淮南矿区瓦斯抽采技术分析专题报告

淮南矿区瓦斯抽采技术分析摘要本文系统总结评述了近年来煤矿瓦斯治理和抽放理论及其应用的诸多成果和最新进展，根据淮南矿区实际,通过查阅资料和理论分析，阐述了淮南矿区瓦斯综合治理的基本方法，简述了顶板走向钻孔、高抽巷、专用巷道等瓦斯治理技术的现场使用条件及技术参数，分析了局部及区域性瓦斯治理技术在淮南矿区的应用效果和存在的问题，提出并研究了复杂特困条件下煤与煤层气共采技术。应用数值模拟、相似材料试验、工业性试验等方法，研究了开采煤层顶板煤层气抽采技术、开采保护层卸压增透抽采煤层气技术、地面钻井抽采采动影响区域煤层气技术等采动煤岩移动卸压抽采煤层气技术，以及原始煤层强化抽采煤层气技术的关键参数,简要的进行了分析整理。关键词： 煤矿煤层气 矿井瓦斯 抽采 治理ABSTRACTThis paper summarizes and reviews the achievements and lasted advances of methane harness and drainage theory and its applying. According to the actual huainan coal mine, through the data access and theoretical analysis, this paper expounds the comprehensive control of huainan coal mine gas the basic method, this paper describes the roof to drilling, with the pumping lane, special streets, etc gas treatment technology of the field use conditions and technical parameters, analyzed local and regional gas treatment technology in the application effect of huainan coal mine and the existing problems The co-extract ion technology of coal and CMM under the complicated and difficult geological cond-Itions in Huainan Coal Mining Area is presented1 With numerical simulation, similar materials testing, commercial testing, etc1, the CMM drainage technologies with the displacement and depressurization of mining coal rock, involving coal seam roof, depressurization and enhanced permeability of protective coal seam, and mining influence zone of surface drilling drainage, and the intensified CMM drainage technologies with virgin coal seam are studied, the key parameters obtained1 The on-site application of the technologies is introduced in an all round way. Key words: CMM;coal mine gas; drainage;management1 课题研究的背景到目前为止，瓦斯灾害依然是我国煤矿伤亡、损失最大以及发生最频繁的重大恶性事故，严重威胁着矿井的安全生产，并给煤矿企业带来沉重的经济负担，迫使许多高瓦斯突出矿井长期处于亏损经营状态，有的甚至破产。据统计，原国有重点煤矿576处矿井中，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井有277处，占48%以上。在1976年我国煤矿瓦斯事故死亡人数比例占20.2%，而到了2000年，煤矿的瓦斯事故死亡人数的比例却上到54%,仅当年全国共发生特大瓦斯事故69起，死亡1326人，分别占当年煤矿特大事故总起数和死亡总人数的92%和94. 4%。煤层瓦斯还是造成温室效应、破坏臭氧层等大气环境污染之源，其温室效应是同质量二氧化碳的20-60倍，对大气臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。尤其是近年来，随着煤炭开采深度的增加，采掘机械化程度的提高，矿井瓦斯排放量也在急剧增大，相应的在排放过程中消耗的人力、财力也迅速增加。据估计，我国每年不经过任何处理直排大气的瓦斯约为7.71010 m3，占世界煤矿瓦斯排放量的32. 5%，造成严重的大气污染。同时，瓦斯又是一种经济的可燃气体，是高热、洁净、方便的能源，具有其它能源无法比拟的无污染、无油污等多种优点。按瓦斯的热值（约为3.35 3.77105 J/m3）计算，1000 m3瓦斯约相当于4t原煤所产生的热量。另外，瓦斯除用做民用燃料之外，还可作为化土原料生产氨气和化肥等。因此，瓦斯集利与害于一身，是煤矿特有的宝贵资源，应该作为煤矿的第二能源加以积极的开发和利用。