我国煤矿地下瓦斯抽放方法

王义林

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

我国大部分煤田在成煤阶段经历了地质构造运动，煤体结构被破坏，煤层渗透率下降，打钻成孔困难，瓦斯抽放尤其是地面瓦斯抽放效果很差，少数可进行地面抽放的高渗透率煤层多集中于河东煤田和沁水盆地[1]，其他低渗透性煤层瓦斯难以治理，对煤矿安全生产提出了极大的挑战。

自二十世纪四五十年代，我国开始瓦斯抽放试验，发展至今应用较广的抽放方法包括：顺层钻孔抽放、高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放、高抽巷抽放及埋管抽放。这些方法极大地改善了井下瓦斯治理状况，为煤与瓦斯共采提供了技术支持和实现途径。

当前的研究解决了瓦斯抽放中的很多难题，但仍存在诸多问题未能解决，如普适性的最优参数计算模型的建立，各抽放方法对高产高效矿井适应性优化等。笔者对各抽放方法取得的成就和存在的问题进行总结，对现阶段研究结果进行分析与评述，为今后的研究提供参考。

1 本煤层瓦斯抽放方法

本煤层瓦斯治理主要采用顺层钻孔抽放方法，这是一种在上下平巷向煤体内打孔，利用钻孔卸压来抽放瓦斯的方法。1954年，抚顺龙凤矿进行了钻孔抽放试验获得成功；九十年代初期，焦作矿区及平顶山矿区开展了交叉布孔抽放突出煤层瓦斯的试验[2]。目前，对顺层钻孔抽放方法的研究主要从布孔方式和布孔参数进行。

顺层钻孔抽放布孔方式主要有3种：扇形钻孔、平行钻孔和交叉钻孔。陈金刚等在焦作韩王矿通过现场实验和数学模拟对比平行面割理和垂直面割理布置钻孔的效果，发现后者抽放量(2.61倍)与抽放率(4.34倍)均高于前者[3]；陈国新等在平顶山十矿采用相同孔径孔深进行交叉钻孔和平行钻孔抽放效果的对比试验，交叉钻孔的百米抽放量(1.52倍)和抽放率(1.16倍)均高于平行钻孔，但钻孔数与钻孔长度高于平行钻孔(2.07倍)[4]。在布孔参数方面，谢雄刚等对比150m单向钻孔与60～70m双向钻孔的百米钻孔抽采量，发现后者是前者的2倍多[5]；姜文忠等建立了防突型、减风型和复合型合理预抽期评价模型，结合平顶山十矿的煤田地质条件与交叉布孔参数进行预抽时间设计并进行了现场应用验证[6]。

结合各学者的研究可以发现，顺层钻孔抽放在现阶段的发展中具有以下特点：

(1)3种布孔方式各有其优劣，交叉布孔效果最优，平行布孔成本最低，扇形布孔劳动强度最低。

(2)垂直面割理进行斜孔布置可明显提高顺层钻孔抽采效果，双侧斜孔、密集布孔、立体布孔能有效强化抽采。

(3)150mm以上孔径钻进和护孔技术快速发展，大直径钻孔是现阶段发展趋势。

顺层钻孔抽放能有效处理本煤层瓦斯，目前对顺层钻孔抽放的研究中存在以下未尽之处：

(1)当前的抽采参数研究中对不同参数的强化作用与相互对比的研究尚存在不足，如缺乏对双向长钻孔及对应两孔的重叠长度的理论研究与试验等。

(2)现阶段对孔内负压的研究缺少现场实验的验证，对具体负压最优值及其与钻孔其他参数的相关性的研究未得出统一结论。

2 临近层瓦斯抽放方法

临近层瓦斯治理主要包括高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放和高位抽放巷抽放3种方法。下面将就此展开论述。

2.1 高位钻孔抽放瓦斯

高位钻孔抽放方法，是一种从回风平巷开钻场向采空区顶板打高位长钻孔，利用顶板裂隙抽放瓦斯的方法，其关键在于准确定位裂缝带高度和选择钻孔位置[7]。20世纪50年代中期，采用穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功[2]；近几年，高位钻孔抽放方法逐渐成熟，在阳泉等矿区应用普遍，瓦斯抽放率超过50%[8]。目前学者对高位钻孔抽放方法的研究主要从裂隙理论、三带测量方法和布孔参数着手。

