瓦斯抽放与利用在矿井中的应用

抽放瓦斯是防治瓦斯灾害的治本措施，它不仅可以降低瓦斯涌出量，消除煤与瓦斯突出危险，而且可以变害为利，变废为宝，有利于环境保护，并取得可观的经济效益。

但是，并非所有矿井的煤层，都应该或都能够实施瓦斯抽放措施的。抽放瓦斯的矿井或煤层，必须满足“应该抽放”和“能够抽放”的必备条件。

一、抽放瓦斯必要性

抽放瓦斯的必要条件是煤层瓦斯含量较高或者开采时的瓦斯涌出量较大。抽放瓦斯的必要性指标如下。

（一）煤层含量标志

煤层瓦斯含量多大才需要抽放瓦斯，这是一个比较复杂的问题。一般来说，从安全的角度考虑，可以根据产煤量、供风量和煤的残存瓦斯量估计煤层瓦斯含量的应抽指标。若中等挥发分煤层日产500t的工作面，计划风量为600m3／min，则煤层的应抽瓦斯含量指标为大于10m3／t，即煤层瓦斯含量达到10m3／t以上时，就应考虑采取抽放措施。

（二）瓦斯涌出量标志

由于煤层瓦斯含量的测定和计算比较复杂，因此，在生产现场更多的是应用瓦斯涌出量的标志，作为瓦斯抽放的必要条件。

以瓦斯涌出量的大小为衡量是否需要抽放瓦斯的标志，总的原则是：从安全角度讲，如果用通风方法不能够将涌出的瓦斯稀释到规定的安全浓度以下，就必须考虑采取抽放瓦斯措施。

现就生产矿井、回采工作面和邻近层抽放瓦斯必要性的标志简述如下。

1.生产矿井瓦斯抽放必要性标志

某一生产矿井是否需要抽放瓦斯，要根据该矿井开采强度、通风能力和瓦斯涌出量的大小来决定。一般可用下式来判断：

式中

C′—矿井总回风流中的瓦斯浓度，%；

q相—矿井平均相对瓦斯涌出量，m3／t；

A—矿井平均日产煤量，t；

Q—矿井最大供风量，m3／min；

k—矿井通风备用系数，包括k瓦、k备、k掘、k其他等，取1.7～2.1；

C—《规程》允许的风流瓦斯浓度，C＝0.75%。

通过上式计算，如果风流瓦斯浓度C′＞0.75%，说明用通风方法不能将涌出的瓦斯稀释到《规程》规定瓦斯浓度以下，因此就应采取抽放瓦斯措施。

为考虑通风和抽放的技术经济条件与效果，《规程》明确规定，矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的，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，采取瓦斯抽放措施：

（1）大于或等于40m3／min；

（2）年产量1.0～1.5Mt的矿井，大于30m3／min；

（3）年产量0.6～1.0Mt的矿井，大于25m3／min；

（4）年产量0.4～0.6Mt的矿井，大于20m3／min；

（5）年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3／min。

2.采煤工作面瓦斯抽放必要性标志

《规程》规定，1个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3／min或1个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3／min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的，应该采取抽放瓦斯措施。采区或工作面是否需要抽放瓦斯，不仅要考虑瓦斯涌出量、日产煤量，还要考虑通风稀释的瓦斯量等因素。通过测算与归纳，采煤工作面抽放瓦斯必要性的指标为

（1）工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3／min；

（2）工作面相对瓦斯涌出量大于15m3／t；

3.邻近层瓦斯抽放必要性标志

邻近层瓦斯是否需要抽放，主要是根据邻近层瓦斯涌出量的大小和邻近层向开采层涌出瓦斯的多少而定，并考虑层间距、抽出率及有无抽放价值等因素。根据国内经验，归纳邻近层抽放瓦斯必要性的一般标志为：

（1）邻近层向开采层涌出的绝对瓦斯量大于1.5m3／min，应该抽放；

（2）邻近层向开采层涌出的瓦斯量占工作面回风总瓦斯量的30%以上时，有必要考虑抽放；

（3）邻近层抽放的瓦斯量大于0.6 m3／min，有抽放价值。

二、抽放瓦斯的可行性

一个矿井或工作面应该抽放瓦斯，但不一定能够抽出瓦斯。能否抽出瓦斯还要看煤层抽放瓦斯的难易程度，即抽放瓦斯的可行性如何。

本煤层抽放瓦斯的可行性主要取决于两个因素：一是煤层瓦斯压力，也就是瓦斯从煤层向外释放的能力。瓦斯压力越大，抽放瓦斯越容易。二是煤层的透气性能，也就是瓦斯通过煤层时的阻力大小。透气性越低，阻力就越大，抽放瓦斯就越困难。在这两个因素中，虽然瓦斯压力起主导作用，但是煤层的透气性能也决不可忽视，因为它能直接影响抽放效果。

常用的衡量煤层抽放瓦斯难易程度的指标，有钻孔瓦斯流量衰减系数α和煤层透气性系数λ。由于井下测定煤层透气性较为复杂，因而不如钻孔瓦斯流量衰减系数容易为抽放矿井所掌握。

原煤炭工业部1997年7月1日颁布的《矿井瓦斯抽放管理规范》将未卸压的原始煤层的抽放瓦斯难易程度分为容易抽放、可以抽放和难以抽放三个等级。见表4－20。

表4－20　原始煤层抽放瓦斯难易程度分类指标

三、煤层瓦斯抽放方法

随着煤矿开采技术的进步与发展，煤层瓦斯抽放方法也在不断完善。各煤矿根据自身煤层的自然条件和开采状况，试验与应用了各种抽放方式与方法，取得了显著效果。特别是综合抽放方法的应用与推广，融汇了各种抽放方法的优点，成为今后河南煤矿抽放瓦斯方法的发展方向。

（一）抽放瓦斯方法分类及选择

1.抽放瓦斯方法分类

抽放瓦斯的分类方式和方法多种多样，通常按以下三种方法进行分类。

（1）按抽放瓦斯的来源分类

按抽放瓦斯的来源分为：

①开采层（本煤层）抽放瓦斯；

②邻近层抽放瓦斯。

③采空区抽放瓦斯。

（2）按抽放与采掘的时间关系分类

①采前抽放（也称预抽）；

②采中抽放（也称边抽，包括边采边抽和边掘边抽）；

③采后抽放（也称旧区抽放）。

（3）按施工工艺和手段分为：

①巷道抽放法；

②钻孔抽放法；

③巷道、钻孔混合抽放法。

瓦斯抽放方法虽然有以上不同分类方法和不同种类，但在现场实际应用时，往往是互相结合、综合使用，无法截然分开的。如，本煤层抽放中包括巷道预抽法、钻孔预抽法及边抽（掘）法等；同时，钻孔抽放法又应用于本煤层抽放、邻近层抽放及预抽、边抽等。

图4－43　所示为根据抽放的瓦斯来源及抽放作用原理进行分类的示意图

河南煤矿采用现代方法抽放瓦斯，是在新中国建立后50年代中期才开始的。1955年焦作李封矿首先在瓦斯大的地区，将煤巷打上密闭墙，用钻眼和离心式局扇进行抽放瓦斯。1958年，焦作朱村矿进一步采取打钻接管安装抽放泵进行瓦斯抽放。此后，李封、中马村等7个矿相继采用这一方法抽放瓦斯。1964年，焦作李封矿建成河南煤矿中的第一个瓦斯抽放站。1970年，鹤壁矿务局六矿也开始建立瓦斯抽放站，抽放瓦斯并加以利用。至1985年全省已建立瓦斯抽放站的矿井有16个。它们是焦作矿务局的李封、朱村、焦西、中马村、小马村、演马庄、韩王、九里山矿，鹤壁矿务局的二、三、四、六、八矿，新密矿务局的裴沟矿，安阳矿务局的龙山矿和郑州市的徐庄矿。累计总抽放瓦斯达8900多万立方米，抽放钻孔总长度达66923米。此外在井下进行简易抽放的平顶山矿务局十矿和义马矿务局宜洛煤矿李沟井等。1983年平顶山矿务局十矿井下采煤工作面进行本煤层瓦斯抽放试验，直到上世纪90年代，平顶山矿区瓦斯威胁越来越严重，为了从根本上治理瓦斯，1991年4月平顶山矿务局与中国矿业大学合作在十矿井下重新开展瓦斯抽放试验，经过一年多抽放，采煤工作面回流中瓦斯浓度降到0.4～0.78%，抽放钻孔控制区域的煤层瓦斯抽放率达到25%，大大减少了采面回采过程中瓦斯超限现象。此后，本煤层瓦斯抽放技术迅速在平顶山一矿、五矿、八矿、十二矿推广应用，至1996年全局全年抽放瓦斯量达到579万m3。表4－21为1985年部分矿井瓦斯抽放情况。

表4－21　1985年河南部分矿井瓦斯抽放情况表

各矿瓦斯抽放站所用抽放泵，最初多为SZ－4、2YK－27型水环式真空泵，使用150和英国赤届克等型号。80年代后期已改用液压钻机和高效瓦斯泵。各抽放站均组织有专业化打钻、抽放队伍。抽放方法多采用本煤层或采空区抽放，采煤工作面采前预抽、边采（或边掘）边抽、老塘抽放和密闭盲巷抽放等。“七五”期间，鹤壁矿务局和省煤炭科学研究所在鹤壁六矿瓦斯抽放中进行干打钻风力排碴试验，获得成功。除极松散的有水煤层外，打钻成孔率达百分之百，特别是下向孔比湿打钻效果更好。

