中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望

王耀锋

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

煤矿瓦斯，又名煤层气，是成煤过程中由有机质演化生成并赋存于煤系地层内的烃类气体，它兼具优质清洁能源、主要温室气体和矿井致灾气体三重属性。作为我国重要的非常规天然气资源，其储量十分丰富[1]，我国仅埋深在2 000 m 以浅的煤层气地质资源储量就有36.81×1012m3，其中可采资源量为10.87×1012m3（约占30%）。作为主要温室气体之一，煤层气的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的温室效应是二氧化碳（CO2）的21 倍。作为矿井主要致灾气体，瓦斯是瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和瓦斯燃烧等事故的主要诱因之一，且瓦斯事故往往具有发生突然、破坏强度大、范围广等特点。根据黄继广等[2]对2009—2018 年间全国煤矿各类死亡事故的不完全统计，在所发生的各类死亡事故中，共发生瓦斯事故722 起（占事故总起数的10.2%），瓦斯事故死亡人数为3 433 人（占总死亡人数的28.1%）。因此，能同时满足能源供应、环保和安全生产3 个方面需求的煤矿瓦斯（煤层气）高效开发利用技术，一直是国内外采矿界关注的热点和关键科学问题。

目前，我国煤矿开采以每年约10～20 m 的速度向深部不断延深[3]，随着煤炭开采新兴技术与装备的不断投用，矿井的开采强度和延深速度将进一步加大。再者，煤层的原始瓦斯含量和瓦斯压力也在一定范围内随开采深度的增加而增大。综合考虑以上因素，在全国煤炭总产量基本保持稳定的前提下，我国煤矿的总瓦斯涌出量也将持续增大。据统计[4-5]，2017 年我国煤矿风排瓦斯量达170 亿m3，井下瓦斯抽采量为128 亿m3，地面煤层气产量为50 亿m3。如忽略地面抽采的影响，则2017 年我国煤矿的年总涌出量达到近300 亿m3。煤层瓦斯抽采是继机械通风后在煤矿瓦斯灾害防治技术上的又一次巨大进步，是减少矿井风排瓦斯量、防治瓦斯灾害的治本措施。国家先后出台的一系列加强煤矿瓦斯防治工作的重要举措，有力地推动了煤矿瓦斯（煤层气）抽采水平的不断提升。特别是“十二五”以来，我国煤矿区煤层气开发利用取得了令人瞩目的成就，煤层气产量由2011 年的115 亿m3提高至2018 年的184 亿m3，科技进步对产业发展贡献巨大[5]。

然而，我国煤矿瓦斯（煤层气）的赋存条件具有“三低一高”（低饱和度、低渗透性、低储层压力，高变质程度）的特点，此类条件下的瓦斯抽采属于世界性难题，传统的技术难以支撑该产业持续快速发展，直接移植国内外其他地区的成功经验也难以奏效。对照我国煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十三五”规划[6]的发展目标，到2020 年，我国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量达到240 亿m3（其中地面100 亿m3、井下140 亿m3）。若按近年来煤层气产量的增率来估算，到2020 年末，地面煤层气产量难以突破70 亿m3，这将造成连续3 个“五年规划”完不成产量目标的局面。基于此，对我国现有煤矿瓦斯抽采技术进行了系统分类梳理，简要回顾了其发展历程，在总结分析其发展现状与技术瓶颈的基础上，展望了其未来发展趋势，以期为“十四五”期间我国煤矿瓦斯抽采技术的发展提供建议。

1 煤矿瓦斯抽采方法分类

煤矿瓦斯抽采的目的是：针对不同的瓦斯涌出源，依据开采空间与时间条件，综合考虑抽采工程（钻孔或巷道）施工的可行性和经济性，采取不同的抽采方法或工艺有效地抽出瓦斯，减少瓦斯向风流涌入并防止局部积聚，保障煤矿安全生产，并尽可能地利用抽出瓦斯以降低对环境的污染。

至今，我国尚未对煤矿瓦斯抽采方法制定统一分类的标准。于不凡[7]把瓦斯抽采方法分为：未卸压煤层和围岩抽采、卸压煤层和围岩抽采、采空区抽采和综合抽采；俞启香[3]把瓦斯抽采方法分为：开采层抽采、邻近层抽采、采空区抽采和围岩抽采。这2 种分类方法的主要依据是开采煤层和邻近煤（岩）层的空间关系，在次级分类方法上则考虑开采时间关系。为适应《煤矿瓦斯抽采基本指标》的考核要求，程远平[8]提出的分类方法为：第1 层次按煤层的开采时间划分为采前抽采（预抽）、采中抽采和采后抽采；第2 层次按煤层开采的空间关系划分为本煤层抽采、邻近层抽采、回采工作面抽采、掘进工作面抽采和采空区抽采；第3 层次为具体瓦斯抽采方法，如穿层钻孔抽采、顺层钻孔抽采等。

经查阅文献，总结出目前瓦斯抽采方法大致有以下几种分类方式。

1）按抽采工程的施工位置分类：可分为地面抽采、井下抽采和井上下联合抽采3 大类。地面抽采一般通过施工地面钻井进行抽采，次级分类多按钻井的类型来划分，如直井、U 型井、L 型井、对接井、丛式井等。井下抽采一般通过施工钻孔、巷道或埋设抽采管路进行抽采，次级分类多按照瓦斯来源分为本煤层瓦斯抽采（包括预抽、边采边抽、边掘边抽等）、邻近层（包括围岩及邻近煤层）瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采（包括高位钻孔、顶板定向水平长钻孔、高抽巷、埋管抽采、尾巷抽采等）。

