1、矿井瓦斯抽放理论与技术,主讲：肖知国讲师 Tel:139-49669259 E-mail： 河南理工大学安全学院,引言,瓦斯是资源、是煤矿灾害的主要危险源、是主要的大气温室效应气体； 重特大瓦斯事故的连续发生引起各界广泛关注； 石油价格持续上扬，引起对能源安全的高度关注； 瓦斯抽采是瓦斯治理的治本措施，国外成功控制瓦斯灾害的经验告诉我们，通过立法强化瓦斯抽采，以达到控制采掘作业前煤层中瓦斯含量是有效途径。 我国AQ1026-2006煤矿瓦斯抽采基本指标 ，防治煤与瓦斯突出规定，对瓦斯抽采都提出了要求。,引言,防治煤与瓦斯突出规定征求意见稿中： 第六条 防突工作坚持“区域防突措施先行、局部防突措
2、施补充”的原则。未采取区域综合防突措施并达到要求指标的，严禁进行采掘活动，做到“不掘突出头，不采突出面”。区域防突工作应当做到“多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标”。,煤矿瓦斯灾害,煤矿特别重大事故中瓦斯事故所占比重最高。新中国成立以来至2005年2月底，全国煤矿共发生一次死亡百人以上的事故19起，死亡3162人。其中，18起是瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等，死亡3052人，事故起数和死亡人数分别占94.74%和96.52%。2001年至2005年2月底，全国煤矿发生一次死亡30人以上的事故28起，死亡1689人。其中，瓦斯事故24起，死亡1558人，事故起数和死亡人数分
3、别占85.71和92.2%。,发改委：煤矿瓦斯治理与利用总体方案,解放后煤矿发生的百人以上事故,煤矿瓦斯灾害,一次死亡百人以上事故绝大部分发生在国有煤矿特别是45户安全重点监控企业。新中国成立以来，全国煤矿发生的19起一次死亡百人以上事故，国有煤矿事故起数占94.74%，死亡人数占96.39%；国有重点煤矿事故起数占84.21%,死亡人数占91.90%。这19起事故中，45户安全重点监控企业发生15起，占73.68%，死亡人数占81.37%。,发改委：煤矿瓦斯治理与利用总体方案,煤矿瓦斯灾害,乡镇煤矿事故死亡总人数和一次死亡30人以下的事故最多。全国煤矿事故死亡总人数乡镇煤矿占70%73%；一
4、次死亡39人的重大事故，乡镇煤矿约占80%；一次死亡1029人的特大事故，乡镇煤矿约占70%。,汇报提纲,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展 二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性 三、瓦斯抽采技术原理 四、瓦斯抽放方法及实例,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,全国古代煤窑瓦斯引排方法1637年: 宋应星所著天工开物记载“利用竹管引排煤中瓦斯”的方法。,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,1938年：抚顺龙凤矿开始利用机械设备抽井下巷道积聚瓦斯； 1940 年：抚顺龙凤矿在地面建立瓦斯抽采泵站和容积为100m3的瓦斯储罐，瓦斯抽采流量10m3/min ,瓦斯浓度3040%，实现民用； 1952年：抚顺龙凤矿采用煤层
5、巷道法预抽本煤层瓦斯获得成功。全国瓦斯抽采量20Mm3； 1954年：抚顺龙凤矿试验成功钻孔法预抽本煤层瓦斯； 1956年：全国瓦斯抽采量48.7Mm3；,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,1957年：阳泉四矿试验成功钻孔法抽采上邻近层卸压瓦斯，解决了煤层群开采中首采面瓦斯涌出量大的问题。同时，认识到利用煤层开采后形成的采动卸压作用进行边采边抽,可以有效地抽出瓦斯； 1960年：全国有抚顺、阳泉、天府和北票等企业6座矿井抽瓦斯，全国瓦斯抽采量125Mm3 ；从60年代开始，试验研究了多种强化抽放开采煤层瓦斯的方法，如煤层高、中压注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径钻孔等。 1965年：新增中
6、梁山、焦作、淮南、包头、松藻、峰峰等企业抽采瓦斯，全国瓦斯抽采量150 Mm3 ； 1970年：全国瓦斯抽采量170Mm3； 1980年：全国年瓦斯抽采量293Mm3；80年代开始，为了解决高产、高效工作面瓦斯涌出问题，必须结合矿井的地质开采条件，实施综合抽放瓦斯。 1985年：全国年瓦斯抽采量328Mm3；,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,1990年：全国年瓦斯抽采量433Mm3； 1995年：全国年瓦斯抽采量600Mm3； 2000 年:全国共有141座矿井在地面建立瓦斯抽采泵站，年瓦斯抽采量为866.6Mm3。 2002年:全国共有53户企业的193座矿井在地面建立瓦斯抽采泵站，年瓦斯抽采
