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1、1 緒論1.1 研究背景及意義煤炭是我國(guó)的主體能源和重要資源，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭的需求日益增加，然而伴隨著煤炭的高強(qiáng)度開(kāi)采，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等瓦斯事故也頻繁發(fā)生。由表1-1可分析出在我國(guó)礦井中，高瓦斯礦井和突出礦井占比例較大，因而瓦斯問(wèn)題更加嚴(yán)峻。2000年，我國(guó)原煤產(chǎn)量由關(guān)井壓產(chǎn)前的13億t降至10億t，煤炭生產(chǎn)死亡5798人，百萬(wàn)噸死亡率為5.8，是俄羅斯的12倍，印度的16倍，美國(guó)的182倍。瓦斯災(zāi)害是造成我國(guó)煤礦災(zāi)害事故嚴(yán)重的主要原因。2000年，我國(guó)煤礦共發(fā)生一次死亡39人重大事故367起，共計(jì)死亡1694人，其中，瓦斯事故267起，死亡1281人，分別占39人重大事故

2、起數(shù)的72.75、死亡人數(shù)的75.62；發(fā)生一次死亡10人以上的特大事故75起，死亡1398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1319人，分別占10人以上特大事故起數(shù)的92.00、死亡人數(shù)的94.351。由于煤礦事故多，死亡人數(shù)多，造成了我國(guó)煤礦的百萬(wàn)噸死亡率一直居高不下，特別是煤礦重大及特大瓦斯災(zāi)害事故的頻發(fā)，不但造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)和公民生命的巨大損失，而且嚴(yán)重影響了我國(guó)的國(guó)際聲譽(yù)。由下圖1.1和圖1.2可知，我國(guó)已度過(guò)了事故高發(fā)期，隨著近年來(lái)安全投入力度增大，煤礦安全事故總體呈下降趨勢(shì)，2011年煤礦事故死亡人數(shù)達(dá)到了1973人，2012年降至1384人。不難看出，煤礦事故中，瓦斯事故為主要災(zāi)害2。

3、瓦斯災(zāi)害已成為制約高效開(kāi)采和安全生產(chǎn)的最重要因素。對(duì)于高瓦斯以及瓦斯突出礦井，單純采用通風(fēng)的方法難以把工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂圃谠试S的范圍內(nèi)，因此，強(qiáng)化瓦斯抽采才是防止瓦斯災(zāi)害事故最有效的途徑。表1-1 瓦斯礦井?dāng)?shù)量和比例礦井瓦斯等級(jí)國(guó)有重點(diǎn)煤礦年產(chǎn)量大于3000噸國(guó)有重點(diǎn)煤礦總計(jì)數(shù)量比例數(shù)量比例數(shù)量比例瓦斯礦井33855.697346.4131148.5高瓦斯礦井16426.893844.8110240.8突出礦井10717.61848.829110.7總計(jì)609100.02095100.02704100.0 圖1.1 2001-2012年煤礦事故死亡人數(shù)圖1.2 2001-2012年煤礦事故統(tǒng)

4、計(jì)分析在過(guò)去的二十年里，我國(guó)煤炭科學(xué)技術(shù)取得了前所未有的突破。與此同時(shí)，伴隨著現(xiàn)代化、科技化、機(jī)械化、自動(dòng)化和大強(qiáng)度煤炭開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了整個(gè)礦井的采動(dòng)空間和開(kāi)采范圍劇增，使得回采工作面以及采空區(qū)的瓦斯呈現(xiàn)出高強(qiáng)度、高速率、大體積和非均勻式的涌出特點(diǎn)，同時(shí)更增大了有關(guān)專 家對(duì)各種煤礦瓦斯災(zāi)害防治的難度系數(shù)。為滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)煤炭與日俱增的需要，保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)定的發(fā)展，很多煤礦企業(yè)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，不斷進(jìn)行技術(shù)革新，特別是在高效率、高產(chǎn)量的集約化生產(chǎn)和綜合采煤工藝方面取得了前所未有的跨越式進(jìn)步。取得可喜成績(jī)的同時(shí)，我們也看到了我國(guó)煤礦瓦斯安全高效抽采技術(shù)的發(fā)展速度緩慢，仍舊

5、遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于全國(guó)煤炭產(chǎn)量的提高速度，這就給煤礦安全生產(chǎn)工作埋下了重大的隱患。礦井瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作的突出性危害有三個(gè)大方面：爆炸、突出和窒息。特別的，煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故不僅能對(duì)礦井巷道設(shè)施造成巨大的毀壞（如井巷垮塌），而且常常會(huì)導(dǎo)致礦井火災(zāi)、水災(zāi)和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災(zāi)害事故的連續(xù)發(fā)生。更嚴(yán)重的是，此類事故會(huì)造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失。統(tǒng)計(jì)表明2，我國(guó)高瓦斯礦井和有瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井占到了全國(guó)礦井總數(shù)量的30%左右，而重、特大惡性瓦斯事故的高發(fā)生頻率并沒(méi)有得到根本性的解決，這將嚴(yán)重阻礙著未來(lái)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。因此，煤礦瓦斯抽采工作，勢(shì)在必行。

6、煤礦瓦斯抽采是減少礦井瓦斯涌出量的重要途徑之一，對(duì)于礦井瓦斯災(zāi)害事故的防治具有重要的作用3-4。首先，采取瓦斯抽采的辦法能夠有效地解決井下瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題，提高煤礦開(kāi)采過(guò)程中的安全性。當(dāng)對(duì)井下進(jìn)行瓦斯抽采之后，采空區(qū)瓦斯涌出量將會(huì)降低70%以上，同時(shí)還能大大降低井下通風(fēng)成本費(fèi)用。瓦斯抽采另一個(gè)好處是變害為利，瓦斯在嚴(yán)重影響煤礦安全的同時(shí)，瓦斯又是一種重要的礦物能源，每立方米瓦斯的燃燒熱為3.7107J，相當(dāng)于11.5kg煙煤9，人們可以對(duì)抽采出的瓦斯進(jìn)行合理利用，為我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)和人民生活服務(wù)，取得較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。1.2 國(guó)內(nèi)外瓦斯抽采研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀下面從瓦斯抽采量、瓦

7、斯抽采率、瓦斯抽采方法、瓦斯抽采存在的問(wèn)題等四個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀。 瓦斯抽采量：近年來(lái)，我國(guó)也開(kāi)始重視對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)和利用，煤礦井下瓦斯抽采從少到多，據(jù)統(tǒng)計(jì)12，2000年我國(guó)煤礦建立了地面永久瓦斯泵站的礦井有141個(gè)，年抽采量達(dá)8.67億m。2002年，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局制定了“先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控”的煤礦瓦斯防治方針，強(qiáng)化了瓦斯抽采治理瓦斯災(zāi)害的地位，煤礦安全規(guī)程也以法規(guī)的形式對(duì)煤礦瓦斯抽采作了詳盡的規(guī)定，我國(guó)實(shí)施瓦斯抽采的礦井?dāng)?shù)量和瓦斯抽采量逐年穩(wěn)步上升5-6。2002年抽采礦井達(dá)到193個(gè)，抽采量達(dá)11.46億m。2005年全國(guó)煤礦瓦斯累計(jì)抽采瓦斯量達(dá)23億m。而2

8、006年的抽采量到達(dá)32億m，利用量達(dá)11.5億m。到了2007年，全國(guó)瓦斯抽采達(dá)47.35億m，利用量14.46億m。2008年我國(guó)礦井瓦斯抽采量達(dá)到55億m，同年8月，國(guó)土資源部最新的煤層氣資源評(píng)價(jià)中指出：中國(guó)煤層氣資源非常豐富，全國(guó)埋深2000米以淺煤層氣地質(zhì)資源量為36.8萬(wàn)億m，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)目前常規(guī)天然氣的地質(zhì)資源量（35萬(wàn)億m），是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三大煤層氣儲(chǔ)藏國(guó)。到2009年全國(guó)299處原國(guó)有重點(diǎn)煤礦高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井中，有28313個(gè)建立了瓦斯抽采系統(tǒng)，全國(guó)抽采兩量達(dá)65億m，利用量達(dá)到17.7億m。2011年1月5日，全國(guó)煤礦瓦斯防治部際協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組第八次會(huì)議