2）按煤层的开采时间分类：采前抽采（预抽、边掘边抽）、采中抽采（边采边抽）和采后抽采。

3）按原始煤体的透气性分类：高透气性煤层抽采、低透气性煤层强化抽采。

4）按所抽采煤（岩）层的应力状态分类：未卸压煤（岩）层抽采、卸压煤（岩）层抽采及强化抽采（人为卸压）等。

5）按抽采瓦斯工艺分类：钻孔（地面钻孔、穿层钻孔、顺层钻孔等）抽采、巷道（顶、底板岩巷、煤巷及尾巷等）抽采及插（埋）管抽采等。

6）按煤层的开采技术条件分类：单一煤层抽采、远距离煤层群抽采及近距离煤层群抽采等。

7）按瓦斯抽采设备的安设位置分类：地面固定式抽采、井下移动式抽采。

8）按抽采系统内瓦斯浓度分类：高浓度瓦斯抽采、低浓度瓦斯抽采；按抽采系统压力分类：高负压瓦斯抽采、低负压瓦斯抽采。

总之，考虑抽采问题的角度不同，对瓦斯抽采方法的分类方式也不尽相同。

2 煤矿瓦斯抽采技术的发展

中国是文献记载最早利用天然气的国家，早在晋朝时期常璩撰写的《华阳国志》（354 年）一书，就描述了2200 多年前秦朝时期四川临邛县钻井开采天然气煮盐的情景。明末宋应星所著的《天工开物》（1637 年）一书，记载了利用竹管引排煤中瓦斯的方法，这是最早关于煤矿人工排放煤中瓦斯的文献记载。自1938 年抚顺矿务局龙凤煤矿首次利用瓦斯抽采泵开展采空区瓦斯抽采起，开启了我国利用机械设备抽采瓦斯的历程，1952 年龙凤煤矿建立正规抽采泵站标志着我国煤矿进入工业规模连续抽采瓦斯阶段。

2.1 我国煤矿瓦斯（煤层气）抽采的发展历程

近70 年来，随着煤炭行业的波浪式前进、煤炭产量的持续增加、矿井瓦斯涌出量的日益增大、生态环境约束趋紧、国家对煤矿瓦斯防治工作政策法规的接连出台和监察监管力度的不断加大，我国煤矿瓦斯抽采技术得以迅速发展。为方便叙述与分析，以煤矿井下瓦斯抽采和地面煤层气开发的发展水平及国民经济和社会发展五年规划（“十一五”前为“五年计划”）纲要的时间节点为依据，把煤矿瓦斯（煤层气）抽采的发展历程划分为4 个阶段[9]。

第1 阶段：井下瓦斯抽采的探索发展和地面煤层气开发的试验阶段（1952—1990 年）。此阶段跨越国家“一五”至“七五”这7 个五年计划时期。王魁军[10]等按照这一阶段不同时期主要发展的瓦斯抽采技术特点将其细分为4 个阶段，即高透气性煤层瓦斯抽采阶段、邻近层卸压瓦斯抽采阶段、低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段和综合抽采瓦斯阶段。20 世纪50年代初期，在抚顺的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成功，并将抽出的瓦斯作为民用燃料来利用，标志着进入高透气性煤层瓦斯抽采阶段。50 年代中期至60 年代初，在阳泉矿区煤层群开采的矿井中，采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验首获得成功，此后又在该矿区试验成功利用高抽巷抽采上邻近层瓦斯技术，这一阶段被称为邻近层卸压瓦斯抽采阶段。从20 世纪60 年代初期进入了低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段，为解决低透气性高瓦斯或突出煤层采用常规钻孔预抽效果不理想问题，试验研究了包括深孔预裂控制爆破、水力压裂、水力割缝等在内的多种强化抽采瓦斯方法，多数方法在试验区能够提高瓦斯抽采量, 但仍处于试验阶段，没能大范围推广应用。从20 世纪80年代开始，为提高瓦斯抽采量和抽采率，以解决高产高效工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的问题，综合考虑煤层开采技术条件，把多种瓦斯抽采方法有机结合起来实施瓦斯综合抽采，由此进入综合抽采瓦斯阶段，直至国家“七五”计划末期。第1 阶段期间的煤矿井下瓦斯抽采为我国煤炭产量的稳步提升起到了重要支撑作用。1975 年，我国在辽宁抚顺、山西阳泉等矿区开展了地面直井开采煤层气试验，但都未能取得理想的效果。

