瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术.pdf

★ 本刊特稿 ★ 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术 袁 亮 1 ．煤 矿 瓦斯 治理 国家工 程研 究 中心 ，安 徽省 淮 南市 ，2 3 2 0 0 1 ； 2 ．淮南矿业 集团有限责任公司，安徽省淮南市，2 3 2 0 0 1 摘 要 基 于煤炭 在我 国能 源构成 中的重要 地位 ，介 绍 了 “-3前 煤炭 工业安 全 生产 情 况和 科 学 开采 面临的 I * 1 难 ，并具 体针对 低透 气性 高 瓦斯煤 层群安 全 高效 开采技 术难题 ，重点分 析 了淮 南矿 区先 进 的 瓦斯 治理 理念和 管理 理念 ，阐述 了无 煤 柱 煤 与 瓦斯 共 采技 术 的产 生背 景 、 发展 历 程 ，并详 细介 绍 了无 煤柱煤 与 瓦斯共 采理 论及 基 于此 的瓦斯 治理技 术 工程 实例 。最后 指 出 了深 入 研 究 的 方 向 。 关键 词 瓦斯 治理 煤 与 瓦斯 共 采 煤 层群 高效开 采 中图分 类号T D7 1 2 ，T D 8 2 3 ． 8 2 文献 标识 码A Co nc e p t o f g a s c o nt r o l a nd s i mu l t a ne o u s e x t r a c t i o n o f c o a l a nd g a s Yu a n Li a ng 1 ． Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r f o r Co a l Ga s Co n t r o l ，Hu a i n a n，An h u i p r o v i n c e 2 3 2 0 0 1 ，Ch i n a ； 2 ． Hu a i n a n Mi n i n g Gr o u p C o L t d ， Hu a i n a n ，A n h u i p r o v i n c e 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d up o n t he s i g ni f i c a nt r o l e o f c oa l i n t he na t i on a l e ne r g y s t r u c t u r e o f t hi s c o un t r y，t h e a ut ho r p r ov i de s a n a c c ou nt a b o ut t he s t a t us q u o o f wo r k s a f e t y i n c o a l m i ne s a s we l l a s t h e pr o bl e m s a n d i s s ue s f a c e d b y t he c ur r e n t mi n i ng t e c hn ol o g y i n t hi s c ou nt r y ．On t he ba s i s o f s o me t o ug h p r ob l e ms o n s a f e r a n d hi gh l y e f f i c i e n t m i n i n g i n l o w p e r me a b i l i t y c o a l - s e a m g r ou ps wi t h hi gh ga s c on c e nt r a t i on，t he a ut ho r f oc us e s o n t h e a d v a nc e d c o nc e pt o f H u a i na n c oa l mi n e a r e a o n m i ne ga s c o nt r o l a n d t o t a l ga s ma na g e me n t ．