河南煤矿的瓦斯抽放工作。1985年以后随着开采水平的延深和新建矿井增多，煤与瓦斯突出事故增多，突出矿井数量大幅增多，特别是1997年中华人民共和国煤炭工业部“矿井瓦斯抽放管理规范”制定后，河南省各生产、基建矿井严格按瓦斯抽放管理规范执行。2002年国家安监局做出“先抽后采，以风定产，监测监控”瓦斯管理十二字方针的重要决定，其中先抽后采是瓦斯治理十二字方针的重要内容和主要组成部分，在河南煤矿采掘过程中尤其是平顶山、焦作、鹤壁、郑州各矿得到了广泛应用，到2000年，四个国有重点煤矿，按照“密钻孔，严封闭，综合抽”的原则，采用本煤层穿层打孔及交叉布孔方法，分别实行先抽后掘，先抽后采，边抽边采等方法进行了瓦斯抽放。2000年瓦斯抽放量达到5000万m3，累计达到5亿多m3，鹤壁、焦作煤业集团公司抽出瓦斯利用率达60%以上，在矿井瓦斯事故防治中起到了重要作用。

（二）抽放瓦斯方法选择原则

需要进行抽放瓦斯的矿井或煤层，在选择抽放类型和方法时，按下列因素考虑确定：

1.首先应考虑选用多种抽放方法相结合的综合抽放方法，以提高抽放效果。

2.开采过程中的瓦斯涌出量主要来源于开采煤层（本煤层）时，则应采用开采层瓦斯抽放的方法。

3.在煤层群的条件下，首采层开采时，邻近层的瓦斯涌出量占有很大比例且威胁工作面的安全生产，则应采用邻近层瓦斯抽放方法。

4.当工作面后方采空区瓦斯涌出量较大且威胁工作面安全生产，老采空区内积存大量瓦斯向邻近工作面涌出瓦斯、增大采区和矿井的总排瓦斯量，应采用采空区瓦斯抽放方法。

5.对于瓦斯含量较高的煤层，在巷道掘进时涌出的瓦斯量很大且难以用加大风量稀释，这时可考虑采掘前大面积预抽瓦斯方法或采取边掘边抽方法。

6.对于透气性较低、采用预抽放法难以直接抽出瓦斯、掘进时瓦斯涌出不是很大而回采时有大量瓦斯涌出的煤层，可采用边采边抽或采用水力割缝、水力压裂、松动爆破等措施人为卸压后抽放瓦斯的方法。

7.如果煤层赋存较浅（一般600m以内）、煤层较厚或层数较多、煤层瓦斯含量较高、地面钻孔施工条件较好时，可采用地面钻孔抽放。

（三）开采层瓦斯抽放

开采层瓦斯抽放是指抽放开采煤层本煤层的瓦斯，也即当开采煤层瓦斯含量很高、采掘过程中瓦斯涌出量很大，而单纯依靠通风的方法难以完全解决瓦斯问题时，所采用的可行的和有效的措施。开采层的瓦斯抽放包括预抽、边采（掘）边抽和强化抽放等方式。

开采层瓦斯抽放方式的选择，需根据煤层的自然条件（如煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性、煤层厚度及倾角等）和矿井技术条件（如矿井开采部署和巷道布置等）综合考虑确定，应能达到适应矿井总体部署、技术和经济合理、抽放瓦斯效果好的目的。

1.开采层未卸压抽放

未卸压煤层瓦斯抽放，是指通过巷道或打钻孔抽放未受采动影响或未经人为松动卸压的煤层中瓦斯的方法，也可称为预抽瓦斯。

预抽瓦斯过程中的煤层瓦斯流动是一个较为复杂的问题。虽然巷道掘进或钻孔都会造成周围煤体的局部卸压，但范围很有限，特别是钻孔所引起的松动和卸压范围，只是数倍钻孔直径的距离。由于煤是一种多孔介质，在一定的瓦斯压力下，仅是游离瓦斯可以流动，吸附瓦斯只是在瓦斯压力降低时解吸转为游离瓦斯后才能与流动。因此，在预抽瓦斯时，基本上仍按原始条件下的瓦斯流动状态考虑。

（1）巷道预抽

①布置方式及适用条件

巷道预抽放是20世纪50年代初焦作矿区实施本煤层预抽瓦斯时最初采用的一种抽放瓦斯方式。这种抽放方法就是在采区回采这前，先把巷道掘出来构成系统，然后将入、回风口都进行封闭，并在密闭处插管和铺设抽放瓦斯管路（图4－44a、图4－44b），将煤层中的瓦斯提前抽放出来，待预抽率达以规定的安全范围后，即可回采。

图4－44　巷道预抽和钻孔预抽

a：1－运输巷；2－回风巷；3－开切眼；4－联络巷；5－密闭；6－抽放管路
b：1－采区运输巷；2－采区回风巷；3－入风煤门；4－回风煤门；5－密闭；6－抽放管路
c：1－运输大巷；2－钻场；3－抽放钻孔
d：1－石门；2－抽放钻孔

巷道预抽法适用于顶底板条件好，煤层透气性好的厚及中厚煤层，或需要临时解决瓦斯问题的工作面。抽放时间不应少于6个月。

②巷道预抽瓦斯效果

巷道预抽瓦斯的效果主要与煤巷暴露面积的大小有关，同时也与煤层的厚度、透气性能以及抽放时间的长短等有关。因此，一些透气性较好的厚及中厚煤层的矿井，如焦作李封矿等也都进行过巷道预抽开采层瓦斯，取得了不错的效果。

焦作矿务局李封矿天官区604采区（煤厚6m）于1965年对3条巷道进行密闭抽放，在密闭质量严密不漏气的情况下，可保持百米巷道1.7～3.0m3／min的抽放量（表4－22）。百米巷道抽放量为0.163～0.602m3／min，抽放瓦斯浓度为28.2%～46.4%。

巷道预抽瓦斯虽然已经不再被用作主要的抽放瓦斯方法，但仍有一些矿井将其作为辅助方法应用。

表4－22　焦作矿务局李封矿巷道抽放瓦斯情况

③巷道预抽瓦斯方法的优缺点

巷道预抽瓦斯方法的优点是煤体卸压范围大，煤壁暴露面积大，有利于瓦斯的涌出，能取得较好的抽放效果。其缺点是需要预先掘出巷道，提前投资，工程量大；巷道施工过程中瓦斯涌出大，增加通风负担，施工困难；巷道中的密闭受矿压作用很难保持其气密性，容易漏风而降低抽放瓦斯的浓度，还可能导致巷道内煤炭自然发火；巷道封闭2～3年时间，年久失修，给后期开采时的巷道维护和顶板管理增加难度。

（2）钻孔预抽瓦斯是抽放开采层瓦斯的主要方式，有地面钻孔抽放和井下钻孔抽放两种。地面钻孔抽放方式即由地面向开采煤层打钻抽放瓦斯。目前，河南一些矿区已经着手进行地面钻孔抽放瓦斯的开发评价应用工作。

钻孔预抽开采层瓦斯开始于1954年，之后在不同煤层条件的矿井扩大试验与应用。目前，河南已有约60个矿井采用井下钻孔预抽开采层瓦斯的方法。

井下钻孔的布孔方式在各个矿井并不完全相同，基本方式有穿层钻孔和顺层钻孔两种。

①穿层钻孔

穿层钻孔是指将钻场布置在煤层底板岩石巷道中或邻近煤层巷道中（也有的将钻场布置在煤层顶板岩层中），由钻场向开采煤层打钻，钻孔贯穿煤层全厚，预先抽放开采层瓦斯。这是一种应用研究较为广泛的有效的抽放方法。平顶山、焦作、鹤壁等矿区的一些矿井，都曾经采用过这种方法。经过预抽后的开采煤层再进行采掘工作，从而解决了掘进和采煤过程中的瓦斯问题。

A.底板岩巷钻场穿层钻孔抽放。如图4－40c所示，根据采区设计提前在开采煤层底板的岩层中掘出运输大巷，每隔一定距离设一钻场，从钻场向煤层打穿层钻孔，进行密集网格钻孔抽放。主要参数如下：

a.孔距。钻孔间距可根据煤层透气性系数及抽放影响半径确定，宜采用密集钻孔，布孔方式常采用“三花眼”。

b.孔口负压。孔口抽放负压以16000～45500Pa为宜，也可根据煤层透气性及瓦斯压力等加以调整。

c.预抽时间。一般应为1～2年。

d.封孔。封孔材料可用水泥砂浆或膨胀水泥，封孔深度2～4m即可。

此种布孔方式的钻孔施工较为方便、简单，且易于封孔；钻场设在岩巷，避免了预抽时揭穿突出煤层，系统可靠；抽放时间长，抽放与生产干扰很小。但岩巷掘进的工程量较大。适用于具有一定透气性、突出较严重、有一定倾角的厚及中厚煤层，并在开拓开采生产接续的布置上，有可允许的预抽时间。

B.石门向煤层打基础穿层钻孔抽放。如图4－40d所示，由石门向煤层打穿层钻孔，预抽一定时间后继续掘进揭煤。其孔距、孔口抽放负压、封孔等与底板岩巷钻场穿层钻孔抽放基本相同。利用石门设置钻场，施工较为安全、简便；预抽阶段可免于揭穿突出煤层，系统可靠；施工量小，并可为石门揭煤创造安全条件。但抽放与生产有一定干扰，难以保证足够的抽放时间。适用于具有一定透气性、有一定倾角的厚及中厚煤层，并要求生产接续不十分紧张。