第2 阶段：井下瓦斯抽采的加速发展和地面煤层气开发的探索、启动阶段（1991—2005 年）。此阶段涵盖了国家“八五”至“十五”3 个“五年计划”时期。1997 年煤炭工业部颁布了《矿井瓦斯抽放管理规范》和煤炭行业标准《煤矿瓦斯抽放技术规范》，明确了必须建立瓦斯抽采系统的条件及验收要求。为加强对煤矿安全生产工作的组织领导，2000 年成立国家煤矿安全监察机构。在2002—2005 年期间，国家又以30 亿元/年的资金投入来带动地方和企业投资，对重点煤矿进行了瓦斯治理和安全技术改造。上世纪90 年代中期开始，国内对煤矿井下钻探设备的研究集中于回转钻进和组合钻具定向技术与装备方面。1997—2005 年期间，部分煤炭企业为了提高瓦斯抽采水平，开始引进多套包括采用孔底马达定向钻进的千米钻机在内的国外先进瓦斯抽采技术与装备[11]，在一定程度上提高了抽采钻孔施工能力。国家“九五”攻关科研成果，如大直径钻（扩）孔、网格式密集钻孔、交叉钻孔等，为进一步提高预抽煤层瓦斯能力奠定了基础。通过国家“十五”攻关项目《煤层气井下抽放成套工艺技术研究》专题研究，顺煤层长钻孔成孔工艺技术取得突破，在晋城矿区寺河煤矿施工钻孔长度已达500 m。这一期间，针对煤层群和松软煤层的开采地质条件，创立和发展了煤层卸压抽采模式—淮南模式[12-13]，解决了多煤层、构造煤发育地区高瓦斯矿井抽采的技术难题，促进了瓦斯抽采技术的快速发展。由于政府的政策引导和资金支持，本阶段我国煤矿瓦斯抽采迅速发展，据不完全统计，到2005 年，我国已有228 座煤矿开展瓦斯抽采，全国抽采总量大幅度增长至23 亿m3。

在地面煤层气开发方面，也开始进入积极探索阶段。1989 年原能源部召开的第1 次“开发煤层气研讨会”，掀起了国内全面勘探开发煤层气的热潮[14]。随着1996 年中联煤层气有限责任公司的成立，在地面煤层气开发步入了基础研究与开发试验并举的阶段，中石油、中石化和部分煤矿企业也分别在井下和地面开展了初步的勘探与试验[15]。1998 年在阜新市刘家矿区开展的采前地面预抽煤层气的试点工作，2003 年煤层气地面小井网试验成功[16]，标志着我国地面煤层气开发从试验阶段进入商业化生产启动阶段。在90 年代中后期，安徽的淮北、山西的沁水煤田等地也进行了地面煤层气开发试验并取得了不错的成果[17]。

第3 阶段：井下瓦斯规模化抽采和地面煤层气商业化开发阶段（2006—2015 年）。此阶段即为国家“十一五”、“十二五”这2 个“五年规划”阶段。2005年国家能源局发布的《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》提出了“可保尽保、应抽尽抽、先抽后采、煤气共采”的瓦斯综合治理战略[8]。2006 年国务院办公厅《关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》，首次将瓦斯抽采和煤层气开发统称为煤层气（煤矿瓦斯）抽采，并明确要求：必须坚持先抽后采、治理与利用并举的方针；煤层中吨煤瓦斯含量必须降低到规定标准以下，方可实施煤炭开采。制定的煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十一五”和“十二五”规划，都将煤层气（煤矿瓦斯）抽采作为煤矿瓦斯综合治理的治本之策。2006 年国家安全生产监管总局发布了《煤矿瓦斯抽采基本指标》，要求煤矿经抽采瓦斯后，采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回风流瓦斯含量必须达标。这些方针政策的接连出台，极大促进了煤层气（煤矿瓦斯）抽采的进步。以松藻矿区为代表，开展了松软突出煤层钻进及煤矿井下水力压裂增透抽采为主的技术示范，形成“三区配套三超前增透抽采”的煤与煤层气协调开发模式—松藻模式[18]。2006—2017 年期间，全国瓦斯（煤层气）抽采情况[4,19-20]如图1，煤矿瓦斯事故死亡人数[21-23]如图2。从图中可以看出，2006 至2015年期间，随着煤炭产量的持续增加和井下规模化抽采的发展，井下瓦斯抽采量、利用量迅速增长，而煤矿瓦斯事故起数和死亡人数急剧下降。2015 年，全国瓦斯抽采矿井数已达1 800 余座，建成了30 个年抽采量达到亿m3级的煤矿，全国煤矿井下瓦斯抽采量135.7×108m3。

图2 2006—2017 年煤矿瓦斯事故起数、死亡人数统计Fig.2 Statistics of coal mine gas accidents and deaths from 2006 to 2017

在煤层气开发方面，以晋城矿区为代表，把煤矿井下瓦斯治理和煤层气地面开发结合起来，形成了三区联动的煤层气（煤矿瓦斯）立体递进抽采模式—晋城模式[24]，实现了对单一厚煤层的规模化抽采。从图1 可以看出，2006 至2015 年期间，随着煤炭产量的持续增加和地面煤层气商业化进程加速，地面煤层气产量持续增长。到2015 年全国新钻煤层气井11 300 余口，新增煤层气探明地质储量3 504×108m3，全国煤层气地面开发量达到43.3×108 m3，进入了地面煤层气商业化开发阶段。

