煤礦安全高效開采技術(shù)的重大突破

1、煤礦安全高效開采技術(shù)的重大突破 “低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)”課題組，由煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、安徽建筑工業(yè)學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)、安徽理工大學(xué)、沈陽天安礦山機(jī)械科技有限公司等企業(yè)和院校、科研機(jī)構(gòu)的優(yōu)秀科研技術(shù)人員組成。 課題組在充分調(diào)研國際煤炭開采現(xiàn)狀后，于2004年提出煤層群無煤柱快速留巷Y型通風(fēng)煤氣共采研究課題。2005年完成實(shí)驗(yàn)室模擬、相關(guān)材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；2006年開始進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)并取得成功；2007年進(jìn)行項(xiàng)目申報(bào)；2008年3月通過了行業(yè)鑒定。鑒定委員會(huì)專家對研究成果給予高度評價(jià)：該研究課題采用無煤柱沿空留巷Y型通風(fēng)卸壓開采，解決了

2、深井高瓦斯、低滲透率、高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件礦區(qū)煤與瓦斯共采技術(shù)難題。創(chuàng)造了深井復(fù)雜地質(zhì)條件下沿空留巷綜采月產(chǎn)36萬噸的紀(jì)錄，采區(qū)瓦斯抽采率70%以上。研究成果集成創(chuàng)新了沿空留巷Y型通風(fēng)煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)所涉及的理論、技術(shù)、材料、裝備及工藝系統(tǒng)，在淮南顧橋、新莊孜，皖北臥龍湖等礦成功實(shí)施該技術(shù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。 近年來，我們以淮南礦區(qū)為代表圍繞瓦斯治理技術(shù)開展了卓有成效的科技攻關(guān)，取得了一系列技術(shù)創(chuàng)新成果和行之有效的瓦斯治理辦法，在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了廣泛影響，但礦井進(jìn)入深部開采以來，淺部成熟的依托巖巷工程的瓦斯治理技術(shù)對深井開采布局的制約作用越來越大。 深部開

3、采面臨的安全技術(shù)問題難以突破淮南礦區(qū)是我國地質(zhì)條件復(fù)雜、災(zāi)害頻發(fā)煤礦的典型代表，煤層賦存特征為高瓦斯煤層群(815層可采煤層)，煤層瓦斯含量高(1236m3/t)，煤質(zhì)極松軟(堅(jiān)固性系數(shù)f為0.20.8)，煤層透氣性低(滲透率為0.0011mD)，瓦斯壓力大(高達(dá)6.2MPa)。目前，淮南礦區(qū)內(nèi)大部分生產(chǎn)礦井的開采深度7001000m，且開采深度正以每年2025m的速度增加，新建礦井首采區(qū)多在距地表800m以下深度，未來十年面臨的煤與瓦斯突出威脅增加問題、軟巖支護(hù)問題、采空側(cè)小煤柱地壓問題及地溫問題日趨嚴(yán)重，深部開采面臨巨大的安全技術(shù)挑戰(zhàn)。 高瓦斯低透氣性煤層抽采瓦斯難度大，淺部瓦斯治理技術(shù)在

4、深部實(shí)施困難。礦區(qū)所有礦井全面升級為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)礦井或煤層。高瓦斯突出危險(xiǎn)煤層透氣性通常比較低，直接進(jìn)行原始煤體煤層氣抽采瓦斯消突，需鉆孔布置密集、抽采時(shí)間長、效果差，在淺部以巷道或巷道+穿層鉆孔抽采(巷道鉆孔法)卸壓瓦斯的成功經(jīng)驗(yàn)，以及突出煤層“一面四巷”(煤層巷道開掘前先布置兩條巖巷)預(yù)抽瓦斯消突的有效措施，均需要提前準(zhǔn)備大量的巖巷和鉆孔工程，采掘接替緊張，實(shí)施困難。 深部軟巖和煤巷支護(hù)難度更大?；茨系V區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層構(gòu)造多，水平地應(yīng)力大，實(shí)測820m水平的最大主應(yīng)力為21.5MPa，軟巖遇水膨脹，巖層松軟破碎，裂隙發(fā)育，屬于典型的軟巖礦區(qū)，深部巖巷的掘進(jìn)和支護(hù)制約作用日益突出。進(jìn)

