刍议煤矿瓦斯抽放技术的应用①

摘 要:我国地大物博,各类矿产资源极其丰富,在众多的矿产资源中,又以煤炭资源居多。据有关文献记载,我国的煤炭资源总量约占一次能源的70%左右。煤矿企业作为我国经济支柱型产业之一,其年产量呈逐年上升态势。在煤矿开采的过程中,经常会伴随有大量的瓦斯出现,瓦斯本身属于一种易燃易爆的有害气体,如果煤矿井下的瓦斯积存量过多,势必会给正常的开采工作造成一定的影响,一旦处理不好,极有可能引起瓦斯爆炸等安全事故。为了确保煤矿正常、安全生产,必须采取相应的措施对煤矿瓦斯进行抽放。基于此点,本文就煤矿瓦斯抽放技术的应用展开探讨。

关键词:煤矿 瓦斯抽放技术 矿井 采掘

中图分类号:TU2文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0098-02

我国自明代开始便已有关于矿内瓦斯处理的记载,当时著名的自然学家宋应星在其著作的《天工开物》中详细记载了利用竹筒引导自然排气对矿内瓦斯进行处理的方法。西方国家在19世纪前,对于矿井瓦斯的处理方法主要是用火将积存于矿内的瓦斯烧掉。瓦斯本身是以气体的形式存在,自通风设备出现后,人们便利用较大的风量来排除或是冲淡这一气体。现如今,随着煤矿综采面的深度不断增加和采掘规模的日益扩大,加之国家大力提倡节能环保,人们为了更加经济、合理地进行开采并节约自然资源,开始逐步引入了瓦斯抽放技术理论。借此,本文就煤矿瓦斯抽放技术的应用进行研究。

1 我国煤矿瓦斯抽放技术的发展历程

我国自1938年抚顺龙风煤矿首次进行瓦斯抽放试验工作以来,瓦斯抽放技术的发展已有70多年,这一技术经历了以下四个发展阶段。

(1)高透气性抽放阶段。

在20世纪50年代初期,抚顺高透气性特厚煤层首次应用井下钻孔预抽技术对煤层中的瓦斯进行抽取,在当时该技术的应用获得了十分明显的效果,有效地解决了矿井向纵深方向开采过程中的瓦斯安全问题。然而因当时未能认识到煤层透气性与抽采效果的关系,从而使得在其它一些透气性较小的矿井中应用效果并不理想。

(2)邻近层卸压抽采阶段。

20世纪50年代中期,在阳泉矿区的煤层群开采中,应用穿层钻孔抽取邻近层瓦斯的试验取得成功,通过该技术的应用有效地解决了矿井煤层群开采过程中,首采面瓦斯涌出量较大的难题。在此之后,又对顶板瓦斯高抽巷抽采上邻近层瓦斯技术进行了试验,该技术随后在不同煤层赋存前提下的上下邻近层中获得了十分广泛的应用,并且效果都非常良好。

(3)低透气性煤层强化抽采阶段。

自20世纪60年代开始,由于采用布孔方式对透气性较差的高瓦斯含量煤层进行预抽采的效果不太理想,无法完全避免开采过程中的瓦斯威胁,为此科研人员将研究的重点放在强化抽采技术上,经过大量的试验研究出了多种方法,如水力压裂、煤层注水、大直径扩孔、松动爆破、水力割缝等等。而这些方法虽然在试验区瓦斯抽采中都取得了不错的效果,但大部分仍旧处于试验阶段,并未广泛推广使用。

(4)综合抽采阶段。

自20世纪80年代开始,随着我国技术水平的不断提高,综采、综放以及机采等技术均得到长足的发展和推广使用。现阶段,大部分煤矿采取的巷道布置方式都发生了巨大改变,采掘的推进速度较之以往也明显加快,伴随着开采强度的不断增大,综采面的瓦斯涌出量也呈直线上升趋势,特别是在一些邻近层的工作面上,瓦斯涌出量的增长幅度还要高于综采面。为有效地解决这一问题,实施瓦斯综合抽采已经势在必行。综合抽采实质上就是将多种方法应用到同一采区当中,如预抽、邻近层卸压、边采边抽、采后再抽等等。这样可以在有限的时间和空间内达到最大的瓦斯抽采量,从而提高抽采率,并缓解巷道掘进、瓦斯抽采以及煤层开采等工作接替紧张的状况,这也是实现煤与瓦斯共采的最佳途径之一。