9、中指出，2010年全國(guó)煤層氣抽采量88億m，利用量36億立方米。另外會(huì)議還要求，2011年我國(guó)煤層氣抽采量要達(dá)110億m，利用量要達(dá)50億m11。具體抽采量如下表所示：表1-2 2001-2012年我國(guó)瓦斯抽采量年份抽采量/億m年份抽采量/億m年份抽采量/億m20019.84200521.33200965200211.46200632.4201088200315.202007442011115200419.292008552012125由表可以分析：自2001年至2012年十二年間我國(guó)瓦斯抽采量逐年增長(zhǎng)，一方面說(shuō)明我國(guó)科技飛速發(fā)展，同時(shí)也反映了我國(guó)煤礦治理取得了重大突破。近幾年，隨著煤層開(kāi)采深

10、度的不斷增加，任何單一瓦斯抽采方法都無(wú)法有效地解決煤礦瓦斯隱患。因此，國(guó)內(nèi)礦井，特別是高瓦斯低透氣性礦井開(kāi)始采取多種瓦斯抽采技術(shù)綜合應(yīng)用的辦法，用以提高了瓦斯抽采量。瓦斯抽采率：晉城、撫順、陽(yáng)泉、松藻、天府、淮南、盤(pán)江、鐵法、石炭井、水城、平頂山、芙蓉、中梁山、南桐、淮北、鶴崗、峰峰、焦作、豐城、六枝是我國(guó)的主要瓦斯抽采礦區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年其抽采率分別為46.39%、79.3%、30.95%、50.06%、80.24%、26.14%、15.87%、28.80%、39.97%、18.67%、20.85%、20.98%、46.76%、24.87%、14.15%、15.40%、9.30%、12.

11、14%、12.58%、15.40%、19.40%、30.09%11。各礦區(qū)按照抽采率大小，我國(guó)主要瓦斯抽采礦區(qū)可以劃分為3類：類礦區(qū)：瓦斯抽采率40，抽采效果好；類礦區(qū)：瓦斯抽采率2540，抽采效果一般；類礦區(qū)：瓦斯抽采率25，抽采效果差；我國(guó)主要瓦斯抽采礦區(qū)的瓦斯抽采效果分類情況（見(jiàn)表1-3）11。表1-3 我國(guó)主要抽采礦區(qū)瓦斯抽采效果分類瓦斯抽采效果 類別 礦區(qū)數(shù)/個(gè) 平均瓦斯抽采率/ 占主要瓦斯抽采 礦區(qū)數(shù)的比例/類5 60.14 23.80類4 29.96 19.06類12 13.93 57.14由表1-3看出，我國(guó)主要瓦斯抽采礦區(qū)總體瓦斯抽采效果不好。瓦斯抽采效果好的類礦區(qū)只有5個(gè)，

12、僅占主要瓦斯抽采礦區(qū)數(shù)的23.80，平均瓦斯抽采率為60.14；瓦斯抽采效果一般的類礦區(qū)有4個(gè)，占主要瓦斯抽采礦區(qū)數(shù)19.06，平均瓦斯抽采率為29.96；瓦斯抽采效果差的類礦區(qū)多達(dá)12個(gè)，占主要瓦斯抽采礦區(qū)數(shù)高達(dá)57.14，平均瓦斯抽采率僅為13.93。如果考慮所有抽采瓦斯礦井，瓦斯抽采率低于25的礦井比例更會(huì)大。瓦斯抽采方法：隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，瓦斯抽采技術(shù)也得到了不斷地提高和發(fā)展，我國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)大致經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段：（1）高透氣性煤層瓦斯抽采階段20世紀(jì)50年代初期，在高透氣性特厚煤層中（如撫順礦區(qū)）首次采用井下鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，成功解決了礦區(qū)向深部發(fā)展過(guò)程中的瓦斯安全問(wèn)題，

13、獲得了理想的效果。但由于當(dāng)時(shí)對(duì)煤層透氣性與瓦斯抽采效果間的關(guān)系認(rèn)識(shí)不深，對(duì)于將該方法應(yīng)用于透氣性較小的礦井效果較差。（2）鄰近層卸壓瓦斯抽采階段20世紀(jì)50年代中期，在開(kāi)采煤層群礦井中，首先在陽(yáng)泉礦區(qū)采用穿層鉆孔抽采上鄰近層瓦斯獲得成功，解決了煤層群開(kāi)采中首采工作面瓦斯涌出量大的問(wèn)題。隨后試驗(yàn)了頂板瓦斯高抽巷抽采上鄰近層瓦斯技術(shù)，該方法在不同煤層賦存條件下的上、下鄰近層中取得了較好應(yīng)用效果。（3）低透氣性煤層強(qiáng)化抽采瓦斯階段由于在我國(guó)一些透氣性較差的高瓦斯煤層及有突出危險(xiǎn)的煤層采用通常的布孔方式預(yù)抽采瓦斯的效果不理想、難以解除煤層開(kāi)采時(shí)的瓦斯威脅，為此，從60年代開(kāi)始，試驗(yàn)研究了多種強(qiáng)化抽采開(kāi)

14、采煤層瓦斯的方法，如煤層注水，水力壓裂，水力割縫，松動(dòng)爆破，大直徑鉆孔，網(wǎng)格式密集布孔，預(yù)裂控制爆破，交叉布孔等。在這些方法中，多數(shù)方法在試驗(yàn)中取得了提高瓦斯抽采量的效果，但仍處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有大范圍推廣應(yīng)用。如本煤層瓦斯抽采，其難點(diǎn)在于低透氣性煤層瓦斯難以抽出。我國(guó)20世紀(jì)70年代曾經(jīng)試驗(yàn)過(guò)水力割縫、水力壓裂等方法，但由于工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，還必須有一些特殊設(shè)備等原因，難以大面積推廣使用。80年代后又對(duì)預(yù)裂爆破增大煤層透氣性的方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但其工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，沒(méi)能大規(guī)模推廣應(yīng)用。20世紀(jì)末，我國(guó)和俄羅斯在焦作合作開(kāi)展了交叉鉆孔抽采本煤層瓦斯的試驗(yàn)，取得了較好的效果。經(jīng)分析研究認(rèn)

15、為，交叉布孔除了由于交叉增加煤體卸壓范圍、提高透氣性外，還由于鉆孔相互交叉影響，可避免因某一鉆孔坍塌堵塞而影響正常抽采。另外斜向鉆孔還可延長(zhǎng)鉆孔在回采工作面前方卸壓帶內(nèi)的瓦斯抽采時(shí)間。因而交叉鉆孔可以較好地提高開(kāi)采層的抽采瓦斯效果。再有水平長(zhǎng)鉆孔抽采本煤層瓦斯，過(guò)去由于打鉆裝備及工藝問(wèn)題，始終打不出理想的長(zhǎng)鉆孔。近幾年由于鉆機(jī)研究開(kāi)發(fā)的突破，使得打本煤層長(zhǎng)鉆孔抽采效果有了很大改善。再如采空區(qū)抽采，過(guò)去一直沒(méi)有克服抽采濃度低、抽采量小的問(wèn)題，近些年由于大型抽采泵的出現(xiàn)以及抽采工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，使采空區(qū)抽采有前所未有的發(fā)展。（4）綜合抽采瓦斯階段20世紀(jì)80年代，隨著普采、綜采和綜放采煤技術(shù)的發(fā)展

16、和應(yīng)用，采區(qū)巷道布置方式有了新的改變，采掘推進(jìn)速度加快、開(kāi)采強(qiáng)度增大，使工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有鄰近層的工作面。為解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出量大、瓦斯涌出源多的問(wèn)題，須結(jié)合礦井地質(zhì)條件及涌出情況，實(shí)施綜合抽采。綜合抽采瓦斯就是把開(kāi)采煤層瓦斯采前預(yù)抽、卸壓瓦斯邊采邊抽及采后抽采等多種方法在同一采區(qū)、工作面內(nèi)使用，采用該方法能夠最大限度利用時(shí)間及空間來(lái)增加瓦斯抽采量、提高抽采濃度及抽采率。（5）立體抽采瓦斯階段近年來(lái)，試驗(yàn)研究了地面鉆孔井與井下鉆孔聯(lián)合抽采礦井瓦斯。地面鉆孔對(duì)開(kāi)采層進(jìn)行壓裂、抽采瓦斯以及對(duì)采動(dòng)影響卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。在開(kāi)采過(guò)程中，井下鉆孔對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采

