高瓦斯煤层开采的新思路及待研究的主要问题.pdf

第 3 0卷 第 2期 2 0 0 1 年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r fi t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y Vo I ． 30No． 2 M a r ．2 0 01 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 1 0 2叫I 1 0 3 高瓦斯煤层开采的新思路及待研究的主要问题 周世宁，林柏泉，李增华 中国矿业大学 能源科学与工程学院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 提 出了解决高瓦斯煤层开采的新思路 在一个密闭的空间中实现瓦斯与煤 同采， 使采煤工 作在一个即能密封又能开放的空间中进行 ； 当采煤机械高速运行、 瓦斯 涌出量很 大时， 回采工作 面上 下巷道密闭， 使回采工作空间的瓦斯浓度保持在 3 0 以上， 完全处于不能产生爆炸的环境 中， 使机械设备的效率能够得到充分发挥， 实现高产高效高安全生产的目 标； 当工作面出现故障、 必须停采处理时， 打开工作面上下巷道的风 门， 恢复通风， 煤与 瓦斯同采是高瓦斯煤层的一项全 新的开采方式， 需要对其主要 问题进行深入的研究． 关键词 高瓦斯煤层 ； 开采新思路 ； 煤与瓦斯同采 中图分类号； T D 8 2 3 ． 8 2 ； T D 7 1 2 文献标识码 A 中国是世界上少数几个一次能源 以煤为主的 国家． 在中国生产和消费的一次商品能源中， 煤炭 约占 7 4 ， 煤炭提供了 7 8 的发电能源、 7 0 的化 工原料 和 6 0 的民用商品能源l 1 ] ， 在 未来 的 5 0 ～ 6 0 a中， 随着新能源 、 可再生能源、 水 电和核 电的 发展与推广 ， 将使煤炭在一次能源中的消费 比重逐 年下降， 但却不足以动摇煤炭在中国的主导地位． 中国的这种资源条件决定 了我国在走向可持续发 展的历史 时期， 只能选 择以煤为 主的一次能源结 构， 在煤炭开采中， 发生重大灾害事故并造成的人 身伤亡和生态环境的破坏也是 巨大的． 如 1 9 9 6年 5月发生在乎顶 山矿务局十矿的瓦斯爆炸事故， 死 亡 8 4人；1 9 9 7年 1 ]月 1 3 13发生在淮南矿务局潘 三矿的瓦斯爆炸事故 ， 死亡 8 8人， 使爆炸地点附近 l 0 0 0 1 1 1范围内的通风设施遭到严重破坏 ， 直接经 济损失超过 2 3 0万元． 2 0 0 0年 9月 2 3日贵州水城 矿业集团木 冲沟矿发生 瓦斯煤尘爆炸事故， 死亡 1 6 2 人 ． 此外， 在地方煤矿和乡镇煤矿发生的瓦斯 爆炸事故则更是屡见不鲜 ， 造成的损失也是极其惨 重的． 近十多年来， 随着开采深度的进一步加大 ， 不 少煤矿变为高瓦斯矿井 ， 原来没有瓦斯突 出危险的 煤层变 为有 瓦 斯突 出危 险的 煤层， 国有煤 矿 近 5 0 的矿井为高瓦斯和突出矿井， 使煤矿安全生产 受到严重威胁． 此外， 由于煤矿的开采 ， 我国每年 向 大 气直接排放煤层瓦斯 l 9 ． 4 1 0 。 m。 ， 居世界第 一 ，而甲烷的温室效应比二氧化碳高 2 o ～6 O 倍 ， 对 环境造成了严重污染． 但瓦斯 甲烷 又是一项洁净 能源， 我国瓦斯储量丰富， 埋藏在 2 0 0 0 m 以内的 煤层瓦斯资源量达 3 ． 0 ～3 ， 5 1 0 “ m。 ， 极具开采 利用价值 ， 目前国内外在瓦斯开采方面采取的 措施主要是， 通过在煤层 中打钻孔进行抽放． 但是 ， 由于煤层透气性低 ， 瓦斯抽放并没有达到预期的效 果 ， 从而导致了两方面的结果． 一方面， 煤层开采过 程中回风巷道瓦斯浓度超 限， 对安全生产仍然造成 严重威胁； 另一方面， 许多瓦斯排放到大气中， 造成 资源浪费并对环境造 成污染． 为 了解决这一问题， 笔者提出采用一个全新的观念． 即在一个密闭的空 问中实现瓦斯与煤同采， 以达到从根本上解决上述 问题的 目的． ． 1 高瓦斯煤层煤与瓦斯同采的基本思路 缓倾斜厚煤层是我国煤炭工业的主采煤层， 适 台用长壁工作面开采， 目前许多工作面的长度超过 2 0 0 m， 日产在 5 0 0 0 t以上． 但是， 对于高瓦斯煤 层， 由于开采时瓦斯涌出量大 ， 日产千吨的工作面． 其瓦斯涌出量可达每分钟数十立方米， 往往超过了 矿井 的通风能力， 导致工作 面回风流瓦斯浓度超 限， 迫使采煤机械设备停采并使工作面安全生产受 收稿日期 2 0 0 0 1 0 1 3 基金项目 国家 自 然科学基金资助项目 5 9 9 7 4 0 2 8 I 国家 高等学校骨干教师资助计划 项目 研究成果之一 作者筒介 周世宁 1 9 3 4 一 ， 男． 江苏省扬州市， 中国矿业大学教授． 博士生导师． 中国工程院院士， 从事煤矿瓦斯及防治方面的研究． 维普资讯 中国矿业大学学报 第 3 0卷 到严重威胁， 从而不能实现工作面高产高效高安全 的 目标 ．可见， 瓦斯 已经成为限制高产高效安全生 产的主要 因素 ． 