2 煤矿瓦斯抽放技术应用的重要性

(1)是有效减少瓦斯事故的重要手段。

据统计,2011年全国煤矿事故死亡人数为1973人,瓦斯事故死亡人数为533人,占总死亡人数的27%,且平均每年10人以上的特大煤矿死亡事故中,因瓦斯事故死亡人数占总死亡人数比重的80%左右。由此可以看出,瓦斯事故一直以来是煤矿重大事故之一。所以,减少和避免瓦斯事故是保证煤矿安全生产的必然选择,有利于推动我国煤矿产业步入安全、高效生产的发展轨道。要想有效遏制瓦斯事故的发生,必须以完善的规章制度为前提,利用制度的约束力加强生产安全管理,同时配备先进技术装备,健全监测监控系统。尤其对于减少煤层瓦斯含量的瓦斯抽放技术而言,已经成为确保煤矿安全生产的重要措施。实践证明,建立健全通风、抽放、监控系统,能够极大地减少甚至是消除瓦斯事故的发生。

(2)是提高瓦斯利用效率的有效途径。

瓦斯不仅是一种清洁燃料,同时也是一种利用价值较高的化工原料。当前,我国部分煤矿企业利用抽放的瓦斯成功制作成了炭黑、工业酒精等产品,并已经将瓦斯作为居民做饭、烧锅炉必备的燃料。瓦斯还可以用作发电、供热的一次能源,为了提高瓦斯的利用效率,大力倡导节能减排的生产方式,煤矿企业可以利用瓦斯为矿区提供日常所需的热能和电能,既确保了技术上的安全可靠,又保证了经济上的科学合理。在许多工业发达的国家中,如日本、英国、德国、澳大利亚等国家,均建立了煤矿瓦斯电站,而我国也在极力推进瓦斯发电技术的研究和应用。如,我国某矿务局引进了径流式燃气轮机,采用热电联产运行方式,对瓦斯施压后作为燃料送入燃气轮机内,使燃气轮机带动发电设备发电,并且将排出燃气轮机的高温烟气输送到余热锅炉内,使其产生蒸汽,可供烘干室、更衣室、食堂、浴池作为热源使用。

(3)是改善矿区大气污染的关键技术。

瓦斯属于温室气体,对全球温室效应产生了一定的负面影响。据有关专家研究证实,虽然瓦斯浓度远远低于CO2等温室气体的浓度,但是其产生的温室效应却相当严重,这是由于CH4分子的作用约为CO2分子作用的21倍所导致的。所以,煤矿企业应当科学运用瓦斯抽放技术,减少瓦斯向大气排放,提高对瓦斯的利用效率,力求保护大气环境,降低温室效应,彻底改善矿区大气污染严重的现状。

3 当前我国煤矿瓦斯抽放技术的应用现状

虽然瓦斯抽放技术现已在各大煤矿中得到广泛应用,但是在实际应用的过程中,却存在诸多问题,这严重影响了瓦斯抽放的实际效果。

3.1 瓦斯抽放技术应用中存在的问题

(1)抽放时间不足。通常情况下,煤矿瓦斯的抽放效率与时间成正比,即时间越长抽放的效率越高。在大部分煤层的开采过程中,由于煤层本身的透气性较差,如果想要达到最佳的抽放效率,抽放时间至少应为6～8个月左右。然而,在我国大部分的高瓦斯以及煤与瓦斯突出的矿井中,都普遍存在采掘时间失衡的情况,大多数煤矿的瓦斯抽放时间都是3～4个月左右,其中极个别的仅为1个月。抽放时间的严重不足,很难使瓦斯的抽放效率得到有效保障。

(2)抽放系统不匹配。当前,虽然我国大部分煤矿企业利用政府下拨的资金对瓦斯抽放系统进行了一定的更新和改造,也有效地缓解了一部分系统不匹配的情况。但是,仍有很多煤矿存在瓦斯抽放系统不匹配的现象。如有的煤矿瓦斯抽放泵的最大抽放量较小,不能有效地克服抽放时管道内部所产生出的压力;有些煤矿抽放泵的抽放量很大,但由于主管线的直径较小,从而导致了很大一部分抽放量损失在管道的阻力上。

