高瓦斯矿井瓦斯抽放系统研究专题报告

高瓦斯矿井瓦斯抽放系统研究

摘 要

系统总结评述了近年来煤矿瓦斯治理和抽采理论及其应用的诸多成果和最新进展，指出高瓦斯综放工作面（特别是受到采掘工作面影响的卸压综放面）的瓦斯抽采技术是今后的研究重点，也是治理我国煤矿瓦斯灾害的最主要技术措施。基于此，结合相似材料模拟实验和

RFPA 数值模拟，分析煤层开采后上覆岩体裂隙产生发展的时空规律和分布形态以及充分卸压范围与特征，说明了采动卸压之后形成的穿层破断裂隙和层面离层裂隙相互贯通，其空间分布形状是一个存在动态变化的采动裂隙椭抛带（即椭抛带），并进一步研究了其基本特征。

本文的主要研究工作是矿井瓦斯抽放管网的优化管理技术。首先，文章分析影响瓦斯抽放效果的各种因素，建立单孔的数学模型并提出提高单孔抽放效果的方法，其次，提出整个瓦斯抽放系统的改造及优化、建立科学的监测监控系统的方法，提出采用有效的技术经济管理的手段。

1.1. 瓦斯及瓦斯事故

我国煤炭资源丰富，分布地域广阔，煤炭产量居世界首位。煤炭是我国国民经济和社会发展的基础。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中始终占?0%左右。预测到 2010 年煤炭占

60%左右，2050 年将占 50%以上，因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前， 快速增长的经济，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。我国煤矿主要是井下开采，生产环境条件复杂，与其它行业相比，煤矿安全尤为重要。

对高瓦斯矿井而言，煤矿生产过程中的最大安全隐患就是瓦斯事故，表 1 为我国 1992 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。

表 1 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[1]

Tablet Ratio of the death in the gas accident of which more than 3 people dead to the total death from 1992

to 2000

由上表可以明显看出: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，有效控制瓦斯事故的发生是解决我国煤矿安全问题的关键。

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。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，可以给矿带来较好的经济效益。我国埋藏 2000 m 以内浅瓦斯资源量(煤层气)约 30 Bm3 相当于约 40 Gt 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 29 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 t C02。过去 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 X 10-6 kg/m3，可导致地球表面温度增加 1℃。

1.2. 瓦斯灾害的治理对策

总体而言，瓦斯治理的方法有两类:一是加强矿井通风，稀释并排放矿井涌出的瓦斯；二是加大瓦斯抽放力度，弥补矿井通风能力不足。

(1)《煤矿安全规程》严格规定了“每一矿井必须建立完整的独立通风系统”和“每一矿井都必须采用机械通风”。尤其对高瓦斯矿井重点加强和改善矿井通风技术与管理水平，包括矿井通风系统改造，更新通风设备并增大通风能力，建立有效的通风工作管理制度，安装矿井环境监测系统，加强以掘进工作面通风为重点的井下局部通风系统的管理。

(2)对于瓦斯涌出或突出严重的矿井，为了保证安全生产不受影响，单纯依靠通风的方法来解决瓦斯问题，往往技术上不可行、经济上不合理。因此必须采取根治矿井瓦斯源的有效方法，即瓦斯抽放。瓦斯抽放的作用有:一是减少煤炭开采过程中的瓦斯涌出，避免发生瓦斯爆炸事故，预防煤与瓦斯突出，以保证矿井安全生产;二是便于瓦斯能源的利用，变害为宝， 创造良好的经济效益;三是减少矿井瓦斯向大气排放量，防止环境污染，以产生良好的社会效应。我国从 50 年代初开始，首先在我国抚顺矿区开展抽放本煤层瓦斯，此后又相继研究并成功推广应用了邻近层抽放瓦斯、采空区抽放瓦斯、低透气煤层强化抽放瓦斯等技术，以及包括瓦斯泵、钻机钻具、抽放系统配套装置和瓦斯抽放动态监测系统等设备。

1.3. 国内外研究现状

1.3.1. 我国煤矿瓦斯抽放的发展与现状

我国工业抽放瓦斯始于 1938 年的抚顺龙凤矿，但系统地连续抽放瓦斯是 1952 年在龙凤矿建抽放瓦斯泵站开始的。经过几十年的发展，无论瓦斯抽放方法，还是抽放瓦斯装备等均具有较先进的水平。到 2001 年底，全国己有 185 个煤矿建立了井下瓦斯抽放系统和地面输气

系统，2002 年全国瓦斯抽放量达 11.46 亿 m3，其中阳泉和抚顺矿区连续多年抽放量均超过 1 亿 m3，阳泉为 1.99 亿 m3，抚顺为 1.31 亿 m3。晋城、淮南和盘江的瓦斯抽放量也都迅速增加。据 1995 年各类矿井瓦斯抽放率统计见表 2:

表 2 我国矿井瓦斯抽放率统计表

1998 年以来，淮南矿业集团公司通过改进抽放方法、更新改造瓦斯抽放系统及添置新的打钻装备等措施，瓦斯抽放量迅速提高，1997 年为 10.45Mm3, 1998 年为 22.60Mm3 , 1999 年为 37.52 Mm3 , 2000 年为 49.43 Mm3 , 2001 年为 71.33 Mm3 ,2002 年已达到 109.70 Mm3。

矿井瓦斯抽放率由 1997 年的 4%提高到 2002 年的 33%,其中 6 座矿井瓦斯抽放率达到 35%以上， 谢一矿矿井瓦斯抽放率达到 43%。随着瓦斯抽放量和矿井瓦斯抽放率的提高，采掘面的通风状况得到改善。全矿区瓦斯超限次数 1998 年为 1333 次，1999 年为 896 次，2000 年为 389 次，

2001 年为 276 次。2002 年仅为 222 次。

1.3.2. 国外在瓦斯灾害防治方面的研究成果及现状

到目前为止，世界上有 m 个采煤国家进行了瓦斯抽放，其中原苏联、德国、英国、中国、法国、美国、波兰、日本、澳大利亚等国家年抽放瓦斯总量都超过 1 亿 m3，其中原苏联抽放量最多。据统计资料，世界主要产煤国家的煤矿瓦斯抽放发展情况见表 3[1]:

这些国家都把瓦斯抽放工作作为治理瓦斯的生产工序，是高瓦斯含量煤层开采中一个必不可少的工艺环节。采用了总体综合瓦斯抽放体系:即采前预抽，如地面钻孔及井巷水平钻孔等，采掘过程中边采边抽，如巷道抽放和钻孔抽放方法等;采后老空区瓦斯抽放，如地面向采空区打垂直钻孔、采空区水平钻孔和采空区密闭抽放等。他们主要采取大力发展抽放技术及方法和研制与之相关的抽放设备等措施，千方百计的加大瓦斯抽放量。据资料记载，英国、原苏联、日本、德国都有着较早的瓦斯抽放历史，但抽放量都较小，世界各国正规的抽放瓦斯工作是从 40 年代末至 50 年代初开始的;随后，抽放方法不断增加，瓦斯抽放技术也逐渐提

高，抽放规模日益扩大。自 1951 年以来，煤矿瓦斯抽放工作得到了迅猛的发展，据有关资料

统计表明:在 1951～1987 年间，世界煤矿瓦斯抽放量基本上是呈线性增加，自 1951 年的 134

×106 m3 增至 1987 年的 5430× 106 m3，增加了 39 倍。这种瓦斯抽放量的迅速增加，一方面是由于瓦斯抽放技术和设备性能的提高，使单个抽放矿井平均年抽放量增大;另一方面则是由于随着煤炭产量的增大和矿井向深部的延伸，高瓦斯矿井增多，导致了抽放瓦斯矿井数增加。

1.3.3. 我国煤矿瓦斯抽放工作存在的问题

我国煤矿瓦斯抽放工作虽然己得到很大发展，但是由于认识、资金、生产的影响，还存在很多问题，集中反映在:

(1)抽放瓦斯总量少;矿井瓦斯抽放率低;吨煤瓦斯抽放量(相对瓦斯抽放量)少，吨煤钻孔量少;综合抽放工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。