Be s i d e s，t he a u t h or a l s o pr o vi de s a n a c c o un t a bo ut t he ba c kg r ou nd a nd d e v e l o pme nt c o ur s e o f t h e s i m u l t a ne ou s mi n i ng of pi l l a r l e s s c o a l a n d t h e e x t r a c t i o n o f m i n e ga s ．The n，t he a ut h or g o e s i nt o de t a i l s a b ou t t h e t h e o r y of s i m u l t a ne o us pi l l a r l e s s 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 p r o v i d i n g r e a 1 p r o j e c t c a s e s b a s e d u p o n t h e s a i d s i mu ha ne o us mi ni ng a n d e x t r a c t i o n．Fi n a l l y，t he a u t ho r p o i nt s o ut t h e di r e c t i on s f o r f ur t h e r de e p go i n g r e s e a r c h a c t i v i t i e s i n t h e f ut u r e ． Ke y wo r d s g a s c o nt r ol ；s i m u l t a n e ou s e xt r a c t i on o f c o a l a nd g a s；c o a l s e a m gr o up；hi g hl y e f fic i e nt mi ni ng 瓦 斯治理 是煤 矿 安 全 高 效 开采 的前 提 和基 础 。 瓦斯问题特别是低透气性煤层瓦斯治理是世界性难 题 ，长期 以来没有解决 ，因而导致煤矿瓦斯事故多 发 、生产效率低下 ，安全高效开采难以实现。随着 矿井开采深度加大 ，地质条件更复杂，地应力 、瓦 斯含量和压力增加 ，瓦斯治理难度进一步增大 。近 期我 国发生的煤与瓦斯突出引发瓦斯爆炸事故 ，都 是 由于煤 矿 向深部 开 采过 程 中瓦 斯灾 害升 级 所 致 ， 如 2 0 0 9年 2月 2 2日，山西古 交 市屯 兰 煤矿 发 生 瓦 斯 治 理 理念 和煤 与 瓦 斯 共 采 技 术 瓦 斯爆 炸事 故 ，7 7人死 亡 ；2 0 0 9年 5月 3 0日，重 庆 松藻 煤 电 同华 煤 矿 特 大 瓦 斯 突 出事 故 ，3 O人 死 亡 ，7 7人 受 伤 ；2 0 0 9年 9月 8日河 南平 顶 山市新 华 四矿特大瓦斯爆炸事故 ，5 4人死亡；2 0 0 9年 l 1 月 2 1日，鹤 岗新兴煤矿特大 瓦斯爆炸 ，1 0 8人死 亡 。 淮南矿区煤层赋存条件极其复杂 ，是我国瓦斯 含量最高的矿 区之一，曾是全国瓦斯事故重灾 区。 目前 ，淮南矿区内现有矿井全部为高瓦斯、煤与瓦 5 斯突出矿井。新建矿井多为深井开采 ，首采区多在 距地表 8 0 0 m 以下深度；大部分生产矿井 的开采 深度 已达 一7 O 0 ～ 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 。