瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术

瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术来源： 作者：袁亮时间：2010-07-29 17:38:05 浏览：370【收藏】【共0条评论】【我要评论】 （1. 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽省淮南市，；2.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽省淮南市，） 摘 要：基于煤炭在我国能源构成中的重要地位，介绍了当前煤炭工业安全生产情况和科学开采面临的困难，并具体针对低透高瓦斯煤层群安全高效开采技术难题，重点分析了淮南矿区先进的瓦斯治理理念和管理理念，阐述了无煤柱煤与瓦斯共采技术的产生背景、发展历程，并详细介绍了无煤柱煤与瓦斯共采理论及基于此的瓦斯治理技术工程实例。最后指出了深入研究的方向。 关健词：瓦斯治理；煤与瓦斯共采；煤层群；高效开采 中图分类号：TD712，TD823.82 文献标识码：A Concept of gas control and simultaneous extraction of coal and gasYuan Liang1,2 (1 National Engineering Research Center for Coal Gas Control, Huainan, Anhui province , China; 2 Huainan Mining (Group) Co Ltd, Huainan, Anhui province , China)Abstract Based upon the significant role of coal in the national energy structure of this country, the author provides an account about the status-quo of work safety in coal mines as well as the problems and issues faced by the current mining technology in this country. On the basis of some tough problems on safer and highly efficient mining in low-permeability coal-seam groups with high gas concentration, the author focuses on the advanced concept of Huainan coal mine area on mine gas control and total gas management. Besides, the author also provides an account about the background and development course of the simultaneous mining of pillarless coal and the extraction of mine gas. Then, the author goes into details about the theory of simultaneous pillarless coal mining and gas extraction by providing real project cases based upon the said simultaneous mining and extraction. Finally, the author points out the directions for further deep-going research activities in the future. Key words gas control; simultaneous extraction of coal and gas; coal seam group; highly efficient mining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，瓦斯灾害升级所导致的事故，如【1】：2009年2月22日发生在山西古交市屯兰煤矿的瓦斯爆炸事故，死亡77人；2009年5月30日，重庆松藻矿务局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日发生河南平顶山市新华四矿“9.8”特大瓦斯爆炸事故，死亡54人；2009年11月21日发生在鹤岗新兴煤矿瓦斯爆炸，死亡108人。 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800m以下深度；大部分生产矿井的开采深度已达-700-1000m，且开采深度正以每年2025m的速度增加。 20世纪80年代以来，淮南矿区采用传统的瓦斯抽放技术和方法，均不能解决松软低透气性煤层群开采的瓦斯治理难题；自1998年后，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，实现了煤矿安全高效开采。 1科学开采是煤炭工业发展的必由之路 1.1 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储量1023亿m3，可采储量约470亿m3，埋深浅于2000米的煤层气资源量为36.8万亿m3，居世界第三位。但我国高瓦斯矿井多，国有重点煤矿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1mD），平均在0.00216.17mD。其中，渗透率小于0.10mD的占35%；0.11.0mD的占37%；大于1.0mD的占28%；大于10mD的较少。 1.2 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，根本就解决不了瓦斯治理难题，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理念创新引领煤矿瓦斯综合治理 2.1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。 2.2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。 2.3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支已专业化打钻队伍，共计1700，实现了专业化打钻队伍“全覆盖”。 2.4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。 3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4.01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1000万吨增加到6700万吨。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。 3.1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“DNA”）、出水水源快速判别、瓦斯地质等关键性技术。 3.2低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术 3.2.1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；图1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。 -冒落带，-裂隙带，-弯曲下沉带， A-煤壁支撑影响区，B-离层区，C-重新压实区 1-上部采空区顶区空隙区，2-裂隙带内的楔形裂隙发育区，3-远程卸压煤层离层发育区 图1 采动覆岩移动“竖三带”、“横三区”和“裂隙三发育区”模型 3.2.2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，如图2示。 图2 无煤柱沿空留巷钻孔法抽采瓦斯原理图 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（见图3（a）。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030m，高825m）的环形裂隙区（见图3（b）、顶板破碎角50o对应向上4058.7m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%（见图4）。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，图5为卸压开采抽采瓦斯原理图。 (a)首采层顶板抽采富集区瓦斯原理图 (b)顶板裂隙区数值模拟结果 图3 首采层顶板瓦斯抽采 图4 首采煤层顶板瓦斯抽采试验效果图5 卸压开采抽采瓦斯原理 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（见图6）。