煤矿瓦斯抽采和突出防治技术-重庆院(董钢锋)

1、煤炭科学研究总院重庆研究院 董钢锋 2007.11,煤矿瓦斯抽采和突出防治技术,2,煤矿瓦斯治理的基本原则,“先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯治理十二字方针 “可保尽保、应抽尽抽、先抽后采、煤气共采”的瓦斯综合治理战略 “煤矿瓦斯抽采基本指标”（AQ1026-2006）,3,煤矿瓦斯治理的总体思路,形成以区域性措施（瓦斯抽采和开采保护层）为主，局部措施为辅的综合治理体系 试验应用瓦斯治理新技术和新装备，提高总体技术水平,4,提纲,保护层开采 瓦斯抽采技术 瓦斯治理新技术 技术发展思路,开采保护层区域防突技术,6,开采保护层区域防突技术,一、开采保护层的基本理论 二、开采保护层瓦斯综合治理

2、三、开采保护层实践,7,开采保护层区域防突技术,一、开采保护层的基本理论 1、保护层的概念； 2、开采保护层防治煤与瓦斯突出机理； 3、保护效果及保护参数考察； 4、开采保护层应注意的问题。,8,一、开采保护层基本理论 1、保护层的概念 所谓保护层，通常是指在煤层群开采中，某部分煤层具有煤与瓦斯突出或冲击地压等动力显现特点，而另一部分煤层不具有这种动力显现特点或动力显现特点不明显，这时，根据赋存关系，选择某一层不具有动力显现特点或动力显现特点不明显的煤层先行开采，而具有动力显现特点的煤层在其邻近层开采后再开采。先行开采的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层，保护层位于被保护层上方的称为上保

3、护层，反之称为下保护层。,9,一、开采保护层基本理论2、开采保护层防治突出作用机理,保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯动力参数发生显著变化，从发生变化的时间看，卸压作用是最先出现的，有些卸压过程甚至在保护层工作面前方1020m处开始，一般在工作面后方，当膨胀变形速度加快时，瓦斯动力参数才发生显著变化。保护层防治煤和瓦斯突出的原理可用框图表示。,10,一、开采保护层基本理论3、保护效果及保护参数考察,(1)保护层的有效保护层间距 保护层的保护作用随层间距的增大而减小，达到某一临界距离时，保护作用已不明显，该临界距离称之为有效层间距。我国根据大量试验资料统计分析认为，在采深小于55

4、0m，回采面长度小于120m条件下，保护层的有效保护层间垂距为：急倾斜煤层上保护层60m，下保护层80m，缓倾斜和倾斜煤层上保护层50m，下保护层100m。选择保护层时应根据保护层厚度、顶板管理方法，回采工作面长度和开采深度等因素确定有效垂距。,11,一、开采保护层基本理论3、被保护层有效保护范围确定,(2)保护层沿走向的合理超前距 七十年代前苏联的研究认为：以被保护层变形值等于最大膨胀变形值80%为标准，则上保护层超前于被保护层不应小于1倍层间距，下保护层超前于被保护层不应小于0.6倍层间距。我国部分矿井的试验也证实了上述的结论。考虑到瓦斯排放和抽放，使被保护层不仅能充分卸压，并能充分排放或

5、抽放瓦斯，认为保护层超前被保护层的距离不应小于2倍层间距，并不得小于40m，实践证明，按照这一原则布置，对防治煤与瓦斯突出和治理瓦斯是有效的。,12,一、开采保护层基本理论3、被保护层有效保护范围确定,(3)保护层沿走向的卸压保护角 在保护层工作面的始采线与停采线处，由于地压的传递作用,使得被保护层的有效保护范围应小于保护层的开采范围，被保护层的始采线与停采线应以保护层始采线和停采线内退一定距离，该距离与层间垂距有关，根据试验表明，对上保护层为0.550.67倍层间垂距为宜，也即保护卸压角为5661为宜，具体数据应实际考察。但被保护层进入到距保护层始采线与停采线40m以内时，保护层开采应超前3