(3)封孔质量不达标。孔底抽放复压最大的功效是能够对瓦斯进行引流,并且还可以强制瓦斯解吸,在这一过程中,封孔质量的优劣对瓦斯抽放效果有着十分重要的影响。当前,我国仍有约70%左右的矿井在进行瓦斯抽放的过程中,采取水泥砂浆或是黄泥进行封孔,而且还有极少数近水平开采和缓倾斜开采的矿井也在使用水泥砂浆进行封孔,这样难免会造成封孔长度不足,同时密封效果也相对较差。据有关调查结果显示,在我国煤矿中,大约有65%的回采面预抽瓦斯的浓度低于30%,这一情况的发生主要是由于封孔质量不达标造成的。

(4)缺乏行之有效的管理。我国大多数煤矿企业都普遍存在对瓦斯抽放管理不到位的现象,这也是导致抽放效率较低的一个根本原因,管理方面的问题主要有以下几个方面:其一,缺乏科学先进的监测系统和计量设备,并且对瓦斯抽放系统的维护及管理也不到位;其二,很多煤矿由于某些客观原因,没有配备专门进行瓦斯抽放工作的队伍;其三,因没有制定较为严格的施工条例和相关的管理制度,从而使得无法按照设计要求对瓦斯抽放的钻孔长度予以合理规划。

3.2 几点建议

针对于目前我国煤矿瓦斯抽放技术应用中存在的种种问题,笔者提出以下几点建议。

(1)延长抽放时间。在煤矿井下开采的过程中,通过不断改善采掘的平衡,不但能够有效延长瓦斯抽放时间,而且还能够进一步提高抽放效率。我国约有30%左右的煤矿在初采时,都是针对突出煤层进行采掘,其平均开采速度约为100m/月,如果在开采的过程中,遇到突出十分严重的煤层,那么开采速度仅为20～30m/月,这一情况造成了采掘失衡的现象发生,从而使得无法充分预留出瓦斯抽放时间。为此,建议各大煤矿应采取采掘同步的方式进行煤矿开采,这样有利于确保瓦斯抽放的时间充足。

(2)对瓦斯抽放系统进行优化。在对系统进行优化时,可从以下几个方面着手:其一,应尽可能选择与瓦斯抽放量及抽放阻力相匹配的抽放泵,并尽量增大井下管道的直径;其二,可在井底管道的低洼地带加装自动放水装置,借此来缓解管网所承受的压力和阻力;其三,加强对抽放孔的气密性检查,一旦发现有漏气的现象应予以及时关闭,这样有利于降低钻孔的负压。

(3)加强封孔质量。针对封孔质量较差这一问题,笔者认为应选用一些密封效果较好的材料来提高封孔质量。在诸多材料中,聚氨酯是比较理想的选择,其具有封孔效率高、凝固时间短、封孔质量高、膨胀系数高以及收缩率小等特点,比较适合用于瓦斯封孔。

(4)强化管理。为了进一步提高瓦斯抽放技术的应用效果,煤矿企业的领导以及相关的管理人员应对抽放工作予以高度重视和大力支持,并组建相应的管理部门全权负责对瓦斯抽放技术的管理。同时还应加大瓦斯抽放队伍的建设力度,配备一支综合素质高、技术水平强的专业瓦斯抽放队伍,借此来确保施工质量和瓦斯抽放效率。此外,企业还应加大对相关设备和设施的资金投入,并针对定期检查和维护制定相应的管理制度。

4 瓦斯抽放技术在煤矿中的具体应用

下面本文就某煤矿瓦斯抽放技术的应用进行介绍。

4.1 煤矿基本概况

该煤矿为年产400万t的大型矿井,井内共含煤18层,其中2、7、8、9#煤层为可开采层。目前,2#、8#为主采层,其煤层平均厚度分别为3.27m和3.45m,原始瓦斯压力分别为0.5MPa～0.7MPa和0.5MPa～1.9MPa,瓦斯含量分别为13.57m3/t和15.49m3/t,全部都属于可抽放煤层。按照2#、8#煤层综采工作面的瓦斯来源,决定采用综合瓦斯抽放技术对瓦斯进行治理。

