中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景

中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景

第3卷第1期 中国煤层气 Vo113No11 2006年1月 CHINACOALBEDMETHANE Jan.2006

中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景

王魁军 张兴华

(煤炭科学研究总院抚顺分院,辽宁抚顺 113001)

摘 要:文章简要回顾了中国煤矿瓦斯抽采技术的发展历程,介绍了近年来煤矿瓦斯抽采新技术的发展,较详细地阐述了适合于中国煤层瓦斯赋存条件的几种典型抽采方法,并对中国的瓦斯抽采技术的发展趋势做出了展望。关键词:矿井瓦斯 抽采技术 装备

CurrentStatusandProspectsofCMMDrainageTechnologiesinChina

WangKuijunandZhangXinghua

(CoalScienceResearchInstituteatFushun,Liaoning113001)

Abstract:ThehistoryofCMMdrainagetechnologiesinChinaisbrieflyreviewed1ThenewCMMdrainagetechnologiesdevelopedinrecentyearsareintroduced1Severaltypicaldrainagemethodssuitablefortheoccur-renceconditionsofcoalseamgasinChinaaredetailed1ThefuturetrendofCMMdrainagetechnologiesinCh-inaisforecast.

Keywords:CMM;drainagetechnology;equipment

变为高瓦斯矿井和突出矿井,因此需要抽采瓦斯的矿井越来越多,由此带动了中国煤矿瓦斯抽采技术

的迅速发展,目前瓦斯抽采技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。到2000年我国国有重点煤矿中共有141对矿井建立了地面永久瓦斯泵站进行瓦斯抽采,年抽采量达8167亿m,2002年抽采矿井数193对,年抽采量11146亿m3,2004年全国重点煤矿抽采矿井数达到221对,年抽采量达到19126亿m,1952~2004年抽采瓦斯矿井数和抽采瓦斯量的变化动态见图1。

在瓦斯抽采方法方面,各专业研究单位和有关高等院校与煤矿现场协作,结合我国矿井的地质和

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1 概述

我国煤矿瓦斯抽采有较长的历史,早在1938年我国就首次在抚顺矿务局龙凤矿利用抽采泵进行采空区抽采,50年代在抚顺、阳泉、天府和北票局开展矿井抽采瓦斯,50年代末瓦斯抽采量约为100Mm3。60年代又相继在中梁山、焦作、淮南、包头、松藻、峰峰等局的矿井开展了抽采瓦斯工作,抽采瓦斯量达到170Mm。70年代至90年代末期,抽采矿井数和抽采量都稳步增加。近五年来,随着煤炭工业的发展,矿井数量及煤炭产量迅速增加,矿井向深部延伸过程中,一些低瓦斯矿井

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作者简介 王魁军,男,1957年生,研究员,博士生导师,现任抚顺分院总工程师、抚顺分院安全科学技术研究中心主任。多年来一

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中,多数方法在试验区取得了提高瓦斯抽采量的效果,但仍处于试验阶段,没有大范围推广应用。

(4)综合抽采瓦斯阶段

所谓综合抽采瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用,使瓦斯抽采量及抽采率达到最高。从80年代开始随着机采、综

图1 抽采瓦斯矿井数和年抽采量变化动态

开采条件,研究和试验成功了本煤层、邻近层、采空区多种抽采瓦斯方法。主要包括穿层钻孔、平行钻孔、交叉布孔、穿层网格式钻孔、深孔预裂爆破、水力割缝、水力压裂、水力钻(扩)孔等本煤层瓦斯抽采方法;顶(底)板穿层钻孔、顶(底)板巷道、顶板水平长钻孔等邻近层瓦斯抽采;高冒带钻孔、埋管抽采、地面抽采等采空区瓦斯抽采方法。

采和综放采煤技术的发展和应用,采区巷道布置方式有了新的改变,采掘推进速度加快、开采强度增大,使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加,尤其是有邻近层的工作面,其瓦斯涌出量的增长幅度更大。为了解决高产高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的问题,必须结合矿井的地质条件,实施瓦斯综合抽采。

3 适合我国瓦斯赋存条件的抽采方法

抽采瓦斯方法的选择,主要是根据矿井瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。我国煤层的主要特点是煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重、煤层群开采、地质构造复杂,我国的煤层赋存条件决定了我国的瓦斯抽采应以卸压抽采为主,由于矿井数量众多,且煤层赋存条件复杂多样,因此几乎所有的瓦斯抽采方法在我国都进行过试验和应用,下面仅介绍几种典型的瓦斯抽采方法。311 顺层密集长钻孔抽采本层瓦斯

顺层密集长钻孔用于区域性抽采,用于综放面或综采面降低煤层瓦斯含量或解决工作面消突问题,一般钻孔深80m以上,孔间距3~5m,预抽时间半年以上。

为提高抽采效果,在布孔时往往采用斜向孔及交叉钻孔,斜向布孔有利于边采边抽,交叉式布孔可在不增加任何工程量的条件下,提高本煤层瓦斯抽采的效果。经在焦作矿区及平顶山矿区开展顺层交叉钻孔抽采突出煤层瓦斯的试验,证明交叉布孔可避免由于钻孔坍塌、堵孔等影响抽采效果的现象发生,比平行钻孔抽采效果提高115倍。顺层密集长钻孔及交叉钻孔预抽本层瓦斯见图2。

