煤炭科學技術取得了前所未有的突破。與此同時，伴隨著現(xiàn)代化、科技化、機械化、自動化和大強度煤炭開采規(guī)模的不斷擴大，導致了整個礦井的采動空間和開 采范圍劇增，使得回采工作面以及采空區(qū)的瓦斯呈現(xiàn)出高強度、高速率、大體積和非均勻式的涌出特點，同時更增大了有關專 家對各種煤礦瓦斯災害防治的難度系數(shù)。為滿足國內企業(yè)對煤炭與日俱增的需要，保證我國經濟快速、穩(wěn)定的發(fā)展，很多煤礦企業(yè)開始引進國外先進的生產設備，不斷進行技術革新，特別是在高效率、高產量的集約化生產和綜合采煤工藝方面取得了前所未 有的跨越式進步。取得可喜成績的同時，我們也看到了我國煤礦瓦斯安全高效 抽采 技術的發(fā)展速度緩慢，仍舊遠遠落后于全國煤炭產量的提高速度，這就給煤礦安全生產工作埋下了重大的隱患。 礦井瓦斯對煤礦安全生產工作的突出性危害有三個大方面：爆炸、突出和窒息。特別的，煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故不僅能對礦井巷道設施造成巨大的毀壞（如井巷垮塌），而且常常會導致礦井火災、水災和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災害事故的連續(xù)發(fā)生。更嚴重的是，此類事故會造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計的財產損失。 統(tǒng)計表明 [2]， 我國高瓦斯礦井和有瓦 斯突出危險的礦井占到了全國礦井總數(shù)量的 30%左右，而重、特大惡性瓦斯事故的高發(fā)生頻率并沒有得到根本性的解決，這將嚴重阻礙著未來我國煤礦安全生產工作的順利進行。因此，煤礦瓦斯 抽采 工作，勢在必行。煤礦瓦斯 抽采 是減少礦井瓦斯涌出量的重要途徑之一，對于礦井瓦斯災害事故的防治具有重要的作用 [34]。 首先，采取瓦斯 抽采 的辦法能夠有效地解決井下瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，提高煤礦開采過程中的安全性。當對井下進行瓦斯 抽采 之后，采空區(qū)瓦斯涌出量將會降低 70%以上，同時還能大大降低井下通風成本費用。 瓦斯 抽采 另一個好處是變害為利，瓦 斯在嚴重影響煤礦安全的同時，瓦斯又是一種重要的礦物能源，每立方米瓦斯的燃燒熱為 107J，相當于 1～ 煙煤 [9]，人們可以對 抽采 出的瓦斯進行合理利用，為我國的工業(yè)生產和人民生活服務，取得較好的社會和經濟效益。 國內外瓦斯抽采研究現(xiàn)狀 國內研究現(xiàn)狀 下面從瓦斯抽采量、瓦斯抽采率、瓦斯抽采方法、瓦斯抽采存在的問題等四個方面介紹國內煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀。 ① 瓦斯抽采量： 近年來，我國也開始重視對煤層氣的開發(fā)和利用，煤礦井下瓦斯抽采從少到多，據(jù)統(tǒng)計 [12]， 2021 年我國煤礦建立了地面 永久瓦斯泵站的礦井有 141 個，年抽采量達 億 m179。 2021 年，國家煤礦安全監(jiān)察局制定了 “先抽后采，以風定產，監(jiān)測監(jiān)控 ”的煤礦瓦斯防治方針，強化了瓦斯抽采治理瓦斯災害的地位，《煤礦安全規(guī)程》也以法規(guī)的形式對煤礦瓦斯抽采作了詳盡的規(guī)定，我國實施瓦斯抽采的礦井數(shù)量和瓦斯抽采量逐年穩(wěn)步上升 [56]。2021 年抽采礦井達到 193 個，抽采量達 億 m179。 2021 年全國煤礦瓦斯累計抽采瓦斯量達 23 億 m179。而 2021 年的抽采量到達 32 億 m179。，利用量達 億 m179。到了 2021 年，全國瓦斯抽采達 億 m179。，利用量 億 m179。 2021年我國礦井瓦斯抽采量達到 55 億 m179。，同年 8 月，國土資源部最新的煤層氣資源評價中指出：中國煤層氣資源非常豐富，全國埋深 2021 米以淺煤層氣地質資源量為 萬億 m179。