17、，實(shí)現(xiàn)立體抽采方式。解決了開(kāi)采煤層預(yù)抽時(shí)間短、抽采率低的問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)礦井煤與瓦斯安全共采的最根本方法。隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，瓦斯抽采技術(shù)也得到了不斷地提高和發(fā)展。具體方法如下圖所示：瓦斯抽采方法采前抽采（預(yù)抽）采中抽采（邊采邊抽）采后抽采本煤層抽采地面鉆井穿層鉆孔順層鉆孔交叉鉆孔巷道抽采領(lǐng)近層抽采地面鉆井穿層鉆孔順層鉆孔傾向巷道水平鉆孔煤礦瓦斯綜合抽采回采工作面抽采地面鉆井穿層鉆孔順層鉆孔巷道抽采采空區(qū)埋管采空區(qū)抽采掘進(jìn)工作面抽采巷幫鉆孔迎頭鉆孔地面鉆井抽采密閉插管抽采密閉鉆孔抽采相鄰巷道圖1.3 瓦斯抽采方法示意圖選擇瓦斯抽采方法主要根據(jù)礦井瓦斯來(lái)源、煤層賦存狀況、采掘布置、開(kāi)采程序以及開(kāi)

18、采地質(zhì)條件等因素進(jìn)行綜合考慮，由于我國(guó)礦井?dāng)?shù)量眾多，且煤層賦存條件復(fù)雜多樣，因此我國(guó)試驗(yàn)和應(yīng)用過(guò)許多抽采方法。針對(duì)不同的煤層賦存條件，抽采方法是不同的，下表列舉了本煤層、鄰近層、采空區(qū)、圍巖的瓦斯抽采分類、抽采方法和其抽采的適用條件。表1-4 礦井瓦斯抽采方法適用條件抽采分類抽采方法適用條件本煤層抽采瓦斯未卸壓抽采巖巷揭煤煤巷掘進(jìn)預(yù)抽由巖巷向煤層打穿層鉆孔煤巷工作面打超前鉆孔突出危險(xiǎn)煤層高瓦斯煤層采區(qū)大面積預(yù)抽由開(kāi)采層進(jìn)、回風(fēng)巷或煤門(mén)等打上向、下向順層鉆孔有預(yù)抽時(shí)間的高瓦斯或突出煤層由石門(mén)、巖巷、鄰近層煤巷等向開(kāi)采層打穿層鉆孔“勉強(qiáng)抽采”煤層地面鉆孔高瓦斯易抽煤層淺埋深密封開(kāi)采巷道高瓦斯易抽煤

19、層卸壓抽采邊掘邊抽由煤巷或巖巷向煤層打防護(hù)鉆孔高瓦斯煤層邊采邊抽由進(jìn)、回風(fēng)巷向工作面前方打鉆高瓦斯煤層由巖巷、煤門(mén)等向開(kāi)采分層上部或下部未采分層打穿層或順層孔高瓦斯煤層水力割縫、壓裂，松動(dòng)爆破由開(kāi)采層進(jìn)、回風(fēng)巷等打順層鉆孔，由巖巷或地面打鉆孔高瓦斯難抽煤層鄰近層抽采瓦斯卸壓抽采開(kāi)采層工作面推過(guò)后抽采上、下鄰近煤層由進(jìn)、回風(fēng)巷或巖巷向鄰近層或采空區(qū)打斜交鉆孔鄰近層瓦斯涌出量大影響開(kāi)采層安全時(shí)由煤門(mén)打沿鄰近層鉆孔由鄰近層掘匯集瓦斯巷道鄰近層瓦斯涌出量大，鉆孔能力不滿足抽采要求從地面打鉆孔地面打鉆優(yōu)于井下采空區(qū)邊采邊抽密封采空區(qū)插管抽采無(wú)自燃危險(xiǎn)或采取防火措施現(xiàn)采采空區(qū)設(shè)密閉墻插管采空區(qū)打鉆、預(yù)埋管

20、抽采圍巖超前鉆孔由巖巷兩側(cè)或正前向溶洞或裂隙帶打鉆、密閉巖巷瓦斯涌出量大或有溶洞裂縫帶儲(chǔ)存高壓瓦斯煤礦瓦斯抽采存在的問(wèn)題：目前，我國(guó)煤礦總體瓦斯抽采效果不佳，具體表現(xiàn)為瓦斯抽采率低。導(dǎo)致我國(guó)煤礦瓦斯抽采率低的原因有2個(gè)方面：一方面是客觀原因，我國(guó)95以上的高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數(shù)只有0.0040.04 /（MPa2d），瓦斯抽采（特別是預(yù)抽）難度非常大，具體表現(xiàn)為，技術(shù)上，由于煤層賦存較為復(fù)雜，以及抽采鉆孔施工和設(shè)備上的落后，導(dǎo)致了鉆孔質(zhì)量差、封孔質(zhì)量差的現(xiàn)狀；在管理上，抽采單一，抽采時(shí)間不足，管理松散等常見(jiàn)問(wèn)題。另一方面是主觀原因，主要表現(xiàn)為抽采時(shí)間短、鉆

21、孔工程量不足、封孔質(zhì)量差、抽采系統(tǒng)不匹配和管理不到位7-8。1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀為滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，世界各國(guó)煤炭生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量正在不斷擴(kuò)大。而礦井瓦斯抽采效果和效率是制約礦井增產(chǎn)的重要因素，與此同時(shí)，隨著井下開(kāi)采深度的不斷增加，低透氣性高瓦斯煤層也越來(lái)越多。因此，怎樣卸載瓦斯壓力、增加煤層透氣性、加快瓦斯抽采速度、提高其抽采效率并最大限度的預(yù)防和控制煤與瓦斯突出事故的發(fā)生頻率和危害性己經(jīng)成為礦井安全工作人員和煤礦瓦斯防治專家所關(guān)注和研究的重中之重。瓦斯抽采頻率和危害性己經(jīng)成為礦井安全工作人員和煤礦瓦斯防治專家所關(guān)注和研究的重中之重。歷史上最早的瓦斯抽采記錄顯示，英國(guó)WhiteHave

22、n煤礦Saltom在十八世紀(jì)就己經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行了瓦斯抽采。礦井技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)豎井掘至76.8m深時(shí)，井下有大量瓦斯涌出。因此人們用直徑為50管密后，將瓦斯引至井外，以供當(dāng)?shù)匾晃粚W(xué)者的實(shí)驗(yàn)使用。日本北海道地區(qū)于第二次世界大戰(zhàn)前（1934年）就開(kāi)始進(jìn)行瓦斯抽采工作，二戰(zhàn)即將結(jié)束時(shí)（1943年），德國(guó)引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)并開(kāi)始應(yīng)用于礦井生產(chǎn)過(guò)程中。隨后煤礦瓦斯抽采技術(shù)得到前所未有的快速發(fā)展，并成為保障礦井安全生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的技術(shù)手段。上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)率先采用地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)，對(duì)未投入生產(chǎn)的礦井進(jìn)行采前預(yù)抽工作，并得到了較好的收效?？偟膩?lái)說(shuō)，世界煤炭主要生產(chǎn)國(guó)根據(jù)各自的煤地質(zhì)狀況，相應(yīng)采取不同的

23、瓦斯抽采方法，如煤層預(yù)抽采瓦斯，掘進(jìn)面抽采瓦斯、工作面抽采瓦斯、采空區(qū)抽采瓦斯、和地面鉆井抽采瓦斯等。隨著瓦斯抽采技術(shù)的不斷進(jìn)步，世界各國(guó)的可抽采瓦斯礦井和瓦斯抽采量也有了顯著的提高。19491950年間，比利時(shí)和英國(guó)先后進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的瓦斯抽采，年抽采量達(dá)5700 m。19511987年間，世界煤礦瓦斯抽采量呈線性增加，自1951年的1024億m增至1987年的54031億m，抽采瓦斯的礦井由68個(gè)增加到619個(gè)，單個(gè)抽采礦井的平均年抽采量由1951年的198萬(wàn)m/井，增至1987年的877萬(wàn)m/井。到目前為止，世界上已有17個(gè)采煤國(guó)家進(jìn)行了瓦斯抽采，年抽采量超過(guò)1億m的國(guó)家有10個(gè)，如原蘇聯(lián)

