淮南矿区煤与瓦斯共采技术的创新与发展_李琰庆.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 淮南矿区煤与瓦斯共采技术的创新与发展 李琰庆 1,2， 唐永志1,2， 唐 彬 2,3， 余 岩 1,2 （1.淮河能源控股集团 煤炭开采国家工程技术研究院， 安徽 淮南 232001； 2.淮河能源控股集团 深部煤炭开采与环境保护 国家重点实验室， 安徽 淮南 232033； 3.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001） 摘要 淮南矿区具有低透气性、 强吸附性、 高瓦斯煤层群赋存特征， 针对深部瓦斯灾害日趋严 重情况下煤矿面临的安全与效益 2 大生存问题， 通过采用卸压开采抽采瓦斯理论， 攻关煤层顺 层钻孔 “一孔两消” 和顶板高位钻孔 “以孔代巷” 技术， 把传统的巷道加钻孔式抽采瓦斯方法优化 为钻孔式抽采瓦斯方法， 创新煤与瓦斯共采新模式。结果证明 新模式抽采瓦斯效果不仅满足安 全生产需要， 而且取消了顶、 底抽巷， 节省了穿层钻孔， 降低瓦斯治理成本在 30以上。 并针对更 深部煤层全部升级为强突出煤层开采条件， 引进石油工业侧钻水平井、 分支水平井等地面钻井 施工技术与工艺， 提出地面钻井实现煤与瓦斯共采新方案。 关键词 卸压开采； 煤与瓦斯共采； 一孔两消； 以孔代巷； 地面特殊钻井 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0077-05 Innovation and Development of Coal and Gas Co-mining Technology in Huainan Mining Area LI Yanqing1,2, TANG Yongzhi1,2, TANG Bin2,3, YU Yan1,2 （1.National Institute of Engineering and Technology for Coal Mining, Huaihe Energy Holding Group, Huainan 232001, China; 2.State Key Laboratory of Deep Coal Mining and Environmental Protection, Huaihe Energy Holding Group, Huainan 232033, China; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China） Abstract Huainan Mining Area is of low gas permeability, strong adsorption, and high gas. For the two major survival problems of coal mines under the situation of deep gas disasters, and through adopting the theory of pressure relief mining and gas extraction, we tackle key problems of “one hole and two eliminations”in the bedding of coal seams and“replacing the roadway with the hole”for drilling on the top of the roof, and optimize the traditional roadway and borehole gas extraction to drilling gas extraction , innovate coal a new coal and gas mining model. The result proves that the new mode extraction gas effect not only meets the safety production needs, but also eliminates the top and bottom pumping lanes, saves the drilling of the layer and reduces the cost of gas treatment by more than 30. In order to upgrade the deeper coal seams to the conditions of strong outburst coal mining, and introduce the ground