中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望_图文.doc

第26卷第1期 2009年03月 文章编号16733363200901000114 采矿与安全工程学报 Journal of Mining以煤与瓦斯共采、保水采煤和矸石直接充填采煤等技术开发成果,综述了在突破传统采煤技术理念上的煤炭资源绿色开采技术方面取得的重要进展;从实现煤炭资源绿色开采应重视的基础科学研究、重点技术攻关、政府应履行的职能以及国家立法等方面对今后相关研究与技术开发工作作了简单展望. 关键词中国煤矿;绿色开采;关键层理论;煤与瓦斯共采;保水采煤;矸石直接充填采煤 中图分类号TD82文献标识码A Research on Green Mining of Coal Resources in China Current Status and Future Prospects MIAO Xie-xing。QIAN Minggao State Key Laboratory for Geomechanicsgreen mining;theory of key stratum;simultaneous extraction of coal and gas;water preserved mining;the coal mining with gangue backfilling 收稿日期20080710 基金项目国家重点基础研究发展计划973项目2007CB209400;高等学校学科创新引智计划项目1307028;国家自然科学基金重点项目50634050 作者简介缪协兴1959一,男,江苏省江阴市人,博士.教授,博导,国家“973计划”项目首席科学家,从事力学与采矿工程方面的研究. E-mailxxmiaocuret.edu.ca Tel0516-******** 万方数据 2采矿与安全工程学报第26卷 目前,中同经济的发展严重依赖煤炭能源的支撑作用.同时,近年来煤炭产量的迅猛增长,凸显对资源与环境的影响.至今,与我国煤炭粗放型和超产能生产相伴的矿难事故还没有完全得到控制,而同样十分严峻的资源浪费与环境破坏也匾待从煤炭开采的源头去解决.以2007年为例,中同全年生产煤炭超过25亿t.据统计,与25亿t煤炭产量相对应,排放煤层瓦斯气体200亿m3左右,利用率仅为20;排放矿井水60亿m3左右,利用率仅为26;排放煤矿矸石3.5亿t左右,矸石排放除占用大量的土地资源外,还会严重污染空气和地下水,甚至存在矸石山爆炸危险;我国煤炭开采回收率仅为40左右,“三下”压煤是其重要根源. 鉴于粗放型的煤炭开采引发的严重矿难灾害、资源浪费和环境破坏现象,钱鸣高院士领导的研究团队率先提出了实现煤炭资源绿色开采的理念,相继发表了一系列旨在建立煤矿绿色开采基础理论和技术框架的学术论文LI-Ioj,并得到了学术界和工业界高度关注和广泛响应[11。15|.本文将围绕实现煤炭资源绿色开采这个主题,简单总结一下近年来在基础理论研究和应用技术开发方向取得的主要进展,并作相关展望. 1煤炭绿色开采的基础研究 发展煤炭绿色开采理论和技术,不是对现有采煤理论、方法和技术的否定,而是在此基础上的发展与创新,并且具有更加丰富的技术内涵和经济原则. 1.1煤炭资源绿色开采的内涵与框架 1煤矿绿色开采的内涵 从广义资源的角度论,在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气瓦斯、土地、煤矸石以及在煤层附近的其他矿床,都应该是经营这个矿区的开发和保护对象.煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是要从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源.基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响.目标是取得最佳的经济效益和丰七会效益.根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,绿色开采技术主要包括以下内容水资源保护一形成“保水开采”技术;土地与建筑物保护一形成“允填开采”技术;瓦斯抽放一形成“煤与瓦斯共采”技术等等. 