煤矿瓦斯与煤炭协调开采模式研究.pdf

博士学位论文 申请人姓名 屈先朝 指 导 教 师 张子敏 教授 专 业 名 称 安全技术及工程 研 究 方 向 瓦斯地质理论与技术 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二二〇〇〇〇九年十九年十二二月月 煤矿瓦斯煤矿瓦斯与煤炭协调开采模式研究与煤炭协调开采模式研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD712 密密 级级 UDC 单位代码单位代码10460 煤矿瓦斯与煤炭协调开采模式研究 Research on the coordinate exploitation model of gas and coal 申请人姓名申请人姓名 屈先朝屈先朝 申 请 学 位申 请 学 位 工学博士工学博士 学 科 专 业学 科 专 业 安全技术及工程安全技术及工程 研 究 方 向研 究 方 向 瓦斯地质理论与技术瓦斯地质理论与技术 导师导师 张子敏张子敏 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2009 年年 11 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2009 年年 12 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢 的地方外，的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了 明确的声明并表示了谢意。明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实， 愿意承担一切相关的法律责任。本人学位论文与资料若有不实， 愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名学位论文作者签名 指导教师签名指导教师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师张子敏教授的悉心指导、严格要求下完成的。从论文的选题、 习班本论文是在导师张子敏教授的悉心指导、严格要求下完成的。从论文的选题、 构思、理论分析、现场实验以及写作等每一环节都凝结着导师的心血。张子敏教 授既是我大学本科时的班主任，也是我的博士生导师。在向他拜师的二十多年中， 不但向他学到了丰富的理论知识和实践经验，更为重要的是向他学到了科学研究 的思路和实验方法。与此同时，张子敏导师在工作和生活上给予了我无微不至的 关怀和帮助；导师严谨求实、谦虚谨慎、务实创新的科研作风、孜孜不倦的工作 精神和无私奉献的高尚品德都使学生深受教育并终身受益。在此博士论文完成之 际，谨向张老师致以最诚挚的感谢 在我博士研究生学习期间，河南理工大学高建良教授和张玉贵教授等诸位老 师给予了多方面的帮助，在此深表感谢 此外，我的同学魏国营博士在我们近四年的同学期间给我提供了无私的帮助 和关照，特此致谢 感谢煤炭科学研究总院以及矿山安全研究分院的诸位领导和同事在我读博士 期间给予的支持和帮助 最后，特别感谢各位专家和教授在百忙之中参加我的论文评审和答辩，诚挚 地希望得到您们的指导与帮助 思、理论分析、现场实验以及写作等每一环节都凝结着导师的心血。张子敏 教授既曾是我大学本 此外，我的同学魏国营博士在我们近四年的同学期间给我提供了无私的帮助和关 照，特此致 万方数据 万方数据 I 摘 要 瓦斯抽采是有效控制瓦斯事故、减少温室气体排放、充分利用煤矿洁净资源 的根本途径。本文根据我国瓦斯赋存及开发特点，以焦作、晋城和铜川等矿区为 试验基地，构建以安全、资源和环境为基础的煤与瓦斯共采理念。 本文对我国瓦斯抽采现状进行了研究和分析。由于我国地质构造复杂，构造 煤普遍发育，因此，煤层多为高地应力、高瓦斯、低渗透性煤层。因此，地面抽 采难度大，井下抽采的瓦斯浓度低，大部分抽出的瓦斯被排入大气而未得到利用。 本文对瓦斯的生成、储集、运移和富集进行了分析，提出了瓦斯资源量的评 价方法。通过建立矿井瓦斯抽采的数学力学模型，并对其求解，可得出最佳的抽 采孔距以及分析预测煤层透气性系数方法。 本文从经济外部性分析了瓦斯产业的外部效益，建立了综合外部效益环境 和社会效益的定量化评价模型。 本文深入地研究了采掘工艺对瓦斯抽采产能的影响，建立数学模型，定量分 析了瓦斯抽采产能与抽采钻孔与煤壁的距离、工作面日产量、煤层埋深、开采厚 度、抽采负压、抽采时间、煤层和围岩的物理力学性质以及采掘工艺参数之间的 影响关系。所得到的分析计算结果在有关矿井生产实践中得到了验证。 本文通过瓦斯与煤炭协调开采模式的研究，认为煤炭与瓦斯协调开发能起到 相辅相成的作用。煤层采动影响可以为瓦斯抽采提供良好的条件，而瓦斯抽采又 为煤炭开采提供安全的生产环境，在煤炭开采时可以形成采煤和采瓦斯两个完整 的协调开采系统。矿井瓦斯抽采为煤层开采应以保证安全的采掘活动为目标。一 方面，在有条件的矿区，在煤炭开采之前，将瓦斯作为资源进行地面规模开发和 利用。另一方面，在地质条件复杂的矿区，应将井下瓦斯抽采作为瓦斯抽采的主 要方法，防止煤与瓦斯突出和瓦斯煤尘爆炸，减少瓦斯对煤炭开采过程造成的威 胁。 总之，煤炭开采与瓦斯开发工程不可分割，必须加强瓦斯抽采和煤炭开采的 一体化规划、设计和管理，形成煤炭开采有利于瓦斯抽采，而瓦斯抽采又服务于 煤炭安全生产的协调开发理念 关键词关键词瓦斯地质；瓦斯抽采；抽采工艺；采掘部署；协调开采；模式研究 万方数据 万方数据 III Abstract Coal mine gas drainage is a fundamental way of effective control of coal mine gas accidents, reducing greenhouse gases emissions and making full use of clean resources of coal mine. Based on the characteristics of China’s methane deposit and development, this essay takes Jiaozuo, Jincheng and Tongchuan mine areas as the test bases and builds a safety, resources, and environment-based concept of simultaneous exploitation of coal and gas. The status quo of China coal mine gas drainage is researched and analyzed in this essay. Because most of the coal seams in China are high-land-stress, high-coal-rank, high-gas and low-permeability, the surface extraction is not satisfactory. The gas concentration of underground extraction is low, and most of the gas is emitted into the atmosphere without being utilized. This essay analyzes the ation, storage, transportation of coal mine gas and the reservoir-rich region and brings up a volume uation of coal mine gas. The best extraction pitch-row as well as analyzing and forecasting coal seam permeability coefficient can be drawn through the establishing of the mathematical model and solving them. This essay makes an intensive study of the impact of extraction technology on the gas extraction capacity, and makes a quantitative analysis of the relationship between gas drainage and mining technology including the distance from the pumping drill bore to the wall, daily output of working face, the buried depth of coal seems, exploitation thickness, the negative pressure and time of pumping, and the physical and mechanical characters of coal seems as well as wall rock by mathematical simulation. And the analysis results have been proved in the practical mine production. The comprehensive external benefits of coal bed methane industry have been analyzed from an external economic point of view in this essay. And the comprehensive external benefits – environmental and social benefits quantitative uation model has been established. We can know that coal mining and gas drainage complement each other by the research of coal mine gas and the mine mining model. The impact of coal mining 万方数据 provides a good condition to gas drainage, and the gas drainage provides a safe production environment to