6、个月以上。,13,一、开采保护层基本理论3、被保护层有效保护范围确定,(4)保护层沿倾向的卸压保护角 沿倾斜方向保护范围可按卸压角划定。卸压角大小与煤层倾角，开采深度，层间岩性等因素有关，各种条件下的卸压角最好通过实地考察确定，前苏联矿山测量科学研究所通过现场测定和实验室模拟资料分析得1=180(+QO+10)，2=+QO10，式中1、2分别为下保护层上山方向和下山方向卸压角，为煤层倾角，QO为最大下沉角，可从地表移动观测得到，也可按细则表17数值确定，表中3、4为上保护层上山及下山方向卸压角。,14,一、开采保护层基本理论4、开采保护层应注意的问题,开采保护层时，尽量不留煤柱或尽量留小煤柱（

7、46m）。不得已留煤柱时须在采掘工程平面图上标记，以便划定保护范围。在煤柱影响带，突出危险性比原始状态更大； 被保护层采掘工作面尽量布置在保护范围内，减少其突出危险性； 对不同矿井、不同保护层和被保护层，保护层的保护参数及保护效果应进行实地考察，根据考察结果指导下一步采掘和防突设计。,15,二、开采保护层瓦斯综合治理,1、范围 保护层（首采层）工作面和被保护层工作面瓦斯治理，其中首采层工作面瓦斯治理是关键所在。 2、目的 一是减少保护层开采时的瓦斯涌出量，同时也加大了对被保护层的保护效果。 3、技术途径 可采用底板穿层钻孔抽放、顶板走向钻孔抽放、高抽巷、沿空留巷抽排、风流排放等技术措施进行首采

8、层瓦斯综合治理。,16,三、开采保护层的实践与经验,典型工程： 1、新庄孜矿煤层群多重开采上保护层项目 2、潘三矿远距离开采下保护层项目,17,1、新庄孜矿煤层群多重开采上保护层,以非突出煤层B8作为首采保护层，依次开采B7a、B7b 煤层，最后开采受到上保护层采动卸压保护的B6、B4突出煤层。B8煤层开采的同时，在B6、B4煤层底板施工抽放巷，分别向B6、B7a、B7b和B4施工穿层钻孔，抽放并拦截煤层卸压瓦斯。 根据卸压层的不同卸压效果，选择抽放方式、确定钻孔布置参数和抽放时机。现场测定，多重开采B8、B7a、B7b 保护层，突出煤层B6、B4透气性增大570倍，单孔抽放量增大40倍。在消

9、除突出威胁的同时，较好地解决了B8煤层回采时的瓦斯治理问题。保护层工作面单产提高33%，突出煤层掘进月单进由30m提高到90m，安全和经济效益显著。,18,19,2、潘三矿远距离下保护层开采技术,开采近水平煤层远距离下保护层上向卸压，低抽巷网格式钻孔抽放瓦斯技术。潘三矿13-1突出煤层与下伏的11-2层间距平均为77m，煤层倾角平均为7。11-2煤层厚度平均为1.8m，13-1煤层厚度平均4.2m。 保护层开采在考虑对被保护层保护效果同时，也要解决保护层自身开采时的瓦斯治理方法。潘三矿11-2保护层开采，在13-1煤层底板25m左右布置专用瓦斯抽放岩巷，抽放巷内每间隔30m施工一个抽放钻场，每

10、个钻场布置5个穿层钻孔，钻孔孔底间距30m，扇形布置。在11-2保护层回采同时，抽放13-1卸压瓦斯。现场考察结果：11-2煤层回采后，被保护层13-1煤层透气性增大2880倍，钻孔抽放量增大160倍，煤体瓦斯压力基本测不出来。,20,弯曲下沉带,裂隙带,冒落带,底板瓦斯抽放巷,抽放钻孔,开采煤层,卸压煤层,70m,煤层瓦斯综合抽采技术,22,煤层瓦斯综合抽采技术,开采层瓦斯抽采 邻近层瓦斯抽采 采空区瓦斯抽采,23,1.开采层瓦斯抽采,大面积预抽瓦斯的基本模式 穿层网格顶抽,煤层瓦斯综合抽采技术,24,1.开采层瓦斯抽采,大面积预抽瓦斯的基本模式 顺层长钻孔顶抽,煤层瓦斯综合抽采技术,25,

