留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术.pdf

第 3 3卷第 8期 2 0 0 8年8月 煤 炭 学 报 J OUR NAL 0 F C HI N A C0 AL S OC I ET Y Vo 1 ． 3 3 No ． 8 Aug ． 20 08 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 0 8 0 8 9 8～ 0 5 留巷钻 孔法煤 与瓦斯 共采技术 袁 亮 淮 南矿业 集团 有限责任公 司，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 针对深井高地应力、高瓦斯含量、低渗透率煤层群开采效率低和深部开采面临的安全技 术问题难以突破的现状 ，提 出煤与瓦斯共采新思路、新方法．揭示 了采动影响区内顶板岩层裂隙 的动态演化及采空区侧 “ 竖向裂隙发育区” 的形成规律、Y型通风 方式下采 空区的 空气压力场 分布和卸压瓦斯的流动规律 ，建立了留巷钻孔法替代巷道钻孔法抽采卸压 瓦斯的煤与瓦斯共采的 新 理论 、新 方法 ． 关键 词 留巷 钻孔 法 ；煤与 瓦斯共 采 ；低 透 气性 煤层 ；无 煤柱 ；沿空 留巷 中图分类号 T D 8 2 3 ． 8 2 文献标识码 A Th e t e c hn i q ue o f c o a l mi n i ng a nd g a s e x t r a c t i o n b y r o a d wa y r e t a i ni n g a n d b o r e ho l e d r i l l i ng YUAN Ha n g Hu a i n a n Mi n i n g G r o u p C o ．L t d ． ， Hu a in a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c tTh e n e w c o n c e p t a n d me t h o d o f c o a l mi n i n g a n d g a s e x t r a c t i o n we r e p u t f o r wa r d t o r e s o l v e t h e p r o b l e ms o f l o w mi n i n g e f fic i e n c y i n d e e p mu l t i p l e s e a ms wi t h h i g h g r o un d s t r e s s， h i g h g a s c o n t e n t a nd l o w p e r me a b i l i t y， a nd t o b r e a k t h r o u g h t he pr o b l e ms o f s a f e t y a n d t e c h n o l o g y d u rin g t h e d e e p mi n i n g ．The d y n a mi c e v o l u t i o n o f r o o f c r a n n i e s i n i n f l u e n c e d mi n i n g z o n e s a n d t h e f o r ma t i v e r u l e o f“t he v e r t i c a l c r a n n y a b u n d a n t a r e a” a l o n g t h e g o b． s i d e we r e r e s e a r c h e d，t h e di s t rib u t i o n o f t h e a i r p r e s s ur e fie l d i n t h e g o b a n d t h e f l o wi n g l a w o f p r e s s u r e r e l i e v e d g a s u n de r Y s t y l e v e n t i l a t i o n we r e d i s c o v e r e d．Th e n e w c o n c e p t a n d me t h o d o f c o a l mi n i n g a n d g a s e x t r a c t i o n b y r o a d wa y r e t a i n i n g a n d b o r e h o l e d r i l l i n g we r e b u i l t t o t a ke t h e p l a c e o f r o a d wa y a n d b o r e h o l e d ril l i n g me t h o d ． Ke y wo r ds r o a d wa y r e t a i n i n g a n d b o r e h o l e d r i l l i n g；c o al mi n i n g a nd g a s e x t r a c t i o n；l o w p e r me a b i l i t y c o a l s e a ms； n o n e c o a l p i na r；g o b s i d e r o a d wa y r e t a i n i n g 淮南矿区是我 国构造复杂 、高瓦斯 、高地应力、低透气性煤层群煤矿的典型代表 ，煤层瓦斯含量很高 1 2 2 6 m ／ t ， 煤质极为松软 坚 固性系数．