24、、德、英、法、中、美、波、日、澳等。其中原蘇聯(lián)抽采量最多，達(dá)2102億m，德、英年抽采瓦斯量均在5億m以上10。最新數(shù)據(jù)表明，從全世界范圍來(lái)看，應(yīng)用瓦斯抽采技術(shù)的國(guó)家己達(dá)到17個(gè)之多（美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本、波蘭、澳大利亞、加拿大等），前蘇聯(lián)的抽采量最大，一年就高達(dá)為24億m左右，而且更多的國(guó)家開(kāi)始致力于該項(xiàng)技術(shù)的研究。瓦斯抽采工作己經(jīng)被這些國(guó)家作為預(yù)防礦井災(zāi)害發(fā)生，保證安全生產(chǎn)工作的基本技術(shù)手段和必不可少的煤炭生產(chǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)。1.3 平煤四礦瓦斯抽采存在問(wèn)題（1）煤層瓦斯含量大，呈不均勻分布，瓦斯賦存情況復(fù)雜。（2）四礦為低透氣性高瓦斯煤礦，煤巷掘進(jìn)過(guò)程中，瓦斯難以排出，煤層中存

25、在較高的瓦斯壓力，易誘發(fā)突出。（3）四礦整體由南到北呈單向傾斜，并有褶曲構(gòu)造，煤層斷層多、頂板破碎，井巷壓力大、構(gòu)造多，易形成較大的壓力梯度，易發(fā)生瓦斯突出事故。因此，瓦斯抽采技術(shù)對(duì)治理其煤層瓦斯尤其重要。1.4 研究?jī)?nèi)容、研究方法與技術(shù)路線1.4.1 研究?jī)?nèi)容（1）研究低透氣突出煤層條件下，瓦斯賦存及涌出規(guī)律，運(yùn)用分源預(yù)測(cè)的方法，計(jì)算出工作面的最大瓦斯涌出量，并對(duì)瓦斯抽采的必要性與可行性進(jìn)行分析。（2）分析工作面瓦斯涌出影響因素，選取合理的煤層瓦斯抽采方法，確定相關(guān)瓦斯抽采參數(shù)。（3）瓦斯抽采工藝的效果分析，根據(jù)瓦斯抽采的影響因素，提出優(yōu)化管理的方法。1.4.2 研究方法在前人對(duì)瓦斯預(yù)測(cè)和瓦

26、斯抽采研究的基礎(chǔ)上，參考大量文獻(xiàn)資料及總結(jié)國(guó)內(nèi)外礦井瓦斯預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井瓦斯的基本參數(shù)以及實(shí)習(xí)期間收集到的瓦斯實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合考慮煤層瓦斯的賦存條件，分析影響礦井瓦斯涌出因素，計(jì)算瓦斯涌出量。理論分析不同抽采方法的適用條件，綜合考慮煤層透氣性、瓦斯壓力和含量、鉆場(chǎng)和鉆孔設(shè)計(jì)、采煤方法與工藝、開(kāi)采規(guī)模和強(qiáng)度等因素，以提高礦井瓦斯抽采率為目的，經(jīng)過(guò)分析研究，提出可行的工作面瓦斯抽采技術(shù)。以降低開(kāi)采過(guò)程中瓦斯的涌出量，降低煤層瓦斯突出的危險(xiǎn)性，確保煤礦的安全高效生產(chǎn)。1.4.3 技術(shù)路線首先要進(jìn)行瓦斯的涌出量預(yù)測(cè)分析，根據(jù)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法(AQ1018- 2006)，采用分

27、源預(yù)測(cè)法對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。計(jì)算煤層最大瓦斯涌出量，根據(jù)國(guó)家關(guān)于煤礦抽采的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行瓦斯抽采的必要性和可行性分析，選取合理的瓦斯抽采方法，并確定相關(guān)抽采參數(shù)，最后進(jìn)行瓦斯抽采的效果預(yù)測(cè)和效果分析，并優(yōu)化瓦斯抽采管理。具體技術(shù)路線參考圖1.4瓦斯抽采的必要性和可行性分析瓦斯涌出量預(yù)測(cè)與瓦斯涌出量計(jì)算瓦斯抽采方法研究根據(jù)實(shí)際情況確定合理的抽采方法鄰近層瓦斯抽采采空區(qū)瓦斯抽采本煤層瓦斯抽采確定瓦斯抽采參數(shù) 瓦斯抽采的效果預(yù)測(cè)和分析圖1.4 技術(shù)路線圖2 平煤四礦礦井概況2.1 礦區(qū)概況2.1.1 地理位置平頂山天安煤業(yè)股份有限公司四礦位于平頂山市區(qū)西北6km處，位于平頂山礦區(qū)中部，東與一、

28、二礦相接，南與三礦為鄰，西鄰六、五礦。礦區(qū)東西長(zhǎng)約2.5km，南北長(zhǎng)約5.5km，礦區(qū)面積12.7149k。2.1.2 地形地貌平頂山煤田地處汝河以南、沙河以北的低山丘陵地帶。北部主要由二迭紀(jì)平頂山砂巖組成的低山，自西向東有紅石山、龍山、擂鼓臺(tái)、落鳧山、平頂山、馬棚山等，為地表分水嶺，最高點(diǎn)擂鼓臺(tái)標(biāo)高+505.60m，龍山+464.37m；南部主要由震旦紀(jì)片巖和片麻巖及寒武紀(jì)灰?guī)r組成走向西北的丘陵山地，有蝎子山、蘆山和九里山，海拔+150158m。井田位于低山丘陵的槽形谷地之間，為一北高南低的傾斜平原。標(biāo)高130m。2.1.3 氣候條件本區(qū)屬大陸性半干旱氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，四季分明。最高

29、氣溫42.6(1996年7月19日)，最低氣溫-18.8（1955年1月3日），歷年平均氣溫14.9，冰凍期一般為11月到次年3月。年最大降雨量1323.6mm（1964），年最小降雨量373.9mm（1966），年平均降雨量742.6mm，月最大降雨量366mm（1971年6月），雨季多集中在七、八、九月份，約占年降雨量的50%。年最大蒸發(fā)量2823.6mm（1959），年最小蒸發(fā)量1490.5mm（1964），月最大蒸發(fā)量408mm（1959年7月），月最小蒸發(fā)量40.7mm（1957年1月）。平均絕對(duì)濕度13.5mm，平均相對(duì)濕度67%，最大凍土深度14mm（1977年1月30日）。冬季

30、多北風(fēng)和西北風(fēng)，最大風(fēng)速24m/s，平均風(fēng)速2.8m/s。2.1.4水文地質(zhì)特征平頂山煤田是以李口向斜為主體的向斜含煤盆地，其北西、南東、北東及南部邊緣分別受落差數(shù)百米至上千米的郟縣斷層、落崗斷層、襄郟斷層及魯葉斷層等構(gòu)造的切割，形成相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。平頂山礦區(qū)于李口向斜南翼，北部以紅石山、龍山、擂鼓臺(tái)、落鳧山、馬棚山、平頂山等低山組成地表分水嶺，標(biāo)高300500m，坡度850，以北渡山、九里山、扣皂山等殘丘組成西南部地表分水嶺，標(biāo)高130160m，坡度1530，震旦系石英巖與寒武系灰?guī)r在西部零星出露，大氣降水可直接補(bǔ)給地下水。南北分水嶺之間為西窄東寬的槽形谷地，其間多被第四系坡積沖積物