(2)煤层的渗透性是瓦斯抽采的关键，我国煤层透气性普遍较低不利于瓦斯抽采，煤层开采后覆岩破坏及变形的空间结构演化对煤层渗透性的影响研究偏少。

(3)对煤层开采后覆岩裂隙发育的判断带有经验性导致瓦斯抽采巷道或瓦斯钻孔方位布置不尽合理，导致抽采效果不明显。

(4)对高瓦斯综放工作面这一特殊条件下的煤层开采进行的相似模拟实验或者数值模拟偏少，通过模拟指导现场如何布置合理的瓦斯抽采工艺也有待进一步研究。

2.1. 瓦斯吸附解吸特征

瓦斯赋存于煤层之中主要有三种状态分别是吸附气，游离气和溶解气，三种状态处在一个动态平衡过程中。利用煤的等温吸附实验证明瓦斯主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中，利用煤的吸附常数及其他参数可以间接预测煤层含气量。

解吸是甲烷-煤基吸附体系由于影响吸附-解吸平衡的条件发生变化，吸附气体转化为游离态而脱离吸附体系，吸附-解吸动态平衡体系中吸附量减少。瓦斯抽放过程中，解吸作用主要通过压力降低来实现。绝大部分瓦斯以物理吸附的形式赋存于煤的基质孔隙中，当煤储层压力降至临界压力以下时，瓦斯开始解吸，由吸附态转化为游离态或溶解态

2.2. 瓦斯在煤层中的运移规律

煤层是孔隙——裂隙介质，其中充满微小的孔隙和裂隙，煤体是孔隙和裂隙的集合体。瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内的运移可能有层流和紊流两种形式，而层流运移又可分为线性和非线性渗流，紊流一般只有发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的瓦斯流动，在原始煤层中瓦斯的运移是层流运动。

2.2.1. 线性渗透

当瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时，即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成正比时，呈线性规律，符合达西定律，即:

式中，

q = λ(P2 - P1) / L

……………………………………..（2.2.1）

q 一一比流量，m3/(m2·d) ； λ一一透气性系数，m2/(MPa2·d) ；

P1——入口处瓦斯压力平方，MPa 2；

P2——出口处瓦斯压力平方，MPa2 ；

L——煤样长度，m。

2.2.2. 非线性渗透

当雷诺数大于一定值以后，瓦斯在煤层中的流动即处于非线性渗流而不服从达西定律。在非线性渗流条件下，比流量与压力差之间的关系可用指数方程表示:

q = -λ( dP )m ……………………………………………..（2.2.2） n dn

式中

qn 一一在点的比流量，m3/(m2·d)；

m 一一渗透指数，m =1～2；

dP 一一瓦斯压力平方的差，MPa2；

dn 一一与瓦斯流动方向一致的某一极小长度，m；

λ一一煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)。

当λ=1 时，(2.2.2)式与达西定律相同;当 m >1 时，表明随着雷诺数增大，流体流动时在转弯、扩大、缩小等局部阻力处引起的压力损失增大致使比流量 qn 降低，此时流体在多孔介质中的流动就表现为非线性渗流。

2.3. 瓦斯在煤层中的流动规律

(1)按时间因素分，流动类型可分为稳定流动和非稳定流动两种类型，前者流动场不随时间而变化，后者流动场则随时间而改变。

(2)按流场的空间流向分类

①单向流动一一在 x, y, z 三维空间内，只有一个方向有流速，其余两个方向流速为零。如图 1 所示。

②球向流场一一在 x, y,z 三维空间内，一般在三个方向都有分速度，如在矿井厚煤层中， 煤巷的掘进工作面煤壁内，钻孔或石门刚进入煤层时从其中涌出的瓦斯流动基本上都属于球向流动。球向流动的特点在于，在煤体中形成近似同心球状的等压线，而流线一般呈放射网状。

③径向流场一一在 x, y, z 三维空间内，一般在两个方向有分速度，而第三个方向的分速度

为零。例如钻孔垂直穿透煤层时，在煤壁内的瓦斯流动基本上就属于径向流场。一般情况下， 其瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆形，如下图 2 所示。由于径向流动一般是平面流动，可采用 x, y 两向直角坐标表示，也可采用极坐标γ、θ表示。

图 1 煤层瓦斯单向流动示意图

1 一一瓦斯流线 2 一一等瓦斯压力线

Chart3 Sketch map of single direction flow of gas in the coal seams

1 一一 The flown lie of gas 2 一一 Isobar of gas

图 4 煤层瓦斯径向流动示意图

1——瓦斯流线

2——等瓦斯压力线

Chart4 Sketch map of radial flow of gas in the seams 1——The flown line of gas

2——Isobar of gas

实际煤层是非均质的，因此，瓦斯在实际煤层中的流动属于非均质层中的径向流动。

图 5 瓦斯在煤层中径向流动瓦斯压力分布

Chart5 Stress disposal of radial flow of gas in coal seams

3.1. 抽放瓦斯原则

瓦斯抽放是一项集技术、装备和效益与一体的工作。因此，要做好瓦斯抽放工作，应注意以下几条原则。

（1）抽放瓦斯应具有明确的目的性，即主要是降低风流中的瓦斯浓度，改善矿井生产的安全状况，并使通风处于合理和良好状况。因此应尽可能在瓦斯进入矿井风流之前将它抽放出来。在实际应用中，瓦斯抽放还可作为一项防治煤与瓦斯突出的措施单独应用。此外抽出的瓦斯又是一种优质能源，只要保持一定的抽放瓦斯量和浓度，则可以加以利用，从而形成“以抽促用，以用促抽”的良性循环。

（2）抽放瓦斯要有针对性，即针对矿井瓦斯来源，采取相应措施进行抽放。目前认为， 矿井瓦斯来源主要包括：本煤层瓦斯涌出（掘进和回采时的瓦斯涌出）；邻近层瓦斯涌出（上下邻近层的可采和不可采煤层涌向开采空间的瓦斯）；围岩瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出（本煤层开采后遗留的煤柱、丢煤以及邻近层、围岩的瓦斯在已采区的继续涌出）。这些瓦斯来源是构成矿井或采区瓦斯涌出量的组成部分。在瓦斯抽放中应根据这些瓦斯来源，并考虑抽放地点时间和空间条件，采取不同的抽放原理和方法，以便进行有效地瓦斯抽放。

（3）要认真做好抽放设计、施工和管理工作等，以便获得好的瓦斯抽放效果。因此，在设计时，首先应了解清楚矿井地质、煤层赋存及开采等条件，矿井瓦斯方面的有关参数，预测矿井瓦斯涌出量及其组成来源。在此基础上，选择合适的抽放方法，确定可靠的抽放规模， 设计一套合理的抽放系统。其次，在抽放瓦斯的开始阶段，还应进行必要的有关参数的测定， 以确定合理的抽放工艺和参数；在正常抽放时，要全面加强管理，积累资料，不断总结经验， 从而使瓦斯抽放工作得到不断地改进和提高。

3.2. 影响瓦斯抽放方法选择的因素

一般地，选择抽放方法和形式时，要考虑瓦斯来源、煤层状况、采掘条件、抽放工艺等因素。

（1）如果瓦斯来自于开采层本身，则既可采用钻孔抽放，也可采用巷道预抽形式直接把瓦斯从开采层中抽出，且多数形式采用钻孔预抽法。

（2）如果瓦斯主要来自开采煤层顶、底板邻近煤层内，则可采用开在顶底板煤、岩中的巷道，打一些穿至邻近煤层的钻孔，抽放邻近煤层中的瓦斯。

（3）如果在采空区或废弃巷道内有大量瓦斯积聚，则可采用采空区瓦斯抽放方法。

（4）如果在煤巷掘进时就有严重的瓦斯涌出，而且难以用通风方法加以排除，则需采用钻孔预抽或巷道边掘边抽的方法。

（5）如果是低透气性煤层，则在采取正常的瓦斯抽放方法的同时，还应当采取人工增大煤层透气性的措施（如水力压裂、水力切割等），以提高煤层瓦斯抽放效果。

总之，在选择瓦斯抽放方法时，应综合考虑，既要考虑煤层条件，瓦斯赋存状况，开拓开采及巷道布置条件，又要考虑抽放设备的能力及经济条件，以求达到最佳效果。

3.3. 瓦斯抽放方法的抽放率及其适用条件

到目前为止，各国对于瓦斯抽放方法的分类还没有统一，但均相应提出了各种各样的瓦斯抽放方法，其名称大体相似，一般按不同的条件进行不同的分类，主要有：

（1）按抽放中瓦斯来源分类

这种分类方法有：本煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放， 各类瓦斯抽放方法的适应条件及抽放率如表 3.1 所示。