厂 0 ． 2 0 ． 8 ， 煤层透气性很低 渗透率为 0 ． 9 8 71 0 m。 ， 瓦斯压力很 大 高达 6 ． 2 MP a ． 目前 ，淮南 矿业 集 团大部 分 生产 矿井 的 开采 深度 已达 一7 0 0一 一 1 0 0 0 m，且开采深度正以每年 2 0 2 5 m的速度增加，瓦斯涌出量以每年 1 0 0 m ／ m i n的速度递增，瓦 斯含量梯度达 4 ． 6 1 m ／ h m以上．新建矿井首采区多在距地表 8 0 0 m以下 的深度 ．未来 1 0 a ，煤与瓦斯突 出威胁继续增加 ，软岩支护困难 ，采空侧小煤柱地压大等很多问题 日趋严重 ，深部开采面临巨大的技术挑 战 ；另一方面 ，瓦斯 煤层气是害也是宝 ，它既是我国煤 矿生产过程 中的主要灾 害，也是一种新 型的洁净能源和优质化工原料 ，是 2 1世纪的重要接替能源之一． 收稿 日期2 0 0 8 0 5 3 0 责任编辑 毕永华 作者简 介袁亮 1 9 6 O 一 ，男 ，安徽金寨人 ，高级工程师．T e l 0 5 5 4 7 6 2 5 5 6 9 ，Em a i l y u a n ] - 1 9 6 0 s i n n ． t o m 维普资讯 第 8期 袁亮 留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术 8 9 9 立足于淮南矿区煤层群开采条件 ，将高瓦斯 、高地压 、低透气性煤层群 的技术难题等统一起来考虑 ， 提 出煤与瓦斯共采技术新思路 首采关键卸压层 ，沿首采工作面采空区边缘快速机械化构筑高强支撑体将 回采巷道保 留下来 ，形成无煤柱连续开采 ，实现全面卸压开采 ；在 留巷 内布置上下 向高低位抽采钻孔直达 卸压瓦斯富集 区域 ，实现连续抽采卸压瓦斯 与综采工作 面采煤 同步推进 ，实现高效 的工业化煤 与瓦斯共 采 ，抽采的高、低浓度瓦斯分开输送到地面加 以利用． 1 留巷钻孑 L 法煤与瓦斯共采的基础理论 1 ． 1 采动影响区内顶底板岩层裂隙的动态演化规律 煤层群首采关键卸压层开采后 ，采 空侧垮 落带岩体呈 不规则堆 积，沿 工作面 推进方 向 ， 采空侧空 隙分布呈 “ O”型 ，由于煤层 气密度 小 ，气体上浮 ，采空区瓦斯易于富集在 上部 沿 空留巷采动垮落空隙区 如 图 1中的上部采 空 区顶 区空隙 区 ．规则垮 落带和 断裂 带 中顶板 岩层产生卸压膨胀 ，存在竖 向裂 隙发育 区 如 图 1中的断裂带 内的竖向裂隙发育区 ，该 区域 离层裂隙和竖向破断裂 隙发育 ，横 向和竖 向裂 隙贯通 ，并和不规则垮落带相连通 ，为 围岩卸 压瓦斯和本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 内由于煤体发生 膨胀变形 ，弯曲下沉带 内煤体中离层裂隙为主 ， 煤层的透气性显著增加 ，处 于弯 曲下沉带远程 竖向卸压裂隙区 如图 1中的远程卸压煤层离 凄 莲 图 l 采动覆岩移动 “ 竖三带” 、“ 横三区”和 “ 裂隙三发育区”模型 Fi g ．1 Mi ni n g o v e r hu r d e n r o c k mo v e me nt mo d e l o f“ t h r e e v e r t i c a l b e l t s ”．“ h o r i z o n t al t h r e e a r e a s ” a n d “ t h e c r e v a s s e t hr e e g r o wt h a r e as ” A 煤壁支撑影响 区；B 离层 区； c 重新压实 区；0 【 顶板破断角 层发育区的煤层中富含高压卸压 瓦斯 ，煤层离层 裂隙发育 ，为远程卸压抽采瓦斯提供 了良好 的通道． 这些研究为卸压煤层气抽采钻孔的布置提供了理论依据． 1 ． 2 留巷 “ Y ”型通风方式下采空区的空气压力场分布和卸压瓦斯的流动规律 首采关键卸压层开采后 ，在采空区上部走 向方 向上存在一连通的竖 向裂隙发育区．该竖向裂隙发育区 的存在 ，为采空区积存的高浓度瓦斯和上覆卸压煤岩层的卸压瓦斯流动提供 了流动通道和空间，是采空 区 高浓度瓦斯富集 区域．采空区遗煤解吸瓦斯和上、下邻近煤层卸压瓦斯通过采动裂隙流向采空区，并在采 空区及其顶板竖向裂隙区内聚集 ，形成高浓度瓦斯库．沿空 留巷 “ Y”型通风工作面上、下巷均进风 ，工 作面上隅角处于进风侧 ，解决了工作面上隅角瓦斯超限问题 ；工作面实际通过风量较 “ u ” 型通风低 ，工 作面上 、下两端压差小 ，工作面采空区漏风量小，采空区漏风携带的瓦斯量小；沿空 留巷通过密实性支护 形成较好的封闭区域 ，易于在工作面采空区形成高浓度瓦斯库．由于瓦斯密度小 ，采空区瓦斯积聚在工作 面采空区上部 及其上覆岩层卸压竖 向裂 隙区． 