312 网格式穿层钻孔抽采本层瓦斯

网格式穿层钻孔的优点是可解决突出煤层打顺2 煤矿瓦斯抽采技术的发展

随着煤炭工业技术的发展,瓦斯抽采技术也得

到了不断地提高和发展,我国煤矿瓦斯抽采技术大致经历了四个发展阶段。

(1)高透气性煤层瓦斯抽采阶段

50年代初期,在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯,获得了成功,解决了抚顺矿区向深部发展过程中的瓦斯安全问题,而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料进行利用。

(2)邻近层卸压瓦斯抽采阶段

50年代中期,在开采煤层群的矿井中,采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功,解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后在阳泉又试验成功利用顶板收集瓦斯巷(高抽巷)技术抽采上邻近层瓦斯,抽采率达60~70%。到了60年代以后,邻近层卸压瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。

(3)低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段

由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及有突出危险的煤层采用通常的布孔方式预抽采瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁,为此,从60年代开始,试验研究了多种强化抽采开采煤层瓦斯的方法,如煤层注水,水力压裂,水力割缝,松动爆破,大直径(扩孔)钻孔,网格式密,

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图2 顺层密集长钻孔及交叉布孔预抽本层瓦斯示意图

抽采瓦斯首先是在北票台吉矿10号煤层进行的,该煤层是我国透气性极低的松软突出煤层之一,大面积网格式穿层钻孔预抽试验表明,低透气性煤层尽管预抽瓦斯极为困难,但在合理布置钻孔、保证预抽时间等技术条件下,完全能够达到预期的抽采效果,瓦斯抽采率可达到30%以上。目前网格式穿层钻孔成为我国单一松软低透严重突出煤层防突的主要方法,已在突出严重的白皖等矿区推广应用。网格式穿层钻孔需要在煤层底板打岩巷,抽采成本较高。网格式穿层钻孔布置见图3

。

个矿区(160对矿井)推广应用,瓦斯抽采量和抽采率大幅度提高,该抽采方法为我国高瓦斯煤层群抽采探索出一条新路子,为煤炭生产实现安全高效提供了技术保障。

314 厚煤层开采下的采空区煤层气抽采

对于厚煤层分层开采或综放开采时,采空区内丢煤较多,加上邻近层、围岩瓦斯的涌出,使采空区瓦斯涌出量较大,因此,进行采空区瓦斯抽采非常必要。

厚煤层半封闭采空区瓦斯抽采方法首先在抚顺矿区试验成功,主要在采空区后部采用埋管抽采或设引巷密闭插管抽采,埋管抽采法是将抽采瓦斯管埋设在采空区起采线附近,如图5所示,该方法在抚顺矿区普遍采用,工作面瓦斯抽采率可达80%。

图3 网格式穿层钻孔布置示意图

313 顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯

顶板走向水平长钻孔抽采邻近层瓦斯技术就是针对高瓦斯无煤柱综采或综放工作面的特点,为解决瓦斯超限问题,采用沿开采层顶板岩层走向布置迎面定向水平长钻孔代替顶板瓦斯巷抽采上邻近层瓦斯。该抽采方法与顶板岩巷抽采法、顶板穿层短钻孔抽采法相比,技术和经济上具有显著的优越性,尤其对于采掘接续紧张的矿井,其优越性更为突出。钻孔及钻场布置见图4。

顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯技术在安徽淮

图4 顶板走向长钻孔抽采邻近层瓦斯示意图

工作面或采区回采结束后,还可对老塘进行全年开

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南矿业集团公司潘一矿1541(3)综放工作面为例,该工作面开采煤层厚415m,煤层原始瓦斯含量10m3/t以上,煤层有突出性,工作面同时采用四种瓦斯抽采方法,见图6,顶板走向长钻孔用于抽采上邻近层瓦斯,工作面顺层水平长钻孔抽采用于消除煤层的突出危险性并降低煤层瓦斯含量,上隅角插管抽采用于消除局部瓦斯积聚,工作面初采

图5 埋管抽采采空区瓦斯示意图

区全封闭抽采,40多年来共抽出瓦斯总量4亿多m。

315 综合瓦斯抽采

我国一些矿区的高产高效矿井在开采高瓦斯且有突出危险的煤层时,多采用综合抽采法,即在一个工作面或采区采用多种抽采方法进行抽采。以淮

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段由于预抽时间有限,采用深孔控制预裂爆破强化

抽采,提高瓦斯抽采率同时缩短抽采时间,工作面开采完毕后还要对采空区进行全封闭抽采。淮南矿业集团公司张集煤矿应用综合抽采,2002年,矿井瓦斯抽采率达到70%,当年投产,当年达产,产煤507万t,盈利5亿元,创同类矿井最好水