国内外大量的实践证明，如能实现煤与瓦斯两种资源的有效、安全共采，不但可以大大地降低矿井瓦斯排放量、有效防治瓦斯灾害，从而保障煤炭的安全回采，而目还可作为清洁能源加以利用，使其变害为宝，减少将其排放于大气所造成的环境污染，并为社会提供更多的就业机会，从而实现矿井安全生产、新能源供应和环境保护三重效应，获得显著的经济和社会效益。我国是世界上煤层瓦斯（煤层气）资源储量巨大的国家之一。据中联煤层气有限责任公司与煤炭科学研究总院西安分院最新一轮的全国煤层气资源预测（2000年），在300-2000 m范围内储藏着3. 1461013 m3的瓦斯资源，约占世界的13%，与我国常规天然气的资源量相当，极具开采利用价值。然而，以往我国大部分煤矿开采中，只将其作为有害气体加以控制和排放。虽然，近年来我国在开采煤层气方而的研究和开发力度有所提高，但与美国勘探利用煤层瓦斯资源（其年产量占天然气总产量的5%，相当于我国天然气的年总产量）相比，我国日产气量超过1000 m3的气井数目不多，且产气量不甚稳定，主要原因是我国煤层瓦斯赋存明显地存在着“两高三低”的特征以及与之相应的瓦斯储运理论和开采技术尚未有重大突破。因此，必须在吸收美国开发煤层瓦斯成功经验的基础上，研究适合我国煤层瓦斯的储运理论和开采技术。2 煤矿瓦斯抽采技术机理的国内外研究现状2.1 国外研究现状瓦斯在煤层及采动裂隙岩体中的运移和聚积规律，是煤矿瓦斯防治和抽放技术发展的基础，而这项研究涉及渗流力学、岩石力学、采矿及安全工程学等多学科，但关键却在于力学学科的渗流理论。自1947年前苏联学者P. M.克里切夫斯基将渗透理论用于描述煤层内瓦斯运移过程，得出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流规律，为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础，到现在，煤岩瓦斯耦合作用理论已经发展了近60年。目前，在国内外指导煤矿瓦斯防治和抽放瓦斯机理的数学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯渗流一扩散规律以及多物理场、多相煤岩瓦斯祸合规律、煤层卸压瓦斯越流理论和采动裂隙带瓦斯运移规律等方而的研究。目前，美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家的煤层气产业发展比较迅速。由于各国的煤层气资源条件、政策等差别、煤层气发展的状况有所不同。美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家，也是迄今为止煤层气产量最高的国家。目前，美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位。美国利用地面钻孔水力压裂开采煤层气技术，进行煤层气地面开发有两种情况。一种是以圣胡安 盆地为代表，在没有采煤作业的煤田开采煤层气，采用的技术与常规天然气生产技术基本相似，渗透 率低的煤层往往需要采取煤层激励增产措施；另一种以黑勇士盆地为代表，在生产矿区内开发煤层气。采气与采煤密切相关，特别是采用地面钻井抽取采空区的煤层气，由于采煤时引起上覆煤层和岩层下沉与煤裂，采空区上方岩石冒落，压力释放，透气性增加，瓦斯大量释放聚集于采空区，抽气容易，不需要进行煤层压裂处理。由于美国极力支持 煤层气的开发利用，国内大批科研院所积极投身于 煤与煤层气共采的科学研究。美国还十分重视煤层气的勘探技术开发，80年代先后投入60多亿美元，进行了大规模科研试验，取得了总体勘探技术的突破，对世界煤层气产业的发展做出了重要贡献。加拿大对煤层气的开发利用和对煤与煤层气共采的研究的起步时间基本和我国相当。由于加拿大政府一直支持煤层气的发展，一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点，开展了一系列的技术研究工作，在多分支水平羽状井、连续油管压裂、煤与瓦斯共采等技术方面取得了进展，降低了煤层气的开采成本，给煤层气的发展带来了机遇。澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气，主要在昆士兰的鲍恩盆地。19871988 年期间已经用地面钻井方法在煤层中采出了煤层气。昆士兰天然气公司已经在靠近Chinachill的Argyle21 井取得煤层气生产成功,日产气量超过21832万m3。但到目前 为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。 欧洲等国开发利用煤层气资源已有很长的历史，但将煤层气作为单独的资源进行开发是最近的事，对煤与煤层气共采技术的研究也处于初级阶段。欧洲主要的产煤国有三个，即德国、波兰和英国。此外，乌克兰、西班牙、捷克和斯洛伐克、匈牙利、法国、比利时及荷兰也拥有大量的煤炭资源，因而也是煤层气开发的有利地区。2.2 国内研究现状2.2.1煤与煤层气共采技术的基础研究煤与煤层气共采是钱鸣高院士和缪协兴教授等 提出的绿色开采的有机组成部分，因其要在一定的地质条件下实现煤与煤层气共采，所以其基础包括矿井地质和煤层气防治理论、采动岩体结构运动规律、煤层气运移规律和卸压煤层气富集区理论及创新型技术等。采动岩体结构理论是采场矿压理论等基础上发展起来的，最重要的核心是由钱鸣高院士、缪协兴教授等将采场矿压砌体梁力学模型发展到岩层控制的结构关键层力学模型。