11、1.开采层瓦斯抽采,大面积预抽瓦斯的基本模式 穿层条带平行钻孔预抽,煤层瓦斯综合抽采技术,26,1.开采层瓦斯抽采,大面积预抽瓦斯的基本模式 穿层条带平行钻孔预抽(芙蓉白皎煤矿),煤层瓦斯综合抽采技术,27,1.开采层瓦斯抽采,大面积预抽瓦斯的基本模式 模块抽采(晋城寺河矿),煤层瓦斯综合抽采技术,28,1.开采层瓦斯抽采,提高煤层预抽瓦斯效果的技术途径 提高预抽瓦斯效果最根本的措施提高煤层透气性 国内外试验和运用过的方法有： 水力化措施水力压裂、水力疏松、水力割裂、水力冲孔等 孔内爆破 化学处理 应用前景较好的方法 深孔控制预裂爆破 高压水射流扩孔,煤层瓦斯综合抽采技术,29,1.开采层瓦斯

12、抽采,提高煤层预抽瓦斯效果的技术途径 高压水射流扩孔 原理 在已施工的煤孔中，采用旋转的高压水射 流， 对钻孔周围煤体进行切割 钻孔直径扩大数倍 增大煤体暴露面积 扩大钻孔卸压范围 增加钻孔抽采瓦斯半径 提高预抽瓦斯效果,煤层瓦斯综合抽采技术,30,1.开采层瓦斯抽采,提高煤层预抽瓦斯效果的技术途径 高压水射流扩孔 效果图,煤层瓦斯综合抽采技术,31,1.开采层瓦斯抽采,提高煤层预抽瓦斯效果的技术途径 高压水射流扩孔 装备SKP型高水射流扩孔器 由高压水射流扩孔头、高压水泵、高压钻杆等组成,煤层瓦斯综合抽采技术,32,1.开采层瓦斯抽采,提高煤层预抽瓦斯效果的技术途径 高压水射流扩孔 效果 在

13、中梁山、芙蓉和松藻等矿务局的试验和应用表明： 穿层钻孔： 孔径扩大2.55.7倍 钻孔瓦斯抽采量提高2倍以上,煤层瓦斯综合抽采技术,33,2.邻近层瓦斯抽采,原理 在开采层的下部煤岩层，承受的自重应力大大降低，由压缩状态转为膨胀状态下部卸压区 在卸压区内的煤层，吸附瓦斯解吸形成的游离瓦斯充满层间空隙，并通过层间裂隙涌入回采空间和采空区，这种层间空隙和裂隙不仅是卸压瓦斯的储存地点，也是良好的流动通道。因此，钻孔穿入或透过这些层间空隙裂隙就能取得较好的抽采瓦斯效果。因为卸压瓦斯通过钻孔抽出要比通过层间的纵向裂隙涌向开采空间和采空区容易得多。这就是利用钻孔抽采邻近层瓦斯的基本原理。,煤层瓦斯综合抽采

14、技术,34,2.邻近层瓦斯抽采,巷道抽采 顶板岩石走向高抽巷抽采上邻近瓦斯 基本情况 阳煤集团综采放顶煤开采15号煤层，工作面瓦斯涌出量一般在16.2665.16m3/min之间，最大高达108m3/min。工作面瓦斯涌出量90%以上来自邻近层和围岩,煤层瓦斯综合抽采技术,35,2.邻近层瓦斯抽采,走向高抽巷布置 层位确定 原则 上邻近层瓦斯涌出密集区8号、9号、10号、11号和K4灰岩 处于有效瓦斯排放范围内冒落带上部充分离层层位，水平通道连通性好 工作面采过后不很快破坏超过冒落带高度11.5倍采高 层位 自顶板以上4768m，约710倍采高层位,煤层瓦斯综合抽采技术,36,2.邻近层瓦斯抽

15、采,走向高抽巷布置 水平位置 原则 处于充分卸压的裂隙带范围 考虑矿井通风负压影响 水平距距回风巷外帮水平投影长度52m，约工作面采长1/3距离 抽采效果 抽采瓦斯浓度一般60%95%，平均78% 抽采率为86.34%93.44%，平均90.87% 工作面抽采瓦斯量5060m3/min,煤层瓦斯综合抽采技术,37,2.邻近层瓦斯抽采,顶板岩石倾斜高抽巷抽采上邻近层瓦斯 高抽巷布置 层位：垂高5060m，裂隙带的中下部 伸入工作面距离：52m，水平投长度43m充分进入到卸压带 高抽巷间距：200多m,煤层瓦斯综合抽采技术,38,2.邻近层瓦斯抽采,顶板岩石倾斜高抽巷抽采上邻近层瓦斯 效果 浓度：