mining. They two full coordinate exploitation systems. The order of mining and gas drainage should be decided on the base of the safety of mining activities. On one hand, if the exploitation condition is good enough, gas should be exploited and utilized in a large scale as a kind of resource before coal mining in order to reduce the gas emission volume during the mine production process and to reduce the pressure of mine ventilation system. One the other hand, if the geological condition is complex, underground extraction should be used as the primary measure of gas drainage to prevent the outburst of coal and gas as well as gas and coal dust explosions, and to reduce the threat of gas to the coal mining process. In short, due to the characteristics of Chinas coal seam deposit, mine gas drainage and coal mining project can not be separated. They influence and restrict each other obviously. The integrated management of gas drainage and coal mining should be enhanced to establish a coordinate exploitation concept which is coal mining is conducive to gas drainage and gas drainage serves to the coal mine safety. Keywordsgas geology；gas drainage；gas drainage technology；excavation arrangement；coordinate exploitation；model research 万方数据 1 绪论 V 目 录 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 问题的提出 ............................................................................................................. 1 1.2 国内外现状 ............................................................................................................ 3 1.2.1 国内外瓦斯抽采现状 ......................................................................................................... 3 1.2.2 国内外开发利用现状 ......................................................................................................... 4 1.3 瓦斯抽采存在的问题 ............................................................................................. 5 1.4 瓦斯抽采面临的机遇 ............................................................................................. 7 1.5 研究内容及研究路线 ............................................................................................. 8 1.5.1 研究内容 ............................................................................................................................. 8 1.5.2 研究路线 ............................................................................................................................. 8 1.6 主要创新点 ............................................................................................................. 9 2 瓦斯的生成、储集、运移及资源量评价瓦斯的生成、储集、运移及资源量评价 ................................................................ 11 2.1 瓦斯的生成 ........................................................................................................... 11 2.2 瓦斯的赋存和运移 ............................................................................................... 13 2.2.1 煤的孔隙特征 ................................................................................................................... 13 2.2.2 瓦斯的赋存 ....................................................................................................................... 15 2.2.3 瓦斯的运移 ....................................................................................................................... 17 2.3 瓦斯富集条件分析 ............................................................................................... 19 2.4 瓦斯资源量评价 ................................................................................................... 21 2.4.1 瓦斯资源量的含义 ........................................................................................................... 22 2.4.2 瓦斯资源量计算方法 ....................................................................................................... 22 2.4.3 用瓦斯地质图法评价瓦斯资源量 ................................................................................... 23 2.5.铜川下石节瓦斯赋存与流动规律 ....................................................................... 27 2.5.1 矿井概述 ........................................................................................................................... 27 2.5.2 下石节煤矿 4-2煤层瓦斯赋存规律 ................................................................................. 29 2.5.3 采动影响下瓦斯涌出规律 .............................................................................................. 32 3 瓦斯（煤层气）抽采工艺选择瓦斯（煤层气）抽采工艺选择 ................................................................................ 41 3.1 未开采矿区地面瓦斯（煤层气）抽采 ............................................................... 41 3.1.1 地面瓦斯（煤层气）抽采钻井技术 ............................................................................... 