关键层理论提出的目的是 为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂 隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉 陷控制等的影响。在 “煤与瓦斯共采”技术方面 , 岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙场分布、离层规律将对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放 层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要 参考作用。周世宁院士于1963 年在北京矿业学院科学文选中首次完整的发表了“煤层瓦斯流动理论及其应用”。周院士在实验室进行了瓦斯流动的物理模拟试验，应用相似理论将实验结果以相似准数的形式导出通用的单向、径向和球向不稳定流动瓦斯涌出量计算公式，科学系统的阐明了瓦斯在煤层中的单向、径项和球向流动规律和瓦斯在煤层中的扩散渗透规律。煤层瓦斯流动理论的提出及发展给煤与煤层气共采的科学研究提供技术和理论基础。2.2.2 煤与煤层气共采技术的研究我国煤层气抽采技术经历从“高透气性煤矿煤层气抽放”、“邻近层卸压煤层气抽放”、“低透气性煤层强化煤层气抽放”和“综合抽放煤层气”四个阶段。袁亮院士根据淮南矿区煤层煤层气含量高、埋 藏深、极松软、透气性低和煤层气压力大等复杂地 质条件于 2006 年提出 “复杂地质条件煤与煤层气 共采技术体系”。该体系包括采动煤岩移动卸压增 透抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯技术、采空区瓦斯抽采技术等。 袁亮院士结合淮南矿区煤层群开采条件分别于2008 年和 2009 年提出低透气性煤层群煤与瓦斯共 采技术思路：首采关键卸压层，沿首采面采空区边 缘快速机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来，形成无煤柱连续开采，在留巷内布置上下向高 低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域，实现连续抽 采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步推进，构建以留 巷钻孔替代多岩巷的抽采卸压瓦斯的煤气共采技术 体系。这一技术思路回避了深井开采面临的很多技术难题，是深部安全高效开采的一个重大技术方向。实质上，煤与煤层气共采在不同类型矿区有不同的技术内涵，对于高瓦斯矿井不仅要合理开采煤层气做到资源充分利用，实现煤与煤层气共采，而且还要做好防治煤层气灾害工作。2.2.3 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术瓦斯治理是煤矿安全高效开采的前提和基础。瓦斯问题特别是低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题，长期以来没有解决，因而导致煤矿瓦斯事故多发、生产效率低下，安全高效开采难以实现。随着矿井开采深度加大，地质条件更复杂，地应力、瓦斯含量和压力增加，瓦斯治理难度进一步增大。近 期我国发生的煤与瓦斯突出引发瓦斯爆炸事故 , 都 是由于煤矿向深部开采过程中瓦斯灾害升级所致，如2009年2月22日，山西古交市屯兰煤矿发生瓦斯爆炸事故，77人死亡，2009 年5月30日，庆松藻煤电同华煤矿特大瓦斯突出事故 ，30人死亡，77 人受伤，2009 年 9 月 8 日河南平顶山市新华四矿特大瓦斯爆炸事故，54 人死亡，2009 年 11 月 21 日，鹤岗新兴煤矿特大瓦斯爆炸，108 人死 亡。淮南矿区煤层赋存条件极其复杂，是我国瓦斯含量最高的矿区之一，曾是全国瓦斯事故重灾区。目前，淮南矿区内现有矿井全部为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井。新建矿井多为深井开采，首采区多在距地表 800 m 以下深度，大部分生产矿井的开采深度已达-700 - 1000 m，且开采深度正以每年2025 m 的速度增加。由于传统的瓦斯抽放技术和方法。不能解决松软低透气性煤层群开采的瓦斯 治理难题，自1998 年起，淮南矿区转变了瓦斯治理理念，开展科研攻关，创新瓦斯治理技术，取得了瓦斯治理技术的重大突破，现了煤矿安全高效 开采。2.3 煤炭科学产能的制约因素分析总体来看，我国煤炭科学产能制约因素主要有：(1)深部煤炭开发的资源制约；(2)煤炭开发基地西移中的生态环境及长距离输送制约；(3)安全高效生产能力制约；(4)资源回收率制约；(5)环境容量制约。我国煤矿灾害类型多，分布面广，在世界各主要产煤国家中开采条件最差、灾害最严重。据调查，对于国有重点煤矿，处在浅部开采时，地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36 %，地质构造简单的煤矿占23%，进入深部开采后，地质构造均朝复杂或极其复杂发展。我国煤层瓦斯含量丰富，累计探明煤层气地质1023亿m3，可采储量约470亿m3，埋深浅于2000 m的煤层气资源量为361.8万亿m3，居世界第三位。但我国高瓦斯矿井多，有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，大部分为低透气性煤层(渗透率 1 %)，平均在 0.002 16.17 % 。