7、量1146.1Mm3。 2003年：全国年瓦斯抽采量1300Mm3；,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,2005年: 全国年瓦斯抽采量达到2300Mm3;利用量超过1000Mm3;阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城和抚顺7个矿业集团的年瓦斯抽采量超过100 Mm3。,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,2006年: 原国有重点煤矿286处高瓦斯和突出矿井开展瓦斯抽采的有264处，占92%；全国煤矿抽采瓦斯3200Mm3，同比增幅近40%。利用量达到1200Mm3；山西、辽宁、重庆等3个省（市）瓦斯利用量超过100Mm3 。抚顺、松藻、宁煤、重庆中梁山等4个矿区瓦斯利用率在50%以上，其中抚顺、中梁山等矿
8、区利用率达到100%。山西、辽宁、安徽、贵州、重庆等5省（市）年抽采量超过200Mm3 。阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城、抚顺、淮北等10个矿业集团的年瓦斯抽采量超过100Mm3；全国钻探各类煤层气井796口，总数达到约1400口；地面抽采煤层气1.3亿立方米，同比增长4倍多。2006年，共打了21口多分支水平井，产量最大的一口井日产气3.5万立方米。发电装机容量12104kW，建设中的装机容量达34104kW。,中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,2007年：全国煤矿瓦斯抽采量4300Mm3，瓦斯利用量约1300Mm3 ，利用率30.2%。其中原国有重点煤矿高瓦斯
9、和瓦斯突出矿井中，累计抽放瓦斯3058Mm3 ，同比增加4.45亿立方米，增长17.0%；瓦斯利用量为9.13亿立方米，同比增加2.98亿立方米，增长48.5%。 地面瓦斯抽采量320 Mm3 ，同比增加200Mm3,一、我国煤矿瓦斯抽采技术发展,2008年:据初步统计,全国煤矿瓦斯抽采量达到55亿立方米,利用量16亿立方米。截止目前,我国瓦斯发电机组有1400台,总装机容量达到92万千瓦。,煤层气发展规划,煤矿瓦斯抽采目标：根据煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十一五”规划：到2010年，全国煤层气（煤矿瓦斯）产量达100亿立方米。其中，地面抽采煤层气50亿立方米，全部利用；井下抽采瓦斯50亿立方
10、米，利用30亿立方米；新增煤层气探明地质储量3000亿立方米。 我国煤矿瓦斯储量：埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36万亿立方米，可采资源总量约10万亿立方米，其中大于1000亿立方米的盆地(群)有15个：二连、鄂尔多斯盆地东缘、滇东黔西、沁水、准噶尔、塔里木、天山、海拉尔、吐哈、川南黔北、四川、三塘湖、豫西、宁武等。二连盆地约2万亿立方米；鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地1万亿立方米以上，准噶尔盆地约为8000亿立方米。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.1瓦斯抽放的必要性 2.2瓦斯抽放的可行性,2.1瓦斯抽放的必要性,根据煤矿安全规程第145条及AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范第
11、4.1.14.1.3条规定： 有下列情况之一的矿井，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统： 1个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或1个掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。 矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：大于或等于40m3/min；年产量1.01.5Mt的矿井，大于30m3/min；年产量0.61.0Mt的矿井，大于25m3/min；年产量0.40.6Mt的矿井，大于20m3/min；年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。 开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.1瓦斯抽放的必要性,对于