（2）按抽放瓦斯的煤层是否卸压分类

这种分类方法主要有：未卸压煤层抽放瓦斯和卸压煤层抽放瓦斯。

（3）按抽放瓦斯与采掘时间关系分类

主要分为：煤层预抽瓦斯、边采（掘）边抽和采后抽放瓦斯。

（4）按抽放工艺分类

这种分类方法主要有：钻孔抽放、巷道抽放和钻孔巷道混合抽放。

表 3.1 各类瓦斯抽放方法的适应条件及抽放率表

4.1. 国内矿井瓦斯抽放率低的原因分析

我国的矿井瓦斯抽放率普遍不高，使矿井的安全面貌得不到应有的改善，矿井的生产能力得不到充分发挥，而且影响了矿井的投资效益。经分析，影响抽放率低的原因有：

(1) 抽放方法比较单一

我国矿井的瓦斯来源除主要来自邻近层、开采层外，还来自采空区和围岩。开采煤层群时，邻近层涌入开采层工作面的瓦斯常常占到该工作面瓦斯涌出量的 60%以上，对安全生产威胁很大，所以对抽放邻近层瓦斯十分重视，邻近层抽放方法亦得到广泛的应用。另外，有的矿井却常常忽视了对开采层，采空区及围岩瓦斯的抽放。对，于近距离煤层群，解放层开采后，邻近层的卸压瓦斯往往来不及抽放就大量快速涌入开采层面，仅用钻孔法抽邻近层瓦斯往往得不到应有的抽放效果，如阳泉矿区综采面快速推进，邻近层涌入开采层的瓦斯量占

采面的比例高达 64%，原来只用钻孔法抽放已不能满足生产要求，在增加了顶板巷道抽放方法，使矿井瓦斯抽放有较大的提高。

综合抽放方法是近年世界要产煤国抽放瓦斯的主要发展方向，我国一些矿井经实践也证明该法是提高矿井瓦斯抽放率的有效途径。而目前我国仍有较多的矿井采用单一抽放方法， 很难适应矿井瓦斯的涌出规律，这是影响矿井瓦斯抽放率提高的重要原因之一。

(2) 抽放参数不适宜

在诸多的抽放参数中，钻孔工程量对矿井瓦斯抽放率影响较大，而目前尚未引起人们足够的重视。我国矿井抽放瓦斯的目的是解决井下采掘面、回风巷瓦斯浓度不超限，没有把它当作一种宝贵能源来开发，故对抽放钻孔工程量控制较严，以此减少生产费用。由于抽放钻孔不足，影响了抽放范围，也影响到钻孔的合理布置。当今世界上瓦斯抽放率较高的国家， 吨钻孔量一般在 0.3m/t 以上，日本达到 0.5m/t，而我国抽放率较高的矿区，吨煤钻孔仅占国外的 12～14%，如中梁山矿为 0.07m/t，松藻局为 0 063m/t。

另有不少矿井打钻设备陈旧、效率低、速度慢，满足不了打密集孔、长孔、坚硬岩石孔的要求，导致钻孔工程量不足而达不到设计要求。其它诸如钻孔长度、孔径、抽放半径、抽放负压等，参数的合理选择都会对抽放率产生一定的影响。

(3) 抽放设备能力不足，不配套

目前，我国缺乏高效率的钻机、钻具，抽放泵性能也满足不了设计、生产要求，所以钻孔参数往往不是以设计为主来确定，而是以钻孔、抽放泵的能力来确定。如抽近距离邻近层瓦斯，需要密集布孔，但目前多数矿井的钻机钻具在性能、效率、速度方面都难于符合要求。据松藻局资料，打茅口灰岩，钻头寿命只一个月，打矽质灰岩，只四小时就损坏一个钻头， 设计的钻孔参数常因机具、抽放设备能力不足、不配套而不得不根据实际而有所削减， 必然会影响到抽放效果。

(4) 抽放时间不充分

不同的抽放方法，钻孔有不同的最佳和有效抽放时间，在这段时间内，抽放的瓦斯量大、浓度高，之后逐渐衰减到无抽放价值而停抽。但在我国一些矿井中，因抽放巷道层位布置不当，受采动影响大，巷道维护困难而缩短了钻场、钻孔和抽放管路系统的服务时间；有的矿井掘、抽、采的关系失调，不等到应有的抽放时间就回采，使钻孔失去了较多的最佳抽放和有效抽放时间，导致抽放率不高。

(5) 抽放范围的影响

我国多数矿井把抽放瓦斯的范围局限于抽邻近层和开采层；抽回采面；抽主采层和有突出危险的煤层。忽视了对采空区，掘进面（特别是厚煤层掘进面），含有瓦斯的围岩及主采层突出层以外的煤层抽放。

据国内资料，采空区瓦斯涌出量在矿井总涌出量中可占到 25～35%，凡对采空区进行抽放的矿井，都取得了明显的抽放效果 如抚顺矿区多年坚持采空区抽放，全局平均抽放率在50%以上；松藻局抽采空区瓦斯，单孔抽放一般为 0.4～0.6m3/min 最高达 1.23 m3/min 其抽放浓度一般在 30%以上。从国外资料看，矿井抽放率高的主要原因之一就重视了采空区的瓦斯抽放，如比利时、法国、日本、英国、波兰、俄罗斯等，其抽出的瓦斯量占矿井总抽出量的比例都较大，如法国为 48.2%，比利时为 51%而我国矿井采空区的抽出量只占矿井抽出总量的 4.8%，我国应用采空区抽放技术的起步是较早的，但发展缓慢，通常作为解决矿井瓦斯超限的一项应急措施。

国内矿井对掘进面实行抽放的很少，约占抽放矿井的 10%，焦作矿区对掘进面抽放，提高矿并瓦斯抽放率很有实际效果。

忽视对主采层突出层以外的其它煤层的抽放，使矿井的抽放率受到影响 ，天府局、淮南局就因抽放煤层数少而影响到矿井瓦斯抽放率的提高。

(6) 抽放巷道布置不当的影响

近年来，从设计生产实践中证明，抽放巷道布置是否合理，对抽放率影响很大。

抽放巷道的布置直接影响到钻场的合理布置，钻孔的抽放面积及抽放时间、封孔质量、抽放管路的服务时间和抽放方法的选择等，而这些都与抽放率有关。松藻局的松藻一矿、逢春矿等，均从改进巷道布置来提高矿井的瓦斯抽放率。

(7) 封孔质量的影响

据原苏联资料，进入抽放系统的空气有 80%以上是通过钻孔吸入的，如果钻孔空气的吸入量减少 1/2～2/3 ，钻孔的瓦斯量有望增加 1.5～2 倍，因此国外很重视封孔质量，材料、长度都作了明确规定，如封孔材料要求用聚胺脂，封孔长度规定为 10～15m。

我国矿井目前封孔材料多用水泥砂浆，封孔长度一般未超过 5m，其封孔质量与国外相比尚存在一定差距。

(8) 煤层透气性的影响

国内一些抽放率不高的矿井，其煤层透气性都比较差，特别是单一煤层 多层难抽型煤层的透气性系数更小。提高这类矿井的瓦期抽放率，要采取加大煤层透气性的措施，如水力割缝、水力压裂等，而国内矿井目前试验研究这些措施的效果不一，对提高矿井瓦斯抽放率的指标不理想。

4.2. 提高矿井瓦斯抽放率的途径

针对上述我国矿井抽放率低的原因，采取适当的措施提高矿井的瓦斯抽放率 ，不仅是矿井安全生产的要求，而且也是降低抽放成本、提高抽放效益的需要。 为了提高我国矿井瓦斯抽放效果，国内的科研、高校、设计、生产单位等，从不同的方面开展了数百项研究，取得了可喜的成果。现就从矿井设计方面论述提高抽放率的途径。

4.2.1. 合理选择抽放方法

合理选择抽放方法是提高抽放效果的关键，选择抽放方法应深入分析和根据矿井的煤层赋存条件、矿井瓦斯来源及涌出规律、矿井开采布置及开采程度、瓦斯利用前景等。

按照瓦斯来源可以分为本煤层抽放瓦斯和邻近层抽放瓦斯。本煤层抽放瓦斯的适用条件是当井下开采工作所遇到的瓦斯来自开采层本身时，只有抽放开采层本身的瓦斯才能解决瓦斯问题，这种方法用于透气性效果良好的煤层会收到很好的效果，如抚顺等地，但是一般认为透气性不好的煤层效果较差；邻近煤层抽放瓦斯适用于地压活动明显，开采层上下相邻煤层内的瓦斯涌入开采层的采煤工作面而威胁生产时，采取这种方法，可消除瓦斯威胁，大多数矿井都采用这种方法，如阳泉、鸡西、阜新、重庆等地的矿井采用这种方法取得了良好的效果。