其中，渗透率小于 0.1% 的占35 %，01 111.0 mD的占 37 %，大于11 0 mD 的占28 %，大于10 mD的较少。煤炭科学开采势在必行，瓦斯治理任务艰巨实践证明，靠传统的瓦斯综合治理途径、引进技术和地面开采煤层气等方法都不能解决我国绝大部分矿区的瓦斯治理难题，特别是在类似两淮矿区复杂的地质条件低渗透率煤层，根本就无法解决瓦斯治理难题，自然就遏制不了瓦斯事故的发生。必须依靠自主创新，走科学开采的路子。淮南根据矿区实际情况，经过长期探索研究及工程实践，探索出了低透气性高瓦斯煤层(群)煤层气高效开采与利用技术，初步建立了低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术理论体系，该瓦斯治理理念和技 术在全国大部分矿区得到了推广。2.3.1 理念创新引领煤矿瓦斯综合治理安全与生产的矛盾可以统一于先进生产力实践证明，煤矿的安全与生产并不是一对不可调和的矛盾，在先进生产力面前，保护生命和提高产量目的其实是可以同时达到的。事实上，治理瓦 斯的目的之一也就是要提高生产力水平。淮南建设 新型能源基地的特征就是 “一先进三保护”，即发展先进生产力，保护生命，保护资源，保护环境，并实现“三个转变”，即从劳动密集型转到技术密集型，从粗壮劳动力转到高素质员工队伍，从粗放管理转到科学管理。可保必保、应抽尽抽。淮南矿区经过长期探索研究及工程实践,得出首采卸压层卸压开采、煤与瓦斯共采是对突出煤层进行消突最有效、最可靠，也是最经济的方法的结论，认为可保必保(具备条件的必须开采首采卸压层)，应抽尽抽 (给足卸压抽采时间和空间，实现瓦斯抽采最大化。在此前提下，基本上解决了低透气性高瓦斯煤层(群)瓦斯高效开采难题。治理瓦斯，岩巷先行。事实证明，瓦斯治标治本都离不开打钻。打钻和岩巷作为安全生产技术的第一要务，为实现瓦斯治本，必须着力建设一流的打钻和岩巷队伍 、一流的打钻和岩巷装备、一流的打钻和岩巷管理。淮南矿区现立足打大钻、打长钻、打高技术钻，用准军事化、专业化、精细化手段管理打钻队伍。淮南矿区现有8支专业化打钻队伍，共计1700人，实现了专业化打钻队伍“全覆盖”。瓦斯利用瓦斯是我国煤矿生产过程中的主要灾害源，同时也是一种新型的洁净能源和优质化工原料 。开发利用瓦斯(煤层气)，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全条件和提高经济效益，对缓解常规油气供应紧张状况，实施国民经济可持续发展 战略，减少温室气体排放，保护环境等均具有十分 重要的意义。因此，煤矿瓦斯治理必须走“变抽放为抽采，煤与瓦斯共采，治理与利用并重”的路子。2.3.2 技术创新是实现煤与瓦斯共采的关键煤与瓦斯共采必须依靠技术创新。淮南矿区开展了大量研究，成功地解决了矿区瓦斯治理和安全开采技术难题。应用这些成果，连续12年避免了瓦斯爆炸事故，百万吨死亡率从4.1%降低到近5年0.1%左右的国际先进水平，安全有了保障，企业得到发展，年产量从1000万t增加到6700万t。淮南矿区的煤与瓦斯共采主要创新技术包括如下几个方面。2.3.3 地质保障技术是煤与瓦斯共采的基础 目前淮南地质保障技术的创新重点主要包括三维地震精细解释(地面地质 “CT”) 、井下综合物探 (井下地质“CT”)、地测、防治水信息化及预警、地球化学识别(地质“DN A ”) 、出水水源快速判别、瓦斯地质等关键性技术。2.3.4 卸压开采抽采瓦斯理论淮南在解决低透气性高瓦斯煤层安全开采技术难题的过程中，打破传统自上而下的煤层开采程序，设计了制造煤体松动卸压的开采方案，提出采取卸压开采增加煤层透气性、抽采瓦斯的原理，变传统瓦斯自然排放为集中抽采，实现卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的科学构想，首采层开采后，大量解吸瓦斯在抽采负压作用下沿卸压张裂隙径向流动的卸压开采抽采瓦斯原理图。基于此，根据实验室模拟研究，提出了在煤层群中选择安全可靠的煤层首先开采，造成上下煤岩层膨胀变形、松动卸压，增加煤层透气性，同时在被卸压煤层顶底板设计巷道、钻孔抽采卸压瓦斯的技术路线。同时利用数值模拟研究手段对淮南矿区卸压开采采场内应力场分布规律进行了系统深入研究，并发现了首采层开采后顶板存在环形裂隙区、顶底板被卸压煤层膨胀变形区的裂隙场分布及演化规律，以及瓦斯富集区分布及运移规律。研究成果在百余个工作面进行现场工业性试验，取得了巨大成功。2.3.5 卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采工程技术体系尽管卸压开采抽采瓦斯技术在淮南矿区取得了成功，但该技术存在瓦斯抽采巷道、钻孔工程量大等缺点，因此，在此基础上又进行了深入研究，2004年又提出了无煤柱煤与瓦斯共采的科学构想，走采煤工作面无煤柱沿空留巷替代顶底板瓦斯抽采岩巷、变传统 U 型通风方式为“Y”型通风方式、在留巷内设计钻孔连续抽采采空区瓦斯的技术路线 。(1)首采煤层顶板瓦斯抽采技术。首采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。根椐矿山岩层移动理论，煤层在开采过程中，顶底板岩层冒落、移动产生裂隙。由于瓦斯具有升浮移动和渗流特性，来自于大面积的卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到裂隙充分发育区，在环形裂隙圈内形成瓦斯积存库。数值模拟研究表明首采层瓦斯富集区位于两巷采空侧上方(宽030 m ，高 825 m)的环形裂隙区、顶板破碎角50对应向上40581.7 m 的竖向裂隙区。