“先抽后采”是确保煤矿安全高效生产的重要条件胡千庭

“先抽后采”是确保煤矿安全高效生产的重要条件胡千庭煤炭科学研究总院重庆分院2003年11月淮南瓦斯治理“十二字方针”技术成果交流会专题技术报告1“先抽后采”是确保煤矿安全高效生产的重要条件胡千庭（煤炭科学研究总院重庆分院，重庆市上桥400037）1、瓦斯抽放的多重意义对瓦斯矿井而言，煤矿生产过程中的最大安全隐患是瓦斯事故，表1为我国1990年到2000年一次死亡3人以上重大瓦斯事故的死亡人数及占总死亡人数的比例。由表1可明显看出：一次死亡3人以上重大瓦斯事故所占比例逐年上升，最高达到45.61%，1996年以后一直保持在40%以上。因此，瓦斯事故是我国煤矿安全事故居高不下的主要矛盾，有效控制瓦斯事故是解决我国煤矿安全问题的关键。表11990年～2000年我国煤矿一次死亡3人以上重大瓦斯事故死亡人数及比例年份199019911992199319941995199619971998199920003人以上瓦斯事故死亡人数12851364135816752157216225853080247024892600占总死亡人数比例（%）19.7225.1027.4831.1730.7433.8540.3745.6140.2745.1144.91由于瓦斯事故的危害极大，消除瓦斯事故隐患需要花费较多的时间、空间和费用，对高瓦斯突出矿井，机械化采掘设备很难发挥效用，煤巷掘进速度通常都难以超过100m/月，回采工作面产量通常难以超过100万t/a。因此，瓦斯灾害事故的威胁也极大限制了煤矿生产规模、生产效率和经济效益的提高。瓦斯灾害的有效控制是保证我国煤炭工业可持续发展的一个关键性问题。然而，瓦斯又是一种优质资源，对煤矿瓦斯进行抽放并加以利用，可以给煤矿带来较好的经济效益。我国埋藏2000m以内浅瓦斯资源量（煤层气）约30Bm3，相当于约40Gt标准煤，按我国现有能耗标准，相当于我国约使用27年的能源。瓦斯还是一种温室气体，温室效应是二氧化碳的21倍，按生产吨煤排放10m3瓦斯估算，近年在煤炭生产过程中涌出的瓦斯量约140亿m3，其中抽放量约12亿m3，利用量不足50%；因此年排入大气中的瓦斯产生的温室效应约相当于排放2亿tCO2。过2去200～300年来，大气中甲烷浓度已增加一倍。据测算，大气中甲烷浓度每增加1×10-6，可导致地球表面温度增加1℃。目前，国内煤矿瓦斯抽放率不足10%，如果瓦斯抽放率能够增加到30%，每年可抽出瓦斯约42亿m3，按0.75%瓦斯浓度控制，可减少通风能力106.5万m3/min，这对减轻通风压力，确保煤矿安全生产是非常有利的。根据黑龙江省历年的统计资料分析，3人以上重大瓦斯事故中，由于风量不足造成死亡事故67次，死亡666人，而黑龙江省2001年的瓦斯抽放量仅577万m3，占全国煤矿瓦斯抽放量的0.52%，煤炭产量约占全国煤炭产量的6.1%，不强化瓦斯抽放，不能说教训不惨痛。从历史数据看，瓦斯抽放量多的矿区，瓦斯事故明显减少，如抚顺、阳泉、淮南、松藻、盘江等矿区。因此，瓦斯抽放对控制重大瓦斯事故是非常有利的。如果我国瓦斯抽放量达到42亿m3并全部被利用，相当于增加570万吨标准煤，可缓解能源紧张局势，可增加产值15亿元以上；同时还可减排CO26750万吨，极大减少大气污染，利于净化空气，如果将这些指标进入CDM减排市场，按减排单价4美元/tCO2计算，交易价值达22亿元以上，累计增加产值37亿元；平均抽放瓦斯成本按0.35元/m3计算，将花去成本14.7亿元；CDM减排交易成本按25%计算，花去成本5.5亿元，于是总共还可赢利16.8亿元。如果将这笔资金投入到煤矿安全设施设备改造以及技术研发升级，则煤矿安全的现状将会极大地改善。显然，瓦斯抽放并加以利用是煤矿企业摆脱安全、经济困境，利于百姓、利于企业、利于国家、利于社会的一举多得、积德行善的好事。全社会都应积极倡导，全力支持这一事业。2、国外控制瓦斯事故的措施以及瓦斯抽放的发展方向美国近5年煤矿总死亡人数基本控制在40人以内，煤炭产量每年约10亿t，百万吨死亡率控制在0.04以内，基本控制住了重大瓦斯死亡事故。