5、入深部以后小煤柱沿空掘巷圍巖變形顯著增加，成為制約綜采面快速推進(jìn)的主要障礙。 傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式無法解決深部采煤工作面隅角瓦斯超限問題。 高地溫問題也越顯突出?；茨系V區(qū)目前最大開采深度780m，開拓深度840m，地?zé)釣?zāi)害嚴(yán)重。生產(chǎn)礦井各煤層600m水平大部分區(qū)段地溫超過31，屬于一級高溫區(qū)，局部區(qū)段大于37，進(jìn)入二級高溫區(qū)。 地面鉆井抽采低透氣性煤層瓦斯難度相當(dāng)大 我國大多數(shù)煤礦區(qū)煤層氣賦存具有低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質(zhì)性強(qiáng)的“三低一強(qiáng)”的特性，尤其是低滲透率和非均質(zhì)性，很不利于直接抽采。1991年以來，先后有華北石油地質(zhì)局、中國煤田地質(zhì)總局、西安煤科分院、美國安然公司、德士古公司等在

6、安徽兩淮煤田進(jìn)行過煤層氣勘探評價(jià)工作，共計(jì)施工14口井，采氣量最大的達(dá)到1000m3/d，絕大多數(shù)只有幾百立方米，且迅速衰減，有的基本采不出氣(非均質(zhì)性)。因此，在現(xiàn)有技術(shù)工藝條件下，直接從地面開采煤層氣技術(shù)上還有相當(dāng)大的難度，不符合我國大多數(shù)煤礦區(qū)的客觀條件。從安全開采角度看，應(yīng)先采瓦斯，將煤層轉(zhuǎn)到低瓦斯?fàn)顟B(tài)再開采煤炭，以淮南礦區(qū)為例，煤層瓦斯含量高達(dá)26m3/t，要抽采到8m3/t以下，按照傳統(tǒng)技術(shù)方法，需抽采1020年。煤炭是我國的主導(dǎo)能源，高速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)急需大量能源，而東部地區(qū)煤炭作為國家主要能源基地長期不可替代，按照傳統(tǒng)技術(shù)方法，顯然不能適應(yīng)國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。 低透氣性煤層群

7、開采已經(jīng)面臨眾多新的技術(shù)難題迫切需要攻關(guān)研究。因此，研究并總結(jié)一整套適合低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)，既是淮南礦區(qū)多年技術(shù)創(chuàng)新的追求和即將大力開發(fā)深部煤、氣資源的技術(shù)需要，也是貫徹落實(shí)國家能源政策和實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開采的客觀需求。 “低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)”研究課題正是在這樣的背景下提出，將高瓦斯、高地壓、低透氣性煤層群的技術(shù)難題等統(tǒng)一起來考慮，以沿空留巷的方式一體化解決高瓦斯、高地溫、高地壓、井巷失穩(wěn)、瓦斯突出、沖擊地壓等開采技術(shù)難題，通過通風(fēng)降溫、簡化采掘接替、實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采，并為高效抽采采動(dòng)卸壓瓦斯、治理煤層群瓦斯提供最佳的工作空間，提出基于快速留巷Y型通風(fēng)抽采卸

8、壓瓦斯的煤氣共采技術(shù)路線。 這項(xiàng)技術(shù)研究，充分采用了實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬、數(shù)值模擬、圍巖結(jié)構(gòu)理論分析等綜合手段，結(jié)合淮南礦區(qū)幾種典型的高瓦斯、高地壓煤層開采的工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了低透氣性煤層群無煤柱煤氣共采技術(shù)的集成。主要技術(shù)成果如下： 系統(tǒng)地提出留巷鉆孔法煤與瓦斯共采新方法 根據(jù)煤層群賦存條件，首采關(guān)鍵卸壓層，沿采空區(qū)邊緣沿空留巷實(shí)施無煤柱連續(xù)開采，在留巷內(nèi)布置上、下向高、低位鉆孔，抽采頂?shù)装逍秹和咚购筒煽諈^(qū)富集瓦斯的煤層瓦斯開采技術(shù)，并通過創(chuàng)新快速構(gòu)建沿空留巷巷旁充填墻體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與綜采工作面同步推進(jìn)的煤與瓦斯高效共采的開采方法，替代了多巖巷的抽采卸壓煤層氣的煤氣共采技術(shù)體系。 創(chuàng)新了3項(xiàng)留巷