为 了解决这一问题 ， 笔者认为应当改变传统的 把瓦 斯作为有害气体 的做法， 引入一个全新的观 念 建立一种煤与瓦斯 同采的系统 ． 使采煤工作在 一 个 即能密封又能开放的空间中进行； 当采煤机械 设备高速运行、 瓦斯涌 出量很大时 ， 回采 工作面上 下巷道密闭， 使 回采工作空 间的瓦斯浓度 体积分 数 保持在 3 0 以上， 完全处于不能产生爆炸的环 境中， 从而使机械设备的效率能够得到充分发挥， 而抽出的瓦斯又能够加以利用 ， 实现高产高效高安 全的目标 ； 当工作面出现故障、 必须停采处理时， 打 开工作面上下巷道的风门， 恢复通风． 在一个密 闭空间 中实现煤 与瓦斯同采， 每采 l t 煤的同时， 可抽采 1 0 m。 左右的瓦斯． 由于在这 一 系统 中氧气 的含量 体积分数 低于 l 2 ， 因而 也消除了采空 区煤炭 自然发火 的危险． 它在技术路 线上完全不同于传统的在工作面四周打钻孔、 顶板 掘排瓦斯巷 、 边采边抽瓦斯的方式． 在这一共采系 统中， 从工作面空间抽出的不仅是来 自邻近煤层和 采空区的瓦斯 ， 更重要的是抽排 了开采煤层释放出 来的大量瓦斯 ， 因而从根本上解决了回采工作 面瓦 斯过大、 瓦斯浓度超 限， 从而限制采煤机械设备效 率的发挥和影响安全生产的问题． 它的构思是新颖 的， 在世界采煤史上是前所未有 的， 但是也是可行 的． 因为今天的煤炭工业与过去传统的作业方式已 经有了很大的不 同， 采煤和支护都实现 了机械化， 在长达 2 ∞～3 0 0 m 的工作面上， 仅有 3 ～5人工 作， 而且无人工作面在 国内外也 已在试验研究之 中． 为了解决高瓦斯煤层开采 中高产高效与瓦斯超 限的矛盾， 有必要对长壁工作 面回采、 通风系统进 行创新探索， 而且 目前已经具备了初步的物质条件 和理论技术基础． 2 高瓦斯煤层煤与瓦斯同采需要解决的主 要 问题 高瓦斯煤层煤与瓦斯 同采是一种全新 的高瓦 斯煤层开采方式 ， 需要进一步研究解决一些具体的 技术和理论问题 ， 其 中主要包括 1 煤与瓦斯共采系统的技术经济适用条件 需要进行理论分析、 经济核算和现场调研 ， 并 在此基础上界定在不 同地质、 开采条件下， 密封共 采系统与传统 的加大风量 一尾巷回风一边采边抽 系统之间的合理分界线． 2 煤与瓦斯共采系统的采区巷道布置 需要从理论上研究在采 区巷道密封系统中的 运输方式、 抽瓦斯巷道的设置和管道系统的布局， 以及密封和开放状态下的通风巷道系统及其交换 方式． 3 煤与瓦斯 同采工作面上、 下风巷中的柔性 气动快速密闭和气幕密封装置 需要研究煤与瓦斯同采工作面上、 下风巷中的 柔性气动快速密闭和气幕密封装置， 该装置即能满 足工作面快速密闭和开启的需要， 又不影响工作人 员的行动． 4 密封空间中合理的负压值及气压控制和抽 瓦斯系统 需要研究在煤与瓦斯同采工作面密封空间中 合理的负压值及其分布情况， 气压控制及其对密闭 空闻中瓦斯流场的影响， 以及采空空间中瓦斯浓度 的分布及抽瓦斯系统的合理布置． 5 密封空间中工作人员的呼吸、 供氧、 通讯 、 自救和救护系统的设计与制造 这是确保人员正常工作与生命安全 ， 以及人体 健康的关键理论和技术问题． 其中包括采用何种供 氧、 呼吸系统 ， 人员在工作面的合理工作时间， 配备 何种方式的自救和救护系统， 采用何种方式与外界 联系等． 6 工作面工况监测系统和人员健康动态监测 系统 为了确保工作 面安全生产， 还需要建立可靠的 工作面工况监测系统和人员健康动态监测系统 ， 以 便发现异常情况时能够及时处理． 此外 ， 还需要研究有关法规 ， 以及密闭工作面 空间中的除尘问题和相应 的照明系统等． 目前， 当务之急是应当进行煤与瓦斯同采系统 的可行性和适用性理论分析， 在实验室进行密封系 统可靠性和适用性的研究 ， 进行密封和开放系统交 换 的模拟试验， 查 明采空空 间的瓦斯浓 度分布规 律 ， 选择合理的负压值和抽排出 IZ 1 ． 以减少过渡期 的危险和时间． 同时， 对人体 在瓦斯浓度 体积分 数 大于 3 0 ， 氧气低于 l 2 条件下的适应能力进 行研究 ， 对在该密封系统中运转的机电设备的防爆 性能进行研究 ， 寻求在密封系统 中合理的人一 机 环 境系统， 为高瓦斯煤层煤与瓦斯同采系统的实际应 用奠定坚实的基础． 3 结论 高瓦斯煤层煤与瓦斯同采是高瓦斯煤层的 维普资讯 第 2 期 周世宁等高瓦斯煤层开采的新思路及待研究的主要同题 1 1 3 种全新的开采方式， 需要对实现这种开采方式的物 质条件和理论技术基础的主要问胚进行深入的研 究． 通过建立煤与瓦斯同采系统将大大提高工作面 产量 ， 减少通风费用． 防止煤炭 自燃， 在采煤的同时 生产大量瓦斯， 不仅提供 了新的能源， 为提高高瓦 斯矿井的生产效率和减少矿井瓦斯对大气的污染 提供了新的思路． 参考文献 [ 1 胡省三， 沈祝平 ． 世纪之交我国煤炭工业科技的发展 [ J ． 中国煤炭 ， 2 0 0 0 ， 2 6 1 1 3 1 6 ． [ 2 ] 周世宁， 林柏泉． 煤层瓦斯赋存与流动理论 M] ．北 京 煤炭工业 出版杜 ， 1 9 9 9 ．