第4 阶段：煤炭开采和地面煤层气开发、井下瓦斯抽采的协同规划与联合开发阶段（2016 年至今）。此阶段自“十三五”规划开始，至今已将近5 年。中国的经济发展速度从2012 年开始放缓并进入新常态，2016 年国家实施了“煤改气”“油改气”等天然气替代项目且煤炭开始去产能，这些原因导致全国煤炭产量略有下降，至2018 年煤矿井下瓦斯抽采量也略有下降但降幅不大。与此同时，地面煤层气开发量虽稳步增长，但增幅也很小。2016 版《煤矿安全规程》第35 条，要求有突出危险煤层的新建矿井开工前，应当对首采区突出煤层进行地面钻井预抽瓦斯，且预抽率应当达到30%以上。2019 版《防治煤与瓦斯突出细则》第16 条，要求按突出矿井设计的矿井建设工程开工前，应当对首采区内评估有突出危险且瓦斯含量大于等于12 m3/t 的煤层进行地面井预抽煤层瓦斯，预抽率应当达到30% 以上；第64条对于煤层瓦斯压力达到3 MPa 的区域，不能开采保护层或者采用远程操控钻机施工钻孔预抽煤层瓦斯的，应当采用地面井预抽煤层瓦斯。这些要求将在一定程度上促进地面煤层气开发工作。

虽然前期我国煤矿瓦斯（煤层气）抽采取得了很大进展，已进入了井下瓦斯规模化抽采和地面煤层气商业化开发阶段，初步建立了煤与煤层气协调开发模式，形成了一批适应我国煤层气（煤矿瓦斯）资源赋存条件的抽采关键技术，但“十三五”规划已近尾声，煤层气产业的实际发展远低于预期。这是由于我国煤矿瓦斯（煤层气）的赋存条件的先天不足且开采深度日益增加造成抽采难度不断加大，加之受中国煤炭去产能、重安全和环保轻资源开发等外部环境因素的影响造成的。可以预见，单井产气量低、地面煤层气抽采量少、煤层气（煤矿瓦斯）利用率偏低的局面仍将在较长时期内持续存在。

早在2003 年，钱鸣高等[25]就把煤与瓦斯共采技术作为煤矿绿色开采技术之一提了出来。此后，程远平[26]、袁亮[13,27]、王家臣[28]、谢和平[29]等围绕这一关键技术开展了理论、技术体系和试验研究，取得了大量的成果。煤与瓦斯共采技术的实质是：为克服已有煤矿瓦斯（煤层气）抽采技术的不足，利用煤炭开采过程中所形成的采动作用，使煤岩层所处的应力场得以释放、煤岩体内部结构变化，以增加煤岩层的渗透特性，进而促进煤层内瓦斯吸附解吸动态平衡状态的变化，使瓦斯更多地向游离态转化，从而实现煤炭资源与瓦斯能源的共同开采。这样既解决了煤炭开采过程中的瓦斯灾害，又提高了瓦斯这种优质清洁能源的收集与利用效率。煤与瓦斯共采技术体系尚存在大量急需研究解决的核心理论与技术问题，它们直接关系着煤与瓦斯共采技术体系理论系统的完善及在现场应用效果。

我国煤炭资源的基础能源地位决定了煤炭开采在国家能源供给中的决定性作用。煤与煤矿瓦斯（煤层气）耦合伴生，煤矿瓦斯（煤层气）抽采与煤炭的开采密切相关，因此，将煤矿瓦斯（煤层气）抽采与煤炭开发相结合，把煤矿瓦斯（煤层气）抽采的资源属性和煤炭开采的安全属性充分结合，坚持井上下联合立体抽采的方针，不断加大卸压抽采和煤与瓦斯共采的力度，通过协同规划与联合开发实现煤矿瓦斯（煤层气）与煤炭协调开发是未来必由之路，也是本阶段的工作重点。

2.2 煤矿瓦斯抽采典型技术进展

前已述及，经过近70 年的探索与实践，我国已发展出种类繁多、各具特色的瓦斯抽采技术，基本建立了瓦斯抽采技术体系。煤矿瓦斯抽采方法的选择, 主要是依据矿井瓦斯来源、煤层开采技术条件、煤层开采顺序及采掘巷道布置等因素来进行综合考虑。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都在我国进行过试验与应用，许多瓦斯抽采技术已成为矿井瓦斯治理常规措施。限于篇幅，不能一一介绍，仅筛选出6 种应用前景看好的瓦斯抽采技术装备，阐述它们的研究进展与应用情况。

2.2.1 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂增渗技术

对于碎软低渗高瓦斯煤层来说，由于其强度低、弹性模量小、泊松比高的力学特性，在煤层内施工定向长钻孔极易发生卡钻、埋钻、喷孔等现象，导致钻进成孔十分困难，即使成孔后也常出现井壁失稳、垮塌、固井质量不好等问题。若直接对碎软煤层进行压裂改造，往往很难在碎软煤层中形成长缝且压裂砂镶嵌严重，造成泄流面积有限、增渗效果不明显。因此，在碎软低渗煤层瓦斯抽采中的“煤层水力压裂稳定造缝”一直是急需解决的关键技术难题[30]。

2013—2015 年，在淮北芦岭井田施工了1 组U型对接井，试验了沿煤层顶板的砂质泥岩中施工水平井并进行分段压裂的煤层顶板水平井分段压裂增渗技术，煤层顶板水平井分段压裂增渗技术原理如图3。该技术的关键问题是：套管水平井在分段压裂过程中压裂缝能否向下延伸到煤层中，压裂缝是否既在岩层横向延伸又能在煤层中横向延伸。顶板岩层水平井分段压裂工艺为：施工U 型对接井→采用地质导向钻进技术在顶板岩层中（紧邻煤层2 m）施工水平井段→下入生产套管固井→采用泵注桥塞电缆射孔压裂技术实施水平井分段压裂→精细排采。该井组从2015 年1 月开始排采，截至2017 年2 月28 日，日产量最高达10 754.8 m3，连续3 个月日产气量达1 万m3以上，累计产气量401.57 万m3。

