低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术.doc

低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术 张农 中国矿业大学矿业工程学院 1、技术背景 我国大多数矿区地质构造复杂，煤岩松软，煤层具有高瓦斯、低透气性、高吸附性的特点，从安全开采角度看，应先采瓦斯，将煤层转到低瓦斯状态再开采煤炭。在现有技术工艺条件下，难以实施地面直接预先抽采，井下布置巷道及抽采钻孔，预抽原始瓦斯效率也很低，通常需要1020年才能达标。 1998年以来，淮南矿区联合科研院所开展了卓有成效的研究，形成了卸压开采抽采瓦斯的理论、技术体系首采关键层，使上下临近的低透气性高瓦斯煤层通过充分卸压增加煤层透气性，变吸附瓦斯为游离瓦斯，在采动区预先布置巷道和钻孔抽采被卸压煤层的卸压瓦斯（见图1），并形成完整的技术体系，实现了高瓦斯煤层在低瓦斯状态下安全开采。该技术成果在全国多个煤矿区得到成功应用，但存在岩巷及钻孔工程量大、成本高、周期长、抽采效果差等问题。特别是近年淮南矿区整体进入600～800 m深部开采以后，瓦斯升级、地压、地温问题日益突出，实施岩巷瓦斯治理工程十分困难、存在安全隐患。 在卸压开采抽采瓦斯技术的基础上，将瓦斯治理、巷道支护、煤炭开采、工作面降温等安全技术难题统筹考虑，提出了无煤柱煤与瓦斯共采的科学构想采用首采层无煤柱沿空留巷，替代预先布置的专用瓦斯抽采岩巷，改变U型通风方式为Y型或H型通风方式，在留巷内布置钻孔连续抽采采空（动）区卸压瓦斯的技术路线，开展低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论、方法和技术研究。为此需要在如下几点取得技术突破 （1）创新深井强采动松软大断面煤层巷道围岩控制技术。淮南矿区煤层硬度系数0.30.8，采深多处于600800 m范围，原始地应力水平和围岩单轴抗压强度相当，特别是在采动期间应力集中系数达310倍，深部松软煤巷必将经受强采动动压影响，采用U型钢支护累计变形将达到15002000 mm以上，U型钢严重变形，根本不具备留巷条件，国内尚无类似条件成功留巷、并能二次使用的先例；德国使用重型U型钢支架配合壁后充填技术，吨煤开采成本达到8001200元，依赖于政府补贴来维持煤炭生产，不适合我国国情。我国已形成了以锚杆支护为基础的煤巷支护体系，采用以锚杆支护为基础的方式成功解决了U型通风条件下的煤巷支护技术，并得到广泛应用，这种支护方式具有及时、主动控顶，整体加固、安全可靠、成本低的优点，也为进一步创新强采动留巷支护技术、并从理论和技术上解决锚杆支护状态下留巷围岩的稳定性和安全可靠性难题奠定了基础。 （2）研制新型高承载能力的充填材料。现有高水类、水泥混凝土等充填材料不能满足深井松软煤层条件留巷强动压作用下对留巷墙体强度和可缩性要求，国际上也没有强度高（30 MPa）、密闭性好、可远距离输送800m以上，且具有一定的可缩性和再胶结性的充填材料。 （3）沿空留巷Y型通风模式下，采空区顶板的裂隙场发育及演化规律、瓦斯流场及汇集规律、钻孔布置及瓦斯抽采方式等有关理论、技术和方法等研究在国内外都很不成熟。 （4）我国综采工作面生产能力已达到300500万吨，现有留巷充填工艺系统能力低、装备机械化程度低，不能与综采工作面生产能力相匹配，必须集成创新快速自移的充填模板支架、早强速凝充填材料机械化的泵送充填系统；国外的风力充填系统投资大、系统可靠性差，制约了工作面的生产能力（仅年产150万吨），不能适应我国的采煤面生产能力。因此需要创新远距离大能力快速充填工艺系统，研制集成专用装备。 图1 巷道法卸压开采抽采瓦斯原理图 图2 钻孔法无煤柱煤与瓦斯共采原理示意图 2、留巷钻孔法煤与瓦斯共采方法与理论 提出深井首采关键卸压煤层无煤柱沿空留巷Y型通风煤与瓦斯共采技术新思路，创立留巷钻孔法煤与瓦斯共采新方法根据煤层群赋存条件，选择安全开采可靠的煤层作为首采关键卸压层开采，沿采空区边缘沿空留巷实施无煤柱连续开采，在留巷内布置上、下向高、低位钻孔，抽采顶底板卸压瓦斯和采空区富集瓦斯的煤层瓦斯开采技术；并通过创新快速构建沿空留巷巷旁充填墙体技术，实现与综采工作面同步推进的煤与瓦斯高效共采的开采方法，其原理如图2，替代了多岩巷的抽采卸压瓦斯的煤与瓦斯共采技术体系。 