drilling construction technology and technology of side tracking horizontal wells and branch horizontal wells in the petroleum industry, the new plan for coal and gas mining in ground drilling is proposed. Key words pressure relief mining; coal and gas mining; two elimination by one hole; replacing roadway with hole; ground special drilling DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.015 李琰庆， 唐永志， 唐彬， 等.淮南矿区煤与瓦斯共采技术的创新与发展 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 77-81. LI Yanqing, TANG Yongzhi, TANG Bin, et al. Innovation and Development of Coal and Gas Co-mining Technology in Huainan Mining Area［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 77-81. 移动扫码阅读 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05068） 瓦斯治理是安全高效开采的前提和基础。针对 瓦斯防治难题， 周世宁[1]创建了 “煤层瓦斯流动理 论” 体系， 提出了 “煤层瓦斯应力场” 概念和 “煤和瓦 斯突出的流变假说” ； 袁亮[2-3]探索出卸压开采抽采 瓦斯理论，建立了卸压开采煤与瓦斯共采技术体 系，指出深部煤层应坚持地面和井下相结合的煤与 瓦斯共采模式； 程远平等[4]提出了煤体卸荷渗透率 演化概念模型， 建立了考虑有效应力和瓦斯吸附/解 吸变形等因素的、以应变为变量的煤体卸荷损伤增 技术 创新 77 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1卸压开采抽采瓦斯防治煤与瓦斯突出原理 Fig.1Principle of preventing coal and gas outburst by gas extraction in pressure relief mining 图 2卸压开采抽采瓦斯技术模式 Fig.2Technical model of gas extraction in pressure relief mining 透理论模型； 胡千庭等[5]建立了预测预防煤与瓦斯 突出灾害的理论技术体系，提出利用煤层采动卸压 增透效应采用地面钻井充分抽采瓦斯； 李强等[6]通 过优化松软煤层顺层孔钻进和下筛管工艺，钻孔深 度达到 180 m； 李平等[7]通过攻关顶板爬坡孔段和目 标层段定向钻进、完孔等技术，形成顶板复杂地层 高位定向钻孔施工工艺，实现钻孔替代顶抽巷。淮 南矿区煤体松软、 透气性差， 矿区坚持高投入， 全面 推行卸压开采煤与瓦斯共采技术， 2018 年杜绝了煤 与瓦斯突出和瓦斯爆炸事故，瓦斯超限次数控制到 4 次。但是， 随着向深部开采， 瓦斯威胁程度和治理 成本不断增加，为此，在卸压开采煤与瓦斯共采理 论和技术体系基础上，创新煤与瓦斯共采新技术， 以期破解深部瓦斯防治面临的安全与经济难题。 1卸压开采煤与瓦斯共采理论和技术体系 1.1卸压开采抽采瓦斯理论 20 世纪六七十年代， 周世宁院士从突出事故中 发现含瓦斯的软煤在地应力作用下有明显的流动效 应， 创造性地提出 “煤和瓦斯突出的流变假说” [8]， 并 通过现场观测和实验室研究，建立了地应力与瓦斯 压力、 煤层透气性系数之间的关系公式[9] pp0 c ρ σ（1 ） λλ0e -bσ （2 ） 式中 p0、 p 为煤层初始和采动后的瓦斯压力， MPa； λ0、 λ 为煤层初始和采动后的透气性系数， m2/ （MPa d ） ； ρ 为煤层的密度， kg/m3； σ 为地应力， MPa； c、 b 为待定常数。 21 世纪，袁亮院士开展了煤的瓦斯解吸研究， 发现采动卸压能明显增加煤层透气性，煤中大量吸 附瓦斯解吸为游离瓦斯， 可抽采性大大增加， 并打破 传统自上而下开采煤层程序，系统研究了采动岩层 移动规律及裂隙发育特征、瓦斯流动流动规律和瓦 斯抽采方法， 创立了卸压开采抽采瓦斯理论[2]， 卸压 开采抽采瓦斯防治煤与瓦斯突出原理如图 1。 