按抽放与采掘的时间配合可以分为预先抽放煤层瓦斯、边采边抽放瓦斯、采空区抽放瓦斯三类。预先抽放煤层瓦斯实在煤层采掘工作前，就预先抽放煤层内的瓦斯，能够消除回采和掘进时的瓦斯危害，这是一种理想的抽放方法，把瓦斯消除在采掘前，但它限于透气性好的煤层，否则必须采取一些措施才能提高抽放效果；边采边抽放瓦斯是在回采或者掘进的同时抽放瓦斯，实用于由采掘而引起的瓦斯涌出，邻近层抽放瓦斯就是属于这种形式，有的厚煤层进行分层开采时，采第一层瓦斯大，也可以采用这种方法；采空区抽放瓦斯是工作面后方的采空区或者老采空区经常泄出瓦斯，加大了采区总排或全井总排的瓦斯量时会采用这种方式，许多矿井采用过这种方法，对降低采区和全井瓦斯有明显的效果。

按照抽放工艺手段可以分为钻孔抽放瓦斯、巷道抽放瓦斯、钻孔巷道混合抽放瓦斯、老空区密闭抽放瓦斯、和地面钻孔抽放瓦斯。钻孔抽放在抽放本层和邻近层瓦斯均可以才用， 其工艺简单，在国内外广泛采用；巷道抽放瓦斯适用于煤层较厚、透气性好、采掘时有大量瓦斯涌出时的煤层；利用预备巷道抽放时，尤其在掘进时有瓦斯涌出，可以密闭抽放，在抚顺早期采用过这种方法；钻孔巷道混合抽放瓦斯是在既能开巷又能打钻的条件下，可以两者兼用，煤巷掘出后，在巷道里打钻，然后密闭巷道进行抽放，有利于提高抽放效果；老空区密闭抽放瓦斯适用于老空区放顶后涌出瓦斯，对减低井口排放瓦斯量有一定的效果，地面钻孔抽放瓦斯适用于采区距地表较浅，地面有施工条件的地方可以采用，因为其施工方便、抽放系统容易建立，国内外均有应用，如在我国的铁法 阳泉等地也有试用。

综合抽放方法已成为当前世界瓦斯抽放技木的发展方向，我国抚顺、阳泉、松藻、中梁山、天府等矿区也推行了这一新技术，获得了较为明显的抽放效果。如松藻矿务局打通二矿，

1987 年以前，采片单一的抽放邻近层瓦斯方法，矿井瓦斯抽放率多年停留在 30%左右，1987

年开始应用抽放邻近层瓦斯和采空区瓦斯相结合的综合抽放方法。

一般来说，选择抽放方法和形式的时候，要考虑瓦斯来源、煤质状况、采掘因素、时间配合和抽放工艺等因素，其总的原则是：

(1) 如果瓦斯存在于开采层本身，即可以采用钻孔或巷道预抽形式直接把瓦斯从回采层中抽出。

(2) 如果瓦斯主要存在于开采煤层的顶、底板邻近煤层内，可以采用顶底板煤岩中的巷道，打一些穿至邻近煤层的钻孔的邻近层抽放形式将瓦斯抽出。

(3) 如果在采空区或废弃巷道内有大量的瓦斯涌出，即可以用采空区抽放形式加以消除。

(4) 如果在煤巷掘进时就已遇到严重的瓦斯涌出，而且难以用通风方法克服的时候，则需要采用在掘进工作开始前的钻孔预抽或巷道边掘边抽的方法加以解决。

(5) 如果煤层的透气性差，利用钻孔或巷道又不易直接抽出瓦斯，掘进时瓦斯 也不大， 而在回采的时候却有大量的瓦斯涌出时，则需采用边采边抽、水力割缝、大直径密集钻孔以及人为的可以改变煤层透气性的方法加以解决。

4.2.2. 选择合理的抽放参数

(1) 钻孔直径

钻孔直径的大小对抽放瓦斯有一定的影响，直径大的钻孔由于暴露的煤面多， 瓦斯涌出量大，排放瓦斯的效果也就较好。反之，直径小的钻孔效果就较差，阳泉一矿的实验证明， 大直径孔（φ=300 毫米）的瓦斯抽出量远远大于小直径孔，而且有较长的稳定时间。说明除了有暴露面的原因外，还可能有另外的原因—卸压，由于孔径大容易造成孔内的坍塌和裂隙， 改变了煤层渗透条件，有利于抽放瓦斯，但是大直径孔在使用上有它的局限性，特别是在岩石巷向煤层中打钻孔抽放时就更加难于施工。

(2) 钻孔长度

对于开采层瓦斯抽放钻孔的长度越大，露出煤面越多，瓦斯涌出量越大，抽放效果越好； 对于邻近层瓦斯抽放，钻孔一般要穿过所要预抽的煤层，而钻孔中瓦斯成分与钻孔长度没有多少关系，但它受钻机设备和打钻技术的影响，考虑打钻效率和打钻质量，钻孔长度一般大于 60m。

(3) 钻孔角度

抽放本煤层瓦斯的时候 布置时钻孔的角度应注意以下几个方面

i. 由于深部煤层的瓦斯含量比较大，瓦斯向上流动，所以下向式钻孔瓦斯量较大，可以加速瓦斯排放。但下向孔中易积水，对瓦斯涌出有一定的阻力，且打钻施工比较困难。

ii. 上向式钻孔内不会积水，瓦斯涌出量也比较均衡，但在相同条件下比下向孔略小。

iii. 水平钻孔处于上述两种方式之间，可以克服上向孔和下向孔的缺点，是目前矿井预抽瓦斯的主要形式。

抽放邻近层瓦斯的时候，钻孔的角度取决于钻孔的开孔位置与终孔所要达到 的位置，为了确定终孔的位置，首先要摸清邻近煤层的瓦斯来源，确定抽放哪一层或哪几层的瓦斯，由于抽放层位不同，即使开孔地点相同，钻孔角度也不同，因为邻近层瓦斯抽放钻孔必须深入到邻近层的卸压带内，但有要避开冒落带和大的破坏裂隙区，以免抽放钻孔大量漏气，甚至被切断而使钻孔失效，特别抽放上邻近层的时候，更要注意这一原则，即钻孔必须深入到卸压角边界附近以里，而不要进入太远，所以当需要同时抽放间隔相当距离的多层邻近煤层瓦斯时，就需要布置几个层位的抽放钻孔。

(4) 钻孔间距及钻孔数目

由实验表明，钻孔间距减小，在一个钻场内的钻孔数目增加，瓦斯抽出量也在增加，同时每个单孔的抽出量减少，孔数目越多，瓦斯量衰减越快，孔数目越少，瓦斯量衰减越慢。

所以，如果有较长的抽放时间，孔数可以少些，如果抽放时间较短，孔数可以多些，但孔数多了，又不经济，因而要针对采区的实际条件，瓦斯储量的大小，要求的抽放率来决定。

另外，对于钻场间距的确定，主要依据是抽放时间的长短，抽放负压的高低，煤层透气性和瓦斯含量的大小。在抽放时间不变的情况下，它随开采深度的逐步延深，瓦斯含量的逐渐增加，钻场间距应逐渐缩短。铁煤集团晓明矿的钻场间距一般选择 2～3 个来压步距，根据顶板岩性及打钻设备等情况，钻场间距选择如下：

L 场 =2L 压

式中 L 场——钻场间距 m （ 取 35m） L 压——采场来压步距 m （ 取 20m）

但大兴矿的 APEC 日本援助项目里钻场间距达到了 180 m ，钻孔长度达到了 300 米，也取得了很好的抽放效果，所以钻场间距应该随着科学技术水平的提高，进行深一步的研究。钻孔数量的多少及钻孔的布置方式直接影响抽放效果的好坏。为确保卸压范围内瓦斯能

