煤矿瓦斯抽采技术的发展探究

＊徐 游

（贵州文家坝矿业有限公司 贵州 552100）

引言

瓦斯作为煤矿开采的伴生产物，其本身利用价值极高，部分情况下已经成为某些特定工业生产的基础原料。同时在利用过程中，甲烷燃烧的环境友好度控制较好，且特殊的燃烧性质也使得其逐渐成为部分工业应用的最优解。针对甲烷抽采易发生爆炸问题，尝试对现代煤矿瓦斯抽采系统进行了改良，从而保证瓦斯抽采过程中的安全性。

1.现阶段我国瓦斯抽采中遇到的问题

(1)工程实例

目标煤矿位于我国山西省东部，煤矿面积高达105km2，预计生产效能可达到410万t/a。18620工作面的煤层构造简单，主要以8#、3#煤层开采为主。该煤层厚度在3.3～5.2m之间，平均厚度可达到5.4m。其中，8#煤层性质上为渗透性煤层，该煤层中瓦斯性质特殊，衰减快、透气性低、吸附能力强等特点直接增加了该煤层的瓦斯抽取难度。不过，在预计勘测中，该煤层的瓦斯含量已经达到12m3/t，巷道瓦斯压力也达到1.0MPa。改为从周围区域为采空区，部分区域工作面顶板的主要构成为砂石和泥岩。在数据切眼的分析中，可发现运输带瓦斯体积分数可达到12%，过度带缺氧而处理20～50m范围内，瓦斯体积分数可达到15%～20%。该区域瓦斯含量较高，但分布较为复杂。瓦斯滞留带与切眼位置相距超过50m，瓦斯体积分数已达到33%，空气流动速度远低于预期。

(2)问题分析

①认知偏差过大，对开采产生错误预期

我国瓦斯抽采技术出现时间较短，大多数是来源于其他国家的操作经验，因此对瓦斯抽采技术中的认知偏差较大，部分情况下甚至会干扰瓦斯抽采计划的制定[1]。在21世纪初的多数瓦斯抽采认知中，可发现我国相关经验均来源于美国的数据报告，所以在相关模型计算上，多直接套用，所以报告中误差难以避免，给瓦斯开采带来的损失也很难进行准确估量。其次，我国地形复杂，本身就与西方以及其他地区有较大差异，所以盲目地使用资料也必然会导致预期偏差增加[2]。最后，我国煤炭资源都以构造煤、深层煤为主，开采难度较大，其质量管控也需要大量的资金投入。但由于并未意识到该内容，所以我国“十二五”瓦斯利用目标完成度仅仅只有预定值的30%。对当前数据进行分析后，可发现认知判断失误所带来的恶劣影响甚至会延伸至2037年[3]。

②过于看重工程经验，忽视研发

在实例瓦斯开采中，我国的开采行为依然受到西方开采体系的影响。相关数据显示，我国1990年正式引入西方开采技术，以便通过该技术创造出了喜人的气体开采量[4]。但从整体上看，我国巨额的瓦斯开采量多源于较大的生产井基数，所以核心技术在20世纪内并未得到明显提升[5]。在平均数据对比上，发现我国设计出平均生产井采气量远远低于世界同等水平。到了2010年后，我国开采技术有明显提升，但本质上还是缺少开采针对性与研发自主性，这导致在部分开采事故的预防中表现并不理想。在该时期后，我国开始逐渐向瓦斯开采领域投入更多研发基金，但由于人员、技术占比差距较大，研发能力的提升与预期还是有较大差距[6]。

③环境资源矛盾处理不及时，负面影响反噬

A.环境矛盾处理

瓦斯利用价值较高，所以我国早在21世纪初就确定了资源开发方针，即通过自动调整的方式处理环境与资源之间的矛盾问题，从而尽可能的对皖事资源进行充分利用。但在实际处理中，可发现资源环境矛盾巨大，很难通过动态调整的方式取得平衡。比如在2005年—2010年间，可查的煤矿瓦斯挖掘事故已达到45起，死亡人数已超过160人[7]。出现该问题后，我国相关部门立即调整战略方针，迅速将发展重点集中到环境保护中。但从2015年—2020年的相关数据中可以看出，我国可查的瓦斯采取事故件数已降低到13起，死亡人数下降至49人，但瓦斯抽取效率降低至原有的47%，环境保护支出上升了43个百分点，瓦斯资源采取收益整体下降27%。相关专家分析，未来瓦斯开采中用于环境保护的资金会继续上涨，其带来的实际收益会再次降低[8]。

B.开采难度增加导致环境资源平衡困难

常规勘探开发耗费成本较少，由于该方面的环境资金也较少，所以针对该阶段的技术优化所带来的收益十分有限。而在深层煤的处理中，所耗费的资金会明显上涨。开采行为本身属于线性过程，随着开采的推进，开采的难度也会迅速提升。在相关报告中，可以发现我国深度超过1000m以上的开采井已超过38%，而我国大部分瓦斯都存在于1000～2000m地层中，现在深度层的瓦斯保留占比超过全国占比的70%[9]。

2.现阶段瓦斯抽采技术

(1)定向长钻孔瓦斯抽采

①技术介绍

千米钻机移动能力依靠履带行走实现，机体本身负载有钻进系统，可根据设定数值自由调整方位、转角、工作面积等其他关键数据。在钻探过程中，可实时反馈钻孔数据，并记录钻孔轨迹。在驱动方式上，我国大多数定向长钻孔都依靠电液能源进行驱动，钻进区域能源依靠高压水。