开采引起的安全与环境问题都与开采后造成的岩层运动有关岩体不破坏上述问题都不会发生,因此,绿色开采的重大基础理论为采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律;开采对岩层与地表移动的影响规律;水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律;岩体应力场分布规律及岩层控制技术等等. 2煤矿绿色开采的经济原则 随着经济的发展和国家对环境的要求,绿色开采技术必然将受到充分的重视.随着科技的发展,绿色开采中的部分技术可以成为产业,甚至可以利用变废为宝以进一步降低开采成本.另一方面若处理不好很容易增加煤矿企业的成本,尤其使一些本来开采成本较高的煤炭企业难以接受. 资源开发必须与环境协调,这是采矿者的责任.但首先必须解决煤炭开发的经济问题,在市场经济条件下矿业开发具有其本身的发展规律,例如煤炭的价值是由整个产业链系统表现出来,而具体的煤炭作为商品很难体现其在开采时的难度及技术含量.煤炭开采成本与售价不仅与技术有关,还与赋存状况及区位等条件有关,这显然与加工类型企业有本质的区别.如有些条件下煤质虽差,但开采难度大采深增加,构造复杂等,成本就很高,相反成本反而很低. 因此为了满足国家经济发展对能源的要求,而又要实现资源开发与环境的协调,必须从煤炭开采到利用的整个系统来考虑加以宏观调控,政府应根据各类情况在政策与税收等方面加以支持,以使煤炭企业得到健康发展.各个矿区开采对环境影响是不同的,加上开采成本也不一样,因此必须分类作出成本核算,以便提出希望政府给予的政策支持. 3煤矿绿色开采的研究框架 实现煤炭资源的绿色开采是一项巨大的系统工程。单从科学技术研究来说也十分复杂,目前的进展在理论研究方向主要体现在采动岩体的结构运动理论和渗流理论等方面,在技术开发方面重点体现在煤与瓦斯共采、保水采煤和矸石直接充填采煤等方面.因此,现有的重点研究框架见图1. 煤矿绿色开采 绿色开采技术框架 图1煤炭资源绿色开采的基本框架Fig.1Basic system of the coal resource green mining 晾塑习裂流厂L石采动渗r矸填 孽威 翥 一二体理二采岩动L与毙氅荔 黝髓一 一煤脯 万方数据 第1期缪协兴等中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望3 1.2采动岩体结构理论 采动岩体结构理论6261是在采场矿压理论等基础上发展起来的,最霞要的核心足由采场矿压砌体梁力学模删发展到岩层控制的结构关键层力学模刑.在采场覆岩中存在多个岩层时,对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为结构关键层.结构关键层判别的主要依据是其变形和破断特征,在关键层破断时,其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的,前者称为岩层活动的主结构关键层,后者称为哑结构火键层.也就足说,结构关键层的断裂将导致全部或相当部分的卜覆岩层产牛整体运动. 建立岩层控制的结构关键层力学模型,采J}j了典删的力学建模方法,抓住错综复杂的采动岩体运动巾的主要凶素关键层结构,研究其变形、破断和结构运动规律,不仅解析了岩体内部的运动规律,更重要的足其控制地表移动和采动与巷道闹岩的矿压显现,同时还控制采动岩体内部的裂隙演化.因此,与绿色开采有关的水与瓦斯在采动岩体中的运移规律,地表沉陷控制规律都叮在深入研究采动岩体结构运动理论和渗流理沦中得到揭示. 1结构关键层运动对采场矿压的影响 控制采场’j巷道【研岩稳定性是开发煤与瓦斯共采、保水采煤和矸石A接充填采煤等技术的基本弹论内容,而采动岩体结构关键层运动对采场矿压起主要控制作用.这里,以主关键层运动控制采场来压为例. 所谓主关键层。是指对其卜覆所有岩层运动起控制作J}j的坚硬岩层,主关键层破断会引起其上覆直至地表所有岩层的同步破断下沉.