美国取得煤矿安全的好成绩，除有法律、管理、资金投入等诸多方面因素外，强化瓦斯抽放不能说不是一个主要因素。美国以地面钻孔瓦斯抽放（煤层气开发）为主，1981年开始从事煤层气商业化开采，1989年取得突破性进展，1991年产量超过90亿m3，1994年达到215亿m3，其中，3在未开采矿区抽出180亿m3，占总产量的83.7%，12个生产矿井抽出35亿m3。美国地面钻孔抽放瓦斯的成功主要在东部的黑勇士盆地（如宾夕法尼亚系的Pottsville组，煤层埋藏深度152～915m，煤层厚度约1m，属于多煤层群，含气量一般大于8m3/t，平均渗透率为1×10-3µm2～25×10-3µm2）和西部的圣胡安盆地（如白垩纪水果地组煤层，埋藏深度较大，厚度通常在几米以上，属高挥发分烟煤，含气量8～19.2m3/t，平均渗透率为5×10-3µm2～50×10-3µm2）。目前美国年抽出瓦斯量已接近400亿m3，巨大的瓦斯抽放量已成为美国一个重要的能源开发产业。美国12座矿井从事煤层气工业化开采，大大减少了矿井通风费用，改善了生产安全条件，从根本上防止了瓦斯灾害事故的发生，并向市场销售了大量的高质量气体，产生了显著的社会经济效益。英国煤矿历史上约有15000人死于瓦斯爆炸事故，最严重的一次是1913年10月14日发生在Senghenydd煤矿的瓦斯爆炸事故，死亡439人。但从1979年以来就再也没有发生瓦斯爆炸死人事故，这与严格执行瓦斯抽放及管理密切相关。首先通过瓦斯抽放，确保通风能力能够有效稀释瓦斯，煤矿必须建立明确的瓦斯抽放管理系统，包括瓦斯抽放的政策、组织管理机构、抽放工程和抽放量的严格计划、抽放技术管理规定、抽放结果监测并公示，抽放后的系统安全评估等。各环节职责和目标都非常明确，每年由管理系统以外的内行专家进行一次瓦斯抽放管理系统审查，不能有效控制瓦斯灾害时，必须及时予以调整瓦斯抽放管理系统的相关内容。英国生产矿井的瓦斯抽放率达到45%以上，抽出的瓦斯全部被利用。英国在废弃矿井瓦斯抽放方面也取得成功，抽放废弃矿井的瓦斯用于发电，获取了新的洁净能源，同时减少废弃矿井瓦斯向大气泄露，减少了对环境的污染。澳大利亚也是世界上主要产煤国之一，他们对瓦斯抽放也极为重视。澳大利亚立法规定，煤层瓦斯含量高于10m3/t时必须进行抽放，只有当瓦斯含量低于10m3/t时方可在足够供风条件下布置采掘工程。澳大利亚BHP公司在鲍恩和悉尼盆地实施的煤层气开发计划中，在鲍恩盆地北部的布罗德梅多地区试验过未开采区地面钻孔煤层气开发，但由于煤层渗透性差、水力压裂成本高、效率低，使开发在经济上成为不可行，因此澳大利亚目前主要还是在煤矿井下抽瓦斯。澳大利亚悉尼和鲍恩煤田广泛采用井下水平钻4孔和斜交钻孔抽放瓦斯，使煤层瓦斯含量降低到(3～5)m3／t以下，基本上消灭了瓦斯灾害事故，抽出的瓦斯广泛应用于发电，也取得了显著的社会经济效益。前苏联是世界上煤层气资源量最丰富的国家，由于经济等方面的原因，至今仅限于为解决煤矿安全问题而进行井下抽放。在1985年瓦斯抽放量就超过了21亿m3，这对有效控制瓦斯事故起到了重要作用。加拿大煤层气资源量占世界第二位，地面钻孔开发仍处于勘探试验阶段，据预测，如果加拿大采取与美国一样的煤层气开发优惠政策，将会大大加快加拿大煤层气工业化开发的进程。波兰下西里西亚、上西里西亚和芦布林盆地贮藏着煤层气含量较高的烟煤，目前上西里西亚18座煤矿井下年抽出煤层气9.12亿m3，利用2.82亿m3，甲烷浓度一般为57％。因此，国外煤矿瓦斯死亡事故很低的一个主要原因就是强化瓦斯抽放、并强化瓦斯抽放的管理。在瓦斯抽放技术方面：地面钻孔瓦斯抽放技术与石油天然气开发技术基本相同，主要采用如图1所示三种方式抽取煤层瓦斯。通常经过钻孔、完井、固井、对煤层强化处理、排水、抽气、气水分离等工艺抽取煤层气（瓦斯）。井下瓦斯抽放方法与我国情况基本类似，但澳大利亚等国家主要采用树状顺层钻孔预抽煤层瓦斯取得了好的效果（如图2所示）。