研究发现：首采层卸压开采后，上向卸压范围为走向卸压角80.884.7o，倾向卸压角8385o，上向卸压层间距达10150m，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。 图6 远程卸压开采模拟图 煤层群多层开采底板卸压瓦斯抽采技术 淮南矿区B8B4煤层属于煤层群开采，B8、B7b、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B7b、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，如图7所示。研究发现多重卸压开采后，下向卸压范围为走向卸压角99.3100.1o，倾向卸压角102110o，下向卸压层间距达10150m，采用预先布置巷道和穿层钻孔抽采卸压瓦斯，瓦斯压力由3.6MPa降至0.2MPa，透气性系数增大了570倍，抽采率达50%以上。 图7 煤层群多层开采底板卸压瓦斯抽采模拟图 多重开采上部煤层对下部煤层的卸压效果 B8煤层开采后，由于B4煤层与之距离达62.3m，卸压的效果不够充分，钻孔流量虽有提高，但提高幅度远不如距离较近的B6等煤层，再加上开采过程中的卸压时间较短，使得B8煤层开采时，B4煤层含有的瓦斯并没有得到充分的释放，以致残余瓦斯压力仍达1.52.0MPa。B7、B6煤层的陆续开采，使B4煤层有一个多次卸压的过程。考察数据表明，在上部B8、B7、B6煤层回采后，B4煤层瓦斯压力降低了50%、B4煤层透气性系数增大了300倍以上、B4煤层钻孔瓦斯流量由原来的0.0080.009m3/min提高到了0.1455m3/min，增大了16.1倍。实际上在多重开采上保护层之后，测得B4煤层的残余瓦斯压力实际值为0.2MPa，证明多重开采上部煤层比开采单一煤层卸压效果更好（见图8）。 图8 多重开采上部煤层卸压效果卸压开采裂隙发育区地面钻孔管抽瓦斯技术 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。地面钻孔结构如图9所示。 采空区瓦斯抽采对减小回风流及其它抽采方法（如顶板钻孔、上隅角抽采管道）的瓦斯浓度有很大影响。尽管在钻孔工作的早期阶段并不明显，但随着工作面离开钻孔位置，钻孔的瓦斯流量和浓度都随之增加，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0.20.3。 图9 地面钻孔结构示意图 3.3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大量向工作面涌出，以留巷替代多条岩巷抽采卸压瓦斯，大大减少岩巷和钻孔工程量，实现煤与瓦斯安全高效共采，如图10所示。 图10 无煤柱沿空留巷钻孔法抽采瓦斯原理图3.3.1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，如图11；采空区300500m以外为卸压稳定区；裂隙发展期为首采保护层工作面后方050m；活跃期位于50500m；衰减期为500m以后且呈楔形偏向采空区发展。钻孔验证发现采面后50300m、顶板向上540m环形竖向裂隙场内瓦斯浓度为1040%。 采空区顶板540m，首采保护层工作面开采后50m超过10%、100m超过20%、300m达到40%。这为布置抽采瓦斯钻孔提供了依据。 图11 无煤柱留巷卸压开采煤与瓦斯共采留巷采空侧走向裂隙发育演化 3.3.2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（见图12）。 图12 首采层开采后顶底板瓦斯富集区示意图 经过现场试验考察得到，1#钻孔抽采瓦斯浓度1030%，单孔抽采流量0.2-1.3m3/min，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040m，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6095%，单孔抽采流量0.25-1.50m3/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130m。4#、5#钻孔抽采瓦斯浓度85100%，单孔抽采流量0.120.98m3/min；留巷下向钻孔有效抽采卸压瓦斯的走向长度120150m(约4050d)，钻孔有效抽采区域为左边角小于85，底板方向发展深度达到100m。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0300m）顾桥矿13-1煤层，实现单面日产气30946m3，日产煤16426t，抽采率达72%；新庄孜矿B11b煤层瓦斯预抽率达72.4%，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%。 3.3.3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，构建了如图14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术，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10m、日产2万吨的快速开采要求；同时，实现900m深井护巷断面810m2，长度达2900m的世界纪录，是国外的23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。 图13 “三位一体”围岩控制技术及工程效果图 3.3.4 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 技术原理图见图15上图，现场试验效果：抽采瓦斯浓度1040%，首采层采空区瓦斯抽采率70%以上，连续抽采最高达90%。 图14 无煤柱Y型通风留巷钻孔法抽采瓦斯关键技术示意图 （2）留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术 技术原理图见图14中图。现场试验效果：上向被卸压煤层瓦斯抽采率72以上，瓦斯压力降至0.20.4MPa以下；瓦斯抽采浓度达6095%。 （3）留巷钻孔法下向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术 技术原理图见图14下图。现场试验效果：瓦斯抽采浓度85100%；采一层被卸压煤层，瓦斯抽采率46以上，多层开采后可达70%以上。 （4）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0.20.4MPa以下、瓦斯含量抽采至35m3/t以下，首次达到了上向150m，下向100m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； 3.3.5 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、瓦斯压力分别抽采降低到国家规定的8m3/t和0.74MPa以下。 （1）顶板走向钻孔抽采技术 在采煤工作面上风巷每隔80100m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1015m，距工作面回风巷的水平距离为520m，扇形布置。顶板走向钻孔抽采浓度一般在1545%，纯量在518m3/min。 （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，钻孔穿透煤厚，孔底间距1020m，预抽23年。抽采浓度一般在3070%，单孔纯量在0.21m3/min。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0.5m，钻孔间距为2040m。抽采浓度一般在4080%，纯量在2030m3/min，最佳抽采范围为随卸压层开采推进走向200300m。 （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（35m）和深埋（2040m）2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3070m3/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40o60o，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20m。 （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518m3/min，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120m左右，单井流量38m3/min，浓度30%80%，单井抽放纯瓦斯可达100万m3以上。 （8）顺层钻孔抽采技术 顺层钻孔通常是在开采煤层的机巷和风巷沿煤层倾斜方向施工顺层倾向钻孔，也可由采区上、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主要解决消突问题和