当覆岩中存在典型的主关键层时,由于其一次破断运动的岩层范围大,往往会埘采场来压造成影响,尤其当主关键层初次破断时,将引起采场强烈的来旭显现. 潞安工庄煤矿某综放I作面是一个超长试验工作而.工作面斜长达270m,走向长700m.开采3。煤层,煤层倾角2。13。,煤层埋深225243m,煤层厚度6.867.14m,平均7.0m..1作面采川低f证放顶煤一次采伞高,全部垮落法处理采空区.采高3.0m,放煤高度4.0m,一采一放为一循环,循环进度0.8m.采用的ZZP4800-17/33F放顶煤支架的额定初撑力为3958kN,额定工作阻力为4800kN,支护强度0.65MPa.该综放面覆岩关键层位置为第2层厚7.5111的砂岩与第12层厚12 m的砂岩,其中第1层关键层为基本顶。第2层关键层为主关键层. 该综放面开采过程巾进行了采场矿压观测,同时开展丫地表下沉观测.I作面矿压观测结果表明,第1层关键层即基本顶的初次破断距为23m,周期来压步距为8.412.7rn,周期来压的动载系数平均为1.25.基本顶初次来压和周期来』K对工作面造成比较强烈的矿山压力显现,主要丧现为煤壁片帮.支架阻力急剧上升,在工作面还能听到顶板断裂的声音.但来压期间支架工作阻力并朱超出其额定值,最大值为4023kN,支架安伞阀没有达到开启的程度. 地表沉陷实测结果表明,该综放面在推进60 m时,地表开始出现F沉,推进到84.5m时,地表下沉急剧增大,最大达0.92m,地表有裂缝出现,局部降起,地表下沉盆地开始出现,最大下沉点的下沉速度0.1m/昼夜.巾此叮以推断,、与一l作面推进到85ITI左右时,卜覆主关键层初次破断,导敛地表沉陷加剧.工作而矿压观测表明,肖I作碡f推进到8090m时,J作面矿压显现突然加剧.煤壁片帮深度在1.0m以卜,并H几乎整个工作呵范围郡出现片帮,端而}方部分Ⅸ域f{{现断裂线,裂缝宽度达2030mm.继煤髓片帮之后,即出现支架迅速增阻,速度町达每小时400kN/架。支柱迅速下缩,个别支架后柱nr缩最仪剩5060mm,支架夺问变小,安全阀开启率达22。动载系数达1.64.町见。造成I作面矿压显现加剧足由于上火键层初次破断引起的. 2结构关键层运动对地丧沉陷的影响 研究表明,主关键层运动将对地农沉陷广,卜决定傩影响,冈而控制丰火键运动是允填J}采等技术的主控日标.上述实测给出J,潞安-卜庀矿某综放I作而主结构关键层破断对地衷变形的影响,这IlJ 数值模拟的方法更加详细地说明丰火键层对地表下沉影响的动态过程. 模删走向长度450m,垂“高度110m,JF采深度103rn.煤层为水平煤层,Jd度3.0m.肼i煤层30m,厚10m的细砂岩为覆名}上火键层,其I部为厚60m的表t层. 根据设计的汁算模型,主火键馐将在采72m 时初次破断,采112m时顶板发qt第1次周期破断,采152m时顶板第2次周期破断.山此得剑书关键层破断前后地表F沉速度曲线如I到2所示.由图2可见,主关键层破断时的地表下沉速度较主天键层破断前的地表下沉速度娃著增大,从『斫导致地表下沉速度随主关键层破断呈现J-I期性增大的现象. 万方数据 4采矿与安全工程学报第26卷勰俄勰藩薯 初次破断. 要篷1,姿。,\第1次 破断之懊f\周弱菇簖时 切眼一戈 c J土关键层第2次周期破断 第1次与第2次 周期破断A 之间切眼 第2次 周期破断时 050150250350450 Ⅳ,m 图2主关键层破断前后地表下沉速度曲线Fig.2Velocity curves for surface subsidence pre and post broken of main key strata 3结构关键层运动对采动裂隙的影响 研究表明,结构关键层运动对采动裂隙演化起主要控制作用.这垦,以沛城某矿实际覆岩结构,采用模型实验对覆岩关键层下离层动态分布规律进行研究.图3为距煤层30.5m处的主关键层下离层量沿走向分布随工作面推进变化的实验结果,图4为主关键层下最大离层量随工作面推进的变化. 图3主关键层下离层分布随工作面推进的变化Fig.3Distribution of the separated strata below the main key strata with the advancing of working face 120量90嘲 噬60艟蔷30 始动区扩展区闭合区 一一一 ’I ’_P 。