在煤层群中选择无突出危险或弱突出危险的煤 层作为保护层首先开采， 充分利用采动造成上下煤 岩层膨胀变形和松动卸压，增加突出煤层的透气 性， 解吸出大量游离瓦斯， 然后通过施工抽采巷、 钻 孔、 钻井等集中抽采卸压瓦斯， 消除 （或降低） 煤与 瓦斯突出危险， 达到区域治理瓦斯目的。并据此提 出卸压开采抽采瓦斯技术模式[10]， 卸压开采抽采瓦 斯技术模式如图 2。上被保护层在保护层开采形成 的裂隙带内，利用顶抽巷直接抽采卸压瓦斯消突； 下被保护层处于保护层开采形成的地应力降低区 内、 底板破坏带外， 有一定厚度的完整岩层防止卸 压瓦斯涌入保护层工作面， 但需提前施工底抽巷和 钻孔抽采卸压瓦斯消突。 1.2煤与瓦斯共采技术体系 “十五”“十一五” 期间， 淮南矿业集团联合高校 和科研院所， 针对淮南矿区不同的煤与瓦斯赋存条件， 经过工业性试验和抽采效果的考察与论证， 形成 78 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 4开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯 Fig.4Gas extraction from lower layer by mining close upper protective layer 图 3开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯 Fig.3Gas extraction from upper layer by mining remote lower protective layer 不具备开采保护层的首采突出危险煤层消突技术、 开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯技术、开采近 距离上保护层抽采下被保护层瓦斯技术和依次向上 （下） 开采卸压抽采瓦斯技术， 构建出一套完整的煤 与瓦斯共采技术体系[11]。 1） 首采突出危险煤层消突技术。随着向深部开 采，作为保护层开采的非突煤层升级为突出煤层， 需要先消突再开采。 通常采用巷旁充填留巷[12]、 原巷 充填掘巷[13]或留窄煤柱掘巷 3 种无煤柱开采方法， 沿采空区布置煤巷，确保在采动应力降低区无突出 危险条件下掘巷； 非采空区侧煤巷则通过顶 （底） 抽 巷施工条带穿层钻孔，实施区域消突后掘进；然后 利用工作面两巷施工煤层顺层钻孔进行全覆盖消 突。如谢一矿 15 煤为弱突出煤层， 直接采用钻孔预 抽瓦斯进行消突， 5131 （5 ） 工作面回风巷留设 6 m宽 煤柱沿采空区布置，运输巷沿实体煤掘进，工作面 掘进和回采时最大钻屑量为 5.5 kg/m、钻屑瓦斯解 吸指标为 0.26 mL/ （g min1/2） ，瓦斯压力由 0.9 MPa 降为 0.4 MPa， 瓦斯含量由 8.8 m3/t 降为 5.3 m3/t， 表 明该工作面无煤与瓦斯突出危险性。 2） 开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯技术。 上被保护层处于下保护层开采的裂隙带外、弯曲下 沉带内，确保其离层形成顺层张裂隙，产生瓦斯解 吸和顺层流动，并通过提前施工的底抽巷和钻孔抽 采存留在煤层中的卸压瓦斯[14]， 使卸压层间距达到 50 倍采高， 突破了 30 倍采高的传统理论。如潘三矿 13 煤通过开采下伏 66.7 m（35 倍采高） 的 11 煤实 施卸压抽采瓦斯， 2121 （3 ） 工作面 13 煤瓦斯压力由 4.4 MPa 降为 0.5 MPa，瓦斯含量由 13.2 m3/t 降为 4.9 m3/t， 煤层透气性系数由 0.011 m2/ （MPa2 d） 增加 到 32.687 m2/ （MPa2 d） ， 增大 2970 倍。开采远程下 保护层上向卸压抽采瓦斯如图 3。 3） 开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯技 术。开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯如图 4， 由于上保护层与下被保护层层间距较小， 底板裂 隙发育至下被保护层，导致卸压瓦斯直接涌入上保 护层，需要在下被保护层施工底抽巷和钻孔进行采 前预抽瓦斯和采后抽采拦截卸压瓦斯，同时利用高 抽巷、地面钻井等加强抽采拦截上隅角和采空区的 卸压瓦斯[15]。如谢一矿开采 15 煤保护下伏 15 m 的 13 煤， 5121 （5 ） 工作面原始瓦斯压力 0.7 MPa， 含量 6.1 m3/t， 对应的 13 煤原始瓦斯压力 3.5 MPa， 含量 15. 