由于传统的瓦斯抽放技术 和方法，不能解决松软低透气性煤层群开采的瓦斯 治理难题 ，自 1 9 9 8年起，淮南矿 区转变了瓦斯治 理理念，开展科研攻关 ，创新瓦斯治理技术，取得 了瓦斯治理技术的重大突破 ，实现 了煤矿安全高效 开采 。 1 科学 开采是煤 炭工 业发展 的必 由之路 1 ． 1 煤炭科 学产能的制约因素分析 总体来看 ，我 国煤炭科学产能制约 因素主要 有 1 深部煤炭开发的资源制约 ； 2 煤炭开发 基地 西移 中的生 态环境及 长距 离输 送制约 ； 3 安 全高效生产能力制约； 4 资源回收率制约； 5 环境容量制约 。我 国煤矿灾害类型多，分布面广， 在世界各主要产煤国家中开采条件最差、灾害最严 重 。据调 查 ，对 于 国有 重 点煤 矿 ，处 在 浅 部 开 采 时 ，地 质构 造 复 杂 或 极 其 复 杂 的 煤 矿 占 3 6 ，地 质构造简单的煤矿 占 2 3 ；进入深部开采后，地 质构 造均朝 复杂 或极其 复杂 发展 。 我国煤层瓦斯含量丰富，累计探明煤层气地质 储量 1 0 2 3亿 m。 ，可采储量约 4 7 0亿 m。 ，埋深浅 于 2 0 0 0 m 的煤层气 资源量为 3 6 ． 8万亿 m。 ，居世 界第三位。但我 国高瓦斯 矿井多，国有重点煤矿 7 0 以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井 ，大部分为 低透气性煤层 渗透率1 roD ，平均在 0 ． 0 0 2 ～ l 6 ． 1 7 mD。其 中，渗 透 率 小 于 0 ． 1 0 mD 的 占 3 5 ；0 ． 1 ～ 1 ． 0 mD 的占 3 7 ；大 于 1 ． 0 mD的 占 2 8 ；大于 1 0 mD的较少 。 1 ． 2 煤炭科学开采势在必行，瓦斯治理任务艰 巨 实践证明，靠传统的瓦斯综合治理途径 、引进 技术和地面开采煤层气等方法都不能解决我 国绝大 部分矿区的瓦斯治理难题 ，特别是在类似两淮矿区 复杂的地质条件低渗透率煤层 ，根本就无法解决瓦 斯治理难题 ，自然就遏制不了瓦斯事故的发生。必 须依靠 自主创新，走科学开采的路子淮南根据矿 区实际情况 ，经过长期探索研究及工程实践 ，探索 出了低透气性高瓦斯煤层 群煤层气高效开采与 利用技术，初步建立了低透气性煤层群无煤柱煤与 瓦斯共采关键技术理论体系 ，该瓦斯治理理念和技 术在全 国大部分矿区得到了推广。 6 2理 念创 新 引领 煤矿 瓦斯综 合治理 2 ． 1 安全 与 生产 的 矛盾 可 以统一 于先进 生产 力 实践证明，煤矿的安全与生产并不是一对不可 调和的矛盾 ，在先进生产力面前 ，保护生命和提高 产量 目的其实是可以同时达到的。事实上，治理瓦 斯的 目的之一也就是要提高生产力水平 。淮南建设 新 型能 源基地 的 特征 就 是 “ 一 先 进 三保 护 ” ，即发 展先进生产力，保护生命 ，保护资源，保护环境， 并实现 “ 三个转变” ，即从劳动密集型转到技术密 集型，从粗壮劳动力转到高素质员工队伍 ，从粗放 管理转到科学管理。 2 ． 2可保 必保 、应 抽尽抽 淮南矿区经过长期探索研究及工程实践，得出 首 采卸压 层卸 压开 采 、煤 与瓦斯共 采是 对突 出煤层 进 行消 突最有效 、最 可靠 ，也是最 经济 的方法 的结 论 ，认为可保必保 具备条件的必须开采首采卸压 层 ，应抽尽抽 给足卸压抽采时间和空间 ，实现 瓦斯抽采最大化。在此前提下 ，基本上解决了低透 气性高瓦斯煤层 群瓦斯高效开采难题。 2 ． 3治理 瓦斯 ，岩 巷先行 事实证明，瓦斯治标治本都离不开打钻 。