因此，把抽采钻孔和巷道布置在环形裂隙圈内，能够获得理想的抽采效果，从而避免采空区瓦斯大量涌入到回采空间。淮南矿区工程实践表明，在裂隙区内预先布置顶板巷道或 钻孔抽采卸压瓦斯，抽采率可达 60 %。 卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采理论研究 和工程实践在淮南矿区取得成功，实现了卸压层间距达50倍采高，突破了30倍采高的传统理论，实现了无煤柱煤与瓦斯共采技术的重大突破。(2)大间距上部煤层膨胀卸压开采顶板瓦斯抽采技术。淮南矿区利用首采煤层的远程采动卸压和使顶 板卸压煤岩层下沉变形破裂，使透气性成千倍增加，在首采层开采过程中，在顶板破裂弯曲下沉带，首创“卸压煤层底板岩巷和网格式上向穿层钻 孔瓦斯抽采方法”，将顶板弯曲下沉带卸压煤层和底板臌起卸压膨胀带内的解吸瓦斯，通过顺层张裂隙汇集到网格式抽采钻孔，进行及时有效的抽采。研究发现首采层卸压开采后，上向卸压范围为走向卸压角80.1884.17，倾向卸压角 8385，上向卸压层间距达 10 150 m，采用在被卸压煤层底板弯曲下沉带预先布置巷道钻孔抽采卸压瓦斯的技术方法，抽采率达 65 %以上。(3)煤层群多层开采底板卸压瓦斯抽采技术。淮南矿区 B8 B4 煤层属于煤层群开采，B8、B7 b、B7a不是突出危险煤层，B6 和 B4 为突出危险煤层 。因此，首先以非突出煤层B8 作为首采保护层，然后依次开采非突的B7 b 、B7a 煤层，最后开采受到上保护层采动卸压保护的 B6 、B4突出危险煤层。当 B8采动后，B7、B6 煤层处在膨胀裂隙带内，在此裂隙带的底板岩层内布置巷道和网格式穿层钻孔实现多重高效瓦斯抽采。研究发现多重卸压开采后，下向卸压范围为走向卸 压角99.13100.11，倾向卸压角102110，下向卸压层间距达10150 m，采用预先布置巷道和穿层钻孔抽采卸压瓦斯，瓦斯压力由 31.6M Pa 降至0.2M Pa ，透气性系数增大了570倍，抽采率达50 %以上 。多重开采上部煤层对下部煤层的卸压效随之增加，回风流及顶板钻孔或巷道内的瓦斯浓度也开始下降，典型情况下降低 1213个百分点。（4）无煤柱煤与瓦斯共采技术根据煤层群赋存条件，首采关键卸压层，沿采空区边缘沿空留巷实施无煤柱连续开采，通过快速 机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来，沿空留巷与综采工作面推进同步进行，在留巷内布置上(下)向高(低)位钻孔，抽采顶(底)板卸压瓦 斯和采空区富集瓦斯，工作面埋管抽采防止采空区瓦斯向工作面大量涌出，以留巷替代多条岩巷抽采 卸压瓦斯，可大大减少岩巷和钻孔工程量，实现煤与瓦斯安全高效共采。(5)卸压开采裂隙发育区地面钻孔管抽采瓦斯技术。地面采空区钻孔的设计目的在于在得到一个高效的地面采空区钻孔抽采系统，该系统能更多地抽采高浓度的瓦斯，并使采空区自燃的风险最小。2.4 采空区瓦斯抽采对减小回风流及其它抽采方法2.4.1 首采保护层采场内应力场、裂隙场分布及演化规律。淮南矿区无煤柱留巷卸压开采煤与瓦斯共采试验发现，首采层沿空留巷采场内增压区位于首采保护层工作面前方030m，应力集中系数为23倍，采空区300500 m以外为卸压稳定区，裂隙发展期为首采保护层工作面后方0 50m ，活跃期位于 50500 m，衰减期为500 m以后且呈楔形偏向采空区发展。钻孔验证发现采面后50300 m 、顶板向上 540 m环形竖向裂隙场内瓦斯浓度为10 %40 %。采空区顶板540 m，首采保护层工作面开采后50 m瓦斯浓度超过10 %、100 m 超过20 %、300 m达到40 %。这为布置抽采瓦斯钻孔提供了依据。2.4.2 首采层开采后顶底板瓦斯富集区研究发现首采层开采后顶底板不同层位存在着4个瓦斯富集区即上向被卸压煤层解吸瓦斯富集区、竖向楔形瓦斯富集区、顶板环形瓦斯富集区和 下向被卸压煤层解吸瓦斯富集区。经过现场试验考察得到，1 #钻孔抽采瓦斯浓度10 %30%，单孔抽采流量1.211.3 m3/mi n，钻孔有效抽采区域为垂直煤层顶板向上4.012.2倍采高(8.036.6m)，倾斜方向040 m，留巷内钻孔有效抽采长度500600m，远程上向卸压煤层有效抽采瓦斯区，2 #、3 #钻孔抽采瓦斯浓度60 %95 %，单孔抽采流量1.25 11.50 m3/min，钻场有效抽采卸压瓦斯的走向长度超过200m(约40d)，相当于3倍的层间距，钻孔有效抽采区域为左边角小于75，顶板方向发展高度超过 130 m。4 #、5 # 钻孔抽采瓦斯浓度85 %100 % ，单孔抽采流量1.121.98 m3 / mi n，孔有效抽采区域为左边角小于 85，底板方向发展深度达到 100 m。上向被卸压煤层通过1 #、2 #、3 #钻孔连续抽采(采煤工作面后方0 300 m，顾桥矿13-1煤层，实现单面日产气 30946 m3，日产煤16426t，抽采率达72 % ，新庄孜矿B11b煤层瓦斯预抽率达72.14 %，下向被卸压煤层 通过4 #、5#钻孔连续抽采，新庄孜矿 B8 煤层瓦 斯预抽率达56 %。2.4.3 无煤柱护巷围岩控制关键技术 基于无煤柱留巷围岩内外层结构稳定性规律的研究，提出无煤柱留巷顶板抗剪切破坏的强化锚杆控制技术和辅助加强支护技术，构建了所示的“三位一体”的留巷支护技术体系，即抗顶板剪切回转的锚杆(注)主动支护P1 、强采动应力影响期间的巷内自移辅助加强支护 P2和高承载性能的巷旁充填墙体支护P3。