31、覆蓋。地勢(shì)西高東低，地層傾向北北東，傾角12左右。含水層井田內(nèi)按地層由老到新的順序分為4個(gè)含水層，據(jù)井田及鄰區(qū)資料將含水層敘述如下： 寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層主要為中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖，井田內(nèi)厚度大于200m，埋深大于239m。主要含水層段為寒武系中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r和上統(tǒng)崮山組白云質(zhì)灰?guī)r，兩組灰?guī)r厚度為200m左右，為含煤地層基底，己16煤層底板間接充水含水層。據(jù)河南省平頂山煤田一、四、六礦井深部擴(kuò)勘地質(zhì)報(bào)告和鄰區(qū)資料，該含水層在-150m以上的淺部巖溶裂隙較發(fā)育，深部巖溶裂隙不發(fā)育，地下水補(bǔ)給和逕流條件差，灰?guī)r含水層富水性明顯弱于淺部。 二疊系己煤組

32、頂板砂巖裂隙含水層本含水層共有兩層砂巖含水層，自下而上為大占砂巖、香炭砂巖，大占砂巖距己16煤層515m，一般為7m，為己16煤層頂板直接充水含水層，主要為中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖，硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)。香炭砂巖下距己16煤層530m，一般為20m，為己16煤層的間接充水含水層。水質(zhì)類型CO3-Na。本含水層屬砂巖裂隙弱含水層。 二疊系平頂山砂巖裂隙含水層平頂山砂巖位于煤系頂部，總厚109.23134.95m，上部中粗粒砂巖，中部中粒砂巖，下部中粗粒砂巖，底部有510m含礫粗砂巖。平頂山砂巖埋藏淺，在分水嶺有出露，厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎，主要接受大氣降水補(bǔ)給，但由于該含水層補(bǔ)給區(qū)地形較陡，不利于

33、裂隙水的補(bǔ)給，故含水性較差，水質(zhì)類型CO3-Na型，本含水層屬砂巖裂隙弱中等含水層。 第四系松散孔隙含水層第四系厚度043m，系出露地表巖層經(jīng)風(fēng)化后堆積于山麓，主要由砂礫石組成，在溝谷地帶有季節(jié)性下降泉出露，泉流量0.53L/s，水質(zhì)類型CO3-Ca型。2.1.5 地質(zhì)構(gòu)造本井田內(nèi)地層層序由老至新依次為：寒武系崮山組、石炭系本溪組、太原組和二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和第四系。寒武系崮山組系石炭、二疊系含煤地層的沉積基底，厚度大于68米，為灰色厚巨厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r。石炭系本溪組上界為太原組7灰?guī)r底面，下界為崮山組白云質(zhì)灰?guī)r的頂面，厚度平均為5.6米，主要為淺灰色灰白色鋁土質(zhì)泥

34、巖和深灰色、灰黑色炭質(zhì)泥巖。石炭系太原組上界為1灰?guī)r的頂面，或?yàn)樯轿鹘M底部砂質(zhì)泥巖的底面，下界為本溪組鋁土質(zhì)泥巖的頂面，或7灰?guī)r的底面，厚度為5386米，平均62.5米，由深色生物碎屑灰?guī)r、燧石灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和煤組成，間夾菱鎂質(zhì)泥巖薄層，庚組煤位于本組下部灰?guī)r的上部。二疊系山西組上界為下石盒子組砂鍋窯砂巖底面，下界為太原組頂部灰?guī)r頂面，厚87114米，平均為105.3米，由淺灰綠、深灰色中細(xì)粒砂巖、泥巖和煤組成。含煤25層，為己組煤。二疊系下石盒子組上界為田家溝砂巖的底面，下界至砂鍋窯砂巖的底面，厚度284311米，平均304.4米，由灰黃色、深灰色中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖所組

35、成。依據(jù)巖性和含煤性，自下而上分為戊組煤、丁組煤和丙組煤。二疊系上石盒子組上界至平頂山砂巖底面，下界至田家溝砂巖頂面，厚294331米，平均314.5米。主要由灰白色、灰黃色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中細(xì)粒砂巖及劣質(zhì)煤層組成。自下而上分為乙組煤和甲組煤。二疊系石千峰組在井田內(nèi)出露不全，厚度0255米，平均137.8米。主要由平頂山砂巖等組成。第四系厚033米，平均為11.93米。主要為黃土沙礫滾石（平頂山砂巖和石千峰組砂巖）之山坡殘積物分布于低洼處，厚度不大，表土平均2米厚。受區(qū)域構(gòu)造的控制，特別是李口向斜及鍋底山正斷層的影響井田構(gòu)造總體上為一北北東向緩傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向100，傾向10，

36、傾角618。 褶曲:井田內(nèi)褶皺主要為晉溝向斜，該向斜在井田內(nèi)的南東部較為明顯，向北西方向在39-18孔北約150米處消失，延伸長(zhǎng)度2000米左右，它對(duì)井田內(nèi)各煤層的產(chǎn)狀，巷道布置均有一定影響，但由于甚為開(kāi)闊，故伴生構(gòu)造少見(jiàn)，對(duì)煤層厚度影響也不明顯，僅局部對(duì)生產(chǎn)影響較大。井田內(nèi)背斜不發(fā)育，揭露較少，控制程度較差。斷層：斷層走向N2550W，傾向南西，傾角6070，落差110200米，位置在四礦西南，三礦西北部，在一、四、六擴(kuò)勘區(qū)內(nèi)有六個(gè)鉆孔控制，地表有零星露頭控制。 煤層井田內(nèi)含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組，下石盒子組和上石盒子組。含煤地層厚556-1090m，平均為796m，含煤2156

37、層，主要含煤地層為二疊統(tǒng)山西組的己組煤。目前已三采區(qū)可采煤層為己15，己16煤層。己15煤層：位于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖3981m，平均60m。時(shí)有炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚510m，老頂為中粒砂巖，厚1020m；偽頂為炭質(zhì)泥巖，底板即己16煤層之頂板。己15煤層厚0.815.33，平均3m。煤呈塊狀、鱗片狀、粒狀，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)夾矸。在井田范圍內(nèi)，從東向西煤層厚度變簿，穩(wěn)定煤層。己16煤層：位于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖4699m，平均70m，距己15煤層20m，有厚約0.20.5m的炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂板為厚約10m的泥巖和細(xì)砂巖互層，老頂為58m的細(xì)中粒砂巖；底

38、板為厚4.810m的泥巖或砂質(zhì)泥巖，致密堅(jiān)硬。己16煤層厚0.9010.01平均10m。煤多呈塊狀、粒狀、間或有鱗片狀，易碎為粉末。矸，多數(shù)為一層，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單型煤層。井田內(nèi)大部地段己16煤層為合層，僅局部地段，如43、44線之間，432孔以南，向西到23071切眼400m處，進(jìn)入回風(fēng)巷44-10孔附近，分叉為二層，夾矸厚度0.42.12m，平均1.05m。據(jù)鉆孔及井下揭露資料可知，己16煤層厚度一般較穩(wěn)定，屬全區(qū)較穩(wěn)定可采煤層。 煤質(zhì)己15煤層：黑色，玻璃光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，局部為線理狀、透鏡狀或鱗片狀結(jié)構(gòu)。層狀構(gòu)造。硬度12。己16煤層：黑色，玻璃光澤，多具條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)疏松，易成

39、粉末。平坦?fàn)罨騾⒉顮顢嗫冢捕?2。平均容重1.46 t/m，據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果，粉煤多達(dá)75以上。原煤靜止角為39.5，摩擦角為31.4，散煤容重為0.75t/m。表2-1 煤的工業(yè)分析煤層名稱水分M(%)灰分A(%)揮發(fā)分V(%)含油量P(%)含硫S(%)膠質(zhì)層厚Y(m)發(fā)熱量（MJ/kg）己150.9213.5732.458.370.4828.0734.54己160.9916.2730.455.930.4125.9933.852.2 礦井開(kāi)拓2.2.1 井田境界及儲(chǔ)量（1） 井田范圍：平煤四礦井田東部與三礦相接，西部與十一礦毗鄰、南部止于各煤層露頭風(fēng)氧化帶、北部以-800m底板等高線為界，東

