陈家祥-极复杂条件下的煤与瓦斯共采工程实践

1、极复杂条件下的煤与瓦斯共采 工程实践,陈家祥 淮北矿业集团公司 2011年8月,汇报提纲,一、淮北矿业集团概况 二、淮北矿区灾害特点 三、瓦斯治理效果 四、瓦斯治理的理念 五、瓦斯治理模式,一、淮北矿业集团概况,淮北矿业（集团）公司位于安徽省淮北市，所辖矿区位于安徽省北部。东西、南北跨度各约100km，总面积约10000km2。矿区资源丰富，煤种齐全，有焦煤、气煤、肥煤、贫煤、瘦煤等八大煤种，其中焦煤、肥煤、瘦煤为国家稀缺煤种。 矿区现有22对生产矿井中有煤与瓦斯突出矿井10对，高瓦斯矿井8对，低瓦斯矿井4对。2010年矿业集团公司所属生产矿井总的绝对瓦斯涌出量为700m3/min，相对涌出量

2、为12.38m3/t 。最高瓦斯压力7.41 Mpa、煤层最高瓦斯含量27m3/t、最小硬度f=0.1、透气性0.1md. 2010年集团公司生产原煤3200万t。,一、淮北矿业集团概况,二、淮北矿瓦斯区灾害特点,二、淮北瓦斯矿区灾害特点,淮北矿区自然条件复杂，水、火、瓦斯、煤尘、矿压灾害严重，矿区现有22对生产矿井中有煤与瓦斯突出矿井10对，高瓦斯矿井8对，低瓦斯矿井4对；22对矿井有自然发火倾向，其中容易自燃矿井8对；有15对矿井受煤层底板灰岩突水威胁，7对矿井受四含水威胁；矿区南部矿井地压大，井下巷道破坏严重，巷道收缩量大；部分矿井存在、级高温区。,区域大地构造,二、煤层瓦斯赋存及灾害特

3、点,蚌埠隆起,淮北矿区落差大于5m以上的断层平均密度为27条/Km2；淮南矿区为13条/Km2；贵州毕节矿区为0.4条/Km2；陕西古城矿区为0.2条/Km2；内蒙古纳林河陶忽图井田为0条/Km2。 淮北矿区处于徐宿弧形构造圈内，各序次、各级别的褶皱、断裂较为发育，并伴有不同程度的岩浆活动，与其它矿区相比，淮北煤田地质构造应为极其复杂类型。,二、淮北瓦斯矿区灾害特点,区域构造,构造应力作用明显,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,蚌埠隆起,宿北断裂,宿南矿区构造发育，瓦斯赋存多受控于构造应力，瓦斯梯度较大，突出灾害严重。,主采煤层均突出，瓦斯压力大，含量高,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,构造应力作用明显

4、,宿北断裂是淮北矿区火成岩入侵的主要通道。岩浆岩侵入过渡区瓦斯涌出明显增加，突出危险性增加。 侵入地层，形成致密坚硬的盖层，对煤层瓦斯起封闭作用，如海孜矿。 侵入煤层，造成煤体变质程度的不均匀，进而影响瓦斯的赋存，如杨柳矿、桃园等。,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,岩浆侵入作用明显岩浆活动主要在临涣矿区,杨柳矿10414工作面回采以来3次异常 1、1月3日工作面推进62M时，瓦斯涌出量由5 m3/min ，陡然升至20 m3/min ，回风流瓦斯最高达到2.8。 2、4月17日工作面来压，支架大面积损坏，共有16架损坏严重。 3、7月17日工作面已推进525m，推过2#孔12m，地面2发生喷孔。持

5、续44小时40分，喷出瓦斯16.6万m3 喷孔视频,岩浆侵入煤层9号勘探线剖面,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,采掘深度大，瓦斯灾害升级,新建矿井情况,生产矿井情况,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,淮北矿业集团公司共发生煤与瓦斯突出和动力现象事故54起，其中芦岭矿26次，海孜矿11次，祁南矿6次，朱仙庄矿5次，童亭4次，石台2次。 芦岭矿于2002年4月7日在818工作面3#石门揭煤处发生了强度最大的一次突出，共突出煤岩量10500t，涌出瓦斯达123余万m3，死亡13人； 祁南矿发生过瓦斯喷出、煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出等各种动力现象，且突出具有延期性。,淮北矿区瓦斯突出灾害情况,二、煤层瓦斯赋存