图3 煤层顶板水平井分段压裂增渗技术原理Fig.3 Technology principle of fracturing and permeability enhancement in horizontal well with roof of coal seam

本技术可实现对碎软低渗高瓦斯煤层的增渗及高效预抽。在煤层回采过程中，顶板覆岩发生变形破坏，地面直井及水平井井身结构也会有一定程度的破坏。若破坏程度较小，还可以利用直井和水平井的垂直段，对回采期间的煤层卸压瓦斯和井筒附近一定范围内的采空区瓦斯进行抽采，甚至对老空区内的瓦斯进行间歇式抽采，实现一井多用。

2.2.2 采动区地面L 型顶板水平定向井抽采技术

对于开采原始瓦斯含量不高的厚煤层或特厚煤层的高产高效综放工作面来说，仅采用通风稀释和采前预抽煤层瓦斯方法难以解决回采期间工作面及采空区瓦斯涌出量大的问题。目前常用的采空区瓦斯抽采方法有顶板高抽巷、高位钻孔、上隅角插管、采空区埋管、尾巷抽采等。采用高抽巷虽然瓦斯抽采量大但存在巷道掘进机维护成本高、掘进进度慢等问题，高位钻孔则存在钻孔工程量大、钻孔利用率不高、抽采接续紧张等缺点，上隅角插管、采空区埋管等存在抽采浓度低、纯量小等不足，因瓦斯尾巷存在诸多难以解决的缺点而被《煤矿安全规程》2016 版废除，均难以适应工作面高产高效的要求。结合高位钻孔抽采与地面直井抽采技术特点的采动区地面L 型钻井技术应运而生，融合了“地面垂直井”、“采动区直井”和“井下水平井”等多种技术的优点[31]，还具有瓦斯抽采覆盖范围大、成本低等特点，该技术近几年发展迅速。

采动区地面L 型顶板水平定向井布置于采掘准备区，其直井段需要采取特殊设计来保证采动后的畅通，而水平段位于煤层顶板岩层中，主要利用煤层的采动卸压效应，采用负压抽采工作面回采期间煤层的卸压瓦斯及采空区、邻近层（包括围岩）瓦斯，在工作面推至水平段附近时开始运行，采动区地面L 型顶板水平定向井抽采技术如图4[32]。该技术的关键问题是：保证直井段能够承受住采场覆岩剧烈运动的影响，确保水平井段位于煤层顶板裂隙带内且不会发生垮塌堵塞。在攻克大孔径地面井破碎岩层护壁钻进、小角度穿层钻进等钻完井难题的基础上，采动区地面L 型顶板水平定向井抽采得以成功应用，达到了单一煤层单井抽采覆盖工作面长度超1 000 m 和日抽采量3.3 万m3的效果[5]。

图4 采动区地面L 型顶板水平定向井抽采技术Fig.4 Extraction technology of horizontal directional well with L-shaped roof in the mining area

2.2.3 井下定向长钻孔抽采技术

钻孔抽采是我国煤矿井下最广泛采用的抽采方式，对于高瓦斯压力的松软、低透气性突出煤层，以前主要通过施工常规顺层钻孔和底（顶）板穿层钻孔来实现对煤巷条带、回采区域煤层瓦斯的预抽。由于在突出煤层钻进时极易发生喷孔、夹钻、顶钻、埋钻等现象，导致钻进成孔困难。另外，由于钻孔浅、钻孔轨迹无法控制的限制，导致钻孔工程量大、成本高、工期长、容易出现抽采空白带、矿井采掘接替紧张等困局。《煤矿安全规程》第210 条限制了将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施的应用范围，《防治煤与瓦斯突出细则》第64 条规定了定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施的钻孔施工要求，这些都限制了常规钻孔在突出煤层预抽中的应用。

作为钻探工程领域的一项新技术，煤矿井下随钻测量定向钻进技术[11,33]逐渐兴起并成为我国煤矿瓦斯高效抽采的1 种重要技术途径，通过实时测量钻孔轨迹和孔底螺杆马达工具面向角，控制钻孔轨迹沿设计延伸，提高了钻孔空间定位精度，增加了钻孔深度。另外，还可以采用定向钻进技术进行多分支钻孔、羽状钻孔、梳状钻孔[34]、枝状钻孔等的施工，具有能均匀覆盖预定区域、钻进效率高、钻孔长度大、一孔多用等优点。2004 年在大宁试验区，采用定向钻进技术钻探了中国第1 口定向羽状水平井（DNP02），气体流量最高达到了21 000 m3/d[35]。2019 年9 月，中煤科工集团西安研究院在神东煤炭集团保德煤矿使用西安研究院自主研制的ZDY15000LD 定向钻进装备、泥浆脉冲无线随钻测量系统创造了主孔深度为3 353 m 井下沿煤层定向钻进孔深新的世界纪录[36]。