一一 /\I 一 - - 1J一 306901201501802102402‘一离层始动距以工作面推进距离/m 一最大离层距靠一 离层闭合距反 图4主关键层下最大离层量随工作面推进的变化Fig.4The maximum separated strata below the main key strata with the advancing of working face 由图3,4可以看出,随着工作面推进,覆岩关键层下离层动态分布总体上呈现2阶段规律阶段I从开切眼开始至关键层初次垮落.该阶段内关键层下离层量沿走向分布曲线呈高帽状,采空区中部离层最发育.不同推进距时关键层下的最大离层量均位于各自走向采长的中部,如由切眼采至68,135,165m时,关键层下的最大离层位置距切眼距离分别为34,70,85m处.此阶段内关键层下离层发展由如下3个区组成. 离层始动区I,当岩移未发展至覆岩关键层下部时,则关键层下不会出现离层,一旦工作面推进距达到一定值时,岩移发展至关键层下,导致关键层下开始出现离层,但其离层量很小,该推进距称为关键层下离层始动距d。,从切眼至离层始动距区间称为离层始动区.实验结果表明,主关键层下的d。一68m左右,此时主关键层下最大离层量仅为8.8cm左右. 离层扩展区I。随着工作面继续推进,关键层下离层量不断增大,当工作面推进距达某一值时,关键层下离层量达到其最大值,此时工作面距切跟距离称为最大离层距d。,从开始出现离层至离层达最大值区间称为离层扩展区.实验结果表明,主关键层的d。为105m左右,此时主关键层下最大离层量为119cm,离层扩展区的长度为 d。一d。1056837m. 离层闭合区I。当工作面推进距超过d。后,关键层下软岩的快速下沉过程已经结束,其下沉速度小于上覆关键层下沉速度,从而导致关键层下离层逐渐减少呈闭合趋势,直至关键层发生初次垮落,此时工作面距切眼距离称为关键层离层闭合距d。,从最大离层至关键层初次垮落的区间称为关键层离层闭合区.实验结果表明,主关键层的d。为195m左右,此时主关键层在采空区中部离层仅为4cm左右,离层闭合区长度为 d。一d。19510590m. 阶段Ⅱ关键层初次垮落以后.此阶段内关键层在采空区中部离层趋于压实,而在采空区两侧即切眼侧与工作面侧仍各自保持一个离层区,关键层下离层量沿走向采长分布曲线呈驼峰状.切眼侧的离层区是固定不动的,而工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的,该离层区的长度d“、最大离层量及最大离层量距工作面侧煤壁距离,随着工作面推进基本保持不变.实验结果表明,工作面侧离层区的长度db一6075m,相当于主关键层离层闭合距d。的1/3左右,该离层区最大 伽姗瑚㈣o渤 珈瑚啪。踟 瑚 瑚 如。蜘万方数据 第1期缪协兴等中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望 离层量为26.535.5cm,是阶段I最大离层量119cm的1/4左右. 上述实验结果表明,在关键层破断后的阶段Ⅱ区域,采空区中部离层趋于闭合,而在采空区两侧仍各保持一个离层发育区.因此,从平面看,由于关键层破断时形成的“砌体梁”结构,在采空区四周存在一沿层面横向连通的采动离层发育区,称之为采动裂隙“O”形圈. 1.3采动岩体渗流理论 孔隙岩体或裂隙岩体的渗流多为定常渗流,而煤矿突水和煤与瓦斯突出等事故多为渗流突变所致.因而传统岩石渗流理论无法合理描述采动破碎岩体渗流特性.由于受采动影响,采场围岩一般处于峰后应力状态,而破碎岩体的渗透率要远比孔隙岩体高得多,加之附近承压水源的作用,这就会由于渗流突变而引起重大突水事故.采动破碎岩体大致可分为2类1岩体原有构造再加开挖应力作用应力超过峰值破碎后仍处原位置的岩体,可称原位采动破碎岩体;2开挖破碎冒落后的堆积体,可称为堆积采动破碎岩体.不论是何类破碎岩体,其渗流特性与一般孔隙或裂隙岩体有着显著差异.最本质的区别在于采动破碎岩体会发生渗流突变,而采动破碎岩体中水的渗流突变是煤矿突水和煤与瓦斯突出等的主要根源.