6、及灾害特点,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,淮北芦岭煤矿“4.7”特大型煤与瓦斯突出事故（2002年）,突出煤岩量10500t，瓦斯量为123万m3,死亡13人。,海孜煤矿煤与瓦斯突出,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,矿区大构造、次生构造发育，再加上火成岩侵入影响，造成同一煤层及瓦斯赋存具有”两极”现象，进而造成瓦斯赋存不均匀性，灾害发生的不确定性。,二、煤层瓦斯赋存及灾害特点,“两极”现象,三、瓦斯治理效果,三、瓦斯治理的效果,原煤产量,原煤产量：从2004年的2151万t到2010年增加到3200万t， 上升了48.8%。,采煤机械化程度,采煤机械化程度：从2004年的60%到2010年增加到88

7、.4%， 提高了47.3%。,采煤机械化程度,三、瓦斯治理的效果,综掘机械化程度：由2004年10.14%到2010年增加到28.81%， 提高了184%。,综掘机械化程度,三、瓦斯治理的效果,瓦斯涌出量：从2004年的520m3/min到2010年增加到700m3/min， 升高了34.6%。,瓦斯涌出量,三、瓦斯治理的效果,瓦斯抽采量：从2004年的6025万m3，到2010年增加到16200万m3, 提高了169%。,瓦斯抽采量,三、瓦斯治理的效果,瓦斯利用量：从2004年的765万m3，到2010年增加到5200万m3, 提高了580%。,瓦斯利用量,三 、瓦斯治理的效果,瓦斯超限次数

8、：从2004年的802次，到2010年下降到5次， 下降了99.4%。,瓦斯超限次数,三、瓦斯治理的效果,百万吨死亡率：从2005年的0.7，到2010年下降到0.2， 下降了71.5%。,百万吨死亡率,三、瓦斯治理的效果,四、瓦斯治理的理念,坚持“以人为本”和“安全发展”，牢固树立“瓦斯治理工程就是生命工程、资源工程和效益工程”的意识，充分体现“理念超前、系统可靠、技术先进、保障有力”的原则; 坚持“区域防突措施先行，局部防突措施补充”的战略方针，贯彻“可保必保、应抽尽抽、一面一策、以用促抽、抽采达标”的技术原则，合理布局，落实“一组（层）一策、一区一策、一面一策”,积极构建瓦斯治理“时空”

9、保障，确保“抽、掘、采”平衡; 以大富裕量保系统稳定。进一步完善以矿井通风、瓦斯抽采、监测监控和防灭火为重点的瓦斯综合治理系统，依靠科技进步，切实处理好安全与生产的矛盾，确保集团公司安全可持续发展。,四 、瓦斯治理的理念,指导思想,四 、瓦斯治理的理念,局部瓦斯治理为补充,总体思路,四 、瓦斯治理的理念,三个“四位一体”,区 域 四 位 一 体,局 部 四 位 一 体,管理保障四位一体,四、瓦斯治理的理念,瓦斯治理时空保障体系,瓦斯治理的规划（35年） 目标： 1.实现“抽掘采”平衡 2.实现瓦斯抽采最大化 3.实现高瓦斯突出矿井低瓦斯状态下生产,四 、瓦斯治理的理念,突出矿井瓦斯治理企业技术

10、标准体系,技 术 管 理 标 准 结 构 图,四、瓦斯治理的理念,五、瓦斯治理技术模式,第一步，在煤炭开采前10年，施工地面压裂井进行瓦斯预抽,五、瓦斯综合治理模式,一井三用,第二步，在下组煤层开采时，进行中、上组煤层的卸压瓦斯抽采,五、瓦斯综合治理模式,一井三用,第三步，抽采上、中组煤层工作面的采空区瓦斯,五、瓦斯综合治理模式,一井三用,四、瓦斯综合治理模式,2008年以来，在芦岭1、1采区共施工12口“一井三用”井的压裂阶段试验，各井大部达到800m3左右，也有个别高产井，如LG-6井为最高日产量曾到3000m3以上，目前稳产1200m3左右。,一井三用,五 瓦斯综合治理模式,一井三用,五