12、生产矿井，由于矿井的通风能力已经确定，对于回采工作面，其最大供给风量为：Qg=L*H*D*V*60式中：Qg工作面可以供给风量，m3/min；L最小控顶距，m；H采高，m；D有效断面系数；V工作面允许最高风速，m/s；,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.1瓦斯抽放的必要性,当一个矿井、采区或工作面的绝对瓦斯涌出量大于通风所能允许的瓦斯涌出量时，就要抽放瓦斯，即：式中 q矿井（采区或工作面）的瓦斯涌出量，m3/min； qf通风所能承担的最大瓦斯涌出量，m3/min； v通风巷道（或工作面）允许的最大风速，m/s； S通风巷道（或工作面）断面积，m2； C煤矿安全规程允许的风流中的瓦斯浓度，
13、%； K瓦斯涌出不均衡系数，取值为1.21.7。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.1瓦斯抽放的必要性,对于改（扩）建矿井及生产矿井，矿井瓦斯涌出量可以实测； 对于新建矿井，矿井瓦斯涌出量要进行预测，预测依据AQ1018-2006矿井瓦斯涌出量预测方法。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.2瓦斯抽放的可行性,瓦斯抽放的可行性一般是指煤层在自然透气性条件下，进行可抽放的可行性。目前衡量煤层瓦斯可抽性的指标主要有三项：煤层的透气性系数；钻孔瓦斯流量衰减系数；百米钻孔瓦斯极限抽放量Q1。根据上述三个指标，可将煤层瓦斯抽放的难易程度进行分类，如表1所示。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,煤层
14、瓦斯抽放难易程度分类表,2.2瓦斯抽放的可行性,在“容易抽放”的煤层中抽放瓦斯，往往可以获得较大的抽出量，取得较好的抽放效果。如抚顺、山西晋城等矿区。 在“可以抽放”的煤层中抽放瓦斯，虽能取得一定的效果。但有些勉强，往往需要较长的抽放时间和较多的钻孔工程量才能达到顶定的效果。如焦作、鹤壁等矿区。 容易抽放与可以抽放煤层，一般在未卸压的条件下即可抽放瓦斯； 在“较难抽放”的煤层，采用一般的抽放方法已经失去作用，一般应采取密集钻孔或专门的或采动的卸压措施，才能进行抽放。 为提高抽放效果，可采用人为的卸压措施如水力割缝、水力压裂、松动爆破和深孔控制卸压爆破等。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.
15、2瓦斯抽放的可行性,钻孔自然初始瓦斯涌出强度q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数是表征钻孔自然瓦斯涌出特征的参数。 q0和值要通过测定不同时间的钻孔自然瓦斯涌出量并按下式回归分析求得的。 求出q0和后，百米钻孔瓦斯极限涌出量量Q1就可以通过对qt在【0，】内积分求得。,qt百米钻孔经过日排放时的瓦斯流量，m3/min.100； q0百米钻孔成孔初始时的瓦斯流量，m3/min.100； t钻孔涌出瓦斯经历时间，； 钻孔瓦斯流量衰减系数，-,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,2.2瓦斯抽放的可行性,测定步骤为： 选择新鲜暴露煤壁，沿煤层打一个孔径5089mm，长3040m的钻孔，封孔，并记录开始钻进、成
16、孔和封孔时间； 定期测量钻孔自然瓦斯流量，要求第一天测定23次，以后每天测定一次，并记录流量测定时间t； 根据不同自排时间下的钻孔自然瓦斯流量测定数组（ti, ）,按公式回归分析求出和。,2.2瓦斯抽放的可行性,煤层透气性系数（）是衡量煤层中瓦斯流动难易程度的重要指标，是评价煤层瓦斯能否实行预抽的基本参数。其物理意义是：在1m长煤体上，当压力平方差为1MPa2时，每日流过1m2煤层断面的瓦斯量（m3）。,二、矿井瓦斯抽放的必要性和可行性,单位：m2/(MPa2.d)，相当于0.25mD。,在井下直接测定煤层透气性系数的方法中以中国矿院大学法的径向不稳定流动法较为简便：,透气性系数测定方法,2.