②顺层钻孔

顺层钻孔是指在巷道进入煤层以后，沿煤层的走向或倾向所打的钻孔。顺层钻孔可用于石门见煤处、煤巷及回采工作面，在我国采用较多的是回采工作面。其作用主要是在采面准备好之后，按不同的布孔方式抽放一段时间后再进行开采，以减少回采过程中的瓦斯涌出量。平顶山、焦作等矿区都曾采用过这种抽放方式，并取得了较好效果。

常见的顺层钻孔布置方式如图4－45所示，各有其优缺点：

图4－45　顺层钻孔抽放法

a－走向顺层钻孔布置；b－倾向顺层钻孔布置；c－扇形顺层钻孔布置；
d－交叉顺层钻孔布置
1－运输巷道；2－回风巷道

A.走向顺层钻孔。如图4－45a，在开切眼内沿工作面走向打顺层钻孔，只能在采面回采之前预抽一段时间，当工作面开始回采时，抽放瓦斯即需停止；受钻孔深度的限制，难以控制整个采面。

B.倾向顺层钻孔。如图4－45b

C.扇形顺层钻孔。如图4－45c所示，在两巷道掘钻场，从钻场向煤层打钻。若每个钻场布置一个钻孔，则钻孔沿走向分布均匀，但需钻场数量多；若每个钻场多打孔，则钻场数量减少，但钻孔分布不均匀。

D.交叉顺层钻孔。如图4－45d所示，交叉钻孔可利用钻孔周围的应力叠加，扩大塑性区的范围和连续性，增加煤体的裂隙，达到提高预抽效果的目的。1997年平顶山矿区在同一个工作面进行了平行钻孔与交叉钻孔抽放瓦斯效果的考察：交叉钻孔百米初始抽放量为0.035m3／min，平行钻孔为0.028m3／min，交叉钻孔是平行钻孔的1.25倍；交叉钻孔百米抽放量衰减系数为0.025，平行钻孔为0.029，交叉钻孔的百米抽放量衰减系数小于平行钻孔；在3个月的预抽时间里，交叉钻孔段百米抽放量累计为1140.4m3／min，平行钻孔为901.7m3／min，交叉钻孔百米抽放量是平行钻孔的1.26倍。焦作九里山矿也曾应用研究这种布孔方式，在半年多的时间里，交叉钻孔比平行钻孔预抽开采层瓦斯量增加56%～83%；经过242天的抽放对比，平行钻孔的平均相对瓦斯抽出量为1.62m3／t，而交叉钻孔的平均相对瓦斯抽出量为2.48m3／t。

交叉钻孔虽然像平行钻孔一样简单易行，并可提高抽放效果，但钻孔之间相互干扰性较大，个别钻孔封闭不严或漏风会影响其他钻孔抽放瓦斯浓度。

（3）开采层采动卸压抽放

开采层采动卸压抽放主要是依靠采掘工作的影响，构成对周围煤体的卸压作用而增加煤体透气性，来实现抽放瓦斯的目的。采动卸压抽放主要分为边掘边抽和边采边抽两种。其中，边采（掘）边抽方法适用于本煤层开采时瓦斯涌出量大的矿井，也是解决单一煤层瓦斯涌出量大的有效方法。

①边掘边抽

巷道掘进所形成的空间，可使巷道两侧及掘进工作面前方的应力重新分布。边掘边抽就是利用巷壁附近的卸压区域抽放瓦斯。为了不影响掘进工作，每隔一定距离在巷道两侧做钻场向工作面前方打钻孔，如图4－46a所示。

边掘边抽时的钻场间距一般在40～60m之间，钻孔长度为45～65m，孔径50～100 mm；封孔材料一般用膨胀水泥，封深7～9m；孔口抽放负压为5870～50400Pa不等。

利用煤巷道掘进动压边掘边抽，基本可解决掘进瓦斯问题，尤其适用于本煤层掘进工作面瓦斯涌出量较大、用通风方法难以解决瓦斯超限的煤层，也可用于掘进工作面前方有断层及裂隙溶洞瓦斯，可利用钻孔探明构造及抽放瓦斯。

图4－46　边掘边抽和边采边抽

a：1－掘进中的煤巷；2－钻场；3－抽放钻孔
b：1－反斜钻孔；2－隔离式钻孔；3－上抽钻孔；4－下截钻孔

②边采边抽

在回采工作面的前方一定距离有一个应力集中带，这个应力集中带随工作面的推进而向前移动。应力集中带与工作面之间有一个10m左右的区域，称为卸压带（图4－47b），在该区域可以抽放卸压瓦斯。边采边抽就是将抽放钻孔提前布置在煤层内，在卸压带推到之前可以预抽本煤层瓦斯；卸压带移至钻孔时，即可抽出较大流量的卸压瓦斯，如图4－46b所示。

边采边抽的布孔方式，一般是在工作面推进方向的运输或回风巷道向开采煤层打钻（图4－47b），钻孔间距10～20m，钻孔深度根据工作面的长度而定，孔口抽放负压一般为6700～10700Pa，用膨胀水泥封孔，封深5～8m。由于工作面前方煤体内的瓦斯被提前截断和抽出，因此有效地减少了工作面的瓦斯涌出量。

图4－47　边采边抽

1－卸压带；2－应力集中带；3－常压带；4－应力分带线

这种抽放方法的优点是：利用回采动压增加煤的透气性，可大大提高抽放效果；可起到预抽及采动卸压抽放的作用；可以解决预抽不充分或没有时间进行预抽的煤层在开采过程中瓦斯涌出量大的问题。

边采边抽方法的缺点是打钻和封孔较困难；随工作面的推进，一些钻孔被报废，钻孔抽放卸压瓦斯的时间有限，所以抽放效率不高。

边采边抽方法适用于局部瓦斯大、时间紧、预抽不能满足要求或预抽不充分的回采工作面。

（4）开采层人为卸压抽放

低透气性、高瓦斯含量的单一煤层的瓦斯抽放，是煤矿瓦斯抽放技术中一直未能很好解决的难题。人为卸压抽放是指人为地增大煤层透气性，即扩大、沟通和产生新的裂隙通道以提高抽放煤层瓦斯效果的方法。

人为卸压抽放瓦斯方法的基本原则如下：

①在煤体无自由面的情况下，改善煤中裂隙的分布状况，使煤体中产生透气性良好的贯通裂隙，以提高整个煤层的透气性。

②在煤体有自由面的情况下，使煤体膨胀变形，以提高煤层的透气性。

③从煤层中取出部分物质，形成空洞使煤体卸压，扩大原有裂隙，并产生新裂隙以提高煤层透气性。

根据上述原则和现有的技术手段以及煤层条件，采取人为卸压方法主要有以下2种。

①水力压裂、破裂卸压法

在钻孔揭穿煤层处，注入携带支撑剂（一般为石英砂）的高压水，在一定时间后瞬时卸压。如此反复卸压，使煤体在一定范围内形成无数微小裂缝，并由支撑剂支撑其微小裂缝而增大煤层的透气性，提高抽放率。

A.地面水力压裂

水力压裂一般是从地面向煤层打钻，用大于地层静水压力的液体对煤层实施压裂。压裂液的流速、压入量及压力等参数，要根据煤层条件进行专门设计。压裂钻孔间距一般为250～300m。钻孔打好后，放入直径为125 mm的套管，用水泥固孔。压液时，应由钻孔底部煤层经顶部煤层依次进行。先用水力喷砂器切割欲压处的套管、水泥环及煤层，并在煤层内形成半径为1.3～3m的缝腔，注入压裂液。当压力下降到980Pa时，向孔内下石英砂，在被压煤层位置的钻孔内形成10～15m的砂塞，然后再射开顶部煤层，并以同样的工序进行压裂。水力压裂后，关闭钻孔3～6天再打开钻孔清洗砂塞，排出压裂液开始抽放。

B.井下水力破裂

水力破裂是在井下巷道向煤层打钻，下套管固孔，注入高压水，破裂煤体，提高瓦斯抽放率。它与地面水力压裂的区别在于影响范围小、破裂液内不加其他增添剂。一般破裂半径可达40～50m，因此，可以根据破裂半径在煤层内均匀布孔使煤层全面受到破裂影响。当煤层破裂后（有时可看到巷道或钻孔涌出压裂水），排出破裂液，在破裂区内另打抽放钻孔与破裂孔联合抽放瓦斯，抽放率可达50%～60%（只用水力破裂孔抽放时间抽放率仅为10%～20%）。破裂煤体后，预抽瓦斯的时间可以缩短到4个月之内。

②水力割缝、空穴卸压法

水力割缝是在钻孔进入煤层后，在孔内用高压水射流沿煤层层面割出一道裂缝，使其上下煤体松动卸压，增大透气性。

水力割缝的效果与水射流的工作距离有密切关系。当工作压力P0为10～30Mpa时，直径d0为3 mm的喷嘴，其射流段的长度L0大致为100 mm，即L0≈33d0。国外的试验研究表明，工作压力在50Mpa以内时，有些喷嘴的射流段长度可达90d，这显然与喷嘴的设计尺寸、加工质量有关。鹤壁、红卫煤矿试验的结果还表明，当射流段长度大于100d0时，水射流将发生严重扩散作用，大大影响切割效果。因此可以认为，喷嘴射流的最佳距离小于100d0。由于煤的坚固性系数不同，水射流切割煤体的实际效果与工作压力（水压）有关，因而水射流的最佳工作距离需要通过实验分别确定。