2.2.4 以孔代巷抽采技术

如前所述，目前采用的治理采空区及上隅角瓦斯常规方法，由于存在诸多缺点与不足，亟需寻求更经济高效的新方法来替代。随着随钻测量定向钻进技术、大直径套管钻进等技术的发展，以孔代巷技术的出现为上述问题的解决提供了新思路。所谓以孔代巷，是指利用最新的定向钻进、大直径钻进等技术，以低成本、高速度、高成功率完成大直径抽采钻孔施工，来代替高抽巷等巷道进行瓦斯抽采。

为提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率，程志恒等[37]研究了顶板高位走向长钻孔抽采瓦斯作用机制并在山西华晋吉宁煤业2102 综采工作面进行了现场试验及抽采效果考察。王勇等[38]在端氏煤矿3109 工作面试验验证了顶板定向长钻孔代替高抽巷的合理性和可行性，顶板定向长钻孔和高位钻孔抽采示意图如图5。林海飞等[39]在山西某矿三采区的工作面开展了定向钻孔代替尾巷治理瓦斯试验。

图5 顶板定向长钻孔和高位钻孔抽采示意图Fig.5 Schematic diagram of roof directional long hole and high hole extraction

煤科集团沈阳研究院有限公司的祝钊等[40]针对复杂地质条件下大直径钻孔成孔后孔壁易坍塌的难题，开展了大孔径套管钻进一次性成孔技术研究，并研制出配套的ZDY15000L 型煤矿用履带式全液压坑道钻机（图6），该钻机具有低转速、大扭矩、能够钻进大直径钻孔（500 mm）的特点，为煤矿井下大直径瓦斯抽采钻孔的施工提供装备支撑。程波等[41]开展了大直径水平钻孔桥接采空区抽采瓦斯技术研究，董燕飞等[42]通过在屯兰矿22301 瓦斯治理巷施工大直径钻孔替代回风巷与瓦斯治理巷横贯进行抽采解决了工作面瓦斯超限问题。目前，以孔代巷技术已在我国晋城、阳泉、淮南、铁法、沙曲等多个矿区试验成功并得到推广应用。

图6 ZDY15000L 型煤矿用履带式全液压坑道钻机Fig.6 ZDY15000L caterpillar full hydraulic tunnel drilling machine for coal mine

2.2.5 保护层卸压瓦斯抽采技术

多年来突出危险煤层的开采实践和理论研究表明，在开采保护层的同时预抽被保护层的瓦斯是防治煤与瓦斯突出的有效区域性防突措施，既可以避免与突出危险煤层长期短兵相接，又能提高防突措施的安全性和可靠性[43]。《煤矿安全规程》第204 条要求“具备开采保护层条件的突出危险区，必须开采保护层”，第208 条要求“开采保护层时，应当同时抽采被保护层和邻近层的瓦斯”，这些规定有力地促进了保护层卸压瓦斯抽采技术的研究及应用。

保护层开采之后，上被保护层的透气性可增加1 000～3 000 倍、卸压瓦斯抽采率达60 % 以上；下被保护层的透气性最大可增加1 000 多倍、卸压瓦斯抽采率可达50%以上[44]。因此，通过抽采保护层开采卸压瓦斯，不仅可以区域性消除煤层的突出危险性，还能够实现被保护层瓦斯的高效抽采，该技术具有安全、高效、经济的特点。自1958 年以来，我国先后在北票、南桐等局矿开展了保护层卸压瓦斯抽采技术试验研究并在在红卫、六枝等局矿进行了大范围推广应用；1998 年以来，中国矿业大学与淮南矿业集团合作发展了保护层开采这一防突技术措施，扩大了该技术适用范围。淮南矿区针对其煤层群开采的特点，提出了改变煤层群开采程序和采场布置，通过卸压开采来提高煤层群开采治理瓦斯效果的技术方案，在大量理论研究与实践的基础上，建立了卸压开采“抽采”瓦斯安全高效开采工程技术体系，并对煤与瓦斯共采进行了有益探索[27,45-46]。淮南矿区B、C 组煤联合开采保护层卸压瓦斯抽采技术示意图如图7[47]，选择B10 煤层作为关键保护层开采，该煤层的工作面采用“一面六巷”模式（轨道巷、运输巷、B10 煤底板巷、B10 煤高抽巷、C13 煤底板巷和B6煤底板巷）分别施工抽采钻孔治理瓦斯。B10 煤层的开采，上保护B11b 煤层、下保护B8 煤层，同时利用B10 煤高抽巷和C13 煤底板巷钻孔抽采B11b 煤层的卸压瓦斯、利用B10 煤底板巷和B6 煤底板巷钻孔抽采B8 煤层的卸压瓦斯。再依次上行开采B11b煤层保护C13 煤层，开采B8 煤层向下逐层保护。

图7 淮南矿区B、C 组煤联合开采保护层卸压瓦斯抽采技术示意图Fig.7 Schematic diagram of pressure relief gas extraction technology in the protective layer of coal joint mining in group B and C of Huainan Mining area