②技术要点

在开始钻孔作业前，技术人员要提前预留一个标准孔洞，孔洞直径数据为170mm，长度20m，并在孔中安装长12m宽100mm的PVC管。空口位置安装钢管，长度6m，宽18mm。安装完成后直接接管，并在其中注入泥沙封孔。在钻进过程中，技术人员需要提前对高瓦斯区域进行判断，并提前做好引流，保证钻井过程安全性。多数情况下，喷出保护装置的最大保护范围为18～20MPa，可保证技术人员在部分情况下的人员安全[10]。

(2)智能瓦斯抽采技术

智能瓦斯抽采技术以现代技术为准，通过多种方式实现瓦斯抽采的智能化。在现阶段，智能抽采技术多为这种技术概念总和，基本智能是达到绿色开采、安全开采、经济开采、高效开采的最终目的。从整体上看，智能瓦斯抽采技术至少具备物料识别、数据分析、具体定位、云计算、流程监视、自动数据调整等基础功能[11]。为更加准确表现出相关概念，本文也尝试通过具体技术说明智能瓦斯抽采技术现状，详情如下：

①地质信息透明化

地质信息透明化可以提高操作人员对目标瓦斯层的判断精度，也是智能瓦斯抽采技术基础。在该技术下，系统可自动识别煤层赋存情况，并根据媒体结构推断瓦斯分布。虽然现阶段地质分析技术并不够成熟，但可收集到的信息已经能够准确表现出该区域的基本性质。同时，地质技术分析并非单一技术，它包含数据库整理、探测技术和优化技术，比如在X光技术的应用下，地质分析精度再次增加，而增加的数据也会直接进入数据库中，通过筛选进一步恢复该地区的实例地质条件。而随着地质数据库数据的增加，技术人员也能够更加轻松的对目标开采区域进行数据复原，并通过3D透明化的地质建模确定瓦斯开采的最佳方案[12]。

另外在部分欧洲国家，开始尝试通过模型模拟开采过程，并推测瓦斯抽采过的地区环境变化情况，最后达到资源与环境的平衡。可以发现，该技术能够有效降低传统瓦斯开采的被动性，并能够尽早发现开采中的不稳定因素，及时排除。而当数据库达到一定规模后，对资源利用也有相当宝贵的指导作用，比如在未来部分非再生资源的利用中，就能够最大程度提升该资源的具体收益。

②钻孔智能设计体现

传统钻孔多以人工操作为主，操作量大且精度难以保证。同时，多数瓦斯开采为动态过程，静态的钻孔操作会直接降低瓦斯开采效率，严重情况下会导致开采事故的出现。另外，我国多数地区地质环境复杂，各工作面之间也会有较大的地质差距，显然人工很难覆盖。而在智能开采设计中，技术人员可根据开采区的数据变化情况绘制瓦斯关键数据变化曲线。在得到相关数据后，就可以根据数据变化特征调整钻孔位置、钻孔大小[13]。

其次，该数据也能够直接分析各个钻孔的实际工作效率，并调整各个钻孔间的任务资源分配情况。而当地质条件发生较大改变时，技术人员也能够对异常数据进行捕捉，并提前做好防范，降低相关设备与人员的损失。

③巡检机器人的使用

瓦斯抽采中巡检机器人属于特种机器人，其现阶段主要包含三类，分别为轮式巡检、吊轨式巡检以及四足巡检，其主要差异来源于其运动方式的不同。轮式巡检类型主要用于基础模块摄影，功能为矿洞内简单图像的识别，拥有简单的数据反馈能力，能够迅速联合形成异常信息汇报网络。吊轨巡检活动范围更大，也更容易通过数量优势建立数据网络。在能源供给上，无线充电的优势也保证其有充足的能量支持。四足机器人为仿生学设计，可以有效翻越矿洞地形，并对矿洞关键数据进行收集。虽然成本造价较高，但整体功能集合上限也相对较高，能够支持较为复杂的巡检命令。

3.未来瓦斯抽取技术优化方向

未来瓦斯抽采技术的发展会更加科学化，但本质上还是在保证环境、安全的基础上提升瓦斯开采效率。所以，除了单纯的技术优化外，未来的瓦斯抽取技术优化方向也可以从以下角度进行入手：

(1)提高对开采的认知

在掌握先进技术后，要充分利用技术的可能性，最大程度地提高对已有瓦斯抽采技术的认知，避免陷入销量、产量的攀比怪圈。比如，在实际分析中要结合能源的实际需求，通过计划方式调整能源开采周期，最大程度降低对环境的破坏。在透明化地质信息的技术应用中，该技术的潜力已经被充分体现。

(2)提高技术应用安全性

不管是何种技术，在正式使用前都需要及时进行排查，确保运行状态稳定。尤其在现代智能抽采技术应用中，更是需要注意程序运行逻辑是否符合该区域的资源开采特征。其次，智能抽采系统中必须要添加异常数据收集系统，并最大程度保留智能开采系统的自动判断过程，确保开采系统的运行稳定度。

(3)结合我国实际，调整资金投入方向

在相关技术研发中，我国可以参考其他地区进行相关的理论实验，但整体上要以我国地质条件为核心，并做好外来技术的“本地化”，尽可能减少相关方向的判断失误。在战略上，我国也应该加强对科研方面的资金投入，实现从“实验场”到“研究厂”的定位转变。同时，研究也要注重技术与资源的绑定性，在提高市场收益的同时，提高对该技术的应用主动性，从而为我国煤矿瓦斯开采争取更多的市场优势。

4.结束语

显而易见，瓦斯开采确实能够为企业带来巨大收益，但由于技术难度较高，所以开采前需要多次调整开采规划。而对于国家来讲，也需要尽可能提高瓦斯抽采技术的集合性，通过多种辅助技术降低瓦斯抽采的技术风险，并最大程度提高瓦斯的资源利用价值。另外，在新技术应用中，主要平衡好新技术收益分配，避免产生过多的资源“债务”。