鹤壁四矿、二矿煤层水力割缝试验结果表明，当煤的坚固性系数f为0.7，水压大于8Mpa时，可在钻孔一侧形成深0.8m、高0.2m的缝槽；当f值为1.1时，水压要大于10Mpa才能形成缝槽，但缝的深度减小为0.4m。鹤壁四矿水力割缝后的瓦斯抽放效果见表4－23。

表4－23　鹤壁四矿水力割缝前后的瓦斯涌出量

从表4－21中可以看出，钻孔经水力割缝后，瓦斯涌出量平均可增加3～4倍。可以认为，经过水力割缝的钻孔，不仅瓦斯涌出强度增加，而且瓦斯涌出衰减系数接近于未割缝钻孔。这说明，尽管煤层原始透气性系数较低（约为0.001mD），但由于水力割缝后在钻孔附近的煤体内形成了一个扁平的槽形空洞，使煤体发生松动卸压，增加了煤层透气性，扩大了钻孔的瓦斯供给源。测定资料表明，水力割缝形成的松动卸压影响范围可达4～10m。因此，对于透气性差的煤层，水力割缝措施能较好地提高瓦斯抽放量。

焦作矿务局在数十年的生产过程中，时刻在与瓦斯突出这一自然灾害做斗争。随着技术装备的不断改善和对瓦斯突出的认识不断加深，采用了很多防治突出措施：石门揭煤，采取多钻孔排放卸压、震动性放炮和水力冲孔等措施（水力冲孔效果见表4－24）；煤巷掘进，采取大直径钻孔超前排放、松动放炮、边掘边抽与大直径钻孔排放相配合，预抽瓦斯与松动爆破相结合等措施；回采工作面，采取预抽与边采边抽、松动爆破等措施。1981年，王村矿、李村矿、中马村矿、韩王矿安装了瓦斯遥测仪，各生产矿都配备了瓦斯报警断电仪。这些技术措施与先进装备，大大减少或控制了生产地区的煤与瓦斯突出。

中马村矿靠“水力冲孔”消突。“采用水力冲孔通过高压水射流的冲刷，扩大钻孔直径，既保证了瓦斯抽采效率，实现了消突，瓦斯抽采浓度可提高50%以上，同时缩短了煤巷钻孔抽采时间，使煤层巷道提前进入掘进期……”

表4－24　焦作矿务局水力冲孔概况及其效果表

续表

2012年该矿针对29051工作面巷道与煤层间距离的不同及煤厚的变化情况，将该工作面运输巷和底抽巷分为3个段，实施水力冲孔增透技术，共设计抽采钻孔1314个。

该矿规定，泵体压力静态不低于30MPa，水压不低于15MPa。在穿层抽采钻孔施工期间，该矿利用井下供水管路提供的高压水将钻进过程中产生的岩粉和煤渣排出，待抽采钻孔施工结束后，将施工时井下供水管路提供的高压水改接为由乳化液泵提供的中高压水，由孔底向孔口后退式缓慢匀速进行，边旋转边冲刷，直至冲出的煤量达到不少于1吨或返水为清水时，冲孔结束。

目前，该矿抽采队每天水力冲孔在15个左右，日出煤300多袋，10余吨，冲孔进尺达460余米。

（5）瓦斯抽放：各矿发现生产地区大量涌出瓦斯时，除加大通风外，大部用打眼抽放法。1955年首先在李封矿瓦斯大的地区，将煤巷打上密闭墙，用高负压离心式风机进行抽放瓦斯。1958年2月朱村矿东区掘进，回风流瓦斯浓度经常达到1.5%左右，局、矿组织力量采取打钻孔、安装抽放泵进行抽放。1965年，李封矿建成河南煤矿第一个地面瓦斯抽放站及完整的抽放系统，当年抽出瓦斯338万立方米。之后相继在朱村矿、中马村矿、小马村矿、田门井（未抽放）、韩王矿、九里山矿、焦西矿和演马庄矿，建立了抽放站和抽放系统。除田门井已报废外，全局现有八个矿井建立了10个抽放系统。1980年10月，李封矿首次进行了掘进工作面瓦斯预抽工作，在井下48号三横贯处，打一组13个钻孔，钻孔总长度769.72米，共抽出瓦斯量331.76立方米。其中7号孔，抽出瓦斯达9.6万立方米，自由排出量12万立方米，这个孔总排量为21.6万立方米。

到1985年，全局安装有SE－4型水环式真空泵37台，铺设抽放管路22690米，并配备红旗－150型钻机40台，TXV－75型钻机13台，FRA型（英）钻机3台，MYZ－150型钻机5台，共计61台，抽放专业人员223人。

1965～1980年前，全局抽出瓦斯643.2万立方米，1980年到1985年底，共抽放瓦斯2445万立方米。

根据上述瓦斯抽放情况，凡认真进行抽放瓦斯的工作面，回采时在减少工作面供风量的同时，回风流中瓦斯浓度明显下降。朱村矿2341工作面、李封矿6112工作面、小马村矿23302工作面和韩王矿2141工作面，预抽和边采边抽情况统计，供风量比未抽放时减少23%～39%。回风巷瓦斯浓度由0.7%以上降至0.2%，降低70%，瓦斯绝对涌出量降低61%。回采过程中煤壁瓦斯涌出量比较稳定，从而消灭了瓦斯超限现象。

其原理是利用炸药爆破瞬间产生的爆轰压力和高温高压爆炸气体，使爆破孔周围的煤体产生裂隙、松动、压出和膨胀变形，以提高煤层透气性。试验结果表明，松动爆破后，钻孔瓦斯抽放量在较短时间内（最多几天）可以增加几倍，但很快就下降枯竭，钻孔总的瓦斯抽放量的增加并不明显。

松动爆破存在的主要问题，除了长钻孔的装药工艺及爆破安全问题没能很好解决之外，就是松动爆破影响的范围较小。这是因为：一是由于管道效应的影响，不可能把30～70m长的钻孔全部装药传爆，因此钻孔总的装药量比较少，且集中在钻孔的底部，松动爆破影响范围较小；二是由于钻孔周围没有自由面，所以炸药爆炸产生的能量，大部分消耗在钻孔附近煤体的粉碎上，而松动裂隙的扩张范围很有限。

（6）预裂控制爆破

20世纪80年代开始研究采用深孔预裂控制爆破的方法，来强化和提高瓦斯抽放效果。此种方法的实质就是在回采工作面的运输巷和回风巷内，相隔一定间距布置平行于工作面的孔深为50m左右的爆破孔和控制孔，爆破孔和控制孔二者交替布置（图4－48a）。控制孔不装药；爆破孔装药长度为30m左右，利用压风装药器进行连续耦合装药，孔内铺设导爆索（图4－48b），正向起爆，利用炸药爆炸产生的能量及控制孔的导向补偿作用，使爆破孔与控制孔之间的煤体产生新的裂隙，并使原生裂隙得以扩展，从而提高透气性，增加瓦斯抽放量。

图4－48　预裂爆破钻孔布置与装药结构

1－封孔段；2－雷管；3－起爆药包；4－导爆索；5－装药段

表4－25所列为焦作矿务局焦西矿进行预裂控制爆破抽放瓦斯试验中的2次（第1次、第3次）工业性试验的有关参数。爆破孔孔径75 mm，控制孔孔径90 mm，孔间距5～10m，爆破孔封孔长度10～12m（采用压风送泥封孔），控制孔封孔长度为1m，一次起爆孔数为2～3个。爆破后把所有钻孔的封孔全部开通，插管封孔进行抽放瓦斯。通过6个月抽放瓦斯的对比测试，预裂爆破区比非预裂爆破区的透气性系数平均提高3.45倍，煤层瓦斯抽放率由21.6%提高到30.7%，瓦斯抽放总量提高1.5倍（表4－26）。因此，预裂控制爆破可以缩短开采层瓦斯预抽时间，提高抽放率和抽放效果。

表4－25　深孔预裂控制爆破工业试验有关参数

表4－26　预裂爆破区与非预裂爆破区钻孔抽放瓦斯情况对比

通过以上对人为卸压抽放瓦斯的分析可以得出以下结论：对煤体实施水力压裂、水力割缝、松动爆破等人为卸压措施，可提高煤层透气性，使钻孔瓦斯流量大幅度增加，是单一低透气性、高瓦斯煤层的有效卸压方法；但人为卸压措施的工艺较复杂，成本较高，仅限于解决局部瓦斯问题。随着该项技术的发展和完善，今后将会得到普遍应用。

四、平煤集团瓦斯防突工作现状及抽采现状

河南平煤集团公司八矿于1989年10月13日在戊二煤胶带下山掘进工作面发生了集团公司首次煤与瓦斯突出事故至今，共发生156次突出，此后加强了瓦斯突出的防排工作，到目前主要的做法是：

