单一突出煤层瓦斯强化抽采新技术.doc

第五届“绿色开采理论 与实践”国际研讨会 江苏徐州 2012年 2012年9月 单一突出煤层瓦斯强化抽采新技术 （Enhenced Drainage Technology for single Outburst Prone Seam） 煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程中心 煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程中心 河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所 河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所 2012 2012年 年9 9月 月 王兆丰 ○研究员， 研究员，博导 ○煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心 常务副主任 ○河南理工大学瓦斯防治技术与装备研究所所长 ○国家安全生产专家 联系电话 联系电话13939103988 电子邮箱 电子邮箱 汇报内容 1. 注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 2. 二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 2011年，我国原煤生产总量达35.2亿吨， 亿吨，发生事故 1201起，死亡1973人，百万吨死亡率下降到0.564。 煤与瓦斯共采有力地促进了煤矿安全生产 我国煤矿开采深度大， 我国煤矿开采深度大，平均540m，延深速度10～ 15m/年，20多对千米深井 深度增加， 深度增加，煤层瓦斯压力、 煤层瓦斯压力、瓦斯含量升高； 瓦斯含量升高； 地质构造复杂 高瓦斯突出矿井增多（ 高瓦斯突出矿井增多（2010年资料 年资料高瓦斯矿 2859对，突出矿647对） 大部分矿区高瓦斯、 大部分矿区高瓦斯、突出煤层单一煤层赋存， 突出煤层单一煤层赋存，煤 软、透气性低， 透气性低，瓦斯抽采极为困难 我国煤矿开采条件随深度增加逐渐恶劣 1. 注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 单一低透气突出煤层普遍采用“顺层密集钻孔” 预抽瓦斯 预抽瓦斯 钻孔工程量大（ 钻孔工程量大（孔间距1-2m） “窜孔”现象严重 封孔困难 钻孔瓦斯抽采量衰减极快 抽采浓度小、 抽采浓度小、抽采率低 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 低透气煤层钻 孔瓦斯衰减快 瓦斯抽采效果 差 注氮钻孔 抽放钻孔 煤层注气显著 提高了低透气 性煤层的瓦斯 抽采效果 抽放 影响区 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 阳泉矿区掘进工作面迎头“边注边排”考察结果 16 120 100 12 80 纯流量 单一排放 K1max 排前预测 排后效检 边注边排 注前预测 注后效检 瓦 斯 浓 度 （ ） 流 量 （ L /m in ） 8 混合流量 甲烷浓度 60 40 左 中 右 1.27 1.12 0.94 0.48 0.49 0.48 0.92 0.69 0.49 0.36 0.36 0.33 4 20 0 0 2 测定时间（h ） 4 6 0 ① 钻孔平均混合流量增大50110倍，纯CH4流量平均增加3080倍; ② 相同时间下， 相同时间下，注气措施可使排采瓦斯效率提高1250倍。 ③ 注气2小时可保证效检指标不超标。 小时可保证效检指标不超标。 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 阳泉矿区掘进工作面迎头“边注边抽”考察结果 25 抽放流量/m 3 /min ，瓦斯浓度 / 5 单一抽放 边抽边注 4 抽放纯量/m 3 /min 3 2 1 0 单一抽放 K1max 左 中 右 抽前预测 抽后效检 边注边抽 注前预测 注后效检 20 15 10 5 0 0 5 10 15 混和量 20 浓度 25 30 纯流量 35 0.96 1.16 1.07 0.45 0.46 0.44 1.02 1.24 0.98 0.39 0.37 0.41 抽放时间/d 单抽19天的纯瓦斯量，边注边抽措施仅需9天； 边注边抽瓦斯抽采率是单抽的2倍以上 。 1. 注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 获中国煤炭工业协会 2010年科技进步一 等奖 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 ⑴置换解吸 1 1 1 2 2 3 2 8 5 2 9 6 4 3 7 1 多组分气体置换吸附试验装置结构图 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 40 置换 竞争 总量吸附 竞争 置换 CH4吸附量 置换 竞争 CO2吸附量 30 吸附量/cm3 /g.r 煤对多组分气体 的吸附只与平衡时的 20 组分分压、 组分分压、平衡压力 竞争吸附 置换吸附 10 等有关， 等有关，竞争吸附与 置换吸附的本质与结 0 0 0.5 1 1.5 平衡压力/MPa 2 2.5 3 果是一致的。 