以最短途径最快时间进入钻孔被抽放出来，需要多次对钻孔布置方式进行改进。根据晓明矿北二采区以往的经验，采场的来压步距为 20 ～25 米。

(5) 抽放负压

瓦斯抽放泵能力，运转特性与负压对抽放效果也有很大的影响，抽放负压越大，抽放量越大，但当负压到一定程度后，抽放效果就不会明显增加，有时反而会影响抽放效果，要根据具体情况人为确定。

当钻孔在一定负压条件下抽放，瓦斯抽放量的大小对于未卸压的煤层来讲，抽放负压的变化对钻孔抽放量影响不大，这是因为通常情况下，煤层瓦斯压力一般可达 1.0MPa 以上，而钻孔抽放负压变化在 0.1Mpa 以内。但对于具有钻孔连通性好，透气性系数增加的孔网钻孔来讲，这种现象发生了较大的变化，抽放负压对孔网钻孔抽放不仅起到了引导作用，而且起到了拦截瓦斯流的作用，在这种情况下，提高瓦斯抽放负压，可以扩大钻孔的拦截面积，使煤层中的部分瓦斯转向而流入钻孔，从而提高钻孔抽放瓦斯量。并且随着瓦斯逐渐被抽出， 煤体产生收缩变形，引起煤层产生一定程度的卸压，增加煤体的裂隙、孔隙，使孔网交叉节点处两两钻孔相互连通性增强，促使瓦斯抽放量增加。但是目前的封孔技术条件不适应高负压抽放，负压过高会导致漏气，降低抽出瓦斯浓度和抽放效果，因此一般采用 6.66～26.66kPa 的负压进行抽放。

对于采用综合抽放方法的矿井，由于不同的抽放方法需要的抽放负压大小是不同的，一般来说，采空区抽放需要的负压较小，本煤层抽放时需要的负压较大，所以应该采用改变抽放管路的阻力或者使用移动泵等方法来满足每种抽放方法所需的合理负压。

4.2.3. 选择合理的抽放形式

将已封的抽放孔网联接或脱离抽放管路系统的顺序和方式称为抽放形式。在抽放瓦斯的矿井中 ，采用非孔网抽放时，一般情况下通常是将以封孔的钻孔均联接在抽放管路中进行抽放，定期对钻孔抽放作用较差时将抽放钻孔撤下来。而网孔抽放时，往往不是所有钻孔均联接在抽放管路上瓦斯抽放效率就最好。应该根据实际抽放条件和测定结果选择不同的抽放形式。一般分为三种抽放形式：

i. 抽放钻孔数连续递增方式

该方式就是当钻孔封孔后即联接到抽放管路进行抽放，抽放钻孔数连续递增。然后根据抽放极限时间逐一关闭抽放并撤出。

ii. 分段定数钻孔单一联接抽放方式

根据确定的有效时间，形成打钻、封孔、联接、关闭平行作业，选择最佳抽放时间，实现三稳定（即稳定抽放钻孔数、稳定抽放瓦斯量和稳定抽放瓦斯浓度）

iii. 多段间隔间歇动态钻孔联接与关闭抽放方式

为充分发挥钻孔网络的抽放作用，有效利用抽放系统的抽放能力，当钻孔封孔后，在抽放的区间内，分多段钻孔组联接到抽放管路上，实现时空间隔、间歇式动态抽放方式。这种

方式是发挥孔网作用，最大限度提高抽放量的最佳方式。但操作较复杂，而且要求抽放钻孔检测手段比较高。检测要快速、方便。否则钻孔组组数，钻孔组的孔数，抽放时间，以及停抽时间等参数无法合理确定。

4.2.4. 选择合理的钻孔布置方式

一般来说，对于钻孔抽放，钻孔的布置形式可以分为穿层钻孔形式和顺层钻孔形式。

(1) 穿层钻孔形式。其适用条件是煤层具有很好的透气性，是具有一定的倾斜角度的中厚煤层，有可容许的抽放时间。这种形式钻场是布置在煤层顶底板的岩巷或者煤巷中，由钻场打钻孔贯穿煤层，由于钻孔与煤层层理面垂直，瓦斯易于沿层理面流入钻孔有利于提高抽放效果。在抚顺、中梁山、淮南等矿区均有采用。

(2) 顺层钻孔（孔网）形式。其适用条件是煤层透气性小，但有抽放可能，煤层赋存稳定、地质变化小；煤层是较薄及中厚煤层这种钻场是设在工作面顺槽或者开切眼内，平行或者垂直工作面扩大顺层钻孔，由于钻孔与层理面平行，层理裂隙不易沟通，影响抽放效果， 同时由于打钻开孔位置在煤层，封孔不易保持严密，也影响抽出瓦斯浓度。

实验结果表明，本煤层瓦斯抽放中，由于交叉布孔施工简便成本低，抽放瓦斯浓度高， 交叉布孔比平行布孔提高瓦斯抽放率 30%左右，瓦斯抽放量可以提高 0.46～1.02 倍，为此一般在本煤层抽放时，采用孔网布置的方式来增大煤层的透气性，提高抽放效果，具体有以下几种钻孔布置形式：

i. 长壁工作面单侧布置孔网

如图 2-1 所示，一般选择工作面的进风巷道一侧向开采工作面圈定的煤层布置钻孔。如焦作九里山煤矿的布孔是采取一个与工作面平行的钻孔，一个与工作面具有一定角度的斜向钻孔，这样交替布孔后即形成了抽放网孔。其钻孔长度、间距、角度可根据工作面瓦斯抽放量、抽放时间、打钻技术及设备等情况确定。单侧布置孔网的优点是打钻和抽放工作相对集中，便于管理。缺点是要求钻孔长度大，往往长钻孔的定向问题难以解决，所以形成孔网的条件很难保证，瓦斯抽放量相对较小，因此该方法适用于工作面长度较短要求瓦斯抽放量较少，打钻技术装备先进的矿井的本煤层抽放。

图 本煤层单侧孔网布置示意图

ii. 长壁工作面双侧布置孔网

结合矿井生产的实际，回采巷道布置、工作面接续安排等情况一般有两种布孔方法：即同一工作面两巷两侧相向布置网孔和相邻两工作面在同一条巷道向两个工作面煤层背向布置孔网。该方法适用于双侧孔网抽放方法的优点是使整个工作面圈定的煤层均在孔网抽放控制的范围内，瓦斯抽放量大，钻孔长度适中，孔网抽放作用发挥较好。缺点是钻孔工程量大， 抽放战线长，管理不便，如果缩短战线和便于管理应采用相邻工作面同巷两侧背向布置孔网方法这种方法的另一优点是下一个工作面的孔网抽放时间增加一倍，瓦斯抽放量增大。这种瓦斯抽放量大或煤炭、煤层气双采的工作面。

a) 同一工作面两巷相向布置孔网

如图 2-2 所示，当工作面进、回风巷掘出后，在两条巷道中向准备开采的煤层相向布置孔网。

b) 相邻工作面同一条巷道背向布置孔网

如图 2-3 所示，当工作面进回风巷道采用无煤柱沿空留巷或双巷掘进时，向两个工作面开采的煤层布置钻孔孔网。

iii. 工作面分段布置孔网

根据钻孔长度将工作面沿推进方向按一定距离掘一条瓦斯抽放专用联络巷 道，利用该巷道和工作面两条回采巷道布置孔网，可有两种方式选择，一种是前述的小角度斜交叉孔网； 一种是垂直交叉孔网，如图 2-4 所示。例如河南郑煤集团王庄矿采用小角度斜交叉孔网疏放局部。

高含量煤层的瓦斯，工作面分段布置孔网的优点有：孔网的交叉节点增多，抽放的作用， 瓦斯抽放量大。缺点是掘进的煤巷工程量大，工作面跨采旧巷困难，抽放成本增高。此方法除特殊需要一般不宜采用。

iv. 平行钻孔与分段长钻场大直径钻孔交叉孔网

其布孔基本思路是在工作面上下顺槽布置平行钻孔的基础上，沿工作面推进方向分段向煤层掘长钻场，在该钻场内打大直径钻孔与平行钻孔相交叉形成孔网， 目的是增加孔网各钻孔相互连通作用，如图 2-5 所示平行钻孔与长钻场大直径钻孔相交叉形成孔网的钻孔布置方式是孔网抽放的发展方向，它的突出优点是利用少量的大直径钻孔将平行的抽放钻孔相互联系起来，形成更佳的孔网抽放体系，即使大直径钻孔封闭后不接入抽放管路，其抽放作用也不会降低多少，建议有可能的条件下应进行现场试验研究。