（一）瓦斯抽采系统现状

截止到2011年12月底，平煤神马集团公司共建立瓦斯抽放站53座，安装瓦斯抽放泵132台，电机装机总功率为33034Kw，总抽放能力为11362 m3／min。其中，地面瓦斯抽放站17座，抽放泵41台，瓦斯抽放能力为6600 m3／min；井下瓦斯抽放站36座，抽放泵91台，瓦斯抽放能力为5352m3／min。瓦斯抽采设备及其服务对象现状如表4－27所示。

（二）现有瓦斯防治（防突）技术

1.区域瓦斯防治技术

2009年以来，平煤神马集团公司开展区域瓦斯治理攻坚战，在煤与瓦斯突出防治技术方面进行了大量的探索和研究，实施了区域瓦斯治理工程，取得了一定的成效，逐步形成了集团区域瓦斯防治技术体系，体系主要包括保护层开采技术、单一突出煤层工作面区域防治技术、石门揭煤区域防治技术。

（1）保护层开采技术

开采保护层是防止煤与瓦斯突出最有效、最经济的技术，但平煤神马集团大部分突出煤层不具备保护层开采条件。近年来，集团在部分具备保护层开采条件的矿井实施了保护层开采。目前突出矿井保护层开采总的现状是：平煤股份四矿、五矿已实现保护层规模开采，四矿坚持把开采保护层作为主要的区域防突措施，开采戊8煤层解放上覆丁5－6煤层，开采己15煤层，解放己16－17煤层，取得了很好效果；五矿开采己15煤层保护己16－17煤层，保护层开采力度大；其他矿井目前进行保护层开采的煤层仅占很少一部分，尚达不到保护层规模开采，如八矿在局部地区选择开采己15层作为己16－17煤层的保护层，选择开采戊8煤层作为戊9－10煤层的保护层，十矿部分区域开采戊9煤层保护戊10煤层，十二矿开采己14煤层保护己15煤层等；除此以外其它矿井大部分煤层需要采取高、低位岩巷掩护掘进及顺层预抽技术。

表4－27　平煤神马集团瓦斯抽采设备及其服务对象现状表

续表

根据煤层及瓦斯赋存状况，保护层开采分为煤组间保护与煤组内保护两种：

①煤组间保护：

平顶山煤田主采煤层分别为丁组（五）、戊组（四）、己组（二）、庚组（一）。其厚度分别为：1.5～4.5m、0.9～3.8m、

1.5～6.2m、1.2～2.5m。煤组间距分别为：丁组—戊组平均83.0m，戊组—己组平均180.0m，已组—庚组平均52.0m。

禹州煤田主采煤层为二1煤，平均煤厚4.5m。上距四1煤165m，下距一煤70m，四煤、一煤只有局部可采。且一煤底板以下50m左右为寒武系灰岩含水层，受到承压水威胁严重，一煤不适合作为二1煤层的下保护层开采。四4煤层距离过远，起不到保护二1煤的作用。

汝州煤田长虹公司主采二1煤，平均煤厚4m。上距四煤173.5m，下距一煤26m。且一煤为赋存不稳定的局部可采煤层，不能作为保护层开采；四煤距离过远，起不到保护二1煤的作用。

各突出矿井可以作为煤组间保护层开采的情况时：一矿在三水平下延采区可首先开采戊8煤层，解放上部丁组煤层；二矿庚20煤层可作为已16－17煤层下保护层进行开采；四矿开采戊8煤层保护上覆5.6突出煤层；五矿开采己15煤层保护下部的己16－17煤层；六矿可将戊组煤层作为丁组煤层的下保护层开采；十矿己组西翼由北向南开采保护戊组，戊组东翼由南向北开采保护己组；十一矿可开采庚组煤层保护己组煤层；

②煤组内保护：

平顶山煤田主采煤层情况：丁组煤有丁5和丁6两层，戊组煤有戊8、戊9、戊10三层（部分区域为两层或三层合层）；己组煤有己15、己16、己17三层（部分区域为两层或三层合层），庚组煤仅有庚20煤层。

禹州煤田主采煤层为二1煤，属突出煤层，组内无保护层可选择。

汝州煤田长虹公司主采煤层为二1煤，属突出煤层，组内无保护层可选择。

各突出矿井可以作为煤组内保护层开采的情况时：一矿在三水平下延采区首先开采戊8煤层，解放下部戊9.10煤层。四矿己15煤层作为上保护层解放己16.17突出煤层、戊8煤层解放戊9.10高瓦斯煤层；六矿开采戊8煤层，保护戊9、10煤层；八矿开采戊8煤层，保护戊9、10煤层，开采己15煤层保护己16.17煤层；十矿己组西翼开采己15.16煤层，保护己17煤层，己组东翼开采己17煤层保护己15.16煤层，戊组西翼开采戊9煤层保护戊10戊11煤层，东翼开采戊8.9煤层保护戊10戊11煤层；十一矿可局部开采己14－15煤层保护己16－17煤层，局部开采戊8煤层解放下部戊9－10煤层；十二矿开采己14煤层保护己15煤层，开采己15煤层保护己16－17煤层；十三矿己四采区可以把己15煤层作为己16.17煤层的保护层进行开采；首山一矿开采丁7煤可以解放戊8煤，当戊8开采后，可以解放戊9～10煤，开采己15煤层保护己16－17煤层。

（2）单一突出煤层掘进工作面区域防治技术

根据矿区瓦斯赋存规律及煤与瓦斯突出特征，针对不具备保护层开采条件的突出煤层实行分级治理，治理技术如下：

①高（低）位掩护岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯

高位（低位）岩巷穿层预抽瓦斯技术：突出危险性较大的煤层，如八矿、十矿、十二矿、十三矿及首山一矿己15及己15—17煤层，煤巷掘进前，在煤巷下位（上位），先施工低位（高位）预抽岩巷，超前煤巷不低于200m，实施穿层钻孔，辅以高压水力压裂、水力冲孔、穿层松动爆破、高压射流割缝等卸压增透技术，穿层钻孔及松爆措施控制到煤巷轮廓线20米范围，预抽煤巷条带瓦斯，降低瓦斯压力和地应力，为煤巷安全掘进创造条件。

突出煤层原始瓦斯压力在1.5～2.0Mpa区间，瓦斯含量大于10m3／t时，煤巷掘进前，必须施工高或低位掩护岩巷，采用增透卸压技术（水力冲孔、水力割缝、松动爆破等），预抽煤层瓦斯，消除突出危险。

突出煤层原始瓦斯压力大于2.0MPa时，煤巷掘进前，必须施工低位掩护岩巷，采用增透卸压技术（水力冲孔、水力割缝、松动爆破等），预抽煤层瓦斯，消除突出危险。具体而言，一矿、八矿、十矿戊9－10煤层（无保护层开采区域），四矿、八矿己15、十矿己15、十二矿己15、十三矿己15－17、平宝公司己15－17煤层，平禹四矿、方山新井二1煤层遵循上述区域瓦斯治理技术线路。

②走向条带顺层预抽技术

突出危险性较小的煤层（突出煤层原始瓦斯压力小于1.5MPa且瓦斯含量不大于l0m3／t时），煤巷掘进时，实施走向条带顺层预抽瓦斯技术，以降低煤层瓦斯压力和地应力，为煤巷安全掘进创造条件。

具体而言，一矿、六矿、十矿丁5－6煤层，四矿戊8、六矿戊8、八矿戊8、十一矿戊8、五矿己15、十一矿己15、长虹公司二1，二矿庚20煤层按该技术线路进行区域瓦斯防治。

③倾向顺层钻孔递进式预抽技术

突出煤层原始瓦斯压力小于1.5MPa且瓦斯含量不大于10m3／t时，采用倾向顺层钻孔递进式预抽技术。

采面机（风）巷施工倾向顺层钻孔预抽相邻区段瓦斯，钻孔终孔应控制到采面中间巷轮廓线外25m以上，孔间距按排放半径设计。

具体而言，五矿己15煤层、六矿戊8煤层，平禹煤电白庙矿二1煤层采用该技术进行瓦斯防治。

④不具备保护层开采的回采工作面瓦斯防治技术

不具备保护层开采条件的突出危险工作面，必须分别在机、风巷施工倾向顺层钻孔，钻孔间距按抽放半径设计，钻孔搭接交叉长度不小于10m。

对于采长大于150m，原始瓦斯压力大于2.0MPa、瓦斯含量大于15m3／t的回采工作面，布置采面中间低位岩巷预抽煤层瓦斯，消除采面中段煤与瓦斯突出危险，见图4－49。(www.xing528.com)

（3）石门揭煤区域防治

中国平煤神马集团突出煤层石门揭煤区域防治技术按照以下要求执行：

①原始瓦斯压力大于等于2MPa的揭煤工作面，必须施工揭煤辅助巷道，并采用水力冲孔、水力割缝等整体卸压增透措施，预抽煤层瓦斯。

②原始瓦斯压力在1.5～2MPa之间的揭煤工作面，需采取采用水力冲孔、水力割缝等整体卸压增透措施，预抽煤层瓦斯。

图4－49　回采工作面区域瓦斯防治示意图

③原始瓦斯压力在0.74～1.5MPa之间的揭煤工作面，预抽煤层瓦斯。

（4）区域瓦斯治理效果评价方法

①保护层开采效果评价

保护层开采的保护效果评价主要采用残余瓦斯压力、残余瓦斯含量、顶底板位移量指标和方法，可以结合煤层的透气性系数变化率等辅助指标。

当采用残余瓦斯压力、残余瓦斯含量检验时，根据实测的最大残余瓦斯压力或者最大残余瓦斯含量，并且按《防治煤与瓦斯突出规定》第四十三条第（三）项的方法，对预计被保护区域的保护效果进行判断。若评价结果仍为突出危险区，保护效果为无效，需要进一步采取消除瓦斯突出危险技术措施，直至达到评价结果为无突出危险为止。