40、西走向?qū)捈s5.4km，南北傾向長(zhǎng)約11.41km，面積19.3k。（2） 目前本礦井的工業(yè)儲(chǔ)量76.20Mt，礦井設(shè)計(jì)儲(chǔ)量為74.27Mt，礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為62.60Mt。2.2.2 礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力及服務(wù)年限（1）礦井生產(chǎn)能力：經(jīng)多次技術(shù)改造，礦井生產(chǎn)能力達(dá)到2.80Mt/a。（2）目前礦井尚有的服務(wù)年限： （2-1）式中：T礦井尚有服務(wù)年限，aZ礦井可采儲(chǔ)量，62.60MtA礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，2.8Mt/aK儲(chǔ)量備用系數(shù)K=1.32.2.3 井田開(kāi)拓由于煤層埋藏比較深，井田范圍里沒(méi)有煤層露頭，采用斜井開(kāi)拓井筒過(guò)長(zhǎng)，以至初期建井時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，斜井不能打在煤層底下，況且要給它留較多煤柱，所以選擇

41、用立井開(kāi)拓。立井開(kāi)拓適應(yīng)性較強(qiáng)，一般不受煤層傾角、厚度、瓦斯、水文等地質(zhì)條件的影響。立井開(kāi)拓井筒短，提升能力大，對(duì)輔助提升特別有利。對(duì)于煤層賦存較深、表土層厚、水文情況比較復(fù)雜、井筒需要特殊法施工或多水平開(kāi)采急斜煤層的礦井，一般都應(yīng)該采用立井開(kāi)拓。平煤四礦礦井開(kāi)拓方式為立井開(kāi)拓，工業(yè)廣場(chǎng)布置有三個(gè)立井。全礦井現(xiàn)有三個(gè)生產(chǎn)水平，四個(gè)生產(chǎn)采區(qū)和己組三水平開(kāi)拓工程，即一水平丁九、戊九采區(qū)；二水平已三采區(qū)和庚一采區(qū)；己組三水平為開(kāi)拓工程。其中一水平深部回采標(biāo)高為-510m，二水平深部回采標(biāo)高-600m，三水平深部開(kāi)采標(biāo)高為-800m。2.2.4 采煤方法為了選擇合理的采煤方法，必須詳細(xì)研究煤層的賦存條

42、件和地質(zhì)特征，并考慮實(shí)習(xí)礦井實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)。平煤四礦煤層賦存比較穩(wěn)定，可采煤層主要為己16煤層，平均傾角8-12。煤層平均厚度為4.0m。煤塵無(wú)爆炸性，煤層有自燃發(fā)火傾向；發(fā)火期4-6個(gè)月，為高瓦斯突出礦，相對(duì)瓦斯涌出量為11.24立方米每噸，煤硬度不大，煤層直接頂為大占砂巖，巖厚度變化在8-15m之間，中等穩(wěn)定，不易容易冒落。底板為波浪帶砂巖。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，結(jié)合設(shè)計(jì)礦井礦井實(shí)際情況以及現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)條件，設(shè)計(jì)采用綜合機(jī)械化一次采全高回采工藝，傾斜長(zhǎng)壁采煤法，用全部跨落法處理采空區(qū)。2.2.5 井下運(yùn)輸根據(jù)礦井井下開(kāi)拓系統(tǒng)和采區(qū)回采工作面的布置，確定煤炭矸石材料設(shè)備和人員在內(nèi)的運(yùn)輸系統(tǒng)如下：(1

43、) 煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)綜采工作面的煤炭區(qū)段運(yùn)輸平巷運(yùn)輸上山采區(qū)煤倉(cāng)運(yùn)輸大巷井底中央煤倉(cāng)經(jīng)主井提升至地面(2) 設(shè)備材料和人員的運(yùn)輸系統(tǒng)副井罐籠中的設(shè)備（材料、人員）井底車(chē)場(chǎng)運(yùn)輸大巷采區(qū)軌道上山區(qū)段運(yùn)輸平巷綜采工作面。(3) 矸石運(yùn)輸系統(tǒng)掘進(jìn)工作面出的矸石區(qū)段回風(fēng)平巷軌道上山運(yùn)輸大巷井底車(chē)場(chǎng)由副井提至地面。2.3 礦井通風(fēng)本礦井為生產(chǎn)礦井，根據(jù)生產(chǎn)中的情況可確定本礦井為突出礦井。下面是為2003年以來(lái)絕對(duì)瓦斯涌出量、相對(duì)瓦斯涌出量情況，如表2-2所示。表2-2 四礦2003年以來(lái)礦井礦井瓦斯涌出量年度絕對(duì)量(m/min)相對(duì)量( m/t)瓦斯等級(jí)2003年48.458.87突出2004年45.518.

44、54突出2005年57.519.56突出2006年39.7178突出2007年53.079.97突出2008年52.799.09突出2009年53.068.81突出2010年447.7突出2011年45.187.92突出四礦通風(fēng)方式為中央混合式，通風(fēng)方法為抽出式，每個(gè)采區(qū)均有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。全礦共有6個(gè)進(jìn)風(fēng)井，即一、二水平主井、副井、三水平進(jìn)風(fēng)井、主斜井和東風(fēng)井；回風(fēng)井三個(gè)，即一水平風(fēng)井、二水平風(fēng)井和三水平回風(fēng)井。目前一水平回風(fēng)井擔(dān)負(fù)戊九采區(qū)的回風(fēng)，采區(qū)為“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式；二水平回風(fēng)井擔(dān)負(fù)己三采區(qū)、庚一采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)，兩個(gè)采區(qū)為并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)通風(fēng)，其中己三采區(qū)為“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式

45、，庚一采區(qū)為“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式；三水平回風(fēng)井擔(dān)負(fù)三水平開(kāi)拓工程和丁九采區(qū)的通風(fēng)，兩個(gè)采區(qū)為并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)通風(fēng)，其中三水平開(kāi)拓工程為“兩進(jìn)兩回”通風(fēng)方式，丁九采區(qū)為“二進(jìn)一回”通風(fēng)方式。四礦各采區(qū)采、掘工作面均有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)電硐室均采用獨(dú)立通風(fēng)方式。目前礦井總進(jìn)風(fēng)量22732m/min，其中丁九采區(qū)進(jìn)風(fēng)量2291m/min，己三采區(qū)進(jìn)風(fēng)量6788m/min，戊九采區(qū)進(jìn)風(fēng)量5017m/min，庚一采區(qū)進(jìn)風(fēng)量2499m/min，東翼結(jié)束采區(qū)進(jìn)風(fēng)量742m/min，其它進(jìn)采區(qū)風(fēng)量354m/min?？偦仫L(fēng)量23801 m/min，總需風(fēng)量18720m/min，四礦一水平風(fēng)井系統(tǒng)安裝2臺(tái)型

46、號(hào)為AGF606-2.2-1.3-2主要通風(fēng)機(jī)，配套電機(jī)型號(hào)為YR1000-6/1180，額定功率1000KW，現(xiàn)運(yùn)行2風(fēng)機(jī)，風(fēng)葉角度-10，風(fēng)量為5832m/min，負(fù)壓為3800Pa；二水平風(fēng)井系統(tǒng)安裝2臺(tái)FBD606- 3.0-1.9-2對(duì)旋式風(fēng)機(jī)，配套電機(jī)型號(hào)YBF630 -8-710，額定功率2710KW，現(xiàn)運(yùn)行1風(fēng)機(jī)，風(fēng)葉角度-3，風(fēng)量為10878m/min，負(fù)壓為3950Pa；三水平風(fēng)井系統(tǒng)安裝兩臺(tái)FBDZ-10-38型對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)，配套電機(jī)為YBF-800M1-10型，額定功率21120KW，風(fēng)葉角度25（單級(jí)），風(fēng)量為7857m/min，負(fù)壓1680 Pa。2.4 煤層瓦斯賦

47、存情況己16煤層在己15-23070機(jī)巷片盤(pán)-470.9米實(shí)測(cè)瓦斯壓力為0.5MPa，己16煤層瓦斯含量為8.25m/t；在己三采區(qū)免揭煤巷東幫下幫-546米實(shí)測(cè)己15煤層瓦斯壓力為0.4MPa，煤層瓦斯含量為6.897m/t。2.5 本章小結(jié)（1）平煤四礦總面積約19.3k，井田地質(zhì)儲(chǔ)量為135.30Mt，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為72.2a建井之初生產(chǎn)能力為0.6Mt/a，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)改造，2006年以來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到2.80Mt/a，開(kāi)拓方式為立井開(kāi)拓。四礦通風(fēng)方式為中央混合式，通風(fēng)方法為抽出式，每個(gè)采區(qū)均有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。（2）介紹平煤四礦開(kāi)采開(kāi)拓情況，主要含煤地層為二疊統(tǒng)山西組的己組煤。（3