为了实现对煤矿突水瓦斯灾害的有效防治,开发保水采煤和煤与瓦斯共采技术,必须从整体上掌握采动破碎岩体渗流与渗流突变规律,建立采动岩体渗流理论【27’32]. 1采动破碎岩体渗流规律 由于采动破碎岩体渗流特性与一般岩体渗流特性有着显著差异,现有的岩石渗流研究试验方法、手段无法适用,所以为了测定其渗流特性和规律,专门开发了2种专利试验装置,即原位采动破碎岩体渗流特性试验装置见图5a,堆积采动破碎岩体渗流特性试验装置见图5b. a原位破碎岩体b堆积破碎岩体 图5渗流试验装置 Fig.5Seepage equipment 这些装置与MTS815.02岩石力学伺服试验系统组合成一种新的试验系统,研究采动破碎岩体渗透性的非Darcy渗流特征. 原位采动破碎岩体渗流规律以砂岩为例,通过对一系列试样测试结果的分析,得到渗透率和非Darcy流p因子卢的均值、均方差及其与轴向应变￡。的回归关系分别为 E志与轴向应变￡。之间的回归关系 Ek一4.9310“e193ca“m2. E口与轴向应变ed之间的回归关系 E口一1.14X1013e一20“tmm一1. ak与轴向应变e。之间的回归关系 ak一5.14103e193口m2. 盯口与轴向应变厶之间的回归关系 仃口一2.811013e一1825 E 囊t。 嚣5 05101520253035 a/MPa 图9破碎砂岩渗透系数随轴压的变化 Fig.9Curves of permeability coefficient VS.axial stress for broken sandrock 大量测试结果表明较高压力作用下,破碎岩体的渗透系数比完整岩体有量级增加.随着压力增加,不同粒径破碎岩体的渗透系数都将下降,渗透系数随轴压呈负指数规律变化.相同压力作用下,破碎岩体粒径越小渗透越困难,对砂岩而言混合粒径时渗透系数最小.压力不变时,渗透系数随粒径呈幂次规律变化.水流速度对孔隙压有影响,对渗透系数的影响不大,随着流速的增加,渗透系数略有下降.在较高压力作用下,强度高而黏结力小的岩体破碎以后渗透系数随压力的变化要相对较小,随粒径的变化则相对较大.在压力达到较高数值以后,粒径和岩性对渗透系数的影响都不再明显. 2采动破碎岩体渗流突变规律 由于采动破碎岩体的渗透率在lO-15m2量级以上,孔隙岩体渗透率一般为10_20m2,在渗流系统的控制方程中,必须考虑惯性项,采动破碎岩体非Darcy渗流是含有多个控制参量的偏微分方程描述的动力系统.通过建立在平衡态附近的演化方程,利用谱截断方法对系统的演化方程进行降阶,并利用Lyapunov第一近似理论分析了系统的分岔行为.结果表明,系统存在跨临界的Hopf分岔和切分岔,系统的动力学响应具有以下特点相轨线具有包括平衡态吸引子、周期吸引子、混沌吸引子等多种形态;峰后岩石非Darcy渗流系统的动力学响应不是连续地依赖于控制参数,在一定条件下,控制参数的微小变化会引起系统稳定性的变化;当非线性项逐渐增大时,非Darcy渗流系统相轨线的对称性发生破缺,从而进入混沌状态. 在采矿工程中,随着工作面的推进,围岩的应力状态和孑L隙、裂隙结构是时变的,从而围岩渗透特性和边界条件也是时变的.在对渗透特性变化规律合理简化的基础上,采用Chebyshev配点法对时变渗透特性和时变边界条件的渗流系统的动力学响应进行了系统研究,发现渗透特性的变化和边界压力的变化都能导致渗流系统失稳.理论分析和数值计算均表明在渗透特性变化过程中,当达到临界条件时,系统不会向新的平衡态演化,必定失稳突变;在周期性压力边界条件下,非Darcy渗流系统可能演化成新平衡态附近的周期运动,也可能失稳;边界压力的微小周期变化,可能导致渗流系统稳定性的突变.从而在机理上揭示了采动破碎岩体会发生渗流突变的特性.因此,可以根据采动破碎岩体发生渗流突变的条件和参数,判别煤矿突水和煤与瓦斯突出发生的危险性. 3采动岩体渗流突变判据 从煤矿采动破碎岩体渗流特性参数测定人手,建立了采动岩体的非Darcy渗流运动控制方程,再通过非线性动力学分析,揭示了该系统会发生渗流突变的动力学现象,因而给出了判断系统稳定性的条件. 不同的围岩条件,将会形成不同的突水或瓦斯突出判据,这里以采场顶底板突水判据k为例,如下 勰一/4 小△羔一\.