平煤神马集团公司规定保护层开采效果评价由河南理工大学等具有煤层突出危险性鉴定资质的单位进行（不允许矿井自己进行），并提供消突评价报告；消突评价报告由集团公司总工程师审查批准。

②预抽煤层瓦斯区域防突技术措施效果评价

采用预抽煤层瓦斯区域防突技术措施时，以预抽区域的煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量为主要指标（而实际工作中各突出矿井基本上是使用残余瓦斯含量指标），进行措施效果检验，即对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，依据实际的残余瓦斯含量直接测定值。对穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施，参照《防治煤与瓦斯突出规定》第七十三条的方法，采用钻屑瓦斯解吸指标进行措施效果检验。检验期间还应观察、记录在煤层中进行钻孔等作业时发生的喷孔、顶钻及其他突出预兆。

若检验期间，在煤层中进行钻孔等作业时，发现了喷孔、顶钻及其他明显突.出预兆时，发生明显突出预兆的位置周围半径100m内的预抽区域判定为措施无效，所在区域煤层仍属突出危险区，需要进一步采取消除瓦斯突出危险技术措施，直至达到评价结果为无突出危险为止。

当采用煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量的直接测定值进行检验时，若任何一个检验测试点的指标测定值达到或超过了有突出危险的临界值而判定为预抽防突效果无效时，则此检验测试点周围半径100m内的预抽区域均判定为预抽防突效果无效，即为突出危险区，需要进一步采取消除瓦斯突出危险技术措施，直至达到评价结果为无突出危险为止。

平煤神马集团公司规定预抽煤层瓦斯区域防突措施的效果评价可由矿井自己进行，并提供消突评价报告；消突评价报告由集团公司总工程师审查批准。

2.综合抽采瓦斯技术

（1）顶（底）位巷穿层钻孔预抽技术

在煤层顶（底）板巷道内，沿走向每隔30米向采面中部施一个高压水力压裂孔，每两个压裂孔中间布置个5个预抽钻孔，压裂孔及预抽钻孔均穿透煤厚，预抽孔孔底间距15～20m，预抽时间6个月以上，抽采浓度一般在25%～80%，单孔纯量在0.3～0.9m3／min。

（2）顺层钻孔预抽技术

通常是在开采煤层的机巷和风巷沿煤层倾斜方向先施工高压水力压裂钻孔，高压水力钻孔每60米布置一个，每两个高压水力压裂钻孔中间布置11个顺层倾向钻孔来强力抽放开采煤层瓦斯，当顺层抽放钻孔瓦斯浓度下降到10%以下时，在应用原有的水力钻孔再次压裂，再次抽放。目前该技术对单一低透煤层防治煤与瓦斯突出效果明显。

（3）采空区埋管抽采技术

在工作面风巷单独敷设抽采管路进行上隅角抽采，抽采管路内径500毫米，沿风巷顶板敷设，抽采时上隅角用风幛或充填垛形成一个抽采空间，主要用于控制高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限或积聚。

（4）顶板专用瓦斯抽采巷抽采技术

主要利用超前施工的顶板岩巷来抽采瓦斯，顶板巷层位处于采空区上部的冒落带与裂隙带之间，以内错方式布置，主要抽采采空区的瓦斯，内错高位抽排巷在中国平煤神马集团突出矿井中的应用效果十分明显，在抽采期间，工作面回风巷的瓦斯浓度大幅降低。

（5）地面钻井抽采技术

地面钻井抽采实施地点主要规划在平煤八矿、十三矿、首山一矿等东部矿区，目前已完成深度为700～800m地面瓦斯抽采钻井15口。主要采用地面钻井以及高压水力压裂技术抽采原始煤体的瓦斯。钻井一般布置在计划回采的工作面的中部，钻井间距200m左右。

五、平煤集团首山一矿地面瓦斯抽放与利用效应：

2002年国家煤矿安监局及中国煤炭工业协会做出“先抽后来，以风定产，监测监控”，瓦斯治理十二字方针重要决定，其中先抽后采是十二字方针的重要内容和主要组成部分。河南从设计开始，认真贯彻执行。平煤集团首山一矿从精查地质报告做起，规范矿井瓦斯抽放工作。

首山一矿是一对年产2.40Mt／a新建矿井，该矿地质报告初步预测已16－17（二1煤）及戊9－10（三9－10）煤层为有煤与瓦斯突出危险性煤层，其瓦斯抽放规划设计内容为：

（一）瓦斯抽放利用的必要性和可行性

1.瓦斯抽放利用的必要性

（1）从矿井安全生产方面来看，瓦斯抽放是必要的

①矿井瓦斯抽放可有效地降低风流中瓦斯浓度，减少矿井供　风，降低通风费用。

②本矿井瓦斯含量较高，根据邻近矿生产经验，若不采取有效措施，则必然造成工作面瓦斯浓度超限，从而严重影响矿井安全生产及工作面产量的提高。建立矿井瓦斯抽放系统可有效地降低风流中瓦斯浓度，从而解决瓦斯超限问题。

③地质报告预测，本矿井为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯抽放是防治煤与瓦斯突出的主要措施。

（2）从充分利用瓦斯资源，减少大气环境污染方面来看，瓦斯为煤炭伴生资源，是一种热值很高的能源（发热量14653.8～16747.2J／m3）。抽出的瓦斯随回风流排放，虽然解决了瓦斯突出或浓度超限影响工作面正常生产的问题，但不仅造成了瓦斯资源浪费，而且造成大气环境污染。建立瓦斯抽放利用系统，既充分利用了瓦斯资源，又减少了大气环境污染。

综上所述，从矿井安全生产，环境保护及能源利用几个方面考虑，建立矿井瓦斯抽放利用系统是必要的。

2.瓦斯抽放利用的可行性

（1）从邻近生产矿井瓦斯抽放效果来分析，本区瓦斯抽放是可行的精查报告未提供瓦斯涌出量、煤层透气性系数，钻孔瓦斯流量衰减系数及百米钻孔瓦斯流量等数据，但邻近八矿、十矿及十二矿实测数据和实际抽放效果来看：煤层透气性系数为0.0019MD，属较难抽放煤层，但从钻孔瓦斯流量衰减系数4.5‰～0.688‰，一般在3‰以下来看，又属容易抽放煤层。实测百米钻孔瓦斯流量12～30L／min.hm，抽放管内浓度达35～45%，最高达65%。八矿、十矿、十二矿已建立地面瓦斯抽放系统。

综合邻近生产矿实测指标和实际抽放效果，可说明本区瓦斯抽放是可行的。

（2）从本矿井瓦斯储量及服务年限来分析瓦斯抽放的可行性

井田精查范围瓦斯储量2312.87Mm3，抽放率按20%计，可抽瓦斯量为462.57Mm3，纯瓦斯抽放量按已组煤8m3／min，戊9－10煤5m3／min，则抽放系统服务年限已组84a，戊组49a满足《设计规范》规定，是可行的。

（3）矿区生产矿井瓦斯抽放成功的经验和成熟的队伍为本矿建立地面瓦斯抽放系统打下了基础，创造了有利条件。

综上所述，本矿瓦斯资源条件及邻近生产矿瓦斯抽放效果说明本矿建立地面瓦斯抽放系统是可行的。

（二）瓦斯储量及抽放系统服务年限

根据矿井开拓开采范围，确定矿井抽放范围为全井田范围内的戊9－10，已15及已16－17煤层。

1.瓦斯储量及可抽量

（1）瓦斯储量

地质报告提供戊9－10，已15及已16－17煤层瓦斯储量2312.87Mm3。

（2）瓦斯抽放率

根据八矿、十矿、十二矿实际抽放率，并参照《矿井瓦斯抽放管理规范》，确定本矿井瓦斯抽放率为20%。

（3）可抽瓦斯量

根据瓦斯储量及确定的瓦斯抽放率计算，矿井可抽瓦斯量462.57Mm3。

瓦斯储量及可抽量详见表4－28。

表4－28　瓦斯储量及可抽量表

（三）年瓦斯抽放量

根据矿井采掘工程计划，参照邻近生产矿井实际抽放效果，并考虑己16－17煤渗透率较高，戊9－10煤渗透率较低，采用《采矿设计软件包》上机计算，确定本矿抽放量为：戊9－10煤5.0m3／min，己16－17煤及己15煤8.0m3／min，全矿井13.0m3／min。