9 m3/t， 工作面绝对瓦斯涌出量 50.85 m3/min， 底 板巷穿层钻孔抽采瓦斯 21.70 m3/min，高抽巷等抽 采瓦斯 24.35 m3/min，累计抽采瓦斯 46.05 m3/min， 抽采率 90.6，配风 2 000 m3/min，回风流瓦斯在 0.24左右， 保护层实现安全开采的同时， 被保护层 也获得充分采动卸压。 4） 依次向上 （下） 开采卸压抽采瓦斯技术。突出 煤层群的中间有一非突出煤层，将此煤层作为保护 层优先开采， 然后按顺序向上 （下） 逐层开采、 依次 卸压， 实现 “中间来一刀， 上下都解放” 。治理瓦斯技 术为前述技术的组合。 2井下钻孔技术实现煤与瓦斯共采新模式 虽然卸压开采煤与瓦斯共采技术成效显著， 但 为了根治瓦斯，瓦斯治理工程量大（开采保护层约 300 万 m2/a， 施工瓦斯治理岩巷 20 m/万 t、 抽采钻孔 2 000 m/万 t） ， 周期长 （从瓦斯治理工程准备到被保 护层采完需要 4.5 年） ，用工多（平均 5 000 余人/ 79 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 5井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式 Fig.5New mode of coal and gas mining by underground drilling 矿） ， 成本高 （吨煤成本高达 300 余元） 。深部开采瓦 斯灾害加剧、成本巨高，迫使依靠技术创新化危为 安。2016 年煤炭行业产能过剩， 生产经营困难情况 下，与中煤科工西安研究院联合攻关煤层顺层钻 孔和顶板高位钻孔施工及抽采瓦斯技术 。 2.1煤层顺层钻孔 “一孔两消” 抽采瓦斯技术 煤层顺层钻孔在工作面沿采空区侧回风巷内施 工，钻孔顺煤层横穿工作面至另一侧待掘的运输巷 轮廓线外 15 m 以上， 对工作面和运输巷一并消突， 即 “一孔两消” ， 为瓦斯治理赢得时间和空间， 取代 顶、 底抽巷和穿层钻孔[16]。选用 ZDY6000LD （F） 型钻 机和 MLGF17/12.5-132G 型空气压缩机，采用空气 马达和钻机双动力驱动高效钻井， 研制 φ103 mm 可 开闭式钻头进行跟管钻进防治垮孔，并安装无线电 磁波随钻测量纠偏装置实现定向钻进。 潘三矿 171023工作面原始瓦斯压力 2.8 MPa、 含量 8.4 m3/t。通过回风巷施工煤层顺层钻孔， 孔间 距 5 m，深度不低于 220 m，抽采瓦斯浓度 60左 右， 百孔抽采纯量 21.5 m3/min。抽采后实测最大残 余瓦斯压力 0.35 MPa、 含量 3.69 m3/t， 抽采效果达 标，省去了待掘运输巷条带穿层钻孔及相应的顶 （底） 抽巷， 且工作面和待掘煤巷实现 “一孔两消” 。 2.2顶板高位钻孔替代顶抽巷抽采瓦斯技术 顶板高位钻孔在工作面回风巷内施工，布置在 回风巷内侧顶板的岩层裂隙带内，抽采采空区卸压 瓦斯， 拦截瓦斯流向上隅角， 取代顶抽巷， 大幅度提 高瓦斯治理工程施工进度[16]。选用 ZDY12000LD 型 钻机和 BLY460/13 型泥浆泵车，泥浆泵输送高压水 驱动孔底马达带动钻头的同时，钻机动力头通过钻 杆带动钻头同向转动，实现双动力钻进，单孔深度 可达 1 500 m。首先采用 φ120 mm 定向钻头和泥浆 脉冲无线随钻测量纠偏装置施工定向先导孔，然后 采用 φ153 mm 和 φ220 mm 钻头扩孔。 顾桥矿 1123 （3 ） 工作面施工顶板高位钻孔 10个， 深度 500 m 以上钻孔 7 个， 总进尺 4 643 m， 抽采瓦 斯浓度为 20～30，抽采瓦斯混合量达 40 m3/min 以上， 抽采纯均达到 10 m3/min 以上。顶板高位钻孔 与顶抽巷的抽采瓦斯效果基本相当， 实现替代作用。 2.3井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式 在煤层顺层钻孔和顶板高位钻孔技术试验基础 上，提出井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式。选择 非突或弱突出危险煤层作为保护层首先开采，工作 面无煤柱或留设窄小煤柱布置，沿采空区侧煤巷掘 进后，施工煤层顺层钻孔对工作面和非采空区侧待 掘煤巷消突， 然后再掘进和回采。与此同时， 对应的 上、下被保护层工作面通过采空区侧煤巷施工顶板 高位钻孔和煤层顺层钻孔抽采卸压瓦斯。该模式取 消了顶、 底抽巷， 节省了穿层钻孔， 降低瓦斯治理成 本在 30以上。井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式 如图 5。 