打钻 和岩巷作为安全生产技术的第一要务 ，为实现瓦斯 治本 ，必须着力建设一流的打钻和岩巷队伍 、一流 的打钻和岩巷装备、一流的打钻和岩巷管理 。淮南 矿区现立足打大钻 、打长钻、打高技术钻 ，用准军 事化、专业化、精细化手段管理打钻队伍。淮南矿 区现有 8支 专 业化 打 钻 队伍 ，共 计 1 7 0 0人 ，实 现 了专业化打钻队伍 “ 全覆盖” 。 2 ． 4 瓦斯 利 用 瓦斯是我国煤矿生产过程 中的主要灾害源 ，同 时也是一种新型的洁净能源和优质化工原料 。开发 利用瓦斯 煤层气 ，既 可以充分利用地 下资源， 又可以改善矿井安全条件和提高经济效益 ，对缓解 常规油气供应紧张状况，实施国民经济可持续发展 战略，减少温室气体排放 ，保护环境等均具有十分 重要 的意义。因此，煤矿瓦斯治理必须走 “ 变抽放 为抽采，煤与瓦斯共采 ，治理 与利用并重” 的路 子 。 3 技术 创新是 实现 煤与 瓦斯共 采的关 键 煤与瓦斯共采必须依靠技术创新。淮南矿 区开 展了大量研究 ，成功地解决 了矿区瓦斯治理和安全 中国煤炭第 3 6卷第 6期 2 0 1 0年 6月 开采技 术难 题 。应 用 这些 成 果 ，连 续 1 2年 避 免 了 瓦斯爆炸事故 ，百万 吨死亡率从 4 ． 0 1降低到近 5 年 0 ． 1左右 的 国际先进 水平 ；安 全有 了保 障 ，企业 得 到发 展 ，年 产 量 从 1 0 0 0万 t 增 加 到 6 7 0 0万 t 。 淮 南矿 区的煤 与 瓦斯共 采主要 创新 技术包 括 如下几 个方 面 。 3 ． 1 地 质保 障技 术是煤 与 瓦斯共 采 的基 础 目前淮南地质保障技术的创新重点主要包括三 维地 震精 细解 释 地 面地 质“ C T” 、井 下 综 合 物 探 井下 地质 “ C T” 、地 测 、 防治 水 信 息 化 及 预 警 、地球 化学 识 别 地 质 “ DNA” 、出 水 水 源 快 速判 别 、瓦斯 地质等 关键 性技术 。 3 ． 2低 透 气性 煤层 群卸 压 开采抽 采 瓦斯技 术 3 ． 2 ． 1 卸压 开采抽 采 瓦斯理论 淮南在 解决 低透气 性 高瓦斯 煤层 安全 开采 技术 难题 的过 程 中 ，打破 传 统 自上 而 下 的煤 层 开 采 程 序，设计了制造煤体松动卸压的开采方案 ，提出采 取卸压 开采增 加煤 层透 气性 、抽 采 瓦斯 的 原理 ，变 传 统 瓦斯 自然 排放 为集 中抽 采 ，实现卸 压 开采抽 采 瓦斯 、煤与 瓦斯共 采 的科学 构想 ；图 1为 首采层 开 采后，大量解吸瓦斯在抽采负压作用下沿卸压张裂 隙径 向流动 的卸 压 开 采抽 采 瓦斯 原 理 图 。基 于此 ， 根据 实验 室模 拟研究 ，提 出了在煤 层群 中选 择安 全 可靠 的煤层首先开采，造成上下煤岩层膨胀变形 、 松 动 卸 压 ， 增 加 煤 层 透 气 性 ； 同 时 在 被 卸 压 煤 层 卸 底板远程抽采钻孔 图 1 采动覆 岩移动 “ 竖 三带 ” 、“ 横三 区” 和 “ 裂 隙三发育 区”模型 I一冒落带 ，Ⅱ一裂隙带， Ⅲ一弯曲下沉带 ； A一煤壁支撑影响区 ，B 一离层 区，C一重新压实区 ； 1 一上部采空区顶区空隙区，2 一裂 隙带 内的楔形裂隙发育区 ， 3 一远程卸压煤层离层发育 区 顶底板设计巷道、钻孑 L 抽采卸压瓦斯的技术路线。 同时利用数值模拟研究手段对淮南矿区卸压开采采 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共 采技术 场 内应 力场 分 布规律 进行 了系 统深入 研究 ，并 发现 了首采层开采后顶板存在环形裂隙区、顶底板被卸 压煤层膨胀变形区的裂隙场分布及演化规律 ，以及 瓦斯富集区分布及运移规律。研究成果在百余个工 作面进行现场工业性试验 ，取得了巨大成功。 