考虑设备及系统检修，年抽放天数按350d计算，则年抽放瓦斯量为：戊9－10煤2.52Mm3／a，己组煤4.03 Mm3／a。

（四）抽放系统服务年限

根据瓦斯可抽量及年瓦斯抽放量，戊9－10煤瓦斯抽放系统服务年限49a；己组煤瓦斯抽放系统服务年限84a。符合《设计规范》规定。

（五）抽放瓦斯基础参数

1.煤层瓦斯压力

戊9－10煤瓦斯压力2.72～5.42MPa，平均3.87MPa；己16－17煤瓦斯压力2.72～5.21MPa，平均4.13MPa。

2.煤层瓦斯含量

己16－17煤甲烷含量1.36～17.87mL／gd，平均7.66mL／gd；戊9－10煤甲烷含量3.92～11.93mL／gd，平均7.04mL／gd。

3.煤层透气性系数

地质报告未提供煤层透气性系数，根据邻近八矿及十二矿实测值，己组煤层透气性系数0.0019MD。

4.百米钻孔瓦斯流量

邻近八矿、十矿及十二矿百米钻孔瓦斯流量取15L／min.hm。

（六）抽放瓦斯方法及钻场布置

1.抽放瓦斯方法

本矿井设计开采戊9－10、己15及己16－17煤层，根据煤层赋存条件及开拓开采安排，本矿井无邻近层抽放瓦斯的可能。

参照矿区生产矿井瓦斯抽放成功经验，设计采用本煤层工作面顺槽顺层平行工作面钻孔预抽及高位钻孔抽放为主，并配合边采边抽与边掘边抽，同时考虑必要的采空区瓦斯抽放的综合抽放瓦斯方法。

2.抽放瓦斯钻场布置

（1）抽放瓦斯钻孔参数

①钻孔有效总长度

根据确定的瓦斯抽放量（13.0m3／min）及百米钻孔瓦斯流量（15L／min.hm），经计算确定全矿井抽放瓦斯钻孔有效总长度87000m。

②钻孔直径

根据邻近矿实际抽放经验，设计抽放瓦斯钻孔直径90 mm。

③单个钻孔长度

根据工作面长度及邻近矿经验，确定单个钻孔长度为100～110m。

④钻孔数量及钻孔间距

根据有关参数，经估算矿井抽放瓦斯钻孔870～900个。

根据采掘工程布置，结合邻近生产矿实际经验，确定工作面顺槽抽放瓦斯钻孔间距为2～5 m。

⑤孔口负压

根据八矿、十矿、十二矿实测效果及抽放量，设计确定抽放瓦斯钻孔口负压20kPa。

（2）钻场布置

①回采面钻孔布置

在工作面上、下顺槽沿煤层倾向打瓦斯抽放钻孔，孔与孔平行或交叉布置，孔间距2～5m。生产中可根据实际抽放效果调整钻孔布置，但必须保证上、下顺槽的钻孔孔底之间交叉长度不小于5m。

②采区下山钻孔布置

在采区下山沿煤层走向打瓦斯抽放钻孔，孔与孔平行或交文布置，孔间距4～5m。

③采空区瓦斯抽放布置

采空区瓦斯采用插管抽放法，即在顶板冒落之前，把抽放瓦斯管直接插入采空区进行抽放，瓦斯管的末端约2m长的一段要有孔眼，同时要尽量靠近煤层顶板，使其处于高浓度瓦斯带。

④高位抽放钻孔布置

在工作面回风顺槽每隔100～150m布置一个钻场，向工作面方向打高位抽放钻孔，以抽放工作面上隅角的瓦斯。

（六）地面抽放站位置

地面抽放站设在中央回风井工业场地。

（七）瓦斯抽放设备与管路

1.设计依据

（1）最大纯瓦斯抽放量：

戊9－10煤5.0m3／min，

己16－17煤及己15煤8.0m3／min，

全矿井13.0m3／min。

（2）瓦斯抽放浓度：

各采区　　40%

总干管　　30%

（3）瓦斯抽放钻场孔口负压：20kPa

（4）用户使用要求压力：　　10kPa

2.瓦斯抽放管路选择

根据矿井的开拓布置及工业广场布置，将瓦斯抽放泵设置在中央回风井工业广场内。抽放管路总干管沿中央回风井井筒敷设，分成两路分管，经回风大巷至戊l采区和己2采区。戊1采区干管沿该采区回风上山敷设，已2采区干管沿该采区回风下山敷设，抽放支管分别敷设在采煤工作面运输巷、回风巷及掘进工作面与钻场连接。瓦斯抽放管路系统尺寸为：

管路选用D530×9型焊接钢管。

管路选用DN300型复合材料瓦斯抽放管。

（3）戊1采区工作面运输巷、回风巷和掘进工作面支管：

管路选用DN350型复合材料瓦斯抽放管。

（4）已2采区工作面运输巷、回风巷和掘进工作面支管：

管路选用DN200型复合材料瓦斯抽放管。

3.瓦斯抽放管网阻力

根据本矿井瓦斯抽放管路系统布置及各段管路直径，经计算，直管段摩擦阻力H＝21739pa，管网局部阻力Hj＝4348pa，抽放系统管网最大阻力Hz＝26087pa。

4.瓦斯抽放设备选型

（1）瓦斯抽放泵的流量计算

根据矿井纯瓦斯抽放量和瓦斯利用所要求的最小抽放浓度30%，瓦斯抽放泵的流量：

Qb’＝∑Q纯×K／（X×η）＝13×1.2／（0.3×0.8）＝65（m3／min）

考虑到实际抽放浓度最低可能达到20%，所需瓦斯抽放泵的流量：

Qb＝∑Q纯×K／（X×η）＝13×1.2／（0.2×0.8）＝97.5（m3／min）

（2）瓦斯抽放泵的压力计算

根据抽放管网阻力计算值，钻场孔口要求的负压值，以及井上正压管路的摩擦阻力，局部阻力和用户使用压力的要求，抽放泵必须产生的压力：

Hb＝K×（HZ＋H钻孔口＋H泵出口）＝1.2×（26087＋20000＋10000）＝67304（pa）

（3）瓦斯抽放泵的真空度计算

瓦斯抽放泵的真空度Hz＝Hb／101300×100%＝66%

（4）瓦斯抽放设备选型

根据抽放设备必须产生的流量、压力、抽放设备可选用回转式鼓风机和水环式真空泵两种。回转式鼓风机产生抽放负压较高，运行稳定，供气均匀。但运行噪音大，压力高时磨损严重，气体漏损较大，因此不宜推荐。结合本矿井抽放煤层透气性较差，抽放量不大的特点，设计推荐采用水环式真空泵作为本矿井瓦斯抽放设备，该方案的优点是：设备结构简单，运转可靠，工作轮内充满水，起防爆阻焰作用，安全性高。

对于水环式真空泵，可选用SK－60型和2BEC40型两种泵，SK－60型水环式真空泵是目前效率较高的双作用水环式真空泵，该设备具有运转速度低，投资省等优点，但需2台泵并联运行，才能满足矿井抽放要求，效率低，运行费用高，故不宜推荐。2BEC40型水环式真空泵是引进德国西门子公司技术生产的节能产品，该设备尺寸小，质量轻、操作简单，运行平稳，具有电耗小，总投资少等优点。经综合技术经济比较，设计确定本矿井瓦斯抽放设备选用2BEC40型水环式真空泵2台，其中1台工作，1台备用。电动机选用YB315M1－4型，380V，132kW隔爆三相异步电动机。考虑到今后的发展，预留一台瓦斯抽放泵的安装位置。

5.附属设备

真空泵采用闭路循环冷却系统，设置玻璃钢冷却塔和冷却水泵，水泵采用水位自动控制。为了方便安装与检修，泵机房内配备SDXQ－3型3t手动单梁悬挂式起重机一台。

6.配电及控制

根据瓦斯抽放设备选型情况、《煤炭工业矿井设计规范》、《矿山电力设计规范》和《煤矿安全规程》要求，矿井抽放瓦斯设备，为一级负荷。其低压电源，以双回路电缆供电，直接引自风井变电所，其中一回工作，一回备用。

抽放瓦斯站房内的电气设备、照明和其他电气仪表，均采用矿用防爆型。

抽放瓦斯站房内，设置有瓦斯抽放管道流量计，用于检测抽放瓦斯量。

在本矿井安全监测监控系统中，设有抽放瓦斯监测系统，监测系统能监测抽放管中的瓦斯浓度，负压流量和一氧化碳参量。同时，还应能监测抽放站内瓦斯泄漏，并能报警和断电。

7.瓦斯综合利用

瓦斯是一种高效、洁净能源，瓦斯的综合利用既解决了瓦斯排放造成大气污染问题，又充分利用了资源，其利用方式基本可分两大类型：一是直接民用做燃料，另一种是作工业燃料，在工业上可用于锅炉、发电、干燥室烘干和化工原料。

本矿井的抽放量约为43.3m3／min（混合气）日抽气量为62352 m39（混合气），供气损失按5%考虑，日供气量为59234 m3，这些瓦斯考虑用于工业场地、生活区、食堂用气及襄城县居民用气。

六、中马村矿瓦斯抽放与利用

中马村矿是由苏联原列宁格勒煤矿设计院设计，年生产能力60万t的矿井，该矿1955年9月20日开工，建井期间多次遭受二1煤底板灰岩突水淹井停工。直到1970年7月投产。开采二1煤层投产前于1968年9月11日于二1煤层底板标高－91.59m发生煤与瓦斯突出。突出煤量73t，突出瓦斯量4621.5m3。其后发生多次突出，到2004年其突出资料如表4－29所示。

表4－29　矿井煤与瓦斯突出情况统计表

煤与瓦斯突出一般在掘进煤巷中，突出方式以放炮诱导为主，也有镐刨煤壁即发生突出。突出位置多位于断层附近及其尖灭处、小褶曲轴部及煤层厚度变化较大、煤质松软、煤层顶底板起伏变化大的部位。突出前多具瓦斯涌出量增大、瓦斯浓度增高、煤层自动掉块、发出响煤炮声等预兆，有时无预兆。