4.2.5. 选择合理有效的钻孔封孔方式及材料

现在煤矿采用的封孔方法有胶泥封孔、胀圈封孔和聚氨脂封孔。由于聚氨脂泡沫塑料封孔法封孔，受压变形不破坏，在动压地带和长期抽放瓦斯具有独特的优越性，特别是对深封孔，更为便利，更能保证质量，所以应用前景很好。铁煤集团现在采用的就是聚氨脂封孔。聚氨脂是一种高分子合成树脂，种类很多，用于抽放瓦斯钻孔封孔的是发泡型聚氨脂，

主要由异氰酸脂和聚醚生成，另加若干种助剂，目的是调节发泡和固化时间以改善这种硬质泡沫塑料的性能，使之适应密闭抽放瓦斯的需要。聚氨脂药液反应时，异氰酸脂与水发生反应生成 CO2，最终形成稳定的硬质泡沫塑料。药液分为甲、乙两组，这两组药液混合迅速搅拌均匀后约 1min 左右，原液将由黄褐色变成乳白色，5min 后开始发泡和体积膨胀，再经 5min 后逐渐硬化，最后生成硬质泡沫塑料，为乳白色，体内孔隙均匀，不酥脆。在井下封孔前， 先用一批药液在地面做小型发泡试验，观察实物是否符合要求，否则应适当调整药液的配比， 若井下封孔工艺要求加快，或延缓发泡与硬化时间，其配比应根据需要作相应的调整，这种聚氨酯泡沫塑料具有下列性能。

膨胀性。甲乙药液混合后，反应生成的硬质泡沫塑料若置于自由空间使之任意膨胀，体

积可膨胀 20 倍，但如果将其放入有限空间内，膨胀就会受到阻碍，一般在抽放瓦斯钻孔的环

形空间可膨胀 10 倍左右。当其膨胀受到限制时，必然会出现一种膨胀力，这将使药液进入钻孔周围煤，岩体的较大裂隙之中，起着加固煤岩体和堵塞裂隙的作用，这种特性优于水泥、黄泥材料以及橡胶圈膨胀封孔器。

可塑性。泡沫塑料具有一定的抗压强度和良好的可塑性，受压变形不破坏，作为封孔材料在动压地区应用，明显优于脆性材料(如水泥固化后等)，即使受压变形，对抽放瓦斯钻孔的封孔作用可保持很好的密封性。

抗剪性。泡沫塑料具有一定的抗剪性，断面为 20×20mm 泡沫塑料的正方形试块的抗剪强度平均为 0.44MPa。

粘结力。泡沫塑料对密闭物体的粘结力很强，泡沫塑料反应过程中与固化后的抽放孔铁管，煤岩体的粘结力很强。

气密性。这里说的气密性是指泡沫材料本身的气体渗透情况，封孔质量的气密性。上面已说明其与钻孔壁和抽放管的结合力很强，也意味着，气密性良好。硬质泡沫聚氨酯为一种多孔材料，其本身气密性如何，是封闭钻孔的关键问题。从结构说，甲乙药液混合后发泡和固化内部交联成空间网状结构，属内部封闭型 不属透气物质。

另外，硬质泡沫聚氨酯塑料还具有在酸、碱溶液中的抗腐性，离火即灭的自熄性，以及容重轻等优点。 作为抽放瓦斯钻孔封孔材料是适宜的，可以使用。

4.2.6. 其他途径

(1) 扩大抽放范围

扩大抽放范围一是要合理增加钻孔数目来扩大抽放面积，二是要增加抽放煤层及抽放区域。

(2) 提高煤层透气性

煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数来表示，透气性系数越大， 瓦斯在煤层中流动越容易，瓦斯含量就少；反之，瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量大。

(3) 采用综合抽放方法

随着煤矿机械化水平的提高，以及综采方顶没煤开采方法的应用，由于开采强度的大幅度提高，开采后邻近层、采空区等的瓦斯涌出两也急剧增加，有的工作面瓦斯涌出量超过

100m3/min,这样大的瓦斯涌出量，使用原有单一的抽放方式 方法已不能消除工作面的瓦斯威胁。为了实现高产高效矿井（工作面）的安全生产，要求抽瓦斯技术有一个新的突破，所以综合抽放方法已经是矿井进行瓦斯抽放的一个趋势。如大兴矿为了 N2-702 工作面的生产，采用了巷道钻孔抽放、地面立眼抽放、尾巷抽放等抽放方式、一共形成 3 个抽放系统。

提高了抽放钻场的抽放效果，只是达到了瓦斯抽放系统的一个基本要求，只是一个局部的抽放效果。但对于整个矿井来说，需要的整个系统有很好的抽放效果，并且尽可能的减少人力、物力，加强瓦斯的利用率，其效果最终也要体现在抽放系统的社会经济效益上来。

对于一个要建立或者已经建立抽放管网的矿井，要提高抽放效果，达到预期的目的，除了论文前面的选择合理的抽放方法和抽放参数外，提高单孔的抽放效果外，从宏观上而言， 还应该注意矿井抽放系统的可行性分析，综合抽放方法的选择以及优化布置，建立有效的监测监控系统，健全的管理机制及手段等，这也是要达到整个矿井的预期抽放效果的最基本的因素。

5.1. 矿井抽放系统的可行性分析

生产矿井抽放瓦斯的主要目的是保证矿井的安全生产，充分利用瓦斯资源。矿井建立瓦斯抽放系统前应该提出完整的可行性研究报告。对矿井开拓与开采方式、通风与瓦斯状况、

矿井瓦斯来源瓦斯储量、可抽瓦斯量、稳定抽放量、抽放目的、抽放瓦斯方案、利用瓦斯方式与服务年限、规模与技术经济合理性进行综合评价。最后决定是利用瓦斯泵抽放瓦斯，通过管网抽到地面进行综合利用；还是利用矿井主扇通风把瓦斯冲淡排放到地面大气中去。矿井瓦斯抽放管理规范中第 9 条凡符合下列情况之一者必须建立瓦斯抽放系统，开展瓦斯抽放工作：

(1) 符合(煤矿安全规程)第 150 条的(即一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于 5m3/min，或一个掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于 3m3/min，采用通风方法解决不合理的)。

(2) 矿井绝对瓦斯涌出量大于 15m3/min，年产量等于或小于 40 万 t； 矿井绝对瓦斯涌出量大于 20m3/min，年产量等于或小于 60 万 t；

矿井绝对瓦斯涌出量大于 25m3/min， 年产量等于或小于 100 万 t； 矿井绝对瓦斯涌出量大于 30m3/min，年产量等于或小于 150 万 t； 矿井绝对瓦期涌出量大于 40m3min

(3) 开采具有煤与瓦斯突出危险煤层

(4) 建立永久瓦斯抽放系统的矿井，还应同时具备瓦斯抽放系统的抽放量可稳定在

2m3/min 以上和瓦斯资源可靠、储量丰富、预计瓦斯抽放服务年限在 10 年以上两个条件： 就开采煤层预抽瓦斯的难易来讲，抽放瓦斯的可行性一般分为容易抽放、可以抽放和较

难抽放 3 类，对应的钻孔瓦斯流量衰减系数(α)层的透气性系数( λ )分别为小于 0.003d-2、0.003～0.05d-2、大于 0.05d-2 和大于 10m2 /( MPa·d) 、10 ～0.1m2 /( MPa·d)、 小于 0.1m2

/( MPa·d)；从邻近层卸压瓦斯抽放来说，由于受煤层采动的影响，邻近煤层的透气性大大提高，故其煤层瓦斯均易抽放。显邻近层的瓦斯能够涌入开采层工作面、隐邻近层的瓦斯则不能涌入开采层工作面；从安全生产的角度考虑，前者必须抽放瓦斯，后者可以不抽放瓦斯， 但因为隐邻近层瓦斯也是较易抽放的，为了回收瓦斯资源亦可进行抽放。

对于一个矿井在进行抽放瓦斯可行性论证时，除从上述标准评价煤层瓦斯可抽性之外， 还必须从经济和社会的观点阐述瓦斯抽放的合理性，包括抽放瓦斯工程投资、抽放瓦斯促进煤炭生产效益减少通风费用、瓦斯利用收益、投资款回收时间及社会效益等。