9、鉆孔煤與瓦斯共采技術(shù)第一項(xiàng)技術(shù)：沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制技術(shù)。在對沿空留巷內(nèi)外層圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性科學(xué)分析基礎(chǔ)上，提出了沿空留巷巷內(nèi)合理支護(hù)形式為錨桿支護(hù)；提出包括巷道破裂圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化、錨桿支護(hù)承載性能強(qiáng)化和圍巖承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的沿空留巷巷內(nèi)錨桿強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)原理；新型錨桿強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)是指超高強(qiáng)度桿體、高預(yù)緊力、系統(tǒng)高剛度為核心的“三高”錨桿支護(hù)技術(shù)。選擇超強(qiáng)桿體、高剛度護(hù)網(wǎng)、超大托盤、超強(qiáng)大扭矩阻尼螺母，實(shí)施大扭矩安裝、維持錨桿的荷載，并向圍巖擴(kuò)散，形成高強(qiáng)主動(dòng)高阻穩(wěn)定的錨桿支護(hù)圍巖承載結(jié)構(gòu)；提出采用仿液壓支架結(jié)構(gòu)作為巷內(nèi)輔助加強(qiáng)支護(hù)、巷旁充填材料的性能要求有良好的泵送性能，能滿足復(fù)雜高程變化條件

10、下的遠(yuǎn)距離泵送要求，拆模時(shí)間應(yīng)滿足綜采工作面快速推進(jìn)的要求，保證沿空留巷支護(hù)墻體能緊隨工作面及時(shí)快速構(gòu)筑。 第二項(xiàng)技術(shù)：巷旁充填材料研制與快速留巷充填工藝系統(tǒng)集成創(chuàng)新。成功研究制備了CHCT新型充填材料，該材料能滿足礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道變形特性要求，具有良好的承載特性和變形性能且適宜遠(yuǎn)距離泵送施工；集成創(chuàng)新了快速留巷巷旁充填工藝系統(tǒng)。快速留巷巷旁充填工藝系統(tǒng)包括：地面干混充填料制備系統(tǒng)、干混充填料由地面至井下泵站運(yùn)輸系統(tǒng)、干混充填料送至充填泵料斗上料系統(tǒng)、充填料漿的制備與泵送系統(tǒng)和充填模板支架系統(tǒng)；研發(fā)了集裝料箱式自動(dòng)卸料至上料系統(tǒng)的高效充填材料的輸送系統(tǒng)，自主研發(fā)了充填模板支架，縮短了立模時(shí)間

11、。 第三項(xiàng)技術(shù)：留巷鉆孔瓦斯抽采技術(shù)。包含：低位鉆孔抽采采空區(qū)富集瓦斯技術(shù)，利用留巷形成的聚集瓦斯的采動(dòng)裂隙“豎向帶狀裂隙區(qū)”進(jìn)行采空區(qū)高濃度瓦斯抽采，有效解決了工作面留巷回風(fēng)流瓦斯超限問題和礦井高濃度瓦斯抽采利用的問題；高位鉆孔抽采頂?shù)装暹h(yuǎn)程卸壓煤層瓦斯技術(shù)，在留巷內(nèi)布置上向穿層鉆孔抽采上部遠(yuǎn)程卸壓煤層瓦斯，下向穿層鉆孔抽采下部遠(yuǎn)程卸壓煤層瓦斯；留巷鉆孔抽采瓦斯的保障技術(shù)，通過控制采空區(qū)埋管抽采管道口的數(shù)量和開啟程度控制采空區(qū)瓦斯抽采量和抽采瓦斯?jié)舛?，采用沿空留巷Y型通風(fēng)方式，可通過工作面上、下進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量和留巷段埋管抽采量的調(diào)節(jié)，將留巷排放瓦斯的濃度合理控制在安全值以下，因此，Y型通風(fēng)對瓦斯

12、管理具有很大的靈活性。 取得了兩種典型煤層群條件下的工業(yè)性試驗(yàn)成功 第一種典型條件：遠(yuǎn)距離煤層群煤與瓦斯共采工業(yè)性試驗(yàn)。顧橋煤礦首采關(guān)鍵卸壓層沿空留巷Y型通風(fēng)煤氣共采實(shí)踐表明：1115(1)綜采工作面采用沿空留巷Y型通風(fēng)卸壓抽采瓦斯技術(shù)，遠(yuǎn)程穿層鉆孔替代傳統(tǒng)的C13煤層底板抽放巷及其在該巷內(nèi)施工的抽采鉆孔；留巷內(nèi)施工的低位抽采鉆孔替代傳統(tǒng)的抽采本煤層瓦斯的高抽巷，取得了較好的瓦斯治理效果，留巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.4%以下，消除了上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，綜采生產(chǎn)的安全可靠性顯著提高。工作面日推進(jìn)度10.5m、日產(chǎn)原煤16000噸，創(chuàng)同類工作面日產(chǎn)新高、日開采煤層氣30946m3，抽采率超過70%。