二窭万方数据 第1期 缪协兴等中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望 7 式中hj为玎层岩层中各层的厚度溉为渗透率;届 为非Darcy流p因子;f为加速度系数;P川和Pi i一1,2,,行为两端的压力;p为水的质量密度;“为水的动力黏度;go为参考压力P。下对应的流体质嚣密度. 当志1时,关键层与其上的岩层复合仍具有隔水作用,不会出现渗流突变;当是≥1时,关键层与其上的岩层复合已经不具备隔水作用,会出现渗 流突变,即突水灾害. 2煤与瓦斯共采 2.1煤与瓦斯共采的“”形圈原理 煤层瓦斯抽放方法叮分为2类1煤层采前抽放;2煤层开采过程中及采后的卸压抽放.研究表明,我同煤储层普遍具有变质程度高、渗透率低、压力小和含气饱和度低的特点,70以上煤层的渗透率小于110_‘“m2,这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的.Illi如何提高煤层采前渗透率是目前尚未解决的难题.实践表明,一旦煤层开采引起岩层移动,即使是渗透率很低的煤层,其渗透率也将增大数十倍到数百倍,甚至更多,为瓦斯运移和抽放创造了条件.因此,应充分利用采动过程中岩层移动对煤层渗透率的增大作用,重视对采动卸压瓦斯抽放的研究,走“煤与瓦斯共采”之路. 覆岩采动裂隙分为2类1沿层离层裂隙,它将在整个上覆岩层范围内发展,导致煤层膨胀卸压;2穿层紧向破断裂隙,它是上覆邻近层卸压瓦斯流向开采一1作面及其采空区的通道,仅在覆岩一定高度范围内发育,其高度称之为“导气裂隙带”高度与煤层采高及覆岩岩性有关,一般工作面非综放面小超过70100m.而处于“导气裂隙带”高度以上覆岩区称之为“卜覆远距离采动区”,煤层卸压瓦斯不能流动到下部1二作面及其采空区.相对开采煤层巾i占,叮将卸压瓦斯分为3类本煤层卸压瓦斯;邻近层卸压瓦斯,包括上邻近层与下邻近层;E覆远距离煤层卸压瓦斯.其中本煤层与邻近层卸压瓦斯会涌入回采工作面及其采空区,引起l廿l采空间尤其是F作面上隅角瓦斯积聚与超限,造成安全隐患.上覆远距离煤层卸压瓦斯不能流人开采工作面,因而不会对回采安伞造成危害,且就煤层气资源开发而占,上覆远距离煤层卸压瓦斯可大 面积抽放出来. 园内外卸压瓦斯抽放研究存在2个方面不足1对覆岩采动裂隙场分布特征缺乏整体把握与理性认识,影响到抽放钻孔布置的优化;2国内外卸压瓦斯抽放是从开采层工作面安全生产出发,主要研究本煤层与邻近层卸压瓦斯抽放,而对上覆远距离煤层卸压程度及卸压瓦斯抽放效果缺乏研究.针对卜述不足,基于岩层移动关键层理论,将覆岩移动及其裂隙场分布规律应用于卸压瓦斯抽放研究之中,建立r卸压瓦斯抽放钻孔布置的基本原则,即卸压瓦斯抽放“”形圈原理. 通过相似模型实验、计‘算机图像分析、离散元数值模拟、实测等方法,揭示了长壁开采覆岩采动裂隙场两阶段发展与“”形圈分布规律.即从开切眼开始,随着I作面推进,采动裂隙不断发展,采空区中部采动裂隙最发育,此为采动裂隙发展的第1阶段.当采出而积达一定值后,进入采动裂隙发展的第2阶段,此时,位于采空区中部的采动裂隙趋于压实,而在采空区四周存在一连通的采动裂隙发育区,称其为采动裂隙“-”形圈.采动裂隙“”形圈能长期保持,是卸压瓦斯的储存空间与流动通道. 煤层卸压瓦斯的流动是一个连续的2步过程第1步,以扩散的形式,瓦斯从没有裂隙的煤体中流剑周围的裂隙巾去;第2步,以渗流的形式,瓦斯沿裂隙流剑抽放钻孔处,采动裂隙成为瓦斯流动的通道.显然,将抽放钻孔布置在裂隙发育fi能长时问保持的区域,有利于卸压瓦斯流动到抽放钻井中.根据覆岩采动裂隙分布特征建立卸压瓦斯抽放“”形圈原娜为“”形圈相当于一条“瓦斯河”,周围煤岩体中的瓦斯解析后通过渗流不断地汇集到这条“瓦斯河”中.因此,卸压瓦斯抽放钻孔应打到采动裂隙“”形圈内,以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放率.