在沿空留巷采空区顶板卸压 区，对于来 自开采层和卸压层 ，通过采空区上覆岩层受采动影响形成的裂 隙通道汇集到采空区上部及竖向带状裂隙区内的解吸游离瓦斯 ，在沿空留巷内由布置在卸压竖向带状裂隙 区中的倾向抽采瓦斯钻孔进行抽采 ，卸压竖向带状裂隙区位于 “ Y”型通风工作面回风留巷的采空 区顶板 垮落带 以上 的离层断裂带 内． 如 图2所示 ，在煤层开采后 ，将工作面的上巷采空区侧通过支护形成沿空留巷 ，作为采煤工作面 回风 巷 ，以工作面机巷 下巷和材料巷 上巷作为进风巷 ，并以工作面机巷作 为主进风巷 ，进风量 占工 作面总进风量的 2 ／ 3～ 3 ／ 4，以材料巷作为辅助进风巷 ，进风量 为工作面总进 风量 的 1 ／ 4～1 ／ 3 ，工作 面回 风由沿空留巷经边界 回风巷或 回风石门流 出，建立沿空 留巷 “ Y ”型工作面通风系统． 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 图 2 留巷 钻孔 法卸 压瓦斯抽采原 理 F i g ． 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f p r e s s u r e r e l i e v e d g a s e x t r a c t i o n o f r o a d wa y r e t a i n i n g a n d b o r e h o l e d r i l l i n g 2 留巷钻 孑 L 法煤与瓦斯共采技术 2 ． 1 留巷钻孔法煤与瓦斯技术原理 根据煤层赋存条件，如图 1 所示，首采关键卸压 层 ，沿采空 区边缘沿空 留巷实施无煤 柱连续开采 ，通 过快速机械化 构筑高强 支撑体将 回采巷 道保 留下来 ， 沿空留巷与综采工作面推进 同步进行 ，在 留巷 内布置 钻孔抽采临近层卸压瓦斯 ，通过倾 向钻孔抽 采断裂带 顶 底 板卸压瓦斯和采空区富集 瓦斯 ，工作面埋管 抽采低位卸压瓦斯 ，防止采空 区瓦斯 大量向工作面涌 出，以留巷替代多 条岩巷 抽采卸压瓦斯 ，大大减少岩 巷和钻孔工程量 ，实现煤与瓦斯安全高效共采．该方法 已成功应用于两淮矿 区6个典型工作面，为今后深 井低透气性高瓦斯煤层群煤与瓦斯共采及瓦斯利用提供 了科学可靠的技术保障和示 范． 2 ． 2 留巷钻孔法瓦斯抽采技术 2 ． 2 ． 1 低位钻孔抽采采空区富集瓦斯技术 在沿空留巷 中设置抽采瓦斯管道 ，各倾 向抽采瓦斯钻孔与抽采瓦斯管道形成连通 ，构成采空区上部及 环形裂隙圈内的解吸游离瓦斯通过倾 向抽采瓦斯钻孔 ，并通过抽采瓦斯管进入瓦斯抽采系统．倾 向抽采瓦 斯钻孔布置的参数选取 终孔位置距采煤工作面回风巷的水平距离为 l O～3 0 m，距煤层顶板法向距离8～ l 0倍采高 ，并且不小于 3 0 m；倾角小于采动卸压角，缓倾斜煤层钻孔倾角不大于 8 0 。 ，急倾斜煤层钻孔 倾角不大于7 5 。 ；施工时间在采煤工作面采后 2 0 m以后 ，钻孔直径不小于 9 0 mm；钻孔成组设置 ，每组数 量不少于 2只，钻孔偏 向工作面的角度 6 0～7 0 。 ，抽采钻孔组间间距 2 0～ 2 5 m；孔 口的封孔长度在开采煤 层顶板法向上大于采动规则垮落带的高度，且抽采钻孔法向封孔深度不小于5倍采高． 中近距离保护层开采工作面，由留巷回风巷中施工的抽采瓦斯钻孔可直接穿过上保护层，进行被保护 层卸压瓦斯抽采． 2 ． 2 ． 2 高位钻孔抽采顶底远程卸压煤层瓦斯技术 淮南矿区煤层赋存为煤层群 ，主要为 A，B，C三组煤层群 ，组间间距超过 7 0 m_ 6 J ，首采关键卸压煤 层后 ，老区开采上卸压层倾向卸压范围 K1 ． 0 向底板方向发展的深度达到 1 0 0 m，新 区开采上卸压层 倾向卸压范围向底板方向发展的深度达到 8 0 m ．老区开采下卸压层倾向卸压范围 K3 0 ％经永久抽采 系统输送到地 面可直接用于 民用燃气、工业锅炉燃 气、瓦斯发 电；抽采的低浓度瓦斯可利用于 低浓度瓦斯 1 0 ％ 一 2 0 ％发电、锅炉瓦斯助燃 5 ％ 、 矿井风排瓦斯发 电 0 ． 1 ％ 一 5 ％ 等．高浓度 瓦斯、低浓度 瓦斯 分开抽采 ，方便 了瓦斯的进一步利用 ， 提高了瓦斯利用效率． 3 结 论 1 首采关键层开采后留巷采空侧顶板存在 “ 楔形竖向裂隙发育区” ，其位于采空区顶板垮落带以上 的离层断裂带 内，是卸压瓦斯 的富集区． 2 采用沿空留巷 Y型通风方式，通过工作面上、下进风巷风量 和留巷段埋管抽采量的调节 ，可 以 消除工作面瓦斯积聚，将 留巷排放瓦斯的浓度合理控制在安全值以下． 3 留巷钻孔法连续抽采卸压煤层气技术创新 了卸压开采抽采瓦斯 的方法 ，通过上 、下向穿层钻孔 抽采瓦斯的单孔试验考察结果表明留巷钻孔法替代巷道钻孔法抽采卸压瓦斯 ，巷道和钻孔工程量大大减 少 ，效益和效率显著提高． 4 永久抽采系统抽采倾向高 低位钻孔、下 向穿层钻孔高浓度瓦斯 ，井下移动抽采系统抽采采 空区低浓度瓦斯 ，方便了抽采瓦斯的进一步利用 ，提高了利用效率． 5 留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术为解决高瓦斯、高地压、低透气性煤层群的煤与瓦斯共采难题 提 供了科学可靠的技术途径，为安全高效的工业化煤与瓦斯共采及瓦斯利用提供了新思路． 参考文献 [ 1 ] 袁亮．远松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术 [ M] ．