图1：地面钻孔抽放瓦斯方式地表采空区钻孔抽放未采动区钻孔抽放拐弯钻孔抽放53、我国煤层条件下瓦斯抽放的模式3．1地面钻孔抽放瓦斯模式我国在20世纪80年代末借鉴美国的成功经验，开展地面钻孔抽放瓦斯的勘探及试验工作，主要试验垂直钻孔进入煤层或采空区抽放未采动煤层或采空区瓦斯。至今已试验200多口井，其中国外投资21口井，国内投资100多口井。从测井数据看，美国地面钻孔开发煤层气的选区标准通常要求渗透率不低于1×10-3µm2，而我国煤层渗透率普遍都达不到这个标准（如表2所示）。根据文献⑴的研究，我国地面钻孔要想获得日产气量3000m3/d以上时，煤层渗透率必须大于0.5×10-3µm2，结合含气量等因素分析认为：我国煤层气高产区为晋城潘庄矿区，中产区为长治屯留区、开平钱家营区、大城1-1区。应该说离柳矿区也可能成为高产区。表2我国部分地区煤层气试井渗透率统计表⑴地区渗透率10-3µm2地区渗透率10-3µm2地区渗透率10-3µm2唐山1、2井3.5安阳、红岭0.0392～0.28柳林、杨家坪0.0069～1.31唐山40.1安阳1井0.315柳林三交2～5唐山50.026～0.22安阳20.282煤柳11.38开滦马家沟0.79安阳30.159煤柳20.01图2：树状结构拐弯顺煤层钻孔预抽瓦斯顺煤层巷道6大城0.5～0.9安阳40.0392煤柳30.66大城1-10.12沈阳红阳0.002～0.17煤柳4井0.96大城参10.5铁法大兴0.2吴堡试10.01大城试10.003铁法3号0.22试10.65晋城试1号孔0.51SG-332试20.2晋城潘2井1.53SG-60.6试310.45晋城CQ-9井3.16HW-12.88试418.56沁源参1井0.07HW-23.64韩城2.5屯留20.1冷水江试10.01曲试10.04屯留31.01准东10.04淮南潘集0.17～0.14地面钻孔抽放采空区瓦斯在淮北、铁法等矿区都取得成功。淮北矿区1994年底开始在桃源矿1018首采工作面进行地面钻孔抽放采空区瓦斯试验，前半年平均抽放量577m3/d，以后衰减，共抽14个月，抽出瓦斯180km3，瓦斯抽放率达到64.1%，抽放瓦斯浓度一直保持在90%以上，钻孔抽放半径可达300m以上，抽气量不高的原因主要是采空区气源不足。铁法矿区首先在大兴矿北一采区405工作面进行地面钻孔抽放采空区瓦斯试验，共打3个试验孔，孔间距150m，钻孔布置在离回风巷约50m处，套管直径180mm。开始抽放时单孔日抽气量3440m3/d，呈递减趋势，停抽1～2天又恢复，抽气瓦斯浓度都在95%以上。目前为止，矿区已施工15口地面钻井抽放采空区瓦斯。显然，地面钻孔抽放采空区瓦斯的技术是成功的，只要有充足气源，并合理设计孔间距和平面位置，能够取得好的抽放效果。3．2顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯模式顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯是一种主流发展技术，它能确保采掘工作在低瓦斯含量条件下进行，给采掘工作创造安全环境，抽瓦斯成本也相对较低。但由于我国煤层透气性较低，煤层可钻性较差，加上较长的预抽时间，使采掘接替紧张，因此，往往难以使一些企业接受。但在单一煤层开采条件下，要取得安全高效的生产效果，采用顺煤层钻孔7预抽煤层瓦斯是最佳的选择。在钻孔布置上，主要有如图3-1、3-2、3-3所示一些方式：图3-1为顺煤层水平长钻孔预抽煤层瓦斯方式，适用于厚度2m以上、赋存稳定、构造简单、煤层坚固性系数大于0.8的煤层。这种方式不需要预先准备巷道工程，利用在煤层中的开拓巷道就可以施工水平钻孔，而且能够保证足够的预抽时间，有可能的话，尽量使煤层瓦斯含量降低到6m3/t以下，为采掘工程创造安全环境。施工钻机尽量采用长钻孔钻机，如国外引进的千米钻机等。对近水平煤层，如果钻孔深度只能达到200～500m，可以调整为倾斜长壁开采方式。譬如晋城寺河、成庄矿乃至沁水盆地