果是一致的。 弱吸附气体N 弱吸附气体N2也 ai bi pi V pi 1 b1 p1 b2 p2 多元气体的 分压作用 能置换煤中CH 能置换煤中CH4。 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 ⑵驱替载携 dp u −λ −λgradp dx 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 ⑶稀释扩散 吸附瓦斯 游离瓦斯 ∂X j −D ∂n 1.注氮置换强化煤层瓦斯预抽技术 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 煤层注氮强化瓦斯预抽机理 ⑷膨胀增透 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 “预裂爆破”是非常有效的强化预抽瓦斯措施， 是非常有效的强化预抽瓦斯措施， 但由于下列原因限制了该方法的推广应用 但由于下列原因限制了该方法的推广应用 “哑炮”处理极为困难 装药困难 炸药管制 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 1--充液态二氧化碳的管道; 2--垂直筒壁的放气门排气口; 3--切变盘与密封垫; 4--加热元件; 5--密封垫; 6 --注液口; 7--通向加热元件的电极; 8--通向管体的电极; 9--注液或释放二氧化碳的圆角头定位螺钉 河南理工大学、 河南理工大学、湖南汉寿中煤 科技公司和英国CARDOX公司 合作开发了用于煤层瓦斯强化 抽采的液态CO2相变致裂技术 装备。 装备。 二氧化碳炮预裂爆破技术的优势 二氧化碳炮预裂爆破技术的优势 ⑴爆破过程无火花外露； 爆破过程无火花外露； ⑵采用低压起爆（ 采用低压起爆 （9V），相比传统起爆 ），相比传统起爆（ 相比传统起爆（1800V）更安全； 更安全； ⑶不产生具有破坏性的震荡或震波， 不产生具有破坏性的震荡或震波，减少了诱发瓦斯突出的几率； 减少了诱发瓦斯突出的几率； ⑷不需进行验炮， 不需进行验炮，爆破后便可进人， 爆破后便可进人，可连续作业。 可连续作业。 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 排气管 Elongate Discharge Head 联接管 Tube Connector 二氧化碳液体 Liquid CO2 套管 Annular Tube 钻杆 Drill Pipe 加热器 Heater 接线柱 Binding Post 原理 原理在钻孔内装入预先注入液态二氧化碳的储液管， 在钻孔内装入预先注入液态二氧化碳的储液管，并将 储液管与加热器连接， 储液管与加热器连接，接通电流使储液管内的二氧化碳迅速从液 态转化为气态， 态转化为气态，当储液管内气态二氧化碳压力达到预设压力时， 当储液管内气态二氧化碳压力达到预设压力时， 储液管内预置的破裂盘被剪断， 储液管内预置的破裂盘被剪断，二氧化碳气体透过排放孔， 二氧化碳气体透过排放孔，迅速 向外爆发形成物理爆炸， 向外爆发形成物理爆炸，产生强大的爆炸力， 产生强大的爆炸力，达到破裂煤体效 果。 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 煤层 Coal Seam 顶板穿层钻孔 Roof wearing layer drilling Pa 托盘 Tray 底板岩巷 Floor Roadway 段 岩孔 rt R of oc g rin o b k- 手摇式起爆器 Hand Initiator 焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 本煤层强化预抽（ 本煤层强化预抽（襄垣煤矿2号煤） 号煤）初步应用效果 低透气性煤层， 低透气性煤层，0.005-0.01m2/MPa2.d 瓦斯含量11-12m3/t，百米钻孔瓦斯流量0.025m3/min，流 量衰减系数0.0150d-1 相变致裂前 相变致裂前，2个预抽钻孔抽采7天，瓦斯浓度由40降到 10，百米钻孔瓦斯流量降到0.005m3/min 10个钻孔， 个钻孔，相变致裂后， 相变致裂后，1-15天内的瓦斯浓度85-50，百 米钻孔瓦斯流量0.15-0. 25m3/min；预抽45天后的瓦斯浓度仍可 达到25，百米钻孔瓦斯流量仍高达0.03-0.05m3/min 液态二氧化碳相变致裂增透技术安全、 液态二氧化碳相变致裂增透技术安全、操作简便、 操作简便、效果显著 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 焦作演马庄矿顶板岩巷穿 层钻孔强化抽采试验 托盘 Tray 顶板岩巷 Roof Roadway （正在考察中） 正在考察中） Pa 段 孔 岩 rt o oc R f ng i r o k-b 手摇式起爆器 Hand Initiator 底板穿层钻孔 Floor wearing layer drilling 煤层 Coal Seam 2.二氧化碳相变致裂煤层瓦斯强化抽采技术 强化瓦斯抽采 区域消突 局部消突 冲击地压解危 采面强制放顶 放顶煤工作面顶煤弱化 上隅角瓦斯治理 煤仓清堵 采煤 掘进 煤炭自燃处理 敬请批评指正