48、）己三采區(qū)的己15和己16煤層為目前的主要開(kāi)采煤層，主要針對(duì)這兩個(gè)煤層進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)研究。（4）介紹了礦井瓦斯涌出情況以及通風(fēng)系統(tǒng)和井下運(yùn)輸系統(tǒng)。（5）介紹了己15煤層和己16煤層的瓦斯賦存情況。3 煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)3.1 煤層瓦斯的基本參數(shù)煤層瓦斯基本參數(shù)是工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、抽采瓦斯可行性評(píng)價(jià)、突出危險(xiǎn)性鑒定、瓦斯綜合治理措施的制定及瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，它受煤質(zhì)、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造和覆蓋層厚度以及透氣性等諸多因素的影響。3.1.1 瓦斯含量瓦斯含量是指在自然狀況下，單位體積或者單位質(zhì)量的煤層或者巖層所含有的瓦斯量，單位一般為m/t或者m/m。平煤四礦煤層瓦斯含量為：己15煤層原始

49、瓦斯含量為6.897 m/t，且隨煤層埋深的增加而增大，煤的平均殘存瓦斯含量為3.71 m/ t。己16煤層瓦斯含量為7.63 m/t，煤的平均殘存瓦斯含量為3.82 m/ t.3.3.2 瓦斯壓力瓦斯壓力是指瓦斯在煤層中變現(xiàn)出來(lái)的氣體壓力，它是通過(guò)煤層中游離瓦斯的自由熱運(yùn)動(dòng)對(duì)孔隙和裂隙的空間壁產(chǎn)生作用力而體現(xiàn)出來(lái)的。己15煤層瓦斯壓力為0.4MPa，己16煤層瓦斯壓力為0.12MPa。3.3.3 煤層透氣性系數(shù)煤層透氣性系數(shù)是煤層中瓦斯流動(dòng)的難易程度的標(biāo)志，也是分析瓦斯抽采可行性的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際測(cè)得，己15煤層的透氣性系數(shù)為0.326/（MPa2d）。3.3.4 百米鉆孔瓦斯流量及其

50、衰減系數(shù)瓦斯從煤層中涌出的速度（流量）隨時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減。百米鉆孔瓦斯流量及其衰減系數(shù)就是反應(yīng)在不受采動(dòng)影響的條件下，煤層內(nèi)瓦斯流量隨時(shí)間延長(zhǎng)而呈衰減的特性，它也是衡量煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采難易程度的一個(gè)重要標(biāo)志。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，3#煤層的百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0767/d。3.3.5 瓦斯涌出初速度經(jīng)測(cè)定本煤層煤壁瓦斯涌出初速度v0為0.0275m/min。3.2 煤層瓦斯的生成和賦存3.2.1 瓦斯的生成廣義的礦井瓦斯是指從煤、巖中涌向礦井巷道的自然瓦斯，在采掘過(guò)程中所形成的瓦斯，井下空氣與有用礦物、圍巖、支架和其他材料之間的化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)所形成瓦斯的總稱。煤礦井下的瓦斯主要來(lái)自煤層

51、和煤系地層，它是成煤的煤化作用過(guò)程中伴生的。煤的原始母質(zhì)沉積以后，一般經(jīng)歷2個(gè)成氣時(shí)期：（1）從植物遺體到泥炭的生物化學(xué)時(shí)期；（2）在地層的高溫高壓作用下從褐煤到無(wú)煙煤的煤化變質(zhì)作用成氣時(shí)期。瓦斯的生成是和煤的形成同時(shí)進(jìn)行并貫穿于整個(gè)成煤過(guò)程中。除了煤變質(zhì)生成的瓦斯外，還有其他來(lái)源的自然瓦斯，如：（1）生物化學(xué)來(lái)源的瓦斯。這種瓦斯是在成煤初期形成的。在成煤的沼澤中，當(dāng)有足夠的氧參與生物化學(xué)反應(yīng)時(shí)，有機(jī)物發(fā)生分解，形成含氧的瓦斯，其成分為CO2、N2和硫的氧化物等。隨著微生物環(huán)境的變化和供氧的減少，則轉(zhuǎn)入?yún)捬踹^(guò)程，并放出含氧的瓦斯：CH4、NH3、H2、重?zé)N、H2S和其他的氣體。在成煤過(guò)程中，隨

52、著煤層上部覆蓋層厚度的增加和溫度的逐漸升高，微生物隨之停止活動(dòng)，不再生成生物化學(xué)來(lái)源的瓦斯。這種來(lái)源的瓦斯，在煤層中的數(shù)量較少，其成分主要是CH4、CO2。（2）放射性分解的瓦斯。在煤層中放射性元素分解形成的氣體中含有He，煤層中He含量多少與成煤的地質(zhì)年代有關(guān)，煤層形成的年代越老，He的含量越高。煤層中的He實(shí)際上是處于游離狀態(tài)，而并不被煤所吸附，其中大部分He可由深部運(yùn)移向地表。（3）空氣來(lái)源的瓦斯。由于地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)，當(dāng)煤層暴露于地表時(shí)，CO2、N2 和稀有氣體便可滲入煤層中。這時(shí)，CO2既可以是由生物化學(xué)來(lái)源的，又可以是由化學(xué)來(lái)源的，因?yàn)榭諝庵械难跏姑貉趸材苄纬蒀O2。（4）巖石的變質(zhì)

53、瓦斯。最常見(jiàn)的是碳酸鹽巖石受熱分解時(shí)可涌出CO2。3.2.2 影響瓦斯生成的因素由于煤層中瓦斯主要是煤化變質(zhì)作用的產(chǎn)物，因而煤中瓦斯生成量的多少和煤的變質(zhì)程度、變質(zhì)分帶及其煤巖組分有一定的關(guān)系。（1）煤巖組分。煤的組成比較復(fù)雜，是一種固體可燃有機(jī)巖。煤巖組分是組成煤的基本單元，可分成鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和絲質(zhì)組。從煤巖學(xué)角度看，煤層瓦斯的生成取決于煤巖組分和成煤作用。在同一變質(zhì)階段，鏡質(zhì)組相對(duì)絲質(zhì)組而言，碳含量少，氫含量多，瓦斯生成量大，揮發(fā)分產(chǎn)率高，植物結(jié)構(gòu)保存程度低。殼質(zhì)組在整個(gè)成煤過(guò)程中都能產(chǎn)生瓦斯，其瓦斯生成量和揮發(fā)份產(chǎn)率最高；但是，它在煤中所占的比例很少，其作用不大。（2）煤的變質(zhì)程度及變

54、質(zhì)分帶。在煤化變質(zhì)作用過(guò)程中，瓦斯不斷地產(chǎn)生，由于煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化變質(zhì)程度，所以煤的變質(zhì)程度越高，產(chǎn)生的瓦斯量就越多。我國(guó)的聚煤期多，煤種繁多，煤炭?jī)?chǔ)量豐富，變質(zhì)分帶明顯，其在一定的程度上直接影響著煤層瓦斯的生成。從地質(zhì)時(shí)代上看，煤變質(zhì)總體規(guī)律表現(xiàn)為：晚古生代以中、高變質(zhì)煤占較大比例，尚未發(fā)現(xiàn)低變質(zhì)煤；中生代以中、低變質(zhì)煤為主，并伴隨有高變質(zhì)煙煤以至無(wú)煙煤；第三紀(jì)不僅有褐煤，而且也有低變質(zhì)煙煤。各成煤期的煤中在區(qū)域分布上也有不同的特點(diǎn)，通常表現(xiàn)為：相同或者相近似的煤種呈帶狀分布，這樣形成不同的變質(zhì)帶，在一定的程度上也影響著瓦斯和突出區(qū)域的分布。3.2.3 煤層瓦斯的賦存煤體中賦存