高位钻孔抽放主要依据顶板裂隙理论，在关键层理论与“横三区”、“竖三带”划分的基础上，钱鸣高等结合采动裂隙场与卸压瓦斯抽放，建立“O形圈”理论[9]；袁亮等以顾桥矿为试验点进行模拟，建立高位环形裂隙体的概念及其参数确定方法[10]。在理论研究的基础上，结合现场经验，学者们总结出了一系列测量垮落带和裂缝带范围的方法。张彬等使用多匝矩形发射线框对宁夏红柳矿进行探测，精确地探测出顶板裂缝带高度、宽度[11]。在布孔参数方面，王海峰等于祁南矿开采有坚硬岩层顶板的煤层时，提出将钻孔布置在垮落带，并通过实践验证[12]；吴建亭在平煤四矿应用193mm高位钻孔，使用全液压坑道钻机，最长钻孔超过200m，采用改良封孔技术后取得良好抽采效果[13]。

当前研究表明，高位钻孔抽放的发展存在以下特征：

(1)裂隙发展理论正经历由面到体的过程，裂隙理论模拟向着精准定量方向发展。

(2)裂缝带测定方法中，观察法简单易行，但需要观察周期；数值模拟法最为安全，但建模复杂，精准度低；三维地震勘探法探测精准，但设备复杂，数据处理困难。

(3)200mm孔径与200m孔深的钻进工艺发展较为成熟，大直径一次成孔、复合扩孔和筛管完孔成为新的发展方向。

尽管高位钻孔抽放的理论与技术都较为成熟，但在以下方面的研究还不够深入：

(1)传统的理论和方法对于一些特厚煤层及高产高效矿井存在不适应性，对此的研究有待深入。

(2)在大直径大孔深的钻孔布置下，先进有效的护孔技术亟待研发。

(3)三维地震物探的设备设计生产仍依赖进口，且后期数据整合处理研究不足。

2.2 岩层水平长钻孔抽放瓦斯

岩层水平长钻孔抽放，是一种从巷道向预抽区域的上覆岩层施工水平定向长钻孔来抽放瓦斯的方法，最先应用于石油开采和地质勘探行业。国内外煤矿引进了定向钻孔技术进行水平长钻孔抽放试验，瓦斯抽放率可达50%～80%；近年来，我国多家企业引进千米钻机等先进设备，取得了良好效果[7]。目前对水平长钻孔的研究主要从钻孔施工技术和钻孔布孔参数着手。

该方法的成孔工艺主要有先导孔+扩孔工艺和大直径一次成孔工艺，钻进工艺主要有回转钻进和定向钻进。赵建国等针对200mm以上孔径钻孔，需进行2次以上扩孔的问题，提出引入液动(气动)冲击钻进技术辅助扩孔[14]；彭旭等将回转钻进进尺快以及定向钻进轨迹可控的优点结合，提出利用回转钻进提高效率、利用定向钻进调整轨迹的混合钻进工艺，在唐家会煤矿进行试验并取得良好效果[15]。在钻孔参数方面，谢生荣等在高瓦斯煤层群研究利用顺层千米大钻孔实现煤与瓦斯共采技术，对沙曲矿综采面进行了模拟，并于此进行了200mm孔径大钻孔试验，解决了长期制约沙曲矿的上隅角及回风流瓦斯超限问题[16]。

综合各学者的研究结果，可以将水平长钻孔抽放研究的进展归结为以下几点：

(1)先导孔+扩孔工艺可完成150mm孔径长钻孔，经二次扩孔可实现200mm孔径以上的长钻孔。

(2)大直径一次成孔工艺操作简单，目前可实现120mm孔径，对150mm孔径以上一次成孔技术和机械的研究是目前的发展方向。

(3)回转钻进难以施工超过500m的长钻孔，定向钻孔进度过慢，二者的有效结合与液动(气动)辅助破岩可实现千米长钻孔。

在大力推进大直径长钻孔的同时，水平长钻孔抽放的研究中还有以下问题亟待解决：

(1)先导孔+扩孔工艺复杂难以简化，一次成孔无法实现150mm孔径以上长钻孔。

(2)钻孔参数的研究并不完善，如多组百米钻孔与一组千米钻孔的效果比对未见研究。

(3)原有的预抽时间模型对于数百米长的定向水平长钻孔无法完全适用，急需更具适应性的预抽模型进行指导。

2.3 高抽巷抽放瓦斯

高位瓦斯抽放巷抽放，是通过在卸压岩层中预先开掘专用高位瓦斯抽放巷进行瓦斯抽放的方法。阳泉矿区采用邻近层巷道抽放瓦斯，瓦斯抽放率达70%～90%，是我国高抽巷抽放的先驱[2]。现阶段对高抽巷抽放的研究集中在对采空区自燃的影响和调风增透等外部参数的影响等方面。