17、2瓦斯抽放的可行性,计算透气性系数时，究竟用哪个公式进行计算？采用试算法。即先用其中任何一个公式计算出值，再将这个值带入F0=B中校验F0值，如果F0值在原选用的公式范围内，结果正确；如果不在所选公式范围，则根据算出的F0值，选其所在范围的公式进行计算。一般t10d，可选用F0=102103公式进行试算。,3.1瓦斯流动理论,单向流动示意图,径向流动示意图,三、瓦斯抽采技术原理,3.2瓦斯抽放原理,三、瓦斯抽采技术原理,（1）未卸压瓦斯抽放原理：未卸压抽放煤层瓦斯是利用煤层原始的裂隙和孔隙以及瓦斯压力达到抽放的目的。 预抽煤层瓦斯一般是属于末卸压煤层的瓦斯抽放。 一般情况下，未卸压瓦斯抽放需要
18、经历较长的时间才能达到预期的目的。而未卸压煤层的瓦斯抽放效果。则主要取决于从煤体向钻孔涌出瓦斯的强度和延续时间。这两者又取决于煤体中的瓦斯压力和透气性。瓦斯压力是煤层中瓦斯流动的动力或势能。透气性则是反映瓦斯在煤层中流动的难易程度。,3.2瓦斯抽放原理,（2）卸压瓦斯抽放原理：根据煤层顶板上覆岩层的运动特征，上覆岩层下沉稳定后，可将上覆岩层采动裂隙划分为 “竖三带”、“横三区”，在“竖三带”和“横三区”中可以形成瓦斯抽放空间 。 竖三带：即在采动区沿垂直方向由下往上分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带； 横三区：沿工作面推进方向或在工作面的上下风巷又分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。 随着工作
19、面的推进，沿工作面推进方向上的“竖三带”、“横三区” 随之不断往前移动。原来的煤壁支撑影响区逐渐变为“新离层区” ，而 “离层区”会被逐渐压实为“重新压实区” 。,三、瓦斯抽采技术原理,3.2瓦斯抽放原理,三、瓦斯抽采技术原理,A煤壁支承区（ab）；B离层区（bc）；C重新压实区（cd） I垮落带；II裂隙带；III弯曲下沉带；煤壁支撑影响角,3.2瓦斯抽放原理,三、瓦斯抽采技术原理,1卸压圈；2冒落圈；3保护层；4-被保护层；5瓦斯流向,对于回采工作面，随着开采的进行形成“O”形圈。其离层裂隙分布呈现两个阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最发
20、育；第二阶段采空区中部离层裂隙趋于压实，离层率下降，而采空区两侧离层裂隙仍能保持。 受采空区四周煤壁的支撑作用影响，在采空区四周形成近似“O”形圈的采动裂隙发育区。,三、瓦斯抽采技术原理,3.2瓦斯抽放原理,三、瓦斯抽采技术原理,3.2瓦斯抽放原理,来自本煤层或上、下邻近层的卸压瓦斯，其涌出和移动的不均衡性和采空区冒落煤岩体空洞的局部聚集，卸压瓦斯将在浮力作用下沿采动裂隙通道上升和扩散，瓦斯上升和扩散过程中不断渗入周围气体使瓦斯涌出源与环境的密度差逐渐减小，直到密度差为零，混合气体则会聚集在离层裂隙带内。 “O”形圈是采空区四周离层裂隙发育区的形象描述。由于O”形圈的存在，为采空区以及上覆岩层
21、裂隙带的瓦斯流动和储存提供了通道和空间，是采空区瓦斯聚积的地方。因此，只要将抽放钻孔或抽放巷道打到采场的采动裂隙“O”形圈内，就可以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围和较高的抽放率。,三、瓦斯抽采技术原理,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,走向高抽巷,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,倾向高抽巷,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,倾向穿层孔,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,顶板走向孔,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,地面钻井,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,底板巷,穿层钻孔,采动卸压抽采煤层瓦斯原理,四、瓦斯抽放方法及实例,4.1瓦斯抽放方法分类 4.2瓦斯抽放指标 4.3瓦斯
22、抽放实例,强化瓦斯抽放方法,煤层压裂 松动爆破 水力冲孔、水力扩孔、水力割缝 驱替（CO2）,煤矿井下穿层钻孔水力压裂技术,顺层钻孔抽放瓦斯方式,交叉钻孔抽放方式,常用的边采边抽瓦斯方式,边采边抽瓦斯方式,回风巷高位钻场抽放,常用的边掘边抽瓦斯方式,常用的邻近层抽放瓦斯方式,常用的采空区抽放瓦斯方式 (插管抽放法),常用的采空区抽放瓦斯方式(向冒落拱上方打钻孔抽放),采空区高冒带钻孔抽瓦斯方法,开采保护层抽卸压瓦斯方式,地面钻孔抽放瓦斯方式,地面钻井示意图,地面瓦斯抽采效果,淮南谢桥矿采动区域地面钻井法抽卸压瓦斯方法,单井瓦斯抽采量可达1025m3/min，抽采浓度为6095%，抽采半径超过2