13、第二種典型條件：近距離煤層群煤與瓦斯共采工業(yè)性試驗(yàn)。通過實(shí)施沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)，優(yōu)化抽采鉆孔布置，研究并實(shí)施了傾向鉆孔抽采頂?shù)装灞槐Ｗo(hù)煤層(高瓦斯強(qiáng)突出煤層)卸壓瓦斯，保護(hù)層工作面回采期間瓦斯抽采量占工作面總的瓦斯量比例最高達(dá)85%，平均為75%。正是近距離煤層群煤與瓦斯共采工業(yè)性試驗(yàn)。通過留巷卸壓煤氣共采，首采卸壓煤層安全回采煤炭40萬t，解放上覆B11b煤層煤量46.95萬t；解放下伏B8煤層煤量24.36萬t；總計(jì)解放煤量71.41萬t。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。 類似淮南資源條件的礦區(qū)，特別是深部高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層群開采必須走無煤柱沿空留巷Y型通風(fēng)煤氣共采的道路：利用煤層群開采條

14、件，首采關(guān)鍵卸壓層，采用無煤柱開采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面卸壓開采，抽采卸壓瓦斯，消除煤柱應(yīng)力集中，真正實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域消突；實(shí)現(xiàn)無煤柱開采的關(guān)鍵是沿空留巷煤與煤氣共采，即沿采空區(qū)邊緣人工構(gòu)筑高強(qiáng)支撐體將回采巷道保留下來，解決深部開采中高地應(yīng)力問題和使巷道在最低的應(yīng)力環(huán)境下長期維護(hù)的問題，創(chuàng)新卸壓抽采方法，形成以留巷鉆孔法連續(xù)抽采卸壓煤層氣技術(shù)體系，替代淺部專用巷道法為主的抽采煤層氣技術(shù);變工作面?zhèn)鹘y(tǒng)的U型通風(fēng)方式為Y型通風(fēng)方式。 低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用要結(jié)合具體試驗(yàn)地點(diǎn)的煤層群賦存條件。根據(jù)煤層群賦存條件的差異，煤礦瓦斯治理國家工程研究中心和淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司已集中優(yōu)勢力量，正

15、在進(jìn)行本課題的進(jìn)一步深入研究，將逐步形成煤層群無煤柱快速留巷Y型通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保障該項(xiàng)技術(shù)的安全可靠應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“三高”礦井的安全、高效生產(chǎn)。 低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)，成功地解決了深井高瓦斯、低滲透率、高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件礦區(qū)的煤與瓦斯共采技術(shù)難題。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)成果，符合國家制定的“先抽后采”安全開采方針和“煤氣共采”能源戰(zhàn)略，對我國開發(fā)深部煤炭和煤層氣源，改善礦井安全條件和提高經(jīng)濟(jì)效益，緩解常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況，實(shí)施國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護(hù)大氣環(huán)境，都具有十分重要的意義。 相關(guān)鏈接： Y型通風(fēng)巷道系統(tǒng)：在煤層群開采時(shí)首選關(guān)鍵卸壓層，建立“二進(jìn)一回”的Y型通風(fēng)巷道系統(tǒng)，可采用相鄰的兩個(gè)工作面同時(shí)設(shè)計(jì)、施工三條巷道或利用在采區(qū)邊界建立回風(fēng)上山構(gòu)成。Y型通風(fēng)巷道系統(tǒng)可以采用風(fēng)門、風(fēng)窗，調(diào)節(jié)供風(fēng)風(fēng)流，確保風(fēng)流場的穩(wěn)定。 留巷支護(hù)：沿留空巷巷道是沿采空區(qū)邊緣人工構(gòu)筑高強(qiáng)支撐墻體將工作面回采巷道保留下來，沿空巷巷道由原工作面回采巷道頂板、底板、保留煤幫及人工構(gòu)筑高強(qiáng)支撐墻體構(gòu)成。沿留空巷巷道支護(hù)采用高強(qiáng)度、大預(yù)應(yīng)力錨桿(索)、網(wǎng)、梁聯(lián)合支護(hù)，錨固控制巖體變形提高其主動(dòng)承載能力，并與留巷充填共同承受采動(dòng)應(yīng)力的破壞。 充填留巷