5.2. 积极改造抽放系统提高系统能力

5.2.1. 抽放系统的优化布置

采用综合抽放方法是现在煤矿进行瓦斯治理的一项重要措施，采用不同的抽放方法和在不同地点进行抽放就决定了抽出负压、瓦斯抽出浓度各不相同，这要求我们根据实际情况， 建立不同的抽放系统。

(1) 对瓦斯资源的可靠性、储量大小、预计瓦斯抽放服务年限进行分析，看是否能建立永久抽放系统。

(2) 为了增大瓦斯的抽放效果，使矿井能够安全有效的生产，对一些特殊地点如采场后三角点等，应该设临时抽放系统。

(3) 对于高瓦斯矿井，和一些使用钻孔方法不能有效抽放的时候，可以考虑用地面钻立井抽放邻近层瓦斯。

(4) 在布置各个抽放系统的时候，由于采用地面钻孔抽放的抽放负压较高，且抽出瓦斯浓度高而稳定，所以一般用单独的抽放管路系统与地面泵站相连；永久抽放系统可以和临时抽放系统并联运行，也可以单独运行，这主要看两个系统的抽出能力、抽出瓦斯浓度以及瓦斯利用等因素。

5.2.2. 管路系统的选择优化

(1) 管路系统的选择优化的基本要求。为了抽放矿井瓦斯，必须在井上、下敷设完整的管路系统网，以便把矿井瓦斯抽出并输送至地面利用，它由主管、分管、支管和附属装置构成。选择管路系统时，应该根据钻场的分布、巷道布置、利用瓦斯的要求，以及发展规划等状况，全盘考虑，避免和减少以后在主干系统上频繁改动。瓦斯管路系统的选择是矿井瓦斯

抽放工作中的一项重要环节，选择是否合理，不仅直接影响着抽放费用和日常的检查、修理和维护等工作，而且影响着整个矿井的安全生产和职工的生命安全。因此必须满足下面的几点要求：

i. 瓦斯管路要敷设的曲线段最少，距离最短的巷道中；

ii. 瓦斯管路要设在矿车不经常通过的巷道中，避免撞坏漏气，因此，一般设在回风系统， 若在运输巷中，要架设在一定的高度上并固定在巷道壁上；

iii. 当抽放设备或者管路发生故障的时候，管路内的瓦斯不致流进采掘工作面内和机械房内；

iv. 应考虑运输、安装和维修工作上的方便。

(2) 管径的合理选择

i. 抽放量预计。在矿井瓦斯抽放设计的时候首先应该对钻孔和钻场的流量进行测定，对抽放两 Q 给定一个经验值。

ii. 一个特定的抽放管网系统存在一个特定的平均经济流速。由水力学的压管 管径和流量关系可知：在流量不变的情况下，流速愈小，则管径愈大，也就是管网的造价愈高，但水头损失小，能耗低；反之，则管网造价低，能耗高。因此，对单一的管段而言，存在一个使年均管网造价和年能耗费之和最小的经济流速。

5.3. 建立合理有效的瓦斯抽放管路监测系统

工欲善其事，必先利其器，要想对矿井瓦斯抽放管网系统的优化管理，必须有一套合理适用的一种单孔抽放参数的检测方法。而这里面由于煤矿生产环境的特殊性，为了避免新鲜空气进入抽放钻孔的负压区，防止瓦斯抽放管路漏气而导致瓦斯浓度降低，对抽放系统的瓦斯流量、抽放负压、浓度进行有效的监测越来越重要。我国的瓦斯抽放监测及控制技术还处于起步阶段，部分抽放站只装备了 简单的监测仪器，还没有形成完整的测控系统。目前平煤集团与有关科研单位联合进行了瓦斯抽放监测和控制系统的研制和开发，一定程度上提高了国内瓦斯抽放效果和管理水平。

一般来说，监测系统的任务是对瓦斯抽放管路进行动态监测，随时掌握井下瓦斯的抽放量，更好地服务生产，指导生产。由于整个监测系统比较复杂，可以将它分为三个部分：一是传感器部分，二是信号传输部分，三是地面监测中心站部分。本文结合 APEC/日本政府 GAP 绿色援助项目铁法矿区煤层气回收与利用示范项目进行说明。

5.3.1. 传感器部分

在布置瓦斯管路监测系统的时候，要注意以下几点：

(1) 对井下的监测，为防止抽放管中的水汽和抽放负压对高浓度瓦斯传感器和一氧化碳传感器造成影响，在传感器前面分别添加了一个抽放泵和两个人工放水器。抽放泵的作用是将抽放管中的处于负压状态的气体抽出来送至瓦斯传感器和一氧化碳传感器；放水器的作用是将抽放泵抽出的气体中的水汽冷却凝结成水珠存于放水器中，以减少水汽对两个传感器的影响。

(2) 为保证安全监测，保证在《规程》规定的条件下，在工作面回风流中瓦斯超过 1%或回风巷风流中瓦斯超过 0.75%时必须切断电源。

(3) 由于地面瓦斯泵站，的传感器接设在管路的正压侧，所以不需要抽放泵，但是给高浓甲烷和一氧化碳供气的两个放水器和阀门必须完好，由阀门控制向高浓甲烷和一氧化碳的气流流量必须符合要求，流量不能太大，以减小对传感器寿命的影响。

(4) 管路中的流量是通过测量孔板两侧的压差，考虑相应孔板的孔板系数、瓦斯浓度、温度等条件由采样计算机计算得出。

5.3.2. 信号传输部分

信号传输分为远距离和近距离传输两个部分。远距离的信号传输主要井下信号的传输； 近距离信号传输主要解决井上信号的传输，传感器的信号可以直接输到接口柜中。由于抽放

系统的设计是以最大限度的排放井下的瓦斯，防止瓦斯爆炸为主要目的，把井下的瓦斯无条件的抽上来是系统最重要的作用，所以在系统设计的时候使用的阀门，一般都是 手动阀门 没有阀门开关的信号输出和阀门开关的开度信号输出，所以没有电动的自动控制机构，是瓦斯抽放监控中 最大的 困难。也是矿井信息化管理中一个迫切需要解决的问题。

5.3.3. 地面监测中心站部分

地面监测中心站部分包括一台数据接收装置，一台数据采样计算机，一台终端处理计算机，两台打印机，一个网络集线器数据。

接收装置接收井下、地面多个地点的数据信号并经过处理后，由数据采样计算机以 2S 的时间间隔进行数据采样，并将数据保存在采样数据库中，数据库中的数据可供终端处理计算机调用并处理。数据采样计算机的打印机用于打印警报 终端处理计算机用于打印抽放日报。

采样计算机的功能为：

i. 定义每一个传感器的类型、连接连接通道、设置厂所等信息；

ii. 采集数据，将数据保存在数据库中，并可对数据库数据进行复制；

iii. 显示采集的数据并打印报警信息；

iv. 向终端处理计算机传送采集到的数据。终端处理计算机的功能：

i. 接收采样计算机发出的数据，计算出每日和每月的瓦斯纯量，并以数据列表形式、实时或历史曲线形式、图形方式显示所采集和计算的数据

ii. 可人为设定是否自动打印抽放数据日报；

iii. 通过串行口发送符合仪器数据格式要求的数据，可以将抽放数据接入监测系统中，并可在监测终端上直接显示抽放数据。

5.4. 建立合理有效的管理制度

从现代企业经济管理而言，抽放管网系统的运行过程中要消耗人力、物力和财力等资源， 这些资源的采集和有效使用是提高抽放效果的重要组成部分，加强对抽放系统的管理，不仅关系到煤矿企业的经济效益，而且也关系到资源的合理利用问题。抽放管网系统的管理主要包括劳动者管理和设备管理。

5.4.1. 劳动者管理

劳动者是生产力要素中最活跃的、最基本的要素，劳动力管理某种意义上也就是对劳动进行管理，对劳动者加强管理可以调动劳动者的积极性和提高劳动效率、减小事故率，人员管理中主要包括劳动组织管理、定员管理、劳动者需求研究等内容。

(1) 劳动组织管理。劳动组织就是根据分工协作的原理，科学的组织劳动力，使劳动者与劳动工具，劳动对象有机结合，使各类人员协调工作，从而充分发挥劳动者的劳动技术和积极性，不断提高劳动生产率。对于矿井瓦斯抽放系统的管理，首先可以根据实际的生产技术条件把整个工作合理的分成许多组成部分，由指定的劳动力专门完成。合理的劳动分工有利于组织专业化的生产，提高劳动者的劳动熟练程度，劳动分工一般按劳动组织的需要进行分工， 分成基本生产、辅助生产和附属生产三类。