11、、瓦斯综合治理模式,淮北矿区含煤地层为石炭二叠系，根据煤层的分布情况，分为上组煤、中组煤和下组煤，矿区内上组煤可采煤层为3煤层，中组煤可采煤层为7、8、9煤层，下组煤可采煤层为10煤层，各矿井煤层赋存及开采程度不同，造成各矿井可采煤层也不尽相同。 同时，祁南煤矿6煤层具备组合保护层开采的条件，以保护下部的7煤层。,保护层开采,五、瓦斯综合治理模式,远距离下保护层开采 淮北矿区内中组煤7、8、9煤层瓦斯含量大、压力高，具有突出危险性，下组煤10煤层，煤质硬、瓦斯含量低，无突出危险或突出危险性较小，中组煤与下组煤层间距为65110m，可选择开采10煤层作为远距离下保护层开采 通过近几年的瓦斯治理实

12、践，矿区内芦岭煤矿、朱仙庄煤矿、桃园煤矿、海孜煤矿、童亭煤矿都成功的采用了远距离下保护层开采及中组煤被保护层的卸压瓦斯抽采技术治理中组煤瓦斯。,保护层开采,远距离下保护层开采卸压瓦斯抽采方法,底板岩巷上向网格式穿层钻孔抽采,被保护层,保护层,100m,穿层钻孔,底板岩巷,保护层开采,四、瓦斯综合治理模式,保护层开采,五、瓦斯综合治理模式,被保护层的相对膨胀变形量约为20； 在活跃期内，上向穿层钻孔单孔瓦斯抽采纯量可达1m3/min，瓦斯抽采率达65%以上。,远距离下保护层开采底板岩巷穿层钻孔卸压瓦斯抽采效果,保护层开采,保护层开采,五、瓦斯综合治理模式,井下小曲率梳状钻孔钻进技术与装备,五、瓦

13、斯综合治理模式,1.小曲率梳状孔钻进设备,小曲率梳状孔钻进设备连接示意图,1.小曲率梳状孔钻进设备,钻机性能参数,泵车上泥浆泵为 BWY-200/9型泥浆泵，是一种卧式三缸单作用往复式活塞泵。由定量液压马达驱动，可实现流量的无级调速，主要与近水平长钻孔定向钻机配套。,钻机性能参数,BWY-200/9型泥浆泵性能参数,1.小曲率梳状孔钻进设备,螺杆马达,螺杆马达主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成。泥浆泵高压水驱动马达回转，马达带动钻头回转碎岩。 在导向钻进时，钻杆不转，仅钻头回转碎岩钻井，钻机提供钻压。,1.小曲率梳状孔钻进设备,孔口监视器,孔口监视器,孔口监视

14、器电源,主要用于近水平定向钻孔施工过程中的随钻监测，可随钻测量钻孔倾角、方位、工具面等主要参数，可同时显示钻孔参数、钻孔轨迹。,2.现场工业性试验,2010年10月20日至11月17日 ，在淮北矿业朱仙庄煤矿进行了现场工业性试验。在10715工作面8煤底板施工定向长钻孔2个，孔深达603m 。1#孔梳状分支孔8个、2#孔梳状分支孔9个，分支孔最大孔深147m，试验总进尺2639m。,1#钻孔施工情况,2#钻孔施工情况,2.现场工业性试验,朱仙庄矿1#钻孔施工及钻孔轨迹,2010年10月20日11月5日，主孔深603m，分支孔8个，试验总进尺1268m。,2.现场工业性试验,朱仙庄矿2#钻孔施工

15、及钻孔轨迹,2010年11月5日17日，主孔深603m，分支孔9个，试验总进尺1371m。,水平面轨迹,垂直面轨迹,蓝线设计轨迹，粉红线实钻轨迹,3.现场推广试验,2011年初在淮北矿业杨柳煤矿进行推广应用，在10414工作面10煤顶板进行梳状定向孔施工，共施工梳状定向钻孔3个，1#梳状孔主孔孔深为534m，分支孔7个;2#梳状孔主孔孔深510m，分支孔7个；3#梳状孔主孔孔深570m，分支孔4个；分支孔最大孔深达到181m，施工总进尺3230m 。,1#钻孔施工情况,2#钻孔施工情况,3#钻孔施工情况,3.现场推广试验,杨柳矿1#钻孔施工及钻孔轨迹,2011年3月8日4月7日，主孔深534m

