中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展

中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展

程远平，俞启香

(中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏 徐州 221008)

摘要：随着中国煤矿开采深度的增加，煤与瓦斯突出矿井和突出煤层的数量不断增加，以保护层开采及卸压瓦斯抽采技术和强化预抽煤层瓦斯技术为代表的区域性瓦斯治理技术受到国家和煤炭企业的高度重视，得到了长足发展，为中国煤与瓦斯突出煤层的安全高效开采提供了技术保障。本文通过中国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重性分析，阐述了煤与瓦斯突出灾害区域性治理的必要性，在此基础上分析了中国区域性瓦斯治理技术的发展过程、保护层开采及卸压瓦斯抽采技术和强化预抽煤层瓦斯技术的发展现状，文中还总结了淮南、淮北、阳泉和沈阳四个矿区区域性瓦斯治理技术的应用实例，最后对中国区域性瓦斯治理技术的应用前景进行了展望。

关键词：区域性瓦斯治理；保护层开采；卸压瓦斯抽采；强化预抽煤层瓦斯；煤与瓦斯突出中图分类号：

1 中国煤与瓦斯突出灾害的严重性

煤炭是中国的主要能源，约占一次能源的70％，2006年中国煤炭产量已达到23.5亿t，同时中国也是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家。据统计[1,2]，从1950年吉林省辽源矿务局富国西二坑在垂深280m煤巷掘进发生第一次有记载突出以来，到1995年底，国有重点煤矿中先后有138个矿井发生了10815次煤与瓦斯突出，死亡1266人。在10521次有突出煤量记录的煤与瓦斯突出中,共突出煤炭81.58万t，平均突出强度为77.5t/次。在有瓦斯量记录的4675次煤与瓦斯突出中，共突出瓦斯量6798.3万m3，平均每次突出瓦斯量1.45万m3。

中国典型煤与瓦斯突出案例中，强度最大的一次突出是1975年8月8日发生在天府矿务局三汇坝一矿主平硐石门揭煤（垂深412m），突出煤量12780t，突出瓦斯量140万m3，粉煤喷出最远达1100m。1968年1月20日南桐矿务局鱼田堡煤矿+150m水平1406大巷发生了突出瓦斯量最大的突出，突出煤量5000t，突出瓦斯量350万m3。1975年6月13日吉林营城五井在垂深439m处全岩掘进巷道放炮时发生了第一次砂岩与CO2突出，突出砂岩1005t，突出CO21.1万m3。强度最大的一次立井突出是2006年1月5日淮南矿业集团望峰岗矿主井揭穿C13煤层（垂深956m），突出煤量2831t，突出瓦斯量29.3万m3，突出煤量在直径8.8m的井筒内堆积约48m。

2005年4月～7月，根据国务院第81次常务会议决定，国家安全生产监督管理总局、国家煤矿监察局会同国家发展改革委和科技部从全国煤炭高等院校、科研院所和煤矿企业抽调91名煤矿安全专家，组成11个专家组对45户重点监控国有煤矿企业进行了安全技术会诊。根据会诊结果统计分析[3,4]，45户重点监控国有煤矿企业的415处矿井中高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井234对、占56.4%，煤与瓦斯突出矿井142对、占34.2％，特大型煤与瓦斯突出矿井33对，占8.0%。45户重点监控国有煤矿企业2004年煤炭产量为5.02亿t，占同年全国煤炭产量的25.7％；其中煤与瓦斯突出矿井产量为15831万t，占45户重点监控国有煤矿企业产量的34.2%，占全国煤炭产量8.1%；特大型煤与瓦斯突出矿井产量仅为1945万t，占45户重点监控国有煤矿企业产量的3.9%，占全国煤炭产量0.99%。

2004年，全国大中型煤矿平均开采深度456m。平均采深华东约620m，东北约530m，西南约430m，中南约420m，华北约360m，西北约280m。采深超过1000m的煤矿有8处，