有分工就比有协作，劳动协作是许多人在同一生产过程中，或者是在不同但有联系的生产过程中，有计划的协同工作，它是保证抽放系统正常进行生产的必要条件。它不但可以提高个人的生产力，而且可以创造一种集体的生产力，分工是协作的前提，协作是分工的必然结果。

(2) 劳动定员管理，就是在一定的时期内和一定的技术组织条件下，确定瓦斯抽放系统进行运作的时候，确定各个岗位应配备的合理人数，并随着生产的发展和管理水平的提高， 进行相应的调整在瓦斯抽放管理中可以采用按设备定员、按岗位定员、按劳动效率定员等方法。

(3) 劳动力需求研究，对矿井生产进行管理的一个重要方面是研究如何提高工人的积极性，工人的积极性高与低与其工作业绩直接相关。

5.4.2. 设备管理

瓦斯抽放过程中，用到了大量的生产工具，这些设备大多数在完成一个生产循环后，他的实物形态并不消失，可周而复始使用，因而设备不但在要素管理中具有一定的重要性，而且还具有一定的复杂性，设备管理的目的就是科学合理的利用设备，设备管理的内容包括设备购置、设备使用、设备维修和设备更新等。

i. 掌握设备的磨损规律，设备的磨损一般有两种形式：有形磨损和无形磨损。设备的有形磨损是指由于设备的使用和闲置所造成的设备使用功能下降产生的磨损。它的产生一方面是由于使用的结果，另一方面又是由于不使用因闲置造成的磨损，设备的有形磨损反映设备的原始使用价值的部分损失，设备的有形磨损逐渐发展到了不能作为劳动工具继续使用时， 就达到了完全磨损的程度，这时需要用新设备来取代旧设备。

设备的无形磨损是由于技术进步使设备部分损失其价值而引起的非物质磨损。无形磨损也可以分为两种：一种是由于生产设备的劳动生产率提高，生产同样设备的社会必要劳动下降，从而使原由设备的价值相应降低，即设备贬值；另一种是由于新技术的发明和应用，出现了性能更好，效率更高的设备，使原有的设备相应贬值，设备发生无形磨损之后，设备的使用功能并未发生变化，但无形磨损达到一定的程度后，继续使用原设备的经济合理性就需要进行研究。

不论是有形磨损还是无形磨损，都会引起设备价值的减低，为此要进行设备磨损的补偿， 由于设备磨损形式不同，补偿磨损的方式也不一样。一般来说，设备有型磨损的局部补偿是现代改造，有形磨损和无形磨损的完全补偿是设备更新。

研究设备的磨损规律，不仅可以寻找设备实物补偿的方式和设备补偿方式，还可以科学的确定设备的最佳使用寿命。

ii. 设备维修。设备维修是指对设备进行保养和修理的总称。设备的维护保养是一项积极的措施，目的是及时处理设备在运行过程中由于技术状态的发展变化而引起的过早磨损、事故，随时改善设备的技术状况，保证设备的正常运行，设备维护保养一般采取计划修理制度， 定期对设备进行保养、维修，使设备始终处于良好的工作状态；设备修理一般指设备故障后进行的修理，主要解决突发性故障。

iii. 设备改造。设备改造又称为设备现代化改装，是企业技术改造的主要内容。包括设备的改装、设备的现代化改造、设备改造和设备修理相结合、设备的更新等。设备的改装是对设备的容量、功率、体积和形状的加大和改变，以扩大设备的使用范围，提高劳动生产率， 但单纯的改装不能提高设备的现代化水平，不能实现企业的技术进步，设备的现代化改造是应用科学技术的新成果，来改变现有设备落后的技术面貌，即改变现有设备的结构，使设备达到或者局部达到新设备的工作水平。设备改造和设备修理相结合做到“大修大改，中修中改，小修小改， 逢修必改”，这样就可以节省时间减少费用，提高设备的工作效率；设备的更新是指用新的效率更高的设备，去换陈旧的，已经不能继续使用的设备，或者虽可以使用， 但在经济上继续使用不合理的设备。

5.4.3. 制定严格的规章制度

制定严格合理的规章制度对加强对抽放系统的管理有很大的意义，对于一个建立抽放系统的矿井必须有细致的管理制度，包括奖惩制度、操作规程和管理章程等。如铁煤集团对钻孔工人指定了严格的操作规程，现整理如下：

(1) 下井前根据工作安排，准备、检查、带足本班所需的工具、材料等。

(2) 钻孔施工时要严格按照标定施工参数进行施工，不得擅自改动。

(3) 施工前检查钻机各部件是否完好，电机必须防爆电压应与电源相符，电缆无漏电现象， 钻杆、钻具应完好。

(4) 启动时注意力要集中，要求手不离按纽，眼不离钻机。动作要准确、及时、迅速。机

械调速的钻机，在正常的情况下不得随意改变钻机速度，调速时必须先停电，变速箱停止运转后在变速。

(5) 钻进仰角超过 25 度的时候，不准在套管正下方操作，以免套管滑落打伤人员。

(6) 机器运转的时候，禁止用手、脚或其它物件直接制动机器运转部分，禁止将工具或其他物品放在钻机、水泵电机防护罩上。

(7) 封孔前必须清除孔内煤、岩粉。

(8) 钻机不得在无人的照管的情况下运转，钻机的任何部位出现故障时都要立即停机检查。

(9) 所有的罩子和防护盖要保持完整和齐全，钻机搬迁时，应将所有外露管口用接头盖、棉纱等堵好，防止灰尘进入或油液外漏。

(10) 下班前应将本班工作的情况及各种数据，如钻孔角度、进尺、套管下置深度、岩芯采集情况等，全面准确记录下来。

(11) 严格执行现场交接班制度，本班组长和记录员要按记录表格把本班情况记录清楚并签名。

其它具体的制度就不一一列出了，由于有一套严格有效的规章制度，可以做到奖惩分明， 可以减少工人的失误，提高工作效率，因此我们必须探索和制定有效的规章制度，总体上而言，也有利于提高对矿井抽放系统的管理，从而间接的提高矿井的抽放效率。

6.1. 结论

本文针对瓦斯抽放工作存在的主要技术问题，结合国内外瓦斯抽放技术发展现状，采取理论分析方法等方法，对抽放管网的优化管理技术进行了简单的研究，其主要结论如下：

(1) 对影响矿井抽放管网的因素进行分析，找出了我国抽放效果差的原因，并提出了提高矿井瓦斯抽放率的途径；

(2)从宏观方面的抽放系统进行分析，提出整个抽放系统的优化管理技术，对大兴矿井抽放系统进行优化改造，取得了显著的效果，降低了系统的阻力，提高了瓦斯抽放率。

本论文可以给矿井提供选择抽放管网系统的优化改造方法，虽然有许多尚待完善之处， 如开发与瓦斯抽放管理系统程序接口的相关仪器设备，采用综合抽放方法时各个系统之间的调控技术等，但论文提供根据实际情况选择合理的参数的方法以及相关的优化管理技术，建立了瓦斯抽放管理系统，为矿井的瓦斯抽放技术人员相应的决策提供帮助，也为下一步工作打好了基础。

6.2. 前景展望

提高瓦斯抽放效果，不仅是矿井安全生产的需要，而且也是合理利用资源、保护环境的需要，采用合理有效的抽放系统对矿井瓦斯抽放十分重要，其抽放管理技术也会随之迅速发展，其前景主要如下：

(1) 国内外的科学试验与生产实践都证明，综合抽放方法效果好，是提高矿井瓦斯抽放的重要途径，也是当前世界上抽放瓦斯技术的发展方向，要充分利用矿井的条件和创造条件进行瓦斯综合抽放，采用综合抽放方法可能形成多个抽放系统，论文下一步还应该深入研究不同抽放系统之间的调节优化。

(2) 采用合理有效的监测监控系统对提高抽放效果，加强抽放系统的管理有十分重要的作用，也是安全生产的需要，越来越多的矿井应该采用与自己矿井相适应的配套监测监控系统， 开发与矿井瓦斯抽放管理系统软件想结合的仪器监测工具是下一步工作的重点。