3 ． 2 ． 2 卸压开采抽采瓦斯、煤 与瓦斯共采工程技 术体 系 尽管卸压开采抽采瓦斯技术在淮南矿区取得了 成 功 ，但 该 技术存 在 瓦斯抽 采 巷道 、钻孔 工程 量大 等 缺 点 ，因 此 ，在 此 基 础 上 又 进 行 了深 入 研 究 ， 2 0 0 4年又提出了无煤柱煤与瓦斯共采 的科学构想 走采煤工作面无煤柱沿空留巷替代顶底板瓦斯抽采 岩巷、变传统 U型通风方式为 Y 型通风方式、在 留巷 内设 计钻 孔 连续 抽 采 采 空 区 瓦斯 的技 术 路 线 ， 见图 2 。 图 2无 煤 柱 沿 空 留 巷 钻孔 法 抽 采 瓦斯 原 理 图 1 首采煤层顶板瓦斯抽采技术 。 首采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层 、采 空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。根椐矿山岩层移动 理论 ，煤 层 在开采 过程 中 ，顶底 板岩 层 冒落 、移动 产 生裂 隙 。由于 瓦斯具 有升 浮移 动和 渗流 特性 ，来 自于大面积的卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到裂隙充分 发 育区 ，在环 形 裂 隙 圈 内形 成 瓦 斯 积 存 库 见 图 3 a 。数值模拟研究表 明首采层瓦斯富集区位于两 巷采 空侧 上方 宽 0 ～3 0 m，高 8 ～ 2 5 m 的环形 裂 隙区 见 图 3 b 、顶 板 破碎 角 5 0 。 对 应 向上 4 O ～ 5 8 ． 7 m 的竖 向裂 隙 区 。因此 ，把 抽 采 钻 孑 L 和巷 道 布置在环形裂隙圈内，能够获得理想的抽采效果 ， 从而避免采空区瓦斯大量涌入到回采空间。淮南矿 区工程实践表明，在裂隙区内预先布置顶板巷道或 钻孔抽采 卸压瓦斯 ，抽 采率可达 6 O ％ 见 图 4 。 卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采理论研究 和 工程 实践在 淮南 矿 区取得 成功 ，实 现 了卸 压层 间 距达 5 0倍采高，突破了 3 0倍采高的传统理论 ，实 现 了无煤 柱煤 与 瓦斯共 采技术 的重 大 突破 ，图 5为 7 卸压开采抽采瓦斯原理图。 冰 ＼ 霜 a 首采层顶板抽采富集区瓦斯原理图 沿工作面倾斜 方向水 平距离／ m b 顶板裂隙区数值模拟结果 图 3首采层顶板瓦斯抽采 姜 妪 悯 匠 旧 H ● f 卜 ＼ ＼ ■ ． ． 、 ▲ ＼ ● 一 、 f ，‘ H 1 ＼． ， I 、 、 - ＼ 盎 n ． J ． 口一 图 4 首采煤层顶板瓦斯抽采试验效果 2 大 间距上 部煤层 膨胀 卸压 开采顶 板瓦 斯抽 采技术 。 淮南矿区利用首采煤层的远程采动卸压和使顶 板卸压煤岩层下沉变形破裂 ，使透气性成千倍增 加 ，在首 采 层 开 采 过 程 中 ，在 顶 板 破 裂 弯 曲下 沉 带 ，首创 “ 卸压煤层底板岩巷和网格式上向穿层钻 孔瓦斯抽采方法” ，将顶板弯 曲下沉带卸压煤层和 底板臌起卸压膨胀带 内的解吸瓦斯 ，通过顺层张裂 隙汇集到网格式抽采 钻孔，进行及 时有效 的抽 采 见 图 6 。研 究 发现 首采 层卸 压 开 采后 ，上 向卸 压范围为走向卸压角 8 0 ． 8 ～8 4 ． 7 。 ，倾向卸压角 8 3 ～ 8 5 。 ，上 向卸 压 层 问 距 达 1 0 ～ 1 5 0 m，采 用 在 被 8 卸压煤 层底 板弯 曲下沉 带预先 布置巷 道钻孔 抽采卸 压瓦斯的技术方法 ，抽采率达 6 5 以上 。 ． 5 0 倍 瓦斯抽 采工程 采高 首采卸压层 ～、 L ’ 『 ’ J l 。