16、75%99%，平均85.77% 抽采量：17.0870.59%，平均35.35m3/min 抽采率：58%90.17%，平均75.03%,煤层瓦斯综合抽采技术,39,2.邻近层瓦斯抽采,顶板水平长钻孔抽采上邻近层瓦斯 钻孔位置 层位距开采层26m，6.5m厚的灰色砂岩中 钻孔距回风巷的水平距离，0.20.3倍工作面长度,煤层瓦斯综合抽采技术,40,2.邻近层瓦斯抽采,顶板水平长钻孔抽采上邻近层瓦斯 成孔工艺 600m钻机，普通回转不取芯钻进，以清水作清洗液。开孔直径200mm，终孔直径150mm，钻进了2个长度分别为508m、603.5m的长钻孔 抽采效果 1号孔孔内垮塌未出瓦斯，2号孔初始抽

17、采量10.67m3/min，最大为23.92m3/min，平均20.3m3/min。 瓦斯浓度最高90%，平均60%,煤层瓦斯综合抽采技术,41,3.采空区瓦斯抽采,全封闭抽取法(六枝局化处矿) 布置 效果 解决相邻回采工作面上隅角及回风流瓦斯超限，效果明显，方法简单、可行,（二）煤层瓦斯综合抽采技术,42,3.采空区瓦斯抽采,向冒落拱上方打钻 沿走向打水平钻孔,煤层瓦斯综合抽采技术,43,3.采空区瓦斯抽采,上隅角埋管抽采法,煤层瓦斯综合抽采技术,44,3.采空区瓦斯抽采,上隅角埋管抽采法,煤层瓦斯综合抽采技术,瓦斯治理新技术,46,瓦斯治理新技术,瓦斯含量直接测定技术 煤矿灾害预警技术 瓦

18、斯抽采新技术,瓦斯含量直接测定技术,48,一、测定方法,DGC瓦斯含量直接测定装置是在我国原有地质勘探期间瓦斯含量测定技术的基础上，通过国家“十五”科技攻关，开发出的国内独有专利技术。,DGC瓦斯含量直接测定装置,49,一、测定方法,q,t,DGC瓦斯含量直接测定装置,50,一、测定方法,（1）向煤层施工钻孔取芯； （2）井下测量煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量Q1，并以此来计算瓦斯损失量Q0； （3）实验室继续测量煤芯的瓦斯解吸量Q2； （4）将部分煤样装入密封粉碎系统粉碎，测量其在常压下的瓦斯解吸量并以此计算粉碎瓦斯解吸量Q3；,DGC瓦斯含量直接测定装置,51,一、测定方法,（5）可解吸瓦斯含

19、量Qm ； Qm Q0+ Q1Q2Q3。 （6）测定煤芯的常压吸附量Qa，或计算煤芯的常压吸附量Qa 煤层瓦斯含量QQmQa。,DGC瓦斯含量直接测定装置,52,一、测定方法,关键技术： （1）针对不同煤层及取芯条件的取芯装置，保证煤芯的完整性、保质性和快速性。 （2）根据煤芯的完整程度及破碎情况，将煤芯分为5类(完整棒状、不完整棒状、块状、块粉混合状、粉状)，选用不同的计算模型，以煤芯在煤样筒中的瓦斯解吸速度和解吸量为基础数据，计算从钻孔取芯到装入煤样筒的瓦斯损失量Q0。,DGC瓦斯含量直接测定装置,53,二、测定装置,（1）井下取芯装置 井下取芯装置包括单层取芯、双层取芯装置。,DGC瓦斯

20、含量直接测定装置,54,二、测定装置,（2）井下解吸装置,DGC瓦斯含量直接测定装置,55,二、测定装置,（3）地面解吸装置,DGC瓦斯含量直接测定装置,56,二、测定装置,（4）煤样粉碎装置,水平粉碎,垂直粉碎,DGC瓦斯含量直接测定装置,57,二、测定装置,（5）气体成分测定装置 气体成分测定装置包括：气相色谱仪、色谱分析载气、标气（O2、N2、CH4、CO2）、计算机与打印机等。,DGC瓦斯含量直接测定装置,58,二、测定装置,（6）数据处理软件,DGC瓦斯含量直接测定装置,59,二、测定装置,（7）辅助装置 辅助装置包括电子天平、水分测定仪等。,水分测定仪。,电子天平,DGC瓦斯含量直