研制出了高承载性能机械化施工的巷旁充填支护技，能保证充填墙体紧随工作面及时快速构筑，满足了综采工作面日进10 m、日产2万t的快速开采要 ，同时，实现900 m 深井护巷断面 810 m2，长度达 2900 m 的世界纪录，是国外的2 3 倍，成本仅为欧洲的1/3，兼顾了采煤生产和充填平行作业，实现了矿井的安全高效生产。现场试验效果为上向被卸压煤层瓦斯抽采率72 %以上，瓦斯压力降至1.21.4 M Pa 以下，瓦斯抽采浓度达60 %95 % 。2.4.4 无煤柱(护巷)Y型通风留巷钻孔法抽采瓦斯关键技术(1)首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术。现场试验效果为抽采瓦斯浓度10%40 %，首采层采空区瓦斯抽采率70 %以上，连续抽采最高达90 %。(2)留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术。现场试验效果为瓦 斯抽采浓度 85 %100 % ，一层被卸压煤层，瓦斯抽采率 46 %以上，多层开采后可达70 %以上。(3)淮南矿区应用效果显著。首采保护层工作面瓦斯抽采浓度由60 %提高到70 %90 %，抽采率由60 %提高到70 %以上，上下邻近的被卸压高瓦斯煤层瓦斯压力降至 1.21.4 MPa 以下，瓦斯含量抽采至35 m3 / t以下，首次达到了上向150 m，下向 100 m的有效卸压范围，高浓度瓦斯作为资源抽采至地面直接利用，治理和利用成本降低了50 %以上。2.4.5 井上下立体瓦斯抽采体系目前，淮南矿区已形成了井上下立体的卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的工程技术新格局，实现了被卸压煤层瓦斯含量、瓦斯压力分别降低到国家规定的8 m3 / t 和 1. 74 M Pa以下。(1)顶板走向钻孔抽采技术。在采煤工作面上风巷每隔 80 100 m向顶板施工一个钻场，在钻场内施工610个钻孔，终孔高度位于煤层顶板向上1015 m，距工作面回风巷的水平距离为5 20 m，扇形布置。顶板走向钻孔抽采浓度一般在15 %45 %之间，纯量在518 m3 / mi n范围。(2) 穿层钻孔预抽技术。在煤层底板开拓或分组集中岩巷内，沿走向每隔 2530m施工一个钻场，布置一组穿层钻孔，钻孔穿透煤层，孔底间距1020 m，预抽 23 年。抽采浓度一般为 30 %70 %，单孔纯量为0.121 m3 / mi n 。该技术主要用于无保护层开采的突出煤层消突 。(3)穿层钻孔抽采卸压瓦斯技术。一般配合卸压层开采，施工穿层钻孔拦截抽采被卸压层卸压瓦斯，终孔位置为进入临近被卸压煤层顶板 15 m， 钻孔间距为2040m。抽采浓度一般为40 %80 %，纯量为2030 m3/min ，最佳抽采范围为随卸压层开采推进走向200300 m。(4)采空区埋管抽采技术。在工作面上风巷单 独敷设抽采管路进行上隅角埋管抽采，埋管分为浅 埋 (35 m)和深埋 (2040 m)两种。上隅角充填垛采用编织袋装填煤矸进行充填，主要用于控制高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限或积聚。(5)顶板专用瓦斯抽采巷抽采技术。在开采煤层顶板岩层或煤层中沿工作面走向方向施工顶板专用瓦斯抽采巷，层位处于采空区裂隙带内抽采高浓度瓦斯。一般用于瓦斯涌出量在30 70m3/ min 的工作面。(6)回风巷倾向钻孔抽采技术。开采下卸压层 或工作面上临近层瓦斯涌出量较大时可在回风巷向顶板施工倾向钻孔，抽采被卸压层或临近层瓦斯。钻孔倾角 4060，终孔落在被卸压层顶板或临近煤层顶板。封孔深度超过冒落带并且不低于20 m。(7)地面钻井抽采技术。开采卸压层时，采用地面钻井抽采采动区卸压瓦斯。钻井一般布置在工作面的中部，钻井间距 300m左右，单井流量518 m3 / mi n ，浓度 50 %95 % ，单井抽放纯瓦斯可达 200 万m3以上。采用地面钻井抽采采空区瓦斯时，钻井一般布 置在距工作面回风巷3050m 左右，钻井间距120 m 左右，单井流量38 m3 / min，浓度 30 %和避免瓦斯事故的发生，促进煤炭生产安全高效绿色开采，实现煤炭工业健康可持续发展。(8)顺层钻孔抽采技术。通常是在开采煤层的机巷和风巷时，沿煤层倾斜方向施工顺层倾向钻孔，也可由采区上山 、下山、工作面煤壁沿煤层走向施工水平钻孔。顺层长钻孔瓦斯抽采技术主要解决突出和本煤层瓦斯涌出量大等问题。矿区试验顺 层钻孔深度已达 300 m。尽管煤与瓦斯共采在淮南矿区取得了成功，并在全国开始推广应用。但我们应该清醒地认识到，煤与瓦斯共采研究成果要在全国进一步推广，还有很多工作要做，需要对不同矿区、不同煤层地质条 件的相关技术问题进行研究，使煤与瓦斯共采能够适用于我国各类条件的煤矿，并在此基础上使得瓦斯治理技术取得突破性进展，杜绝瓦斯事故的发生。3 淮南矿区煤层气抽采技术概述淮南矿区地处安徽省淮北平原的南部, 东西延展70 km，南北宽25 km，面积1571 km2, 为我国高瓦斯矿区的典型代表，煤炭资源500亿t，已探明储量123亿t，瓦斯储量高达5928亿m3，按年开发煤层气量10亿m3，可持续发展50 年以上。煤田内煤层气含量总体是东高西低，以谢李深部为中心的东部区域煤层气含量最高，西部的刘庄井田、谢桥井田煤层气含量较低。淮南煤田煤层气资源密度比较大，都在1.42亿m3/km3以上，最大可达4.05亿m3/km3。主采煤层C13_1和Bl1b 的煤层气含量为12-15m3/t。全煤田有三个高煤层气含量区：谢李区、潘集深部区、新集张集深部区。矿区地质构造复杂，探明3m 以上断层2970 条。