通过实验研究揭示出煤层群首采关键卸压层开采后，采动影响区内顶底板岩层裂隙的动态演化规律、Y型通风采空区的空气压力场分布和卸压瓦斯运移规律，首采关键卸压层开采后，上覆岩层竖向形成三带，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，采空侧冒落带岩体呈不规则堆积，规则冒落带和裂隙带中顶板岩层产生卸压膨胀，采空侧空隙分布呈“O”型，采空区瓦斯易于富集在上部采动冒落空隙区；首次发现采空区侧存在“竖向裂隙发育区”，并和不规则冒落带相连通，为围岩卸压瓦斯和首采煤层工作面采空区积聚的瓦斯提供良好的储集场所。弯曲下沉带内煤体发生膨胀变形，煤层离层裂隙发育，煤层的透气性显著增加，处于弯曲下沉带远程竖向卸压区的煤层中富含高压卸压瓦斯，为远程卸压抽采瓦斯提供了良好的通道。这些研究为卸压瓦斯抽采钻孔的布置提供了理论依据。 3、创新3项留巷钻孔煤与瓦斯共采技术 第一项技术深井强动压沿空留巷围岩结构稳定性控制技术 课题基于大量现场矿压实测和三维数值模拟分析得出沿空留巷存在明显的阶段性矿压特征，研究指出不能简单地描述沿空留巷处于低值应力区，而是要经受一个强采动的应力调整期，这一时期留巷帮顶出现显著的剪切应力集中，合理的巷内支护形式应克服这种剪切破坏，抗剪切能力强的新型高性能锚杆组合支护配合新型巷内辅助加强支架，具有很好的适应性。 课题基于采空区侧向顶板运动和垮冒特征的物理模拟和理论分析揭示出沿空留巷内外层结构稳定规律；长壁工作面自开切眼向前推进一段距离后，悬露的基本顶关键块体出现断裂，断裂线相互贯通，块体沿断裂线回转、下沉进而形成结构块，接触矸石后形成能够自稳的沿空留巷外层结构。沿空留巷内层支护围岩小结构如果只由巷道周围锚杆支护、巷旁充填墙体构成，该结构将在外层大结构形成过程中受到强烈的破坏，在应力调整期中不能自稳，由此提出阶段性辅助加强的创新思路，形成巷道组合锚杆支护、巷旁充填墙体、巷内辅助加强支架“三位一体”的沿空留巷围岩整体支护原理和一套新型“三高”锚杆支护及自移式主动强力控顶支架辅助补强的留巷支护技术体系，采用抗剪切性能的超高强度、高预紧力、系统高刚度为核心的“三高”锚杆支护技术，选择超强杆体、高刚度护网、超大托盘、超强大扭矩阻尼螺母，实施大扭矩高预应力，维持锚杆的荷载，提升主动承载能力，并向围岩扩散，形成高强主动高阻稳定的锚杆支护围岩承载结构，控制变形效果十分显著。 a 掘进稳定后状况； b 工作面端头区（20-40 m）； c工作面后250300 m 图3 顾桥煤矿11151沿空留巷实际支护状况 研发新型巷内辅助加强支架，形成系列产品，成功地解决了深井强采动动压影响期巷道围岩稳定控制问题。 第二项技术巷旁充填材料研制与快速留巷充填工艺系统集成创新 成功研制了适宜井下高程变化，具有早强、高增阻、可缩性且可远距离泵送施工的大流态、自密实的新型CHCT型充填材料，其基本组分为水泥、粉煤灰、粗、细骨料、复合泵送剂、复合早强剂和水等。配比范围水泥为1030、粉煤灰为740、石子为1540、砂为1530、水为1030；材料性能充填料浆塌落度120～260 mm，可实现远距离泵送，最长水平泵送距离达1200 m，泵送入模后自密实；充填结束后23 h可脱模；1 d、2 d、3 d、7 d、28 d抗压强度分别可达5 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa和28 MPa；具有良好的压缩变形性能，压缩率510，残余强度可达极限抗压强度的3560。该材料实现了多套组合配方，能根据不同的矿压显现规律和巷道变形特性要求配制，具有良好的承载特性和变形性能且适宜远距离泵送施工，并形成了多种不同产能的工业化生产模式。 研发了集装箱式机械化卸料及上料系统、强支撑自移模板液压充填支架，集成创新了充填材料远距离输送系统和机械化快速构筑充填墙体工艺系统。自主研发成套充填模板支架，具备机械化上料、机械立模、高阻带压整体自移，日推进度达11 m，实现了快速留巷，满足了工作面快速回采的要求。充填模板支架包括巷旁充填侧模板支架、巷旁充填后模板支架、支架牵引挂外侧模板三部分组成。