超过800m的有15处。采深大于600m的矿井产量占28.47%。全国煤矿开采以每年约10～20m（最快近50m）的速度向深部延深[5]。随着矿井开采深度的增加，传统的煤与瓦斯突出矿区，如白沙、链邵、南桐、松藻、六枝和英岗岭等，突出危险性更加严重。一些过去煤与瓦斯突出不严重的矿区，突出灾害日趋严重，且发生了千吨级以上的特大型煤与瓦斯突出，如淮南、淮北、郑州、平顶山等矿区。淮北矿业集团芦岭煤矿，2002年4月17日发生特大型煤与瓦斯突出事故，突出煤量8729t，突出瓦斯量93万m3，死亡13人。郑州煤业集团大平矿，2004年4月18日发生特大型煤与瓦斯突出引发特别重大瓦斯爆炸事故，突出煤量1894t，突出瓦斯量25万m3，死亡148人。

2 煤与瓦斯突出灾害区域性治理的必要性

煤与瓦斯突出煤层防突技术措施主要分为区域性措施和局部措施。区域性措施是在煤与瓦斯突出煤层开采过程中，由安全区域向不安全区域施工瓦斯治理工程，均匀有效地降低不安全区域的瓦斯含量，区域性消除煤与瓦斯突出危险性，使不安全区域转变为安全区域的防突措施。局部措施是在煤与瓦斯突出煤层采掘工作面前方局部区域内采取防突措施，经效果检验确认，消除该局部区域的突出危险性，形成防止突出的安全带后，在留有足够超前距的条件下，可在安全带内进行采掘作业。

我国煤矿瓦斯治理技术的发展可以分为三个阶段：

（1）探索阶段[6,7]，上个世纪50年代～80年代，主要摸清煤与瓦斯突出规律，引进消化和吸收国外煤与瓦斯突出防治技术和经验，研究适合中国特点的煤与瓦斯突出预测方法和突出防治工程方法。

（2）局部措施为主阶段[8]，上个世纪80年代～90年代末，主要贯彻落实“四位一体”综合防突措施，以1988年《防治煤与瓦斯突出细则》出版和1995年的修订为代表，研究重点是煤与瓦斯突出危险性预测方法与预测指标，同时兼顾突出防治工程方法的深化研究。

（3）区域性治理与局部治理并重阶段[9]，自本世纪初开始，淮南矿业集团在长期瓦斯治理经验总结的基础上，提出了“可保尽保，应抽尽抽”的瓦斯治理战略，并得到全国突出危险严重矿区的积极相应。2005年3月国家发展改革委、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局在总结淮南、阳泉、平顶山、松藻等煤矿瓦斯治理经验的基础上，编写了《煤矿瓦斯治理经验五十条》，在瓦斯治理的基本思想中明确提出区域性治理与局部治理并重，实施“可保尽保，应抽尽抽”的瓦斯治理战略。并在第三十三条中明确提出：“强制开采保护层，做到可保尽保，并抽采瓦斯，降低瓦斯含量”。第三十五条中提出：“顶、底板穿层钻孔掩护强突出煤层掘进”。

国内外多年生产实践证明，各种局部防突措施，尽管经过科学试验证实是有效的，但在生产中推广应用后，都无例外地发生过突出。这主要是由我们所面对的自然灾害的复杂性，如煤层赋存条件的变化，地质构造条件的变化，开采深度的增加，这些都使得煤与瓦斯突出危险性增加，而我们的局部防突措施不能完全适应上述条件的变化。在现场生产实践中经常出现，即使是在同一煤层内，在一些区域证实有效的防突措施，在有的区域内可能无效。如在浅部有效的防突措施，到深部可能失效。局部防突措施是一种长期面对突出危险源的工程方法，特别是在目前开采深度大、瓦斯压力高、地质条件复杂的条件下，预测、效果检验和措施三个环节中任何一个环节出现问题，都可能产生灾难性的后果。如2004年8月14日，沈阳煤业集团红菱煤矿在-780中石门运输巷（煤巷）措施孔施工过程发生煤与瓦斯突出，突出煤量701t，突出瓦斯量6.63万m3，造成5人死亡。南桐、松藻等九个突出严重矿务局1988年突出统计，共发生突出223次，其中采取措施后发生突出176次，占78.9%。当然，这其中包括一些突出矿井防突措施不到位的情况[2]。

长期理论研究和突出危险煤层的开采实践证明，开采保护层和预抽煤层瓦斯是有效地防治煤与瓦斯突出的区域性措施，该方法可以避免长期与突出危险煤层处于短兵相接状态，提

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高了防治煤与瓦斯突出措施的安全性和可靠性。我国《煤矿安全规程》第一百九十二条规定[10]