矿区开采煤层8 15 层，多组高瓦斯煤层群开采。煤层围岩属高应力软岩，水平应力为垂直应力的111 115倍，、类极易破碎型顶板占80%以上，巷道支护困难。矿区现有的15对生产矿井全部为煤与瓦斯突出矿井, 瓦斯涌出量达820 m3/min。与矿井瓦斯赋存有关的参数如表3-1。淮南矿区曾被认为是瓦斯事故重灾区，采煤技术落后，生产效率低下, 矿区产量40 年来一直徘徊在800 1000万t/a。1997 年以前，矿区煤层气抽采效果极差, 年均抽采量52.0万m3，矿井平均抽采率3% 。矿区在1987 1997 的10 年间，发生特别重大瓦斯爆炸事故5起，死亡293人。其中在1997年11月份的两周时间内发生2起特别重大瓦斯爆炸事故，死亡133人。表3-1 煤矿煤层气赋存参数表名 称参数值煤层气含量12 26 m3/ t煤层埋藏深度- 300 - 1500 m煤质松软f = 0.2 0.8煤层透气性K= 0. 0011m2/ (MPa2/d)瓦斯压力Pmax= 6MPa1998 年以来，矿区通过科研攻关，研究成功并推广应用煤与煤层气共采技术。效果显著。淮南矿区1997 年与2004 年对比显示, 煤层气抽采量由1000万m3 增加到115 亿m3，煤层气抽采率由5%提高到42%，煤炭产量由1000 万t 增加到3000万t。综采工作面最高单产由60万t/a增加到310万t/a，掘进单进超1000m/ 月，达到全国同类条件最好水平。控制了重特大瓦斯爆炸事故。百万吨死亡率由15人降低到0.14人。淮南矿区在瓦斯控制方面所取得的成绩主要得益于采用了先进、高效的煤层气抽采技术。3.1采场瓦斯治理方法研究3.1.1采空区瓦斯治理方法采空区瓦斯赋存及运移规律：采空区瓦斯来源于上、下邻近层及遗煤析出的瓦斯，其涌出量通常占回风瓦斯量的50% 左右。采空区瓦斯分布与漏风流场的状态关系密切。根据采空区流场分布规，采空区漏风从工作面上部流出。由于瓦斯的比重只有空气的0.554倍，在低雷诺数的线性层流区瓦斯气体显现上浮特性，特别是深部采空区高浓度瓦斯向工作面上隅角运移时，这种上浮特性较为显著。在冒落带下部距工作面15 m以内的区域，采空区漏风符合大雷诺数的非线性渗流规律，瓦斯一旦与空气混合，便在空气中均匀分布。在冒落带上部及离煤壁较远的压实区，漏风风速很小，由于体积力的作用，瓦斯气体存在上浮分层现象容易积存高浓度瓦斯。图3-1-1为实测潘一矿2312(3)采面采空区瓦斯分布情况，其中距工作面15 m以远瓦斯浓度呈现分层现象。由此看出，采空区上部积存的瓦斯浓度较高，并且在向工作面上部运移的过程中，瓦斯气体随着漏风风速的降低边运移边上浮，当上隅角处理不善而存在涡流区时，就会造成瓦斯积聚，回风流瓦斯超限，严重威胁矿井安全生产。在负压U型通风条件下，采空区漏风流场范围内的积存瓦斯均要通过岩体空隙涌向工作面。涌入量的大小取决于漏风压力和岩体的渗透率，即岩体的间隙及连通情况。因而治理采空区瓦斯的主要手段是切断涌入瓦斯源和改变漏风分布状况，减小瓦斯向采面的涌入量。图3-1-1 2312 ( 3) 采空区瓦斯浓度分布3.1.2顶板走向钻孔抽放技术顶板走向钻孔抽放技术能够通过抽放切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，同时，对采空区下部赋存的瓦斯起到拉动作用，减少采空区瓦斯向工作面的涌入量，钻孔布置如图3-1-2 所示。其原理是在采空区流场上部增加汇点。使瓦斯通过汇点流出。图3-1-2 顶板走向钻孔平面布置示意(1)钻孔施工层位。施工层位的选择是这种方法抽放效果好坏的决定因素。矿压研究表明，采场上覆岩层随着工作面的推进存在“三带”和“三区”。沿工作面推进方向，裂隙带岩层分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。在竖直方向，采场上覆岩层分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带岩石的松散系数一般为1.3 1.5，经过重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。裂隙带由于断裂的岩块排列比较整齐，因此碎胀系数较小。受采动的影响，煤壁支撑影响区域的岩层水平移动比较剧烈。垂直移动则很微小。离层区垂直位移增大，并且下部位移速度快，重新压实区岩层受已冒落岩石的支撑，其下部岩体位移速度变小，岩层活动趋于缓和。因此，裂隙带的离层区和冒落带的岩体之间空隙较大，连通性好。顶板抽放要求瓦斯浓度高，并要满足一定的抽放流量，即抽放口附近的裂隙要有良好的瓦斯通道。因此，抽放位置不能太高，高处虽然瓦斯浓度高，但由于裂隙不够发育，裂隙之间的连通性不好，很难抽到大量瓦斯。而在采空区低处一方面瓦斯浓度较低，另一方面因为岩石松散度大，抽放的影响范围小，不能有效切断邻近层瓦斯涌入回采空间。根据对采场上覆岩层活动规律的分析，离层区下部和冒落带上部的岩石裂隙连通性好，是顶板抽放的最优区域。据测定，当上覆中硬岩层时，缓倾斜煤层冒落带高度为采高的3 4 倍，当上覆岩层为软岩时，冒落带高度是采高的1 2倍。淮南矿区除综放面外，其它长壁工作面采高均为2 3 m，采空区冒落带高度为4 12 m。淮南矿区顶板走向钻孔的终孔位置距煤层顶板法向距离不大于20 m。每个钻场施工钻孔5 9 个，钻孔长度100 150 m, 钻孔控制范围距上风巷水平距离20 m。从图3-1-3 可以看出，浓度最高点的瓦斯流量不是最大值，因此需要通过抽放负压、浓度、流量等抽放参数综合考虑抽放口的层位。淮南矿区抽放效果最佳的钻孔层位在煤层顶板向上3 13 m。