【正文】 1 緒論 研究背景及意義 煤炭是我國(guó)的主體能源和重要資源，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭的需求日益增加，然而伴隨著煤炭的高強(qiáng)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(guó)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(yán)峻。 2021 年，我國(guó)原煤產(chǎn)量由關(guān)井壓產(chǎn)前的 13億 t 降至 10 億 t，煤炭生產(chǎn)死亡 5798 人，百萬(wàn)噸死亡率為 ，是俄羅斯的 12倍，印度的 16 倍，美國(guó)的 182 倍。瓦斯災(zāi)害是造成我國(guó) 煤礦 災(zāi)害 事故 嚴(yán)重的主要原因。 2021 年，我國(guó) 煤礦 共發(fā)生一次死亡 3～ 9 人重大 事故 367 起，共計(jì)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(guó)煤礦的百萬(wàn)噸死亡率一直居高不下，特別是煤礦重大及特大瓦 斯災(zāi)害事故的頻發(fā)，不但造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)和公民生命的巨大損失，而且嚴(yán)重影響了我國(guó)的國(guó)際聲譽(yù)。 由下圖 和圖 可知，我國(guó)已度過了事故高發(fā)期，隨著近年來(lái)安全投入力度增大，煤礦安全事故總體呈下降趨勢(shì)， 2021 年煤礦事故死亡人數(shù)達(dá)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(zāi)害 [2]。瓦斯災(zāi)害已成為制約高效開采和安全生產(chǎn)的最重要因素。對(duì)于高瓦斯以及瓦斯突出礦井，單純采用通風(fēng)的方法難以把工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂圃谠试S的范圍內(nèi)，因此，強(qiáng)化瓦斯 抽采 才是防止瓦斯災(zāi)害事故最有效的途徑。 表 11 瓦斯礦井?dāng)?shù)量和比例 礦井 瓦斯等級(jí) 國(guó)有重點(diǎn)煤礦 年產(chǎn)量大于 3000 噸國(guó)有重點(diǎn)煤礦 總計(jì) 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(jì) 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(jì)分析 在過去的二十年里，我國(guó)煤炭科學(xué)技術(shù)取得了前所未有的突破。與此同時(shí)，伴隨著現(xiàn)代化、科技化、機(jī)械化、自動(dòng)化和大強(qiáng)度煤炭開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了整個(gè)礦井的采動(dòng)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(qiáng)度、高速率、大體積和非均勻式的涌出特點(diǎn)，同時(shí)更增大了有關(guān)專 家對(duì)各種煤礦瓦斯災(zāi)害防治的難度系數(shù)。為滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)煤炭與日俱增的需要，保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)定的發(fā)展，很多煤礦企業(yè)開始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，不斷進(jìn)行技術(shù)革新，特別是在高效率、高產(chǎn)量的集約化生產(chǎn)和綜合采煤工藝方面取得了前所未 有的跨越式進(jìn)步。取得可喜成績(jī)的同時(shí)，我們也看到了我國(guó)煤礦瓦斯安全高效 抽采 技術(shù)的發(fā)展速度緩慢，仍舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于全國(guó)煤炭產(chǎn)量的提高速度，這就給煤礦安全生產(chǎn)工作埋下了重大的隱患。 礦井瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作的突出性危害有三個(gè)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(duì)礦井巷道設(shè)施造成巨大的毀壞（如井巷垮塌），而且常常會(huì)導(dǎo)致礦井火災(zāi)、水災(zāi)和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災(zāi)害事故的連續(xù)發(fā)生。更嚴(yán)重的是，此類事故會(huì)造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失。 統(tǒng)計(jì)表明 [2]， 我國(guó)高瓦斯礦井和有瓦 斯突出危險(xiǎn)的礦井占到了全國(guó)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(yán)重阻礙著未來(lái)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。因此，煤礦瓦斯 抽采 工作，勢(shì)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(duì)于礦井瓦斯災(zāi)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(dāng)對(duì)井下進(jìn)行瓦斯 抽采 之后，采空區(qū)瓦斯涌出量將會(huì)降低 70%以上，同時(shí)還能大大降低井下通風(fēng)成本費(fèi)用。 瓦斯 抽采 另一個(gè)好處是變害為利，瓦 斯在嚴(yán)重影響煤礦安全的同時(shí)，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(dāng)于 1～ 煙煤 [9]，人們可以對(duì) 抽采 出的瓦斯進(jìn)行合理利用，為我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)和人民生活服務(wù)，取得較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó)內(nèi)外瓦斯抽采研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)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(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀。 ① 瓦斯抽采量： 近年來(lái)，我國(guó)也開始重視對(duì)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(jì) [12]， 2021 年我國(guó)煤礦建立了地面 永久瓦斯泵站的礦井有 141 個(gè)，年抽采量達(dá) 億 m179。 2021 年，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局制定了 “先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控 ”的煤礦瓦斯防治方針，強(qiáng)化了瓦斯抽采治理瓦斯災(zāi)害的地位，《煤礦安全規(guī)程》也以法規(guī)的形式對(duì)煤礦瓦斯抽采作了詳盡的規(guī)定，我國(guó)實(shí)施瓦斯抽采的礦井?dāng)?shù)量和瓦斯抽采量逐年穩(wěn)步上升 [56]。2021 年抽采礦井達(dá)到 193 個(gè)，抽采量達(dá) 億 m179。 2021 年全國(guó)煤礦瓦斯累計(jì)抽采瓦斯量達(dá) 23 億 m179。而 2021 年的抽采量到達(dá) 32 億 m179。，利用量達(dá) 億 m179。到了 2021 年，全國(guó)瓦斯抽采達(dá) 億 m179。，利用量 億 m179。 2021年我國(guó)礦井瓦斯抽采量達(dá)到 55 億 m179。，同年 8 月，國(guó)土資源部最新的煤層氣資源評(píng)價(jià)中指出：中國(guó)煤層氣資源非常豐富，全國(guó)埋深 2021 米以淺煤層氣地質(zhì)資源量為 萬(wàn)億 m179。，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)目前常規(guī)天然氣的地質(zhì)資源量（ 35 萬(wàn)億m179。），是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三大煤層氣儲(chǔ)藏國(guó)。