：“对于有突出危险煤层，应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”。第一百九十三条规定：“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施”。第一百九十八条规定：“开采保护层时，应同时抽采被保护层瓦斯”。2005年1月，国家为了汲取2004年“10.20”和“11.28”两起特别重大瓦斯事故的教训，国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局以局长令的形式下发了《国有煤矿瓦斯治理规定》[11]，第五条明确规定：“突出矿井必须首先开采保护层，不具备开采保护层条件的，必须对突出煤层进行预抽，并确保预抽时间和效果”。由此可见，在现有技术条件下，采用区域性瓦斯治理措施对有效地防治煤与瓦斯突出，保障突出危险煤层的安全高效开采具有重要的现实意义。同时高浓度瓦斯的利用减少了大量温室气体的排放，不但促进了高效洁净能源的利用，而且保护了人类的生存环境。

3 中国区域性瓦斯治理技术

3.1 区域性瓦斯治理技术的发展过程

中国自上个世纪50年代末期开始在北票、南桐、中梁山、天府、松藻矿务局试验开采保护层防止煤与瓦斯突出，取得了显著的效果。上世纪60年代在全国推广应用保护层开采防突措施，尽管当时突出矿井数量增加，但全国突出次数却明显下降[8,12]。

1974～1975年，中国矿业大学、煤炭科学研究总院重庆分院和天府矿务局合作，在天府煤矿南井+110m水平北段，对开采二号煤层保护远距离九号煤层的效果进行了系统考查研究（二号煤层平均厚度0.5m，九号煤层平均厚度3.13m，层间距80m，煤层倾角60°）[13]。在被保护层走向长135m，倾斜长138m的石门区间，共布置4个穿层钻孔和6个沿煤层钻孔。试验结果表明，远距离上保护层开采可使其下方的被保护层产生“卸压增透增流效应”，被保护层膨胀变形达到6‰，煤层透气性系数增加300多倍，钻孔瓦斯流量增加80倍。但由于层间距较远，采动不能形成层间贯通裂隙，卸压瓦斯不能外泄，导致防止突出的“保护作用不足”，需要结合被保护层卸压瓦斯抽采，区域性消除煤与瓦斯突出危险性，降低煤层瓦斯含量。

1975～1976年，中国矿业大学和天府矿务局合作，在天府煤矿南井+110m水平南冀8号和9号石门，对石门预排煤层瓦斯消除揭煤区域突出危险性的机理进行了系统考查研究，按每平方米3.5～4.5个钻孔布孔。试验结果表明，经过6个月左右排放瓦斯，煤层收缩变形量达到2‰；瓦斯压力从4.0MPa降到0.25MPa以下；煤层透气系数约增大50倍；预排煤层瓦斯区域内瓦斯排放率达到75%。说明煤层瓦斯排放后，区域性消除突出危险性[7]。

1977～1978年，中国矿业大学和阳泉煤业集团合作，在阳泉一矿3#煤层912和913工作面开展了大直径顺层长钻孔大面积预抽煤层瓦斯试验研究，钻孔直径300mm，钻孔间距1.7～3.2m，钻孔平均长度45m，两个试验工作面钻孔控制范围内的瓦斯抽采率分别为22.5%和48.7%[14]。

1978～1979年，中国矿业大学和中梁山煤矿合作，在中梁山煤矿南井+280m水平南东K10煤层，对穿层钻孔大面积预抽煤层瓦斯区域性防止煤与瓦斯突出的机理进行了系统考查研究，钻孔直径75mm，钻孔间距8～14m。试验结果表明，经过19个月左右预抽，煤层瓦斯含量由20m3/t下降到10.4m3/t，瓦斯抽采率达48%；煤层瓦斯压力由2.6MPa下降到0.8MPa；煤层收缩变形量达到2.6‰；煤的相对硬度增加了3倍。试验区掘进结果证明，大面积预抽煤层瓦斯区域性地消除了煤与瓦斯突出危险性[15]。

1994～1995年，煤炭科学研究总院抚顺分院与焦作煤业集团合作，在焦作九里山矿13051工作面进行了交叉钻孔预抽本煤层瓦斯试验研究工作，平行钻孔和交叉钻孔相间布置，钻孔直径65mm，钻孔平均长度63.8m，钻孔间距2.35～3.0m，交叉钻孔与平行钻孔成

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15～20°夹角。研究结果表明，在相同钻孔工程量条件下，采用交叉钻孔布孔较传统的平行钻孔提高瓦斯抽放量0.46～1.02倍[16]。