图3-2-3 5111C13 顶板走向钻孔层位与抽放效果之间的关系在潘三矿1552(3)采面对风量与瓦斯量的关系进行了考察。在没有进行抽放的条件下，当风量为1500m3/ min时，采空区瓦斯涌出量占35%，当风量增加到1600 m3/min 时，采空区瓦斯涌出量占43%，说明风量越大，采空区漏风越多，相应带出的瓦斯量也越大。由表3-2-1中1552(3)的数据表明,实施抽放后当风量增大时，瓦斯绝对量反而下降,说明顶板走向钻孔的抽放作用对采空区中底部赋存瓦斯的拉动效应明显，即部分瓦斯向上通过顶板裂隙涌向顶板走向钻孔，从而降低了采空区瓦斯涌出量。(2)钻场接替。使用顶板走向钻孔抽放，其技术关键是钻场接替。在此期间，存在抽放效果较差而导致采空区瓦斯大量涌出的情况，即前一个钻场内的钻孔由于采动裂隙的影响而失去抽放能力，后一钻场内的钻孔由于钻孔的终孔位置较高而抽放效果不好，从而导致采空区大量瓦斯涌出，因此必须解决钻孔有效压茬问题。由于离层区岩石断裂的极限位置滞后工作面4 8 m，淮南矿区老顶周期来压步距为20 m，因此，钻孔压茬距离的理论值应是24m 28 m。考虑到施工中的误差，当钻孔压茬距离，即后一钻场的钻孔超过前一钻场的距离达到30 m 时，就能够解决钻场接替问题。在现场的考察结果证明了这一点。潘三矿1761 (3) 综采面瓦斯涌出总量在30m3/ min以上，回采期间出现了CO等自然发火征兆。采用顶板走向钻孔( 每个钻场布置9 个钻孔)和3 台移动泵联合抽放，抽放纯瓦斯量21 m3/min，并且使前后钻场钻孔有效压茬长度保持在25 30 m，成功地解决了钻场接替期间的瓦斯超限问题, 使得该面月推进度在100 m以上，均日产2500 3000 t，最高日产4 500 t，同时消除了自然发火的威胁, 现已安全收尾。到目前为止，淮南矿区有19 个高瓦斯采煤工作面采用了顶板走向钻孔抽放技术，取得了较好的安全和经济效益, 如表3-2所示。表3-2 顶板走向钻孔抽放效果统计表3.1.3高抽巷抽放技术高抽巷抽放是在煤层顶板沿走向施工抽放巷道，通过采后产生的裂隙抽放采空区上部积存的瓦斯。高抽巷的层位选择与顶板走向钻孔基本原理一致，既要保证瓦斯浓度，又应有足够流量的瓦斯涌入。从经验上看，阳泉局在煤层倾角5 10b的条件下，将高抽巷布置在工作面上方1/3的顶板岩层裂隙带上拱部，盘江局在煤层倾角25b的条件下，将高抽巷布置在工作面上方1/5处比上风巷高10m层位，均取得了较好效果。根据淮南矿区的实际，将高抽巷布置在距煤层顶板法距10 14m，距上风巷水平距离20m的裂隙带下部，断面34m2，抽放效果如图3-1-3 所示，图中纵坐标为瓦斯流量，横坐标为工作面距高抽巷末端的距离，0点设在高抽巷末端。高抽巷的抽放量与老顶周期来压关系密切,由于离层区岩体的断裂会对采空区上部流场产生扰动，增大瓦斯涌入量，因而周期来压期间抽放流量增大幅度明显。图3-1-3 高抽巷抽放量与工作面推进长度之间的关系3.2 采动煤岩移动卸压抽采煤层气技术3.2.1 开采煤层顶板抽采煤层气技术理论研究、数值模拟和现场实验测试结果证实，在淮南矿区煤层和顶板条件下，采场煤层气富集区位于煤层顶板垂直向上8 25m，回风巷向下0 30m的环形裂隙圈内，如图3-2-1所示。因此，开采煤层顶板抽采的基本方法是在煤层顶板施工钻孔或巷道，利用抽采泵的动力抽采采场煤层气富集区的煤层气，切断上邻近层煤层气涌向工作面的通道，对采空区下部的煤层气起到拉动作用，减少工作面瓦斯涌出，控制上隅角煤层气积聚。顶板钻孔或巷道的布置必须位于开采煤层顶板煤层气富集区，抽采动力和管路要满足抽采流量的要求。在达到技术要求的条件下，一条顶板抽采巷道可抽采煤层气30 m3/min，采煤工作面煤层气抽采率达到70%。对于顶板钻孔、孔口负压、钻孔数量和抽采煤层气量之间的最佳匹配关系是: 每个钻场布置8个钻孔，钻场间距100 m，钻孔长度120 m，抽采负压16 20 kPa。图3-2-1 顶板裂隙区数值模拟结果3.2.2 开采保护层卸压增透抽采煤层气技术开采保护层是增加被保护煤层透气性的有效手段。在淮南矿区的煤层赋存条件下。通过理论分析和现场试验。研究成功开采远距离煤层上向卸压、开采近距离煤层下向多重卸压和开采急倾斜煤层平行卸压等一系列卸压增透技术。通过施工穿层钻孔抽采卸压煤层气。消除了煤层发生突出的危险性，降低了煤层的煤层气含量。在层间距近70 m，相对层间距(层间距与开采煤层采高之比)35倍的条件下，通过现场考察,得出了卸压煤层远程卸压及煤层气抽采相关参数的变化规律。首次观测到被保护煤层的透气性增大2880倍，发现了卸压煤层气流动存在活跃期，应在卸压煤层气流动活跃期尽可能多抽采卸压煤层气。钻孔煤层气抽采量随时间的变化如图3-2-2所示，从图中可明显的看出煤层应力变化规律与卸压煤层气流动之间的关系。前20天为煤层卸压应力活动加剧期，煤层气抽采量增加，第20 天至80 天为卸压应力活动稳定期，透气性系数达到最大，煤层气抽采量相对稳定，平均单孔抽采量在110 m3/min以上，第80天以后煤层逐渐开始压实, 透气性系数下降，煤层气抽采量呈负指数规律下降。图3-2-2 钻孔煤层气抽采量随时间的变化曲线当多重开采上部煤层时，下部的煤层经过多次卸压(尽管卸压并不一定充分)，煤层气得到多次释放，煤层的残余瓦斯压力将比开采单一上部煤层时的常规情况要低。实际考察，即在与B4 煤层距离分别是6213 m、52158 m、3713 m 的B8、B7、B6等上部煤层开采后，B4煤层的残余瓦斯压力实际值为012 MPa，比单一开采保护层卸压计算出的01554MPa 低了很多。相应地，理论计