中马村矿在抽放系统未建立之前利用罗庄风井临时瓦斯抽放站对19071、19041工作面瓦斯进行预抽和边采边抽。

1980年焦作矿务局科研所先后在19、27采区进行地面钻孔抽放瓦斯工艺试验，取得了一定效果。

除上述之外还进行过两次井下局部抽放瓦斯工作。1980年4月在23011回风巷进行边掘边抽试验，即在掘进巷道前方打抽放孔，井下安装SZ－2型水环式真空泵，用管径50毫米抽放管，抽出瓦斯排入回风巷风流内。因抽放时间短，仅抽出瓦斯11万立方米，效果不明显。25011工作面布置在大煤分叉区的下分层，工作面东半部至上分层岩柱5米，受上邻近层瓦斯威胁很大。1982年在该工作面回采前，在其上风巷打了10个穿层钻孔，在井下安装SZ－3型真空泵，用管径50毫米抽放管抽上邻近层瓦斯，共抽出约7万立方米瓦斯，均排入回风巷风流内，保证了工作面正常生产。

图4－50　罗庄瓦斯抽放泵房设备布置图

中马村矿抽放瓦斯系统分北风井与罗庄风井两大独立抽放系统，分区式抽放瓦斯。1980年经煤炭部批准建立中马村矿抽放瓦斯工程。1981年6月建成北风井地面抽放瓦斯站，安装三台SZ－4型水环式真空泵、铺设主干管直径为219毫米，总长2890米，担负23、25采区抽放瓦斯任务，矿成立了抽放瓦斯队，负责抽放的管理工作。从1981年6月开始抽放至1994年11月因23、25采区顶层回采工作面结束而停止抽放1981年6月至1985年10月累计抽出瓦斯（纯量）237万立方米。

1985年在罗庄风井地面建造抽放瓦斯站一座，总面积1060平方米，抽放瓦斯泵房（包括值班室）面积113平方米。安装SZ－4型水环式真空泵三台、担负25以东采区抽放瓦斯任务。地面泵站虽已建成，井下抽放管路系统因突水淹井中断。1988年开始恢复管路铺设与安装工程。至1989年共铺设：东总回风19～17～25段主抽放管（直径250毫米）总长1870米；17、27、19、29各回风上下山干管（直径：150毫米）总长2120米。完成了上述采区主要抽放管路系统。1989年罗庄风井抽放站开始投入使用，由安全区负责日常抽放管理工作。

1992年2月罗庄风井抽放站又安装一台SZ－4型水环式真空泵，共4台抽放泵，交替运转，抽放17、27、19、29采区工作面瓦斯，抽放能力为88立方米／分。1994年11月北风井抽放瓦斯站停止抽放后，罗庄抽放站负担全矿井抽放瓦斯任务。图4－50为罗庄瓦斯抽放泵房设备布置图。

为适应生产不断发展，扩大抽放瓦斯能力以及综合利用矿井瓦斯之目的。从1995年6月～2005年逐步对罗庄抽放瓦斯站及抽放系统进行了设备更新和技术改造工作。主要工程

包括：

（一）将初装4台SZ－4型水环式真空泵更换成三台2YK－27型水环式真空泵，保留一台原SZ－4型泵。新铺设二趟管径200毫米的抽放管路，由罗庄抽放瓦斯站至罗庄西风井底与27采区抽放管路连通。同时改造抽放瓦斯站前后进出气侧管路及计量设备。

（二）2000年9月将原l＃泵SZ－4型更换成SK－60型水环式真空泵。总抽放能力达到156立方米／分钟。

（三）2003年在原抽放瓦斯站南侧新建一座抽放瓦斯站，面积127平方米，同年12月建成。2004年3月罗庄新泵房安装三台大流量水环式真空泵。型号为ZBEC40型二台和ZBEC42型一台。

（四）新铺设一趟400毫米大管径管路。由罗庄泵站—罗庄西风井底—39回风下山，管路总长1400米。随着211采区211051工作面贯通，铺设一趟自罗庄西风井底经东总回风巷至111回风上山段主管管径250毫米总长1250米的抽放管，铺设111回风上山—211回风下山抽放管路管径400毫米总长760米以及211051工作面上下风道铺设抽放支管管径200毫米总长1350米抽放管。形成了211采区抽放管路系统。

（五）2005年4月罗庄抽放瓦斯站安装一套DJ91型瓦斯监控流量系统，分别对进出气测流量、瓦斯浓度、抽放负压、正压，管路温度进行微机监控。

通过上述技术改造后，罗庄抽放瓦斯系统成为既能分区抽放又能联合抽放（通过地面管路控制）较为完善的抽放瓦斯系统，见图4－51。同时通过抽放设备更新实现了“四大”抽放，即大流量抽放泵（ZBEC40、42型）大抽放管径（管径400毫米）大功率钻机（MYZ－200型，MKD－5S型液压钻机）和大孔径抽放钻孔（不小于100毫米）抽放瓦斯能力有了大幅度提高，2005年后达到340立方米／分，为原抽放能力之四倍。从而满足了生产不断发展之需要，促进了矿井安全生产。据统计资料：2005年底全矿井抽放主干管总长5790米，支管总长4040米，在抽钻孔1875个，钻孔总长91380米，平均孔深48.73米，中马村矿自1981年开始抽放至2005年末共计抽出瓦斯（纯量）4508.56万立方米，利用量222.93万立方米。详见表4－30中马村矿历年抽放瓦斯量和利用量。

表4－30　中马村矿历年抽放瓦斯量和利用量

续表

（一）抽放瓦斯方式

中马村矿从1981建成抽放瓦斯系统，进行瓦斯抽放以来至2005年，主要采用本煤层抽放和采空区抽放（高位抽放）。

1.煤巷掘进工作面预抽和边掘边抽

在掘进工作面均匀布置钻孔，孔数一般7～10个。孔径不小于75毫米，孔深50～60米，实施预抽煤层瓦斯。采用边掘边抽时，在掘进巷道两帮错口开掘钻场，其支架规格为

2.4×2.4米，深度4～5米，每个钻场内布置抽放钻孔4～5个，孔径不小于89毫米，孔深一般50米左右，进行边掘边抽。

2.回采工作面预抽和边采边抽

工作面切眼贯通后，在回风巷下帮，运输巷上帮各布置一排抽放钻孔，孔距0.75米～2.0米，切眼以外50米内缩小孔距为0.75～1.0米，以提高该段抽出率。钻孔布置方式有平行布孔和斜交布孔两种，孔深一般为50～70米，上下抽放孔应交叉10～15米，不留空白带，孔径不少于90－100毫米，进行预抽煤层瓦斯和边采边抽。当回采工作面（27061工作面）抽放瓦斯浓度较低时采用井下移动泵（ZBEL53－O型）进行分源抽放。

3.高位抽放

回采工作面老塘瓦斯涌出量过大，造成工作面绝对瓦斯涌出量大于8立方米／分钟，采用高位抽放老塘瓦斯，以降低工作面瓦斯浓度，保证安全生产。抽放方法：在工作面回风巷以外每隔50米开掘一个顶板岩巷钻场，于顶板岩石中打3～6个正角度钻孔，在回采工作面采空区上方呈扇形布孔。孔径不小于89毫米，孔深70米。两钻场之间钻孔交叉不少于20米。抽放瓦斯浓度30～80%，日抽放量为700～1000立方米，有效地降低了工作面瓦斯浓度。

对上隅角瓦斯经常超限的回采工作面，采取上隅角埋管抽放：即在上回风巷抽放管路末端接一个三通截门连一支管至上隅角采空区上部，以小口径高负压抽放，降低了上隅角瓦斯浓度。抽放支管随工作面推进同步外移。

4.穿岩层抽放

利用煤层顶板或底板岩巷，打穿层钻孔，合理布置钻孔角度、方位、增加穿煤段长度，以增加抽放效果。该项技术应用于29地区－250流水巷上帮煤柱，抽放瓦斯时效果较好。

（二）抽放效果

统计资料表明，在煤质中硬的工作面2708l、27051、29041、29021、29051、29061、2903l等按工作面布孔方式打抽放孔时，成孔率高，孔深60～70米，上下抽放孔间交叉无空白带，一般经4～6个月预抽后预抽率达到25%～30%。从开始预抽、边采边抽至工作面回采结束，抽出率为45%～48%。回采时，工作面瓦斯量较小，防突效果检验指标不超限，效果较好，保证了工作面正常生产。但在煤质较软、煤层结构复杂、有软分层、煤层透气性差的27041、27061、211051等工作面，钻孔施工难度大，易塌孔，孔深仅30～40米左右，造成上下抽放孔之间留有空白带。大部分钻孔瓦斯涌出量较小，抽放瓦斯浓度低。虽有个别钻孔瓦斯涌出量较大，但抽放瓦斯浓度衰减很快。抽放效果较差。在煤质较软、结构复杂的煤层中提高抽采效果，是需待解决之技术课题。

（三）瓦斯综合利用

1996年焦作市煤气公司在罗庄抽放瓦斯站北侧，建一座输配站。罗庄瓦斯泵站抽出的瓦斯直接用管路供给输配站。再由输配站供给焦作市煤气公司，经调压混合后供焦作市市民生活用气。自1997年～2005年累计瓦斯利用量（纯量）2225.93万立方米。既保护了环境又取得较好的经济效益。

图4－51　中马村煤矿矿井瓦斯抽放系统图（另见大图）