为了将抽放钻孑L打到“”形圈内,抽放孑L的终孔点或抽放巷位置距叫风巷水平距离S应按下式确定 5H一BHcot0tana]sina BHcot0/cos口, 2 式巾s为抽放孑L的终孔点或抽放巷位置距回风巷水平距离;H为抽放孔的终孑L点或抽放巷与煤层的垂直距离,不同类型的抽放孔巷取值不同;B 为钻孔巷距“o”形圈外边界的距离;口为煤层倾角;0为裂隙边界即“”形圈外边界与开采边界的连线与煤层的夹角. 卸缝瓦斯抽放“”形圈原理是指导卸压瓦斯抽放孑L巷布置的基本原则.这一原则已在淮北、 醴旦 ●一广 。∑生也町 攀曙 竺 万方数据 8 采矿与安全工程学报第26卷 阳泉等矿区的上覆远距离煤层卸压煤层气抽放、邻近层卸压瓦斯抽放、本煤层采空区卸压瓦斯抽放中进行了试验与应用. 2.2采动卸压瓦斯抽采技术 这里,以近距离4层煤层群为例,说明已经实 地表施的一些被保护层采动卸压瓦斯抽采方法.被保护煤层卸压瓦斯抽采如图10所示,图10af分别展示了走向高抽巷、倾向高抽巷、顶板走向孔、地面钻孔和上、下煤层底板穿层孑L布置方式的煤与瓦斯共采方法. .。、地表,,.,地表 熟一熟一熟・一 徽带・,●糍罗热 冒落带_一’4∥、j.j弘善√2二∑首采 底鼓机巷风巷煤层 破碎带-_-__・・l_。 a走向高抽巷布置 地面锚井 嗟, ..L一,-.。i・_一j斑轰赢破碎带_-_I_-__l_■ d地面钻孔布置 勰带・’寸一热 冒落带一,77≮、;’。.,”.酋采 T。一一1’, 。。机巷风巷煤层 底鼓 “ 破碎带_-_。・I-__-- b倾向高抽巷布置 地表一一十一一t一一地曩 熟1k≮穗 下沉带/、≤孓Z歹磊R肚霸 霹善藕瑟 酋采冒落带麓缁蠡趣甏瓣i蠹潮首采 煤层底鼓机巷一‘’、7,-。‘母巷煤层 破看{堂.●蔓●●・●●I- 裂隙带。’●,毛。●蕊 冒落带j。‘≥一’薯。jlj;.首采 底鼓机巷 ’。 风巷煤层 破碎带____--・_・。 c顶橇走向孔布置 破盼卡蕊疏 底板巷 0下煤层底板穿层孔布置图10被保护煤层卸压瓦斯抽采图例 Fig.10Pressure-relief gas drainage in protected coal seams 中国煤矿保护层开采实践证明,保护层开采之后,上被保护层膨胀变形可达0.7842.64,煤层透气性增加10003000倍,卸压瓦斯抽采率达60以上,有效层间距达到150m;下被保护层膨胀变形可达0.2O.72,煤层透气性最大可增加1000多倍,卸压瓦斯抽采率达50以上,有效层间距达到50m.通过卸压瓦斯的抽采,不仅可以区域性消除煤层的突出危险性,而且可以实现变高瓦斯煤层为低瓦斯煤层的目的,大幅度提高了突出煤层安全开采效率.淮南矿业集团通过保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采,突出煤层I作面单产由平均l800t/d提高到10000t/d. 2.3煤与瓦斯共采的效果 经过近年来的科技攻关、安全技术改造和加大监管及监察力度,中国煤矿瓦斯治理科技水平、装备水平和管理水平取得了长足进步,煤与瓦斯共采取得了显著成效.图11给出了中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况,中国煤矿瓦斯抽采技术的进步,有利地促进了煤矿安全生产,在煤炭产量快速增长的条件下,煤矿死亡人数和百万吨死亡率逐年下降, 2007年国有重点煤矿百万吨死亡率降低到0.38,且没有发生瓦斯爆炸事故. 4500 差3500 鬃2500 羹1500 回500 O 1965198519952007 图1】中国煤矿瓦斯抽采量增长情况Fig.11Increasing situation of gas drainage amount in coal mines of China 3保水采煤 保水采煤包含水资源保护、水资源利用煤水共采和水灾害防治等多重内容. 3.1隔水关键层的定义 用图12来说明所谓隔水关键层.从图12中可看到,一般突水工作面到水源之间会被若干层岩层所阻隔,而各岩层由于其分层特性和所处采动岩体中的位置不同,其隔水性能是不同的,水最终需要穿透的那部分岩层或最终被阻隔住的岩层被称为隔水关键层.水要突破隔水关键层有2条途径,即天然构造通道和采动裂隙贯通,无论那条通道被贯通或两条通道被同时贯通,突水通道也即形成. 万方数据 第1期缪协兴等中国煤炭资源绿色