23、00m,井壁结构,一井多用技术,4.1瓦斯抽放方法分类,四、瓦斯抽放方法及实例,4.1瓦斯抽放方法分类,四、瓦斯抽放方法及实例,4.1瓦斯抽放方法分类,四、瓦斯抽放方法及实例,4.1瓦斯抽放方法分类,四、瓦斯抽放方法及实例,4.1瓦斯抽放方法分类,选择瓦斯抽放方法，应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、巷道布置、瓦斯基础参数、瓦斯利用要求等因素，经技术经济比较确定。并应符合下列要求：a) 尽可能利用开采巷道抽放瓦斯，必要时可设专用抽放瓦斯巷道。b) 适应煤层的赋存条件及开采技术条件。c) 有利于提高瓦斯抽放率。d) 抽放效果好，瓦斯抽放瓦斯量和瓦斯抽放浓度尽可能满足利用要求。e) 尽量采用综合抽放。f
24、) 抽放瓦斯工程系统简单，有利于维护和安全生产，建设投资省，抽放成本低。,四、瓦斯抽放方法及实例,4.2瓦斯抽放指标,煤矿瓦斯抽采应满足AQ1026-2006煤矿瓦斯抽采基本指标 的要求。 采掘作业前能通过瓦斯抽采达到消除突出危险性的目的突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或将瓦斯压力降到煤层始突深度的煤层瓦斯压力以下。若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力，则必须将煤层瓦斯含量降到8m3/t以下，或将煤层瓦斯压力降到0.74MPa以下。,四、瓦斯抽放方法及实例,4.2瓦斯抽放指标,控制范围如下： a）石门（井筒）揭煤工作面控制范围应根据煤
25、层的实际突出危险程度确定，但必须控制到巷道轮廓线外8m以上（煤层倾角8时，底部或下帮5m）。钻孔必须穿透煤层的顶（底）板0.5m以上。若不能穿透煤层全厚，必须控制到工作面前方15m以上。 b) 煤巷掘进工作面控制范围为：巷道轮廓线外8m以上（煤层倾角8时，底部或下帮5m）及工作面前方10m以上。 c) 采煤工作面控制范围为：工作面前方20m以上。,4.2瓦斯抽放指标,4.3瓦斯抽放指标,2、瓦斯抽采使采煤作业前瓦斯量降低到正常通风能够解决的程度 瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩的采煤工作面瓦斯抽采率应满足表1规定，瓦斯涌出量主要来自于开采层的采煤工作面前方20m以上范围内煤的可解吸瓦斯量应满足
26、表2规定。,4.3瓦斯抽放指标,2、瓦斯抽采使采煤作业前瓦斯量降低到正常通风能够解决的程度,四、瓦斯抽放方法及实例,采煤工作面瓦斯抽采率应达到的指标,应达到的主要指标,表2 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标,4.2瓦斯抽放指标,3、矿井瓦斯抽采率确保矿井正常通风能力足以满足要求、限制不合理地增加矿井风量。,四、瓦斯抽放方法及实例,矿井瓦斯抽采率应达到的指标,4.2瓦斯抽放指标, 4、工作面瓦斯抽采应确保工作面风速不超、瓦斯浓度不超。采掘工作面风速不得超过4m/s，风流中瓦斯浓度不得超过1%。 突出矿井要求达到以上所有指标，其它矿井除对突出矿井的特殊要求外也都要达到。,淮南潘一矿远距
27、离下保护层开采 底板巷道网格式上向穿层钻孔卸压瓦斯抽采方法,4.3瓦斯抽放实例,淮南谢一矿保护层开采 上、下邻近层瓦斯综合抽采方法,参数：B11突出危险煤层瓦斯压力4.5MPa,瓦斯含量14m3/t,B7、B8煤层瓦斯压力1.1MPa,瓦斯含量8m3/t。 层间距：B11B9b 70m;B9aB9b 5.6m;B9aB9b 5.6m B8B9b 9.0m;B7B9b 20.5m;B6B9b 35.0m,方法：开采层顶板走向钻孔抽卸压瓦斯法；开采层B9b采空区埋管法； B10底板网格式穿层孔抽卸压瓦斯法； B6底板网格式穿层钻孔抽卸压瓦斯法；,淮南新庄孜煤矿煤层群多重上保护层开采 底板巷上向穿层钻孔卸压瓦斯抽采方法,淮南矿业集团远距离下保护层及被保护层瓦斯治理方法,被保护层,卸压瓦斯抽放钻孔,底板瓦斯抽放巷,进风巷,回风巷,顶板高位抽放巷,进风巷,回风巷,保护层,保护层瓦斯抽放钻孔,11#煤层,13#煤层,淮南矿业集团上保护层及被保护层瓦斯治理方法,被保护层,卸压瓦斯抽放钻孔,底板瓦斯抽放巷,进风巷,回风巷,顶板高位抽放巷,进风巷,回风巷,保护层,尾巷,进风巷,保护层顶板高位抽放巷,阳泉三矿超远距离保护层及被保护层瓦斯抽采方法,保护层,被保护层底板卸压瓦斯抽放巷,被保护层,卸压瓦斯抽放钻孔,顶板走向高位抽放钻孔,内错式瓦斯尾巷,进风巷,回风巷,进风巷,回风巷,谢谢大家!,