l ●l ～ ● ＼ ＼ |l 5 O 倍 { ＼ { 是 采 高 ． P ． P 瓦 斯 抽 工 程 棚 阡 开 、 4 严 。 图 5 卸压开采抽采瓦斯原理 图 图 6远程 卸 压 开 采 模 拟 图 3 煤层 群多层 开采底 板卸 压瓦斯 抽采技 术 。 淮南 矿 区 B 8 ～ B 4煤 层 属 于 煤 层 群 开 采 ，B 8 、 B 7 b 、B 7 a 不是 突 出危 险 煤 层 ，B 6和 B 4为 突 出危 险煤层 。因此 ，首先 以非突出煤层 B 8作为首采保 护 层 ，然后依 次开 采非 突 的 B 7 b 、B 7 a 煤 层 ，最 后 图 7 煤层群多层开采底板卸压 瓦斯抽采模拟 图 开采 受 到上保 护层采 动卸 压保 护 的 B 6 、B 4突 出危 险煤层 。当 B 8采 动后 ，B 7 、B 6煤层处在膨胀裂 隙带内，在此裂隙带的底板岩层 内布置巷道和网格 式穿层钻孔实现多重高效瓦斯抽采 ，如图 7所示 。 中国煤炭第 3 6卷第 6 期 2 0 1 0年 6月 研究 发现 多重卸 压 开采后 ，下 向卸 压范 围为走 向卸 压角 9 9 ． 3 ～ 1 0 0 ． 1 o ，倾 向卸 压 角 1 0 2 ～ 1 1 O 。 ，下 向 卸压 层 间距 达 l 0 W1 5 0 m，采用 预先 布 置巷 道 和穿 层钻孑 L 抽采卸压瓦斯，瓦斯压 力 由 3 ． 6 MP a降至 0 ． 2 MP a ，透气 性系数增 大 了 5 7 0倍 ，抽采 率达 5 O 以 上 。 4 多重开采上 部煤层对下 部煤层 的卸 压效 果 。 B 8煤层 开 采 后，由于 B 4煤 层 与 之 距 离 达 6 2 ． 3 m，卸压 的效果 不够充分，钻孔 流量虽有提 高 ，但 提高 幅度 远不 如 距 离较 近 的 B 6等 煤层 ，再 加上开 采过 程 中 的卸压 时 问 较短 ，使 得 B 8煤 层 开 采 时 ，B 4煤层 含有 的瓦斯 并没 有得 到 充 分 的释放 ， 以致残余瓦斯压力仍达 1 ． 5 ～2 ． 0 MP a 。B 7 、B 6 煤 层 的陆 续 开 采 ，使 B 4煤 层 有 一 个 多 次 卸 压 的过 程 。数据表 明，在上部 B 8 、B 7 、B 6煤层 回采后 ， B 4 煤 层瓦斯 压力 降低 了 5 0 ，B 4煤 层透 气性 系数 增大了 3 0 0倍 以上 ，B 4煤层钻孔瓦斯流量由原来 的 0 ． 0 0 8 ～ 0 ． 0 0 9 m。 ／ rai n提 高 到 了 0 ． 1 4 5 5 m。 ／ rai n ，增大 了 1 6 ． 1倍 。实际上在多重开采上保 护 层之后，测得 B 4煤层 的残余瓦斯 压力 实际值 为 0 ． 2 MP a ，证 明多重 开采上 部煤 层 比开 采 单一 煤 层 卸压效 果更好 见 图 8 。 善 兰 ‘鲁 g 皿 删 霜 0．8 0．6 0 ． 4 O ． 2 1 5 l 0 5 3 2 1 P Q 8 多重 升米 上 邵 煤 层 卸 压 效 果 5 卸压 开采裂 隙发 育 区地 面钻孔 管抽采 瓦斯 技术 。 地 面采空 区钻孔 的设 计 目的在 于在得 到一 个 高 效 的地 面采 空 区钻孔 抽采 系统 ，该 系统 能更多 地抽 采高浓度的瓦斯 ，并使采空区 自燃的风险最小。地 面钻孔 结构 如 图 9所示 。 采空 区瓦斯抽 采对 减小 回风 流及 其 它抽采 方 法 如顶板 钻孔 、上 隅角抽 采管道 的瓦斯 浓度有 很大 影响。尽管在钻孔工作的早期阶段并不明显，但随 着工作 面离开 钻孔 位置 ，钻孔 的 瓦斯 流量 和浓 度 都 瓦斯治理理念 和煤与 瓦斯共采技术 随之增加，回风流及顶板钻孔或巷道 内的瓦斯浓度 也开始下降，典型情况下降低 0 ． 