3地面钻井技术实现煤与瓦斯共采新方案 3.1地面钻井技术进展及抽采瓦斯应用 我国地面钻井技术成熟于石油行业， 1990 年以 来获得了突飞猛进发展，自主研制出了旋冲钻进、 随钻测井、 近钻头地质导向、 连续下管、 分段压裂等 核心装备的万米钻机及配套装备，形成大位移水平 井、 三维多目标井、 侧钻水平井、 分支水平井等特殊 钻井工艺[17-18]。煤炭行业从 20 世纪 70 年代开始开 展地面钻井抽采瓦斯试验， 截止 1998 年施工地面钻 井 136 口，以垂直井为主，每口井平均长 700～800 m。2006 年煤层气开发列入 “十一五” 国家能源发展 规划， 开始有计划地引入石油行业先进钻井技术， 截 止 2016 年施工水平井 607 口[19]。探索试验较成功的 是 2013 年华晋焦煤沙曲煤矿 24307 工作面， 采用多 分支水平钻井与井下钻孔连通，辐射整个采煤工作 面， 抽采瓦斯 18 000 m3/d， 浓度达 90以上[20]。 3.2地面特殊钻井技术治理瓦斯技术方案 根据石油工业钻井技术水平和煤炭行业探索试 验情况，提出采用侧钻水平井和分支水平井治理瓦 斯技术方案。恢复传统的自上而下开采煤层程序， 采用侧钻水平井或分支水平井对单一和远距离突出 煤层或突出煤层群首采煤层预抽瓦斯消突，并结合 采动卸压影响情况对下邻近煤层采用分支水平井提 80 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 6地面钻井实现煤与瓦斯共采新方案 Fig.6New scheme of coal and gas mining by ground special drilling 前预抽和采后卸压抽采瓦斯，以及采用侧钻水平井 代替顶抽巷加强抽采采后卸压瓦斯。该方案从地面 进行区域超前治理瓦斯，不仅使职工远离井下危险 源，保证强突煤层在安全状态下作业；而且省去了 井下瓦斯治理巷道和钻孔工程，降低了安全生产成 本； 还做到地面超前治理瓦斯， 破解了井下采、 掘、 抽接替矛盾。地面钻井实现煤与瓦斯共采新方案如 图 6。 4结语 淮南矿区面对曾经频发的瓦斯事故，痛下决心 治瓦斯，逐步探索认识到瓦斯灾害是瓦斯场、应力 场、裂隙场等多场耦合作用的结果，并从应力这个 灾害源头入手，创立了卸压开采煤与瓦斯共采理 论， 形成了瓦斯治理 “淮南模式” 。近年来， 又攻关井 下钻孔和地面钻井治理瓦斯技术，不断优化煤与瓦 斯共采技术，取得了一定的成效，既解决了制约企 业发展的瓶颈问题，也为行业安全状况好转作出了 贡献。但是由于淮南矿区自然开采条件复杂，防治 煤与瓦斯突出工作依然很艰巨，瓦斯综合防治工作 始终在路上 参考文献 ［1］ 郭勇义， 何学秋， 林柏泉.煤矿重大灾害防治战略研究 与进展 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2003 1-7. ［2］ 袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体 系 ［J］ .煤炭学报， 2009， 34 （1） 1-8. ［3］ 袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考 ［J］ .煤炭学报， 2016， 41 （1） 1-6. ［4］ 程远平， 刘洪永， 郭品坤， 等.深部含瓦斯煤体渗透率 演化及卸荷增透理论模型 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （8） 1650-1658. ［5］ 胡千庭， 孙海涛， 杜子健.煤矿区煤层气地面井开发工 程实践及利用前景 ［J］ .煤炭科学技术， 2015， 43 （9） 59-64. ［6］ 李强， 叶嗣暄， 金新.松软煤层顺层孔筛管护孔工艺及 装备应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （6） 147-151. ［7］ 李平， 童碧， 许超.顶板复杂地层高位定向钻孔成孔工 艺研究 ［J］ .煤田地质与勘探， 2018， 46 （4） 197-201. ［8］ 周世宁， 林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 1998. ［9］ 周世宁， 林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论与控制 技术 ［M］ .北京 科学出版社， 2007. ［10］ 袁亮， 薛俊华.低透气性煤层群无煤桩煤与瓦斯共采 关键技术 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （1） 5-11. ［11］ 淮南矿业 （集团） 有限责任公司.淮南煤矿科学技术 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