，相當于國內目前常規(guī)天然氣的地質資源量（ 35 萬億m179。），是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三大煤層氣儲藏國。到 2021 年全國299 處原國有重點煤礦高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井中，有 283[13]個建立了瓦斯抽采系統(tǒng)，全國抽采兩量達 65 億 m179。，利用量達到 億 m179。 2021 年 1 月 5日，全國煤礦瓦斯防治部際協(xié)調領導小組 第八次會議中指出， 2021 年全國煤層氣抽采量 88 億 m179。，利用量 36 億立方米。另外會議還要求， 2021 年我國煤層氣抽采量要達 110 億 m179。，利用量要達 50 億 m179。[11]。 具體抽采量如下表所示： 表 12 20212021 年我國瓦斯抽采量 年份 抽采量 /億 m179。 年份 抽采量 /億 m179。 年份 抽采量 /億 m179。 2021 2021 2021 65 2021 2021 2021 88 2021 2021 44 2021 115 2021 2021 55 2021 125 由表可以分析：自 2021 年至 2021 年十二年間我國瓦斯抽采量逐年增長，一方面說明我國科技飛速發(fā)展，同時也反映了我國煤礦治理取得了重大突破。近幾年，隨著煤層開采深度的不斷增加，任何單一瓦斯抽采方法都無法有效地解決煤礦瓦斯隱患。因此，國內礦井，特別是高瓦斯低透氣性礦井開始采取多種瓦斯抽采技術綜合應用的辦法，用以提高了瓦斯抽采量。 ② 瓦斯抽采率： 晉城、撫順、陽泉、松藻、天府、淮南、盤江、鐵法、石炭井、水城、平頂山、芙蓉、中梁山、南桐、淮北、鶴崗、峰峰、焦作、豐城、六枝是我國的主要 瓦斯抽采礦區(qū)。據(jù)統(tǒng)計， 2021 年其抽采率分別為 %、%、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、%、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、%、 %、 %[11]。 各礦區(qū)按照抽采率大小，我國主要瓦斯抽采礦區(qū)可以劃分為 3 類： Ⅰ 類礦區(qū)：瓦斯抽采率＞ 40％，抽采效果好； Ⅱ 類礦區(qū)：瓦斯抽采率 25％～ 40％，抽采效果一般 ； Ⅲ 類礦區(qū)：瓦斯抽采率＜ 25％，抽采效果差； 我國主要瓦斯抽采礦區(qū)的瓦斯抽采效果分類情況（見表 13） [11]。 表 13 我國主要抽采礦區(qū)瓦斯抽采效果分類 瓦斯 抽采 效果 類別 礦區(qū)數(shù) /個 平均瓦斯 抽采 率 /％ 占主要瓦斯 抽采 礦區(qū)數(shù)的比例 /％ Ⅰ 類 5 Ⅱ 類 4 Ⅲ 類 12 由表 13 看出，我國主要瓦斯 抽采 礦區(qū)總體瓦斯 抽采 效果不好。瓦斯 抽采效果好的 Ⅰ 類礦區(qū)只有 5 個，僅占主要瓦斯 抽采 礦區(qū)數(shù)的 ％，平均瓦斯抽采 率為 ％；瓦斯 抽采 效果一般的 Ⅱ 類礦區(qū)有 4 個，占主要瓦斯 抽采 礦區(qū)數(shù) ％，平均瓦斯 抽采 率為 ％；瓦斯 抽采 效果差的 Ⅲ 類礦區(qū)多達12 個，占主要瓦斯 抽采 礦區(qū)數(shù)高達 ％，平均瓦斯 抽采 率僅為 ％。如果考慮所有 抽采 瓦斯礦井，瓦斯 抽采 率低于 25％的礦井比例更會大。 ③ 瓦斯 抽采 方法： 隨著煤炭工業(yè)技術的發(fā)展，瓦斯 抽采 技術也得到了不斷地提高和發(fā)展，我國煤礦瓦斯 抽采 技術大致經歷了五個發(fā)展階段： （ 1）高透氣性煤層瓦斯 抽采 階段 20 世紀 50 年 代初期，在高透氣性特厚煤層中（如撫順礦區(qū)）首次采用井下鉆孔預抽煤層瓦斯，成功解決了礦區(qū)向深部發(fā)展過程中的瓦斯安全問題，獲得了理想的效果。但由于當時對煤層透氣性與瓦斯 抽采 效果間的關系認識不深，對于將該方法應用于透氣性較小的礦井效果較差。 （ 2）鄰近層卸壓瓦斯 抽采 階段 20 世紀 50 年代中期，在開采煤層群礦井中，首先在陽泉礦區(qū)采用穿層鉆孔 抽采 上鄰近層瓦斯獲得成功，解決了煤層群開采中首采工作面瓦斯涌出量大的問題。隨后試驗了頂板瓦斯高抽巷 抽采 上鄰近層瓦斯技術，該方法在不同煤層賦存條件下的上、下鄰近層中取得了較好應用效 果。 （ 3）低透氣性煤層強化 抽采 瓦斯階段 由于在我國一些透氣性較差的高瓦斯煤層及有突出危險的煤層采用通常的布孔方式預 抽采 瓦斯的效果不理想、難以解除煤層開采時的瓦斯威脅，為此，從 60 年代開始，試驗研究了多種強化 抽采 開采煤層瓦斯的方法，如煤層注水，水力壓裂，水力割縫，松動爆破，大直徑鉆孔，網(wǎng)格式密集布孔，預裂控制爆破，交叉布孔等。在這些方法中，多數(shù)方法在試驗中取得了提高瓦斯 抽采 量的效果，但仍處于試驗階段，沒有大范圍推廣應用。如本煤層瓦斯 抽采 ，其難點在于低透氣性煤層瓦斯難以抽出。 我國 20 世紀 70 年代曾經試驗過水 力割縫、水力壓裂等方法，但由于工藝復雜、技術難度大，還必須有一些特殊設備等原因，難以大面積推廣使用。 80年代后又對預裂爆破增大煤層透氣性的方法進行了試驗研究，但其工藝復雜、技術難度大，沒能大規(guī)模推廣應用。 20 世紀末，我國和俄羅斯在焦作合作開展了交叉鉆孔 抽采 本煤層瓦斯的試驗，取得了較好的效果。經分析研究認為，交叉布孔除了由于交叉增加煤體卸壓范圍、提高透氣性外，還由于鉆孔相互交叉影響，可避免因某一鉆孔坍塌堵塞而影響正常 抽采 。另外斜向鉆孔還可延長鉆孔在回采工作面前方卸壓帶內的瓦斯 抽采 時間。因而交叉鉆孔可以較好地提高開采層的 抽采 瓦斯效果。 再有水平長鉆孔 抽采 本煤層瓦斯，過去由于打鉆裝備及工藝問題，始終打不出理想的長鉆孔。近幾年由于鉆機研究開發(fā)的突破，使得打本煤層長鉆孔 抽采 效果有了很大改善。再如采空區(qū) 抽采 ，過去一直沒有克服抽采 濃度低、 抽采 量小的問題，近些年由于大型 抽采 泵的出現(xiàn)以及 抽采 工藝的進一步優(yōu)化，使采空區(qū) 抽采 有前所未有的發(fā)展 。 （ 4）綜合 抽采 瓦斯階段 20 世紀 80 年代，隨著普采、綜采和綜放采煤技術的發(fā)展和應用，采區(qū)巷道布置方式有了新的改變，采掘推進速度加快、開采強度增大，使工作面絕對瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有鄰近 層的工作面。為解決高產高效工作面瓦斯涌出量大、瓦斯涌出源多的問題，須結合礦井地質條件及涌出情況，實施綜合 抽采 。綜合 抽采 瓦斯就是把開采煤層瓦斯采前預抽、卸壓瓦斯邊采邊抽及采后 抽采 等多種方法在同一采區(qū)、工作面內使用，采用該方法能夠最大限度利用時間及空間來增加瓦斯 抽采 量、提高 抽采 濃度及 抽采 率。 （ 5）立體 抽采 瓦斯階段 近年來，試驗研究了地面鉆孔井與井下鉆孔聯(lián)合 抽采 礦井瓦斯。地面鉆孔對開采層進行壓裂、 抽采 瓦斯以及對采動影響卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯進行 抽采 。在開采過程中，井下鉆孔對煤層瓦斯進行 抽采 ，實現(xiàn)立體 抽采 方式。解決了開采煤層預抽時間短、 抽采 率低的問題，是實現(xiàn)礦井煤與瓦斯安全共采的最根本方法。隨著煤炭工業(yè)技術的發(fā)展，瓦斯 抽采 技術也得到了不斷地提高和發(fā)展。 具體方法如下圖所示： 圖 瓦斯抽采方法示意圖 選擇瓦斯 抽采 方法主要根據(jù)礦井瓦斯來源、煤層賦存狀況、采掘布置、開采程序以及開采地質條件等因素進行綜合考慮，由于我國礦井數(shù)量眾多，且煤層賦存條件復雜多樣，因此我國試驗和應用過許多 抽采 方法。針對不同的煤層賦存條件， 抽采 方法是不同的，下表列舉了本煤層、鄰 近層、采空區(qū)、圍巖的瓦斯 抽采 分類、 抽采 方法和其 抽采 的適用條件。 瓦斯 抽采 方法 采前 抽 采 （預抽） 采中 抽采 （邊采邊抽） 采后 抽采 本煤層 抽采 地面鉆井 穿層鉆孔