21、接测定装置,煤矿灾害预警技术,61,一、基本思想,在事故理论和灾害防治理论的指导下，结合矿井灾害发生规律，充分利用和发挥现有煤矿安全监控系统、计算机网络技术、信息技术和灾害防治技术的优势，实时、动态收集尽可能多的安全信息，并经过综合分析后，从系统论的观点，在时、空的连续性上，对井下各作业场所的安全状态和发展趋势进行超前的预测、评价和警示，并自动给出相应的防范措施建议。,煤矿灾害预警技术,62,二、系统基本框架,由监控系统、局域网、软件系统和用户构成。 煤矿安全监控系统：实时、动态的采集井下的安全监测信息； 局域网：实现资源共享、各种安全信息的汇集、预警信息的发布等； 软件系统：安全信息的采集、

22、综合分析、图件绘制、综合预警等； 用户：预警软件系统使用（预警指标和规则设置、数据维护、安全信息输入、输出、预警信息发布等）。,煤矿灾害预警技术,63,三、系统硬件构成,煤矿灾害预警技术,64,四、系统软件构成,煤矿灾害预警技术,65,灾害预警系统的核心 煤与瓦斯突出预警 瓦斯煤尘爆炸预警 火灾预警 突水预警 冲击地压预警 大面积冒顶预警 日常安全管理预警 ,煤矿灾害预警技术,66, 瓦斯防治专家系统 火灾防治专家系统 水灾防治专家系统 冲击地压防治专家系统 顶板灾害防治专家系统 ,煤矿灾害预警技术,67,五、系统预警过程,煤矿灾害预警技术,68,陕西某矿瓦斯地质图,69,重庆某矿突出区域预测

23、图,70,抽放效果分析图,71,瓦斯抽采新技术,73,更新观念，把瓦斯作资源抽采，变被动抽放为主动抽采，实现煤炭安全高效开采、瓦斯资源开发与环境保护三重功效。 瓦斯抽采与煤炭开采一体化部署，如淮南矿区各高瓦斯矿井煤层群开采程序及瓦斯抽采规划；晋城矿区3号煤层将瓦斯抽采计划纳入矿井的生产工序，按抽、掘、采配套进行生产计划及衔接安排，根据钻机能够钻进深度、钻孔布置参数、预抽时间、预抽效果、采煤工作面布置尺寸以及采掘进度等，确定不同煤层气含量区域的抽、掘、采工作面配比及模块抽采模式。,一、合理抽掘采部署,瓦斯抽采新技术,74,在晋城矿区，采用国产600m全液压坑道钻机，试验研究的顺煤层钻孔钻进500

24、m深孔的成孔工艺技术；采用澳大利亚VLD1000定向千米钻机和试验研究的顺煤层枝状钻孔成孔工艺技术，成孔最深达1005m，并创下了单台钻机在井下年定向钻进世界纪录。,二、顺煤层枝状钻孔成孔工艺技术及装备,瓦斯抽采新技术,75,大宁矿顺煤层千米钻机枝状长钻孔施工竣工图,二、顺煤层枝状钻孔成孔工艺技术及装备,瓦斯抽采新技术,76,国家发改委煤矿瓦斯综合治理与利用重大关键技术研发与装备研制项目“松软突出煤层顺层钻孔螺旋钻进装备与配套工艺 ”, 针对煤质松软(f值在0.2左右)、瓦斯压力高、地应力大煤层施工顺层钻孔极其困难等问题，研制了顺层强力钻机和多级组合钻具，研究了可减弱喷孔、垮孔的风力排渣钻进工

25、艺，在一定程度上解决了顺层长钻孔钻进过程中因喷孔和垮孔严重而卡钻孔的问题。 课题目标：120m以上的钻孔成孔率达到90%以上， 150m以上的钻孔成孔率达到60%以上。目前在松藻矿区严重突出煤层成功打出了160m以上的顺层钻孔。,三、松软突出煤层顺层钻孔工艺技术及装备,瓦斯抽采新技术,77, 0304年间，施工了100口地面试验井，井深400600m。 34口井日产气量超过3000m3，37口井日产气量10003000m3 ，29口井日产气量小于1000 m3。 单井投资估算268万元（井深400m）、 372万元（井深750m）。 煤层透气性系数1.03.6md，9口井/ km2，煤层瓦斯含量每年约降低1 m3 。,四、地面井预抽瓦斯技术,瓦斯抽采新技术,78,潘一矿的地面采空区钻孔抽放瓦斯流量为515 m3/min，浓度为6085。 张北矿地面采空