1 7 2 1 8 0 ． E 3 ] 林柏泉 ． 张建 国．矿井瓦斯 抽放理论与技木 - M] ．徐 州 中国矿业大学 出版社 ， 1 9 9 6 ．2 0 2 4 ． Ne w Th i n ki n g Ab o u t Ex p l o i t a t i o n o f Co a l S e a m s wi t h Hi gh Ga s Co n t e n t a n d M a i n Pr o b l e ms t O b e Re s e a r c h e d ZHOU Sh i ni ng，LI N Ba i q u a n，I ． I Ze n g hu a C o l l e g e o f En e r g y S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g CUMT， Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8， Ch i n a Ab s t r a c t A n e w t h i n k i n g wa s p u t f o r wa r d a b o u t e x p l o i t a t i o n o f c o a l s e a ms c o n t a i n i n g h i g h c o n t e n t g a s ． i ．e ．，i n a s e a l e d s p a c e ，g a s a n d c o a l a r e mi n e d s i m u l t a ne o u s l y，t h e s e a l e d s p a c e c a n b e t u r n e d t o a n o p e n s p a c e wh e n ne e de d．W h e n mi n i n g m a c h i ne r y i s r u n ni ng s pe e d i l y a n d g a s e mi s s i o n is h i g h．t he r e t ur n a i r wa y a n d h a u l a g e g a t e wa y o f a wo r k i n g f a c e a r e s e a l e d i n o r d e r t o ma i n t a i n o v e r 3 0 g a s c o n c e n t r a t i o n i n t h e wo r k i n g s p a c e ．I n t h i s c a s e ．g a s e x p l o s i o n wi l l n o t h a p p e n ．Th u s t h e e f f i c i e n c y o f mi n i n g ma c h i n e r y c a n b e p r o mo t e d，a n d t he t a r g e t o f h i gh p r o du c t i o nh i g h e f f i c i e nc y a nd h i g h s a f e t y c a n b e a c hi e v e d．W he n t r o ub l e s O c c u r i n t h e wo r k i n g a n d t h e p r o d u c t i o n mu s t b e s t o p p e d i n o r d e r t o h a n d l e t h e t r o u b s ，t h e s e a l e d g a t e s i n t h e r e t u r n a i r wa y a n d h a u l a g e g a t e wa y c a n b e o p e n e d ．t h e v e n t i l a t i o n o f t h e wo r k i n g f a c e wi l l b e r e s u me d ． S i mu l t a n e o u s e x p l o i t a t i o n o f c o a l a n d g a s i s a n e w me t h o d t o c o a l s e a ms c o n t a i n i n g h i g h c o n t e n t g a s ．B u t t h e r e l a t i v e ma i n p r o b l e ms mu s t be r e s e a r c h e d d eep l y ． Ke y wo r d s c o a l s e a m wi t h h i g h g a s c o n t e n t ；n e w t h i n k i n g o f c o a l mi n i n g ；s i mu l t a n e o u s e x p l o i t a t i o n o f c o a l a nd g a s 维普资讯