4.2 综合瓦斯抽放技术

(1)顺层钻孔抽放。①对钻孔位置进行布设。主要采用的是机巷向上和风巷向下两种方式,施工过程直接在机巷和风巷内进行,施工时保证各钻孔间平行,并且应偏向工作面方向进行布设,孔与孔的间距可设置为3m/个,深度应控制在60～70m这一范围内,尽量不要超出,并使终孔保持在1～2分层以内;②抽放效果。该方法分为预抽和边采边抽两个阶段,预抽时间为6个月,实际瓦斯抽出率约占总抽出量的35%。采用该方法进行瓦斯抽放时,较为关键的技术是施工和封孔。施工时应采用强力钻机,封孔时应使用聚氨酯进行封孔。

(2)高位钻孔瓦斯抽放。在充分考虑采空区瓦斯赋存规律和运移特点的基础上,应选择在回风顺槽处采取高位钻孔抽放技术。第一个钻场应选择在回风顺槽内距离工作面煤壁30m的位置,钻场规格控制在深为4.0m,宽为4.5m,高为2.3m,并在每间隔30m处掘出一个钻场。钻场内部钻出呈扇形排列的4个高位钻孔,终孔的位置应位于裂隙带的中上部区域,距离煤层顶板20m～28m处。一般情况下,利用高位钻孔抽放技术抽放的瓦斯浓度为30%～40%,特殊情况下可达80%,回风顺槽的瓦斯浓度为0.5%,浓度值较为稳定。

(3)采空区埋管抽放。应当采取采空区埋管抽放技术,以解决尾巷内瓦斯浓度过高和上隅角瓦斯浓度超限问题。具体做法如下:在上顺槽内的采空区每间隔约为25m处,埋设花管(直径为1.5m),并做好抽放管路连接。利用采空区埋管抽放技术可将瓦斯浓度控制在3%～8%的范围内。

(4)煤巷密闭抽放瓦斯。就透气性差、壁层特厚的煤层而言,尽管采取了多种瓦斯抽放措施,但是仍然无法彻底降低煤体内的瓦斯浓度,而位于顶层工作面的机风巷和开切眼处,依旧存在着大量瓦斯向外释放的现象。所以,应选择在机巷、开切眼掘出后,同步进行顺层预抽与煤巷密闭抽放措施,一般情况下抽放时间为3个月左右,抽放量为0.6m3/min,瓦斯浓度约为30%。煤巷密闭抽放瓦斯具备成本低、流量稳定、效果好等优势,不需要建设配合技术实施的专门工程,只要做出回采巷道就可以满足措施实施要求。

5 结语

总而言之,煤矿瓦斯事故现已成为影响煤矿企业安全生产的重要因素之一,对其进行相应的治理已经势在必行。就瓦斯抽放技术而言,其绝对能够担当这一重任,这也是现阶段煤矿瓦斯治理的最佳选择。可以说煤矿瓦斯的治理工作任重而道远,为保障煤矿开采过程中的安全性,必须不断提高煤矿瓦斯的抽放效率和抽放量,而想要实现这一目标就必须将重点放在瓦斯抽放技术上面,只有应用最科学、最合理的瓦斯抽放技术,才能保证矿井安全生产。

参考文献

[1]徐超,刘辉辉,邹伟.浅谈我国煤矿瓦斯抽放技术[J].山东煤炭科技,2010(2).

[2]辛海会.我国煤矿瓦斯抽放技术现状及展望[J].煤矿现代化,2010(1).

[3]王魁军,张兴华,王佑安.中国煤矿瓦斯抽放技术[C].中国国际煤矿瓦斯防治与利用大会论文集,2010(5).

[4]苏鸣辉,李宁,张展晨.浅析煤矿瓦斯抽放技术与如何提高抽放效率[J].科海故事博览:科技探索,2011(11).

[5]贺艳涛.地面钻孔抽放采区瓦斯抽放技术研究与应用[A].河北省煤炭学会2008年总工程师会议暨采煤专业委员会学术会议论文集,2008(7).

[6]高艳秋,韩利华,丁明华.煤矿综放工作面进行瓦斯抽放技术的应用研究[J].煤炭技术,2010(4).

[7]王魁军,富向.矿井瓦斯抽放技术优选[A].2008年全国煤矿安全学术年会论文集,2008(8).

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