在采空区自燃方面，屈昀等依照天池煤矿综采面建立三维模型，分别模拟0，1，2，3kPa负压时抽采效果及自燃带范围，发现随抽采负压增大，漏风带与氧化升温带宽度增加但与工作面相对位置变化不大[17]；褚廷湘等提出内生火风压概念并建立了数学模型，得出巷道瓦斯抽采会增加煤层自燃风险的结论[18]。在外部参数方面，王大强等于余吾煤业北一采区调整进风量，观测上隅角瓦斯浓度及高抽巷抽采量变化，进行数值拟合得出配风量与高抽巷抽采效果的关系，并进行现场试验，上隅角瓦斯浓度得到明显降低[19]。

高抽巷抽放瓦斯流量大而稳定，系统简单，维护更易实现，但也存在一系列缺陷。目前，在高抽巷抽放研究中存在以下问题：

(1)抽放通道为巷道，长距离煤岩巷的开掘带来大工作量、慢进度和高成本等问题且难以解决。

(2)高抽巷抽放会改变漏风带与升温带范围，目前对于该问题缺乏解决方案。

(3)巷道瓦斯抽采对封巷工艺提出了更高的要求，高效、环保的封巷方式是高抽巷抽放研究目前缺乏的部分。

3 采空区瓦斯抽放方法

治理采空区瓦斯主要采用埋管抽放方法，高位钻孔抽放、水平长钻孔抽放和埋管抽放等方法对采空区瓦斯也能起到一定的控制作用。埋管抽放是一种在工作面回风巷中敷设管道进行瓦斯抽放的方法。在我国，埋管抽放在20世纪50年代首先在抚顺矿区试验成功，工作面瓦斯抽放率可达80%[2]；在“八五”、“九五”期间，研制了轻质菱镁管，并开发了自动监控装置、小型液压风机等配套设备[20]。目前，对埋管抽放的研究多着重于采空区瓦斯运移和对采空区自燃的影响方面。

在当前研究中，康雪等进行埋管抽放采空区瓦斯的相似模拟实验，发现抽放口进入自燃带后，漏风将扩大氧化升温带，缩短自燃发火期，增大采空区遗煤自燃风险[21]；王兵建等以新安煤矿综放面为模型进行CFD模拟，分析比对了抽放前后采空区走向、倾向及上隅角瓦斯浓度分布，总结出埋管抽放瓦斯运移规律，为埋管抽放设计提供参考[22]；孟铁中等于官地矿治理工作面上隅角瓦斯，经埋管抽放后，上隅角瓦斯平均浓度降低49.4%，解决了瓦斯超限问题[23]。

从埋管抽放研究中可以发现，埋管抽放具有其处理上隅角瓦斯方面的优势，且由于瓦斯向上流动，埋管高度高且埋管的抽放口处于过渡带时效果佳，漏风少。在埋管抽放研究中也存在一些不足:

(1)前进式抽放简单节约，但多个支管同时抽，迈步式抽放漏风小，现有的研究中缺乏对这两种埋管方式的现场比较分析。

(2)埋管管材随材料发展逐步更新，但目前对抽放口的保护措施仍处于木垛人工搭棚保护的阶段，保护方法亟待改进。

4 结 论

经过50多年的发展，我国煤矿地下瓦斯治理取得了显著的成效，但瓦斯事故严重、瓦斯超限频发的现象仍未得到解决，抽放时间长、效率低的问题仍长期存在。因此，瓦斯抽放方法需要进一步加强与完善，其发展方向可依据以下几个方面：

(1)顺层钻孔抽放需要强化最佳布孔参数的研究，向精准判别节理裂隙方向施工高抽采效率的大直径斜孔发展。

(2)高位钻孔抽放与岩层水平长钻孔抽放需要提高裂隙理论对高产高效矿井的适应性，升级探测设备，优化数据处理流程，改良钻孔工艺及设备。

(3)高位巷抽放需要研制快速掘岩巷设备以及支护设备，并解决对采空区自燃的影响。

(4)埋管抽放需要加强对管道材料的改进，更新埋管的保护方法，提高抽采效果。