选用德国普茨迈斯特BSM1002-E混凝土泵，该泵最大理论输送能力15 m3/h，最大理论输送压力100 bar，骨料最大粒径8 mm，实现了远距离（≥800 m）连续泵送，操作工艺可靠。 第三项技术留巷钻孔瓦斯抽采技术 1）首采关键层顶板采空区富集瓦斯抽采技术在沿空留巷内布置倾向抽采瓦斯钻孔，如图2中的1钻孔，钻孔布置在采空区上方的卸压竖向带状裂隙区，抽采采空区解吸游离瓦斯，包括来自开采层和卸压层通过采动影响形成的裂隙通道汇集到采空区上部竖向带状裂隙区内的解吸游离瓦斯，卸压竖向带状裂隙区位于采空区顶板冒落带以上的离层裂隙带内。在留巷内保持68个采空区抽采瓦斯管道与留巷内的抽采主管道连通，抽采Y型通风压力场驱动下在留巷后部2080 m内的采空区内部富集的大量高浓度瓦斯，该项技术利用首采关键层留巷抽采瓦斯钻孔替代了首采层顶板高位抽采巷道，节省了首采关键层顶板岩石抽采巷，工程量大大减少。 2）大间距上部远程煤层膨胀卸压瓦斯抽采技术淮南矿区煤层赋存为煤层群，首采关键卸压煤层后，卸压层倾向卸压范围向顶板方向发展的高度达到130150 m，卸压保护区上部卸压煤层透气性系数增加数千倍；但远程卸压煤层与首采卸压层中间有致密隔气性较好的泥岩，上部大间距远程卸压煤层中的富含高压解吸瓦斯仍储集在煤层中。传统的卸压开采抽采瓦斯技术是在被卸压煤层的底板布置一条岩石巷道和抽采钻孔，抽采上部大间距远程卸压煤层中的解吸瓦斯。而煤与瓦斯共采则是在留巷内直接向大间距顶板远程煤层卸压区内施工穿层抽采瓦斯钻孔，如图2中的2、3孔，图4中的6孔，抽采钻孔直接穿过上部远程卸压煤层，倾向穿层抽采瓦斯钻孔的倾角小于采动卸压角。由沿空留巷中施工的上向倾向抽采瓦斯钻孔能够获得理想的抽采高浓度大流量瓦斯效果，抽采的瓦斯可直接利用。该项技术通过留巷内上向穿层钻孔替代远程卸压煤层底板岩石巷及在该巷中布置的大量上向穿层钻孔（如图1），工程量大大减少。 a b 1-下风巷；2-上风巷；3-沿空留巷墙体；4-工作面； 5-抽采管路；6-上向钻孔；7-留巷；8-回风巷；9-采空区；10-下向钻孔 图4 沿空留巷Y型通风低位钻孔抽采卸压瓦斯布置图 3）煤层群多层开采底板卸压瓦斯抽采技术淮南矿区煤层群条件下，首采关键卸压煤层，倾向卸压范围向底板方向发展的深度为80100 m，在卸压保护区下部卸压煤层透气性系数增加数百倍，底板裂隙发育区的卸压瓦斯通过竖向裂隙与采空区贯通，上浮运移至采空区，没有显著的瓦斯富集区。但在底板致密隔气性较好的泥岩之下的远程卸压煤层中存在高压富集瓦斯，在留巷内布置下向抽采瓦斯钻孔直接穿过下部卸压煤层，如图2中的4、5孔，图4中的10孔抽采底部卸压煤层的解吸瓦斯，可连续高效抽采高浓度瓦斯。该项技术通过留巷内下向穿层钻孔替代远程卸压煤层底板岩石巷及在该巷中布置的上向穿层钻孔，实现下向连续卸压抽采，节省底板卸压煤层抽采瓦斯岩石巷和大量的抽采钻孔（如图1），工程量大大减少。 沿空留巷Y型通风方式，在留巷钻孔法抽采采动卸压瓦斯基础上，通过工作面上、下进风巷风量和留巷段采空区抽采量的调节，改变了采空区流场结构，消灭了上隅角，杜绝了瓦斯超限事故，保证工作面上隅角瓦斯浓度处于安全允许值以下的较低值。同时可以连续抽采采空区高浓度的卸压瓦斯，实现了瓦斯抽采最大化和瓦斯利用的最大化，开创了煤与瓦斯共采、安全高效开采的新模式。 4、工程实践取得显著效果 淮南顾桥矿、新庄孜矿、皖北卧龙湖矿等成功地开展了系统的工业性试验，取得显著的社会、技术和经济效益1）把瓦斯当成一种资源，实现了煤与瓦斯共采，实现了瓦斯抽采的最大化，工作面瓦斯抽采率从10增加到70；顾桥矿创造了深井复杂地质条件下沿空留巷综采月产36万吨的国际同类条件最高水平，采煤工作面瓦斯抽采率70以上，效益效率显著提高；2）Y型通风方式消除了上隅角瓦斯积聚和超限事故；3）实现了无煤柱开采，多回收区段煤柱820m，提高回采率310；4）节省了至少两条岩石巷道和一条煤巷，简化了开采布局和采区巷道系统，通风系统稳定可靠；5）降低了工作面温度35℃，工人劳动环境大为改善；6）抽采的高浓瓦斯实现了高效利用，实现了节能减排。 特别说明本项成果是以煤矿瓦斯治理国家工程中心为平台，由淮南矿业集团、安徽建工学院、中国矿业大学、沈阳天安公司、安徽理工大学联合完成的，获得2009年度国家科技进步二等奖。