2 ～0 ． 3 个百分点。 图 9地 面钻 孔 结构 不 意 图 3 ． 3 无煤 柱 煤与 瓦斯共 采技 术 根据煤层群赋存条件 ，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 ，工作面埋管抽采防止采空区 瓦斯 向工 作 面大量 涌 出 ，以留巷 替代 多条岩 巷抽采 卸压 瓦斯 ，可 大大 减少岩 巷 和钻孑 L 工程 量 ，实 现煤 与 瓦斯安 全高效 共 采 ，见 图 1 O 。 图 1 O 无 煤柱 沿空留巷钻孔法抽采瓦斯原理图 9 日 R 4 l ￡ Ⅲ ／ 喇 鼋H ． 噬 加 3 ． 3 ． 1 首采保护层采场 内应力场 、裂 隙场分布及 演化规 律 淮南矿区无煤柱留巷卸压开采煤与瓦斯共采试 验发现 ，首采层沿空留巷采场内增压区位于首采保 护层工作面前方 0 ～3 0 m，应力集 中系数为 2 ～3 倍 ，见图 1 1 ；采空区 3 0 0 5 0 0 m 以外为卸压稳定 区；裂隙发展期为首采保 护层工作 面后方 0 ～5 O m；活跃期 位 于 5 0 5 0 0 m；衰减 期 为 5 0 0 m 以后 且呈 楔形 偏 向采 空 区发 展 。钻 孔验 证 发 现 采 面后 5 0 3 0 0 m、顶 板 向上 5 ～4 0 m 环 形竖 向裂 隙场 内 瓦斯 浓度 为 1 O ～4 O 。 采空区顶板 5 ～4 O m，首采保护层工作面开采后 5 0 m瓦斯浓度超过 1 0 、1 0 0 m超过 2 O ％、3 0 0 m达 到 4 0 。这为布置抽采瓦斯钻孑 L 提供了依据。 工 作 面过 测 点距 离 ／ m 图 l 1 无煤柱 留巷卸压开采煤 与瓦斯共采 留巷采空侧走 向裂隙发育演化 3 ． 3 ． 2 首采层开采后顶底板 瓦斯富集 区4 、5 钻孔抽采 瓦斯浓度 8 5 ～ 1 0 0 ，单孔抽 研究发现首采层开采后顶底板不同层位存在着 采流量 0 ． 1 2 ～0 ． 9 8 m。 ／ mi n ；留巷下向钻孔有效抽 4个瓦斯富集区，即上 向被卸压煤层解 吸瓦斯富集 采卸压瓦斯 的走 向长度 1 2 0 ～1 5 0 m 约 4 O ～5 0 区、竖 向楔形瓦斯富集区、顶板环形瓦斯富集区和 d ，钻孔有效抽采区域为左边角小于 8 5 。 ，底板方 下 向被 卸压煤 层解 吸瓦 斯富集 区 见 图 1 2 。 向发展 深度 达到 1 0 0 m。上 向被卸 压煤 层通 过 1 、 图 1 2 首采层 开采后顶底板 瓦斯 富集 区示意图 经过现场试验考察得到，1 钻孔抽采瓦斯浓 度 1 O ～3 0 ，单孔抽采流量 0 ． 2 ～1 ． 3 m。 ／ mi n ， 钻孔有效抽采区域为垂直煤层顶板向上 4 ． 0 ～1 2 ． 2 倍采高 8 ． 0 ～3 6 ． 6 m ，倾斜方 向 O ～4 0 m，留巷 内钻孔有效抽采长度 5 0 0 ～6 0 0 m；远程上向卸压 煤层有效抽采瓦斯区 ，2 、3 钻孔抽采瓦斯浓度 6 0 ～9 5 ，单孔抽 采流量 0 ． 2 5 ～ 1 ． 5 0 m。 ／ mi n ； 钻场有效抽采卸压瓦斯的走向长度超过 2 0 0 m 约 4 O d ，相当于 3倍 的层 间距 ，钻孔有效抽采区域 为左边角小于 7 5 。 ，顶板方向发展高度超过 1 3 0 m。 】 O 2 、3 钻 孑 L 连 续 抽 采 采 煤 工 作 面 后 方 0 ～ 3 0 0 m ，顾桥矿 1 3 1煤层 ，实现单 面 日产气 3 0 9 4 6 m。 ，日产 煤 1 6 4 2 6 t ，抽 采 率 达 7 2 ；新 庄 孜 矿 B 1 1 b煤层 瓦斯预 抽率 达 7 2 ． 4 ，下 向被 卸 压煤 层 通过 4 、5 钻 孔 连 续 抽 采 ，新 庄 孜 矿 B 8煤 层 瓦 斯预抽 率达 5 6 。 