1998～2002年，中国矿业大学和淮南矿业集团合作，在淮南潘一矿东一采区的2151(1)工作面进行了远距离下保护层开采及卸压瓦斯强化抽采试验研究。首先开采瓦斯含量低、无突出危险的B11煤层，利用其采动影响使处在其上部70m（相对层间距35）的被保护层C13煤层卸压，煤层透气性系数增加近3000倍，形成瓦斯解吸流动的条件。通过在C13煤层底板沿走向布置的瓦斯抽采巷向C13煤层均匀地打网格式上向穿层钻孔，钻孔间距为40m，C13煤层内的卸压解吸瓦斯向抽采钻孔汇集，从而取得良好的瓦斯抽采效果。试验结果表明，在卸压瓦斯抽采区域内C13煤层瓦斯抽采率达60％以上，不仅消除了煤与瓦斯突出危险性，而且相对瓦斯涌出量由原来25m3/t下降到5m3/t，工作面日产量由原来的1700t提高到5100t，成功地实现了煤与瓦斯两种资源的安全高效共采[17,18]。

2005～2006年，中国矿业大学和沈阳煤业集团合作，在沈阳红菱煤矿下四区-710北石门北11煤层工作面开展了极薄煤层保护层开采及卸压瓦斯强化抽采试验研究。由于红菱煤矿开采的7煤层和12煤层均为强突出危险煤层，经研究决定首先开采距12煤层顶板16m的11煤（厚度0.4m）做为12煤层保护层，同时通过12煤层底板岩巷施工网格式上向穿层钻孔抽采12煤层卸压瓦斯（钻孔间距16m），取得良好的瓦斯抽采效果。试验结果表明，在卸压瓦斯抽采区域内12煤层瓦斯抽采率达70％以上，不仅消除了煤与瓦斯突出危险性，煤层瓦斯含量由22m3/t降到7.5m3/t以下，转变为低瓦斯煤层。

2005～2006年，中国矿业大学和阳泉煤业集团合作，在阳泉三矿K8206工作面开展了超远距离下保护层开采及卸压瓦斯强化抽采试验研究。首先开采低瓦斯无突出危险的15#煤层（平均厚度6.1m），做为突出危险3#煤层（平均厚度2.3m）的保护层，保护层与被保护层之间的平均层间距为138m，采用3#煤层巷道法抽采卸压瓦斯。试验结果表明，在绝对瓦斯涌出量达200m3/min条件下保证了保护层工作面的安全高效开采，在卸压瓦斯抽采区域内3煤层巷道有效抽采半径大于100m，被保护煤层瓦斯抽采率大于70%。

2005～2006年，中国矿业大学和淮北矿业集团合作在淮北祁南矿713工作面开展了网格式穿层钻孔孔群增透瓦斯抽采技术，钻孔间距5m（以煤层顶板为准），利用该技术在钻孔施工过程中采用水压诱导控制喷孔，提高了孔群范围内煤体的透气性，单孔平均喷煤量为0.21t，煤孔等效直径由原来的94mm平均增加到227mm，为原钻孔直径的2.41倍，钻孔封孔长度10m，较长一段时间内单孔瓦斯流量平均为0.039m3/min，底板巷抽放管路平均瓦斯浓度达到47.3%，瓦斯预抽期为5个月，煤层巷道具备了综合机械化的掘进条件。

3.2 保护层开采及卸压瓦斯抽采技术

为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层或岩层称为保护层；位于突出危险煤层上方的保护层称为上保护层，位于下方的称为下保护层。由于保护层开采的采动作用并同时抽采卸压瓦斯，可使邻近的突出危险煤层的突出危险区域转变为无突出危险区，该突出危险煤层称为被保护层。在中国保护层开采技术一般包括以下几个方面的内容：

（1）保护层开采及瓦斯抽采规划； （2）保护层开采及瓦斯抽采； （3）被保护层卸压瓦斯的强化抽采； （4）被保护层保护效果及保护范围考察； （5）被保护层区域性消除突出危险性认证； （6）被保护层开采及瓦斯抽采。

保护层开采及瓦斯抽采规划要求具备保护层开采条件的突出矿井必须提前3～5年制定保护层开采及瓦斯抽采规划，调整矿井开采部署，制定矿井开拓、掘进和回采接替计划，以

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