2.2.6 水力化煤层增渗技术

煤层的渗透率是影响原始煤体预抽瓦斯效果的主要因素。我国70%以上高瓦斯和突出煤层大多属于低渗透性煤层，煤层的渗透率大都在0.001～0.1×10-3mD（1 mD=10-15m2）之间，渗透率低造成瓦斯运移难度加大，进行预抽时其有效抽采半径也相对较小[48]。对于地质构造复杂的单一、低渗煤层来说，采用常规方法进行预抽来实现瓦斯抽采达标的难度非常大。因此，如何增加煤层的渗透率已成为制约矿井瓦斯抽采的瓶颈之一。作为非贯通裂隙岩体[49]，煤层内部存在大量的裂隙与孔洞，属于极其不连续、各向异性、非弹性的损伤材料，力学特性非常复杂。要提高它的渗透率，就必须进行结构改造，煤岩体结构改造是煤层增渗的核心问题。储层增渗技术是从20 世纪30 年代开始，伴随着石油、煤炭等矿藏的开采而发展起来的，可分为力学方法和物理化学方法。水力化煤层增渗技术是煤岩体结构改造的有效途径，该技术是以高压水作为动力，使储层内原生裂隙扩大、延伸或者人为形成新的孔洞、槽缝、裂隙等，促使岩体产生位移，达到储层卸压、增渗的目的。自1947 年美国开始第1 次水力压裂以来，历经70 余年的发展，水力化技术从理论到应用都取得了惊人的进展。2003 年以后，我国水力化煤层增渗技术进入高速发展阶段，单项水力化增透技术不断完善，总体向着集成化、多元化和智能化的方向发展。中国矿业大学、煤科集团沈阳研究院等10 余家科研院所在煤层水力化增渗方面开展了大量研究，形成了水射流和水力压裂2 大类共10 余种技术，主要有水射流割缝（或扩孔、钻孔）、水力冲孔、水力掏槽、水力挤出、水力疏松、水力压裂等。在全国30 余个矿区进行了试验及应用，作业区域由煤巷掘进、石门揭煤等局部地点发展到地面钻孔抽采、煤层区域预抽、突出煤层消突等，多数应用取得了很好的效果。目前，水力化煤层增渗技术已成为我国煤矿应用范围最广、效果最显著的低渗煤层增渗技术。

事实上，每种增渗技术都有其自身优势和局限性。水射流割缝（或扩孔）在其控制范围内卸压充分、增渗效果明显，但是它的影响范围小，仅有几米。水力压裂的控制范围大，影响半径可达数十米以上，但很难确保在控制范围内均匀卸压、增渗而不留空白带。如何将水射流与水力压裂有机结合起来，实现优势互补、取长补短，是以后仍需长期深入研究的重要课题。针对这一问题，王耀锋等[50]开展了三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术研究，提出了1 种通过定向孔与压裂孔联合布置的煤层增渗方式，定向孔与压裂孔联合布置压裂裂隙分布模拟结果如图8，布置在中间的常规钻孔作为定向孔，布置在四周的4 个水射流扩孔钻孔作为压裂孔，通过对4 个压裂孔实施同步压裂来实现煤层的大范围卸压和均匀增渗。三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术已在淮南、焦作、山西焦煤、沈阳等矿区进行了试验，试验钻孔的瓦斯抽采纯流量达到常规钻孔的3.67～4.79 倍。

3 煤矿瓦斯抽采技术装备未来发展趋势

图8 定向孔与压裂孔联合布置压裂裂隙分布模拟结果Fig.8 Simulation results of fracture distribution in combined arrangement of directional hole and compression hole

1）煤矿瓦斯（煤层气）抽采利用相关扶持政策和煤矿安全生产相关管理制度的制定。从我国煤矿瓦斯抽采技术的发展进程来看，国家科技攻关计划的实施和煤矿安全相关管理制度的制定，在很大程度上促进了煤矿瓦斯（煤层气）抽采利用技术与装备的发展，因此，建议以后继续加大煤矿瓦斯（煤层气）抽采利用的政策与资金支持，提升瓦斯抽采科技创新能力并加快科技成果转化；进一步加强瓦斯抽采相关煤矿安全生产管理制度的制定，尽快建立健全煤矿瓦斯抽采标准体系。

2）大功率、低故障率、高效率、智能化煤矿钻探技术与装备。煤矿钻探装备是开展矿井瓦斯综合治理、冲击地压防治、隐蔽致灾因素探测等多种矿井灾害防治工作的必备装备，是煤矿安全高效开采的重要保障。为适应我国不同赋存条件煤（岩）层内钻孔施工的需求，大功率、高可靠性、高效率、智能化钻探技术与装备的研发迫在眉睫，今后需围绕长距离大直径煤（岩）层孔定向钻进、防爆地质导向随钻测量系统和旋转导向钻进系统及配套钻进、远程故障诊断与预警、地面遥控智能钻进、煤矿井下钻孔机器人等方向开展技术与装备的研发。

3）煤层增渗技术及装备。煤层增渗技术是单一、低渗的高瓦斯和突出煤层提高瓦斯抽采效果、实现抽采达标的重要手段。经过多年的发展，水力化煤层增渗技术已成为我国煤矿广泛应用且效果显著的增渗技术，但仍存在诸多问题与不足，还需在增渗机理、顺层钻孔分段水力压裂、穿层钻孔定向控制压裂、高压水射流钻分枝钻孔、煤层增透范围实时监测与控制等技术与装备方面进一步深入研究。此外，还可以试验尝试一些在石油等行业成功应用的技术，如超声波增透、重复压裂、同步压裂、高能气体压裂与水力压裂联作、注气驱替、酸化压裂复合增透等技术。