41 万方数据 河南理工大学博士学位论文 VI 3.1.2 地面瓦斯（煤层气）抽采固井、完井技术 ................................................................... 42 3.1.3 地面煤层压裂技术 ........................................................................................................... 43 3.1.4 地面瓦斯（煤层气）开采技术 ....................................................................................... 44 3.2 煤矿瓦斯（煤层气）预抽 ................................................................................... 46 3.2.1 巷道抽采瓦斯 ................................................................................................................... 46 3.2.2 钻孔抽采瓦斯 ................................................................................................................... 47 3.2.3 煤矿瓦斯（煤层气）抽采效果提高措施 ....................................................................... 52 3.3 采动影响下瓦斯运移规律 ................................................................................... 55 3.3.1 瓦斯（煤层气）在三维坐标空间上的运移规律 ........................................................... 55 3.3.2 采空区瓦斯分布规律 ....................................................................................................... 58 3.4 采动卸压煤层瓦斯抽采 ....................................................................................... 59 3.4.1 开采层抽采 ....................................................................................................................... 59 3.4.2 釆动影响区卸压区瓦斯抽釆 ........................................................................................ 60 3.5 采空区瓦斯抽采 ................................................................................................... 70 3.5.1 高位巷道抽采瓦斯 ........................................................................................................... 70 3.5.2 顶板高位钻孔抽采瓦斯 ................................................................................................... 71 3.5.3 高冒带斜交钻孔抽采瓦斯 ............................................................................................... 72 3.5.4 采空区埋管抽采瓦斯 ....................................................................................................... 72 3.5.5 采空区瓦斯抽采实例 ...................................................................................................... 75 3.6 废弃瓦斯抽采 ....................................................................................................... 82 3.6.1 废弃瓦斯资源开发潜力评价 ........................................................................................... 82 3.6.2 废弃瓦斯的开发原理 ....................................................................................................... 83 3.6.3 废弃瓦斯的界定 ............................................................................................................... 83 3.6.4 废弃瓦斯抽采方法及技术影响因素 ............................................................................... 84 4 瓦斯与煤炭协调开采模式瓦斯与煤炭协调开采模式 ......................................................................................... 85 4.1 瓦斯抽采数学力学分析 ....................................................................................... 85 4.1.1 瓦斯抽采数学力学模型建立 ........................................................................................... 85 4.1.2 瓦斯抽采数学力学模型求解 ........................................................................................... 88 4.1.3 现场估算验证 .................................................................................................................. 90 4.2 瓦斯抽采产能影响因素分析 ............................................................................... 92 万方数据 1 绪论 VII 4.2.1 瓦斯抽采钻孔至工作面煤壁距离对瓦斯抽采量的影响................................................ 92 4.2.2 工作面日产量对瓦斯抽采量的影响 ............................................................................... 93 4.2.3 煤层埋深及开采煤层厚度对瓦斯抽采量的影响 ........................................................... 94 4.2.4 负压对瓦斯抽采量的影响 ............................................................................................... 94 4.2.5 连续抽采时间对瓦斯抽采效率的影响 ........................................................................... 95 4.2.6 煤层和围岩的力学性质对瓦斯抽采量的影响 ............................................................... 96 4.3 瓦斯与煤炭协调开采模式 ................................................................................... 97 4.3.1 强化瓦斯抽采，坚持先抽后采 ....................................................................................... 97 4.3.2 分区实施井下抽采与地面开发并举 ............................................................................... 97 4.3.3 选择最佳瓦斯抽采方法，保证煤炭安全开采 ............................................................... 98 4.3.4 瓦斯和煤炭协调开发的政策扶持 ................................................................................... 99 5 结论及展结论及展望望 ...............................................................................