到 2021 年全國(guó)299 處原國(guó)有重點(diǎn)煤礦高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井中，有 283[13]個(gè)建立了瓦斯抽采系統(tǒng)，全國(guó)抽采兩量達(dá) 65 億 m179。，利用量達(dá)到 億 m179。 2021 年 1 月 5日，全國(guó)煤礦瓦斯防治部際協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組 第八次會(huì)議中指出， 2021 年全國(guó)煤層氣抽采量 88 億 m179。，利用量 36 億立方米。另外會(huì)議還要求， 2021 年我國(guó)煤層氣抽采量要達(dá) 110 億 m179。，利用量要達(dá) 50 億 m179。[11]。 具體抽采量如下表所示： 表 12 20212021 年我國(guó)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(guó)瓦斯抽采量逐年增長(zhǎng)，一方面說(shuō)明我國(guó)科技飛速發(fā)展，同時(shí)也反映了我國(guó)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(wú)法有效地解決煤礦瓦斯隱患。因此，國(guó)內(nèi)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(shù)綜合應(yīng)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(yáng)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(guó)的主要 瓦斯抽采礦區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2021 年其抽采率分別為 %、%、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、%、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、 %、%、 %、 %[11]。 各礦區(qū)按照抽采率大小，我國(guó)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(guó)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(guó)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(gè) 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(guó)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(gè)，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(gè)，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(dá)12 個(gè)，占主要瓦斯 抽采 礦區(qū)數(shù)高達(dá) ％，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(huì)大。 ③ 瓦斯 抽采 方法： 隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，瓦斯 抽采 技術(shù)也得到了不斷地提高和發(fā)展，我國(guó)煤礦瓦斯 抽采 技術(shù)大致經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段： （ 1）高透氣性煤層瓦斯 抽采 階段 20 世紀(jì) 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(yù)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(dāng)時(shí)對(duì)煤層透氣性與瓦斯 抽采 效果間的關(guān)系認(rèn)識(shí)不深，對(duì)于將該方法應(yīng)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(jì) 50 年代中期，在開采煤層群礦井中，首先在陽(yáng)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(yàn)了頂板瓦斯高抽巷 抽采 上鄰近層瓦斯技術(shù)，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(yīng)用效 果。 （ 3）低透氣性煤層強(qiáng)化 抽采 瓦斯階段 由于在我國(guó)一些透氣性較差的高瓦斯煤層及有突出危險(xiǎn)的煤層采用通常的布孔方式預(yù) 抽采 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(dòng)爆破，大直徑鉆孔，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)中取得了提高瓦斯 抽采 量的效果，但仍處于試驗(yàn)階段，沒有大范圍推廣應(yīng)用。如本煤層瓦斯 抽采 ，其難點(diǎn)在于低透氣性煤層瓦斯難以抽出。 我國(guó) 20 世紀(jì) 70 年代曾經(jīng)試驗(yàn)過水 力割縫、水力壓裂等方法，但由于工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，還必須有一些特殊設(shè)備等原因，難以大面積推廣使用。 80年代后又對(duì)預(yù)裂爆破增大煤層透氣性的方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但其工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，沒能大規(guī)模推廣應(yīng)用。 20 世紀(jì)末，我國(guó)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(yàn)，取得了較好的效果。經(jīng)分析研究認(rèn)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(zhǎng)鉆孔在回采工作面前方卸壓帶內(nèi)的瓦斯 抽采 時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)鉆孔。近幾年由于鉆機(jī)研究開發(fā)的突破，使得打本煤層長(zhǎng)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(jìn)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(jì) 80 年代，隨著普采、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。為解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出量大、瓦斯涌出源多的問題，須結(jié)合礦井地質(zhì)條件及涌出情況，實(shí)施綜合 抽采 。綜合 抽采 瓦斯就是把開采煤層瓦斯采前預(yù)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(nèi)使用，采用該方法能夠最大限度利用時(shí)間及空間來(lái)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(lái)，試驗(yàn)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(duì)開采層進(jìn)行壓裂、 抽采 瓦斯以及對(duì)采動(dòng)影響卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行 抽采 。在開采過程中，井下鉆孔對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行 抽采 ，實(shí)現(xiàn)立體 抽采 方式。解決了開采煤層預(yù)抽時(shí)間短、 抽采 率低的問題，是實(shí)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(shù)的發(fā)展，瓦斯 抽采 技術(shù)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(lái)源、煤層賦存狀況、采掘布置、開采程序以及開采地質(zhì)條件等因素進(jìn)行綜合考慮，由于我國(guó)礦井?dāng)?shù)量眾多，且煤層賦存條件復(fù)雜多樣，因此我國(guó)試驗(yàn)和應(yīng)用過許多 抽采 方法。針對(duì)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(yù)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