北京煤炭工业出版社 ，2 0 0 4 ． Y u a n L i a n g ．T h e o r y a n d t e c h n o l o g y o f g a s d r a i n a g e a n d c a p t u r e i n s o f t m u l t i p l e c o a l s e a ms o f l o w p e r me a b i l i t y[ M] ．B e r i n g Ch i n a Co a l I n d us t r y Pub l i s hi n g Ho u s e，2 0 04． [ 2 ] 袁亮．高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 6 ，3 1 2 1 7 41 7 8 ． Yu a n Li a n g．Ke y t e c h ni q ue o f s a f e a nd h i g h e f fic i e nc y mi n i n g i n hi g hl y g a s s y mi n i n g a r e a wi t h c o mpl e x g e o l o g i c c o n d i t i o ns [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 6 ，3 1 2 1 7 41 7 8 ． [ 3 ] 袁亮，刘泽功．淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术的研究 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 3 ，2 8 2 1 4 91 5 2 ． Y u a n L i a n g ，L i u Z e g o n g ．S t u d y o n t h e t e c h n i q u e o f r o o f g a s d r a i n a g e f r o m mi n e c o a l s e a m i n H u a i n a n mi n e a r e a[ J ] ．J o u rnal o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 3 ，2 8 2 1 4 91 5 2 ． [ 4 ] 袁亮．复杂特困条件下煤层群瓦斯抽放技术研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 3 ，3 1 1 1 1 ～ 4 ． Y u a n L i a n g ．R e s e a r c h o n g a s d r a i n a g e t e c h n o l o g y f o r s e a m g r o u p w i t h c o m p l i c a t e d a n d d i f fi c u l t c o n d i t i o n s[ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy，2 0 0 3 ，3 1 1 1 1 4 ． [ 5 ] 刘泽功 ，袁亮 ，戴广龙 ，等．采场覆岩裂隙特征研究及在瓦斯抽放中应用 [ J ] ．安徽理工大学学报 自然科学 版 ，2 0 0 4，2 4 4 1 01 5 ． L i u Z e g o n g ，Y u a n L i ang ，D a i G u a n gi o n g ，e t a 1 ．S t u d y o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e g o b r o o f c r a c k s i n s t o p e s a n d i t s a p p l i c a t i o n i n g a s d r a i n a g e[ J ] ．J o u mal o f A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ，2 0 0 4 ，2 4 4 1 01 5． [ 6 ] 程远平，俞启香，袁亮，等．煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 2 1 3 21 3 6 ． C h e n g Y u a n p i n g ，Y u Q i x i a n g ，Y u a n L i a n g ，e t a1．E x p e ri m e n t al r e s e a r c h o f s af e a n d h i g h e f f i c i e n t e x p l o i t a t i o n o f c o a l a n d p r e s s u r e r e l i e f gas i n l o n g d i s t anc e[ J ] ．J o u rna l o f C h i n a U n i v e rsi t y o f Mi n i n gT e c h n o l o gy，2 0 0 4 ，3 3 2 1 3 21 3 6 ． 维普资讯