4）瓦斯抽采钻孔提浓增量技术。除了受原始煤体的渗透性低影响外，地质条件复杂、地应力高、煤质松软、钻孔设计不合理、施工不到位、封孔质量差、管理不到位等因素造成的预抽钻孔漏气、堵塞、塌孔、有效抽采时间短等问题，也在很大程度上影响了碎软低渗煤层的瓦斯预抽效果。因此，建议在开展多重损伤条件下抽采钻孔失效机理研究的基础上，针对瓦斯抽采钻孔施工视频监控系统、高压水射流透孔技术、高强度大直径筛管下入技术、下向钻孔自动排水技术、二次封孔技术[51]、带压封孔技术[52]、漏气失效钻孔修复技术[53]、封孔段裂隙探测及智能封堵技术和适应大变形条件的强柔性新型矿用封孔材料等方向开展瓦斯抽采钻孔提浓增量技术研究工作。

5）瓦斯抽采参数精准监控与智能控制抽采关键技术。随着智能化、远程控制和计算机信息等技术的飞速发展，以信息化、智能化为特征的新一轮能源科技革命蓄势待发，矿井瓦斯抽采监控技术也不例外。我国多数煤矿钻孔抽采浓度不稳、有效抽采时间短，由于钻孔数量庞大，安设单孔计量装置投入成本较高，往往单钻孔抽采状态的检测采用人工方法，存在较多的不确定性。抽采管路的巡检也主要依靠人工，放水器和排渣器也多由人工操作，抽采管路的漏气检测缺少手段，管道内的清理疏通基本无法实现，这在较大程度上影响了抽采系统的高效、稳定运行。因此，建议针对井下抽采钻孔单孔瓦斯抽采参数与状态的监测与调控、瓦斯抽采系统的提效、低浓度瓦斯的利用率低等方面的难题，开展包括井下钻孔抽采参数精准监测与抽采状态分级管控、抽采达标效果透明可视化、瓦斯抽采管路智能检测及维护保障技术、抽采泵站无人值守技术、井下移动与地面固定瓦斯抽采系统协同抽采技术及不同抽采状态下高、低浓度瓦斯混配输送工艺等在内的成套技术、工艺、软件平台与装备的研究，形成井下钻孔抽采参数精准监控与智能控制抽采关键技术，为瓦斯提质增效抽采及抽采达标评判提供保障，为低浓度瓦斯的利用提供技术及装备支撑。

6）煤矿瓦斯（煤层气）与煤炭协调开发技术。把煤矿瓦斯（煤层气）的安全、高效抽采及利用与煤炭资源的绿色开采紧密结合，实现瓦斯抽采与煤炭开采一体化部署，把瓦斯抽采计划纳入到矿井的生产接替安排之中，坚持井上下联合立体抽采的思路，不断加大卸压抽采和煤与瓦斯共采的力度，通过协同规划与联合开发实现采煤采气一体化是未来我国煤矿瓦斯抽采技术发展的必然趋势。以后需重点围绕待建矿井碎软突出煤层地面区域化高效抽采、分区联动地面井连续抽采、地面直井与井下近水平钻孔联合抽采、一井多用技术、极薄保护层高效开采技术、煤与远程卸压瓦斯共采技术、无煤柱煤与瓦斯安全高效共采技术等方面开展研究工作。

7）废弃（关闭）矿井瓦斯“甜点”资源区评判及高效抽采技术。之前我国煤矿的瓦斯抽采主要集中在生产矿井和待建矿井，随着我国经济发展进入新常态和煤炭去产能，关闭矿井数量日益增多，许多关闭矿井（特别是高瓦斯和突出矿井）中仍储存有大量瓦斯资源，废弃（关闭）矿井瓦斯抽采及利用在我国潜力巨大[54]，也是煤矿瓦斯抽采的一个发展方向。虽然我国已开展了一些关闭矿井瓦斯资源勘探开发的科研工作，但尚处于试验探索阶段，建议尽早建立关闭矿井闭坑监测制度等相关政策，系统开展关闭矿井残存瓦斯资源量预测、瓦斯涌出规律研究以及瓦斯“甜点”资源区评判等核心技术研究，通过科技攻关确保我国关闭矿井瓦斯资源的开发利用。

4 结 语

作为减少矿井风排瓦斯量、防治瓦斯灾害的治本措施，中国煤矿瓦斯抽采历经4 个阶段近70 年的发展，已取得了令人瞩目的成就，形成了一批适应我国瓦斯资源赋存条件的关键抽采技术并初步建立了瓦斯抽采技术体系，有力地保障了煤矿的安全生产，目前已进入井下瓦斯规模化抽采和地面煤层气商业化开发阶段。但是，应清醒认识到，我国煤矿瓦斯资源的赋存条件先天不足，而随着煤矿开采深度的不断增加和开采条件的日趋复杂，煤矿瓦斯抽采还将面临一系列技术难题。这些技术难题，需要在国家的政策与资金的支持下，通过煤矿企业和煤炭科研院所通力协作，深入开展基础理论研究和科技攻关，使中国煤矿瓦斯抽采技术装备水平再上一个新台阶，更好地保障我国煤矿的安全生产。