55、瓦斯的多少不僅對(duì)煤層瓦斯含量的大小有很大的影響，而且還直接影響到煤層中瓦斯的流動(dòng)以及發(fā)生災(zāi)害的危險(xiǎn)性大?。灰虼?，研究煤層中瓦斯的賦存狀況對(duì)礦井瓦斯研究的有著重要的作用。煤中瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)兩種。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型，煤對(duì)瓦斯程度吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子之間相互吸引的結(jié)果。在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附的瓦斯量占8090；游離瓦斯量占1020；在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著的瓦斯量占多數(shù)。在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，吸附狀態(tài)的瓦斯分子和游離狀態(tài)的瓦斯分子處于不斷地交換之中；當(dāng)外界的瓦斯壓力

56、和溫度發(fā)生變化或者給予沖擊或者震蕩，影響了分子的能量時(shí)，則會(huì)破壞動(dòng)態(tài)平衡，而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。因此，我們認(rèn)為，由于瓦斯吸附分子和游離分子是在不斷地交換之中，在瓦斯緩慢的流動(dòng)過(guò)程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的問(wèn)題；但是在突出過(guò)程的短暫時(shí)間內(nèi)，游離瓦斯會(huì)首先放散，然后是吸附瓦斯迅速加以補(bǔ)充。煤之所以具有吸附性是由于煤結(jié)構(gòu)中分子的不均勻分布和分子作用力的不同所致，這種吸附性的大小主要取決于三個(gè)方面的因素，即：（1）煤結(jié)構(gòu)、煤的有機(jī)組成和煤的變質(zhì)程度；（2）被吸附物質(zhì)的性質(zhì)；（3）煤體吸附所處的環(huán)境條件。近年來(lái)，隨著分析測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)煤體內(nèi)瓦斯的賦存狀態(tài)不僅有吸附（固體）和游離

57、（氣體）狀態(tài)，而且還包括有瓦斯的液體和固溶體狀態(tài)；但是，由于總的來(lái)說(shuō)，吸附（固體）和游離（氣體）瓦斯所占的比例是85以上，在正常情況下，整體所表現(xiàn)出來(lái)的特征仍是吸附和游離狀態(tài)的瓦斯特征；所以，其和傳統(tǒng)的觀點(diǎn)并沒(méi)有矛盾，只是分析測(cè)試更加深入而已9。3.3 礦井瓦斯涌出按照瓦斯涌出的形式不同可分為普通和異常涌出。普通瓦斯涌出是不斷地和比較均勻的發(fā)生的，這種涌出形式主要決定了礦井瓦斯平衡。異常瓦斯涌出是事先不能確切知道它的發(fā)生地點(diǎn)和強(qiáng)度，它是在短時(shí)間發(fā)生的，在礦井瓦斯平衡中，只在很少的情況下才起明顯的作用。3.3.1 自開(kāi)采層的普通瓦斯涌出瓦斯在煤層中的涌出需要兩個(gè)條件：其一是要有一定的流動(dòng)通道，即

58、煤層要有一定的透氣性；其二是煤體中的瓦斯必須具備一定的壓力。原始煤層中瓦斯的涌出狀態(tài)主要取決于煤體中瓦斯壓力的大小。開(kāi)采煤層中瓦斯涌出的狀態(tài)和數(shù)量隨地點(diǎn)的不同而不同。（1）在鉆孔壁、巷道兩幫、煤柱等固定表面上，單位面積上的瓦斯涌出量一般隨煤壁暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減少。（2）對(duì)于移動(dòng)煤壁、如回采工作面，其瓦斯涌出量和煤壁的移動(dòng)速度有關(guān)，由于工作面的推進(jìn)速度往往并不均勻，所以瓦斯涌出量也是不斷變化的。（3）巷道中的瓦斯涌出一部分來(lái)自掘進(jìn)工作面，這部分的瓦斯涌出量是由于工作面前方煤體產(chǎn)生突然地應(yīng)力變化和煤體破碎；另一部分來(lái)自才落得煤炭，其可造成巷道瓦斯涌出量的急劇變化。（4）回采工作面的瓦斯涌出不同

59、于掘進(jìn)巷道，僅與掘進(jìn)工作面相仿，它的涌出與生產(chǎn)工藝有密切的關(guān)系，綜采機(jī)組在采煤過(guò)程中是工作面前方的煤體應(yīng)力做跳躍式的變化，切割速度愈快，瓦斯涌出量愈大，同樣的，這種涌出不均衡也與煤層瓦斯含量和透氣系數(shù)有關(guān)。3.3.2 鄰近層和圍巖中的瓦斯涌出當(dāng)開(kāi)采煤層附近的地層中具有鄰近煤層或大量不可采的煤層時(shí)，一般情況下，在煤層開(kāi)采后，由于圍巖的移動(dòng)和地應(yīng)力的重新分布，在地層中造成大量的裂隙，可使頂?shù)装甯浇簩又械耐咚勾罅坑咳腴_(kāi)采空間。在回采工作面第一次落頂后，即引起煤層頂板巖層的冒落破裂和變形，在采空區(qū)附近會(huì)造成一個(gè)卸壓圈。一般情況下，處于冒落區(qū)的鄰近煤層有些將會(huì)直接向采空區(qū)放散，而有一些則是通過(guò)裂隙向采

60、空區(qū)放散瓦斯。有一些煤層雖然卸壓，但不能立即放出瓦斯，而是過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)巖石裂隙發(fā)展到該煤層后，煤體中的瓦斯采涌出裂隙向采空區(qū)放散。通常情況下，上部卸壓變形區(qū)域排放瓦斯的范圍是隨著時(shí)間和空間的不斷發(fā)展而發(fā)展、并在達(dá)到一定程度后停止。距開(kāi)采層不同距離的上鄰近層瓦斯進(jìn)入采空區(qū)的時(shí)間和涌出量決定于開(kāi)采層頂部巖層的冒落情況、層間巖石的性質(zhì)、鄰近層的厚度、瓦斯含量和工作面的長(zhǎng)度等因素。它的涌出量比較迅速，往往發(fā)生在老頂?shù)谝淮蚊奥湟院蟆Ｏ锣徑鼘拥耐咚褂砍銮闆r和上鄰近層有所不同。在工作面推進(jìn)后，由于采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的空間，在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用下，開(kāi)采層下方的地層即向采空空間鼓起，其移動(dòng)的距離可達(dá)10mm以上

61、，這樣在層間形成了大量的裂隙，形成了下部地層中的瓦斯向采空區(qū)放散的條件。下部巖層向上鼓起的程度隨距采空區(qū)的距離不同而不同，下鄰近層的頂板向上移動(dòng)的量大于其地板巖層向上移動(dòng)的量，這樣就是鄰近層膨脹，其膨脹量可達(dá)本身厚度的千分之幾，這就大大提高了下鄰近層的透氣系數(shù)。下鄰近層的瓦斯涌出一般是比較緩慢的，但當(dāng)層間巖層強(qiáng)度低而且距離不大時(shí)，在下鄰近層高壓瓦斯壓力的推動(dòng)下，可以形成猛烈鼓起，造成底板破裂、瓦斯突然噴出。3.3.3 瓦斯在采空空間的涌出煤礦內(nèi)采空空間是一個(gè)巨大的巷道網(wǎng)絡(luò)和采空裂隙空洞區(qū)域，其延展的范圍縱深幾百米，面積達(dá)數(shù)平方公里，空隙空間的容積也達(dá)到幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)立方米，瓦斯在這一巨大空間中的運(yùn)移主要受控于礦井通風(fēng)系統(tǒng)和壓力分布。例如在工作面采用U形通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，工作面上隅角是采空通風(fēng)壓力最低的地點(diǎn)，因而采空區(qū)瓦斯大量向該處匯集，致使該處瓦斯?jié)舛染痈卟幌?，難以處理。從上隅角涌出的瓦斯并不是來(lái)自上隅角，而來(lái)自采空區(qū)中的大部分區(qū)域，在這一區(qū)域中的瓦斯在通風(fēng)外力的作用下被集中在了上隅角。當(dāng)采空區(qū)的冒落空間擴(kuò)展到鄰近的采空空間時(shí)，如該區(qū)儲(chǔ)存有大量的瓦斯，在通風(fēng)壓力的作用下也可以流入正在開(kāi)采的空間，使采區(qū)瓦斯涌出量驟然增加；這種來(lái)自開(kāi)采空間區(qū)域外的瓦斯，不僅可以來(lái)自