平。目前瓦斯综合抽采已在全国范围内广泛应用。

图6 工作面综合抽采瓦斯示意图

4 瓦斯抽采技术装备

我国的瓦斯抽采装备随煤炭开采强度的增长而加强,抽采瓦斯规模扩大及科技水平发展而不断完善,由原来非专用、单一型号的,逐步发展成为专用的、系列的、具有现代科技水平的抽采瓦斯装备。目前已有几十家专业厂家生产抽采钻机和抽采泵,为方便中小型煤矿使用,还开发了系列的井下移动式瓦斯抽采泵。

目前我国煤矿普遍采用聚氨酯作为封孔材料,该新型材料具有密封性好、硬化快、质量轻、膨胀性强的优点。

瓦斯抽采管路的管材也向多样化发展,除传统的铁管及钢管外,又研制了玻璃钢管、双抗塑料管、PVC管及其它高分子材料制成的多种瓦斯抽采专用管,新型抽采管路具有重量轻、耐腐蚀、运输方便、安装费用低等优点。快速管道接头的研制,抽采系统的监控装置是近几年发展比较快的一项技术,它由人工操作的简易监控及计量设备快速发展为自动监控的瓦斯抽采系统装置。随着现代高新技术的发展,瓦斯抽采监控技术正向自动化、智能化、网络化方面发展。

5 煤矿瓦斯抽采技术的展望

半个世纪以来,中国煤矿瓦斯抽采技术虽有很大发展,但由于我国井工开采采煤量大,到2000年,具有瓦斯抽采系统矿井的产煤量仅占井工开采总产量的1418%,抽采瓦斯量仅占井工开采矿井瓦斯涌出量的919%,故抽采瓦斯工作应进一步加强,今后瓦斯抽采技术发展的方向应围绕以下几方面:

(1)进行瓦斯抽采技术筛选及适用性研究,总结各项瓦斯抽采技术的应用情况、技术特点、适用范围和条件,开展适用性研究,为全国各矿区的瓦

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第1期 盘江矿区土城矿煤层气抽采利用

表1 民用瓦斯工程投入收益表名称

成本与费用

建筑工程费用

设备购置费用安装运输费用预备费用

税费利息及其他费用

图1 煤层气抽采利用工程一期示意图

年更换设备费用年管理维护费用收 入

安装收入年使用收费

276200金额(万元)

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99596750411123020~30

土城矿1万m瓦斯民用工程工艺流程如图1所示,首先利用地面罗茨风机从矿井下抽采煤层气,加压至20~25kPa后,通过管道输送到储气柜(瓦斯罐)储存处理,然后经过罗茨风机加压20~25kPa后送入居民住宅住户小区的调压箱(器),形成压力为700~1800Pa的煤层气,供民用。413 利用工程的经济评价

土城矿瓦斯工程建成运行,不但使矿井生产安全有了保障,同时还保持了矿区环境,创造良好的经济效益,成为矿区新的经济增长点,其投入收益如表1。

如表1所示,土城矿煤层气民用工程总投资1600万元左右。其中国家和盘江煤电集团出资1000万元修建主体气柜工程,土城矿出资600万元铺设管道系统,预计建成后每年管理维护费用20~30万元,每年更换设备需30万元。

工程完工当年共收取安装开户费用276万元,即收回总投资的17125%,预计每年可收取燃气使(上接第16页)斯抽采提供指导。

(2)继续研究试验单一低透气性煤层强化抽采技术,提高开采层预抽的抽采率,降低煤层的瓦斯涌出量,消除或降低煤层的突出危险性。

(3)研制功率大,故障率低,打钻效率及成孔率高的新型钻机及配套设备,完善打钻工艺,解决松软煤层打钻及成孔问题。

(4)研究瓦斯抽采长钻孔施工及定向技术,开发定向长钻孔的监控装置,保证钻孔的各项参数能达到设计要求。

(5)继续地面钻孔抽采瓦斯的试验开发,真正3

用费200万元,其中住户交纳约120万元,餐饮业用户交纳约80万元,而年更换、管理费用总计为60万左右。

不考虑利率变动等因素,收回所有成本需10年左右,此工程至少可以使用30年,则余下20年为净收益期。另外,考虑居民因使用瓦斯而节省的燃煤费用和减少的环境污染费用等,此工程更具有可行性。

5 结束语

综上所述,贵州省六盘水地区具有丰富的煤层气资源,有发展能源的基础和市场条件。本文以贵州六盘水土城煤矿民用瓦斯工程为例,说明煤矿区煤层气利用工程具有比较好的经济效益。

(责任编辑 刘馨)

参 考 文 献

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治)1北京:煤炭工业出版社,1994年

[2] 张铁岗1矿井瓦斯综合治理技术1北京:煤炭工业

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[5] 王显政主编1煤矿安全新技术1北京:煤炭工业出

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安全,9期

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