16、，分支孔7个，试验总进尺1144m。,垂直面轨迹,水平面轨迹,蓝线设计轨迹，粉红线实钻轨迹,3.现场推广试验,杨柳矿2#钻孔施工及钻孔轨迹,2011年4月7日4月20日，主孔深510m，分支孔7个，试验总进尺1108m。,垂直面轨迹,水平面轨迹,蓝线设计轨迹，粉红线实钻轨迹,3.现场推广试验,杨柳矿3#钻孔施工及钻孔轨迹,2011年5月17日6月3日，主孔深510m，分支孔4个，试验总进尺978m。,垂直面轨迹,水平面轨迹,蓝线设计轨迹，粉红线实钻轨迹,被保护层,保护层,110m,在淮北海孜煤矿应用，国内外无应用先例,巨厚关键层条件下远距离顶板穿层钻孔瓦斯抽采,保护层开采,四、瓦斯综合治理模式

17、,巨厚关键层条件下远距离顶板穿层钻孔瓦斯抽采,四、瓦斯综合治理模式,保护层开采,巨厚关键层条件下远距离顶板穿层钻孔瓦斯抽采,七、瓦斯综合治理模式,钻孔直径108mm，活跃期内抽采量为46m3/min，衰减期抽采量可达23 m3/min。,Gas Drainage,据统计从06年3月至07年3月远距离穿层钻孔共抽出瓦斯486万m3以上，抽放时间已达一年以上，经计算中煤组瓦斯抽采率达到73%以上，抽采半径在100m以上。,保护层开采,巨厚关键层条件下远距离顶板穿层钻孔瓦斯抽采,五、瓦斯综合治理模式,五、瓦斯综合治理模式,保护层开采（组合保护层） 祁南矿7煤层上距2749m发育61、62和63煤层薄

18、煤层组，全矿范围内赋存不稳定，部分区域内可采，每层煤平均厚度为1m左右。,保护层开采,穿层钻孔,底板岩巷,组合上 保护层,被保护层,3050m,组合上保护层开采卸压瓦斯抽采方法,保护层开采,五、瓦斯综合治理模式,五、瓦斯综合治理模式,底板岩巷大面积穿层钻孔预抽 参数：钻孔直径90120mm，间距210m，封孔长度在8m以上；抽采负压在25kPa以上 。 适应条件：突出危险性大的煤层；突出的厚煤层，如芦岭8、9煤层；层间距离近的突出煤层群或煤层内有厚度较大的夹矸，如芦岭10煤层；,煤层预抽,五、瓦斯综合治理模式,顺层钻孔递进掩护预抽 参数：钻孔直径90120mm，间距25m，封孔长度在10m以上

19、；抽采负压在13kPa以上 。 适应条件：煤体硬度大、倾角小、赋存稳定，构造相对简单、突出危险性相对较弱且易于成孔的煤层，如祁南3煤层；,煤层预抽,下向顺层长钻孔递进掩护区域性瓦斯抽采方法,机巷各月的掘进速度都达到230m以上，最大为351m,工作面平均日产量为3444t/d，最大为4048t/d,煤层预抽,五、瓦斯综合治理模式,五、瓦斯综合治理模式,穿层钻孔条带预抽结合顺层钻孔预抽,风巷,机巷,底板瓦斯抽采巷,顺层钻孔,穿层钻孔,上区段底板 瓦斯抽采巷,穿层钻孔间距5m，预抽期5个月，消除煤巷掘进条带区域煤体的突出危险性，煤巷掘进实现机械化；顺层钻孔间距23m，预抽期3个月，消除开采煤体的突出危险性。,煤层预抽,五、瓦斯综合治理模式,地面钻井抽采,回采期间瓦斯治理,五、瓦斯综合治理模式,顶板走向穿层钻孔抽采,回采期间瓦斯治理,五、瓦斯综合治理模式,沿空留巷穿层钻孔抽采,回采期间瓦斯治理,五、瓦斯综合治理模式,顺层钻孔抽采（减少瓦斯涌出）