3 ． 3 ． 3 无煤柱 护巷 围岩控 制关键 技术 基于无煤柱留巷围岩 内外层结构稳定性规律的 研究 ，提 出无 煤 柱 留巷顶 板抗 剪切破 坏 的强化锚杆 控制技术和辅助加强支护技术，构建 了如图 1 3所 示的 “ 三位一体”的留巷支护技术体系，即抗顶板 剪切 回转 的锚 杆 注 主 动支 护 P 、强采 动 应力 影响期间的巷内自移辅助加强支护 P 。 和高承载性 能的巷旁充填墙体支护 P 。 。研制出了高承载性能 机械化施工的巷旁充填支护技术，能保证充填墙体 紧随工作面及时快速构筑，满足了综采工作面 日进 1 0 m、日产 2万 t的快 速开采要求 ；同时，实现 中国煤炭第 3 6 卷第 6期 Z 0 1 o年 6月 0 毒 9 0 0 m 深 井护 巷断 面 8 ～ 1 0 m。 ，长 度达 2 9 0 0 m 的 世 界 纪 录 ，是 国 外 的 2 ～ 3倍 ，成 本 仅 为 欧 洲 的 1 ／ 3 ，兼顾 了采煤生产和充填平行作业 ，实现 了矿 井的安全高效生产。 巷旁 充填 侧模 板支 架 充填 墙 体 9 0 0 m 深度 护巷 效果 图 1 3 “ 三位一体”围岩控制技术及工程效果图 3 ． 3 ． 4 无煤柱 护巷 Y 型通 风 留巷 钻 孔 法抽 采 瓦 斯关键 技术 1 首 采层采 空 区留巷 钻孔法 抽采 瓦斯 技术 。 技 术原 理 图见 图 1 4上 图 。现 场试 验 效 果 为 抽 采瓦斯浓度 1 0 ～4 O ，首采层采 空区瓦斯抽采 率 7 O 以上 ，连续抽 采最 高达 9 0 。 - 8 O 0m 一8 2 9 m 表土 层 1 3 - 1 煤 砂 岩 组 泥 岩 组 泥 岩组 砂 岩 组 填充墙体 进风巷 蒋 进风巷 图 1 4 无煤柱 Y型通风留巷钻孔法抽采瓦斯关键技术示意图 2 留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技 术 。 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术 技术原理 图见图 1 4中图。现场试验效果为上 向被卸压煤层瓦斯抽采率 7 2 以上 ，瓦斯压力降 至 0 ． 2 ～ 0 ． 4 MP a以下 ，瓦 斯 抽 采 浓 度 达 6 0 ～ 9 5 ％ 。 3 留巷 钻孔 法下 向钻 孔抽 采卸 压煤层 瓦斯技 术 。 技术原理图见图 1 4下图。现场试验效果为瓦 斯抽 采浓 度 8 5 ～ 1 0 0 ，采 一 层被 卸 压 煤层 ，瓦 斯抽 采率 4 6 ％以上 ，多层 开采 后可 达 7 0 以上 。 4 淮南 矿 区应用 效果显 著 。 首采保护层工作面瓦斯抽采浓度 由 6 O 提高 到 7 O ～9 O ，抽采 率 由 6 0 提 高到 7 0 以上 ； 上下 邻近 的被 卸压 高瓦斯 煤层 瓦斯 压 力 降至 0 ． 2 ～ 0 ． 4 MP a以下 ，瓦斯 含 量 抽 采 至 3 ～5 m。 ／ t以下 ， 首次 达到 了上 向 1 5 0 m，下 向 1 0 0 m 的有 效卸 压范 围；高浓度瓦斯作为资源抽采至地面直接利用 ，治 理和 利用成 本 降低 了 5 0 以上 。 3 ． 3 ． 5 井上下立体瓦斯抽采体 系 目前 ，淮南矿区已形成 了井上下立体的卸压开 采 抽采 瓦斯 、煤 与瓦斯 共采 的工 程技 术新 格局 ，实 现了被卸压煤层瓦斯含量 、瓦斯压力分别降低到国 家规 定 的 8 m。 ／ t 和 0 ． 7 4 MP a以下 。 1 顶板 走 向钻孑 L 抽采技 术 。在 采煤工 作面 上 风巷 每 隔 8 0 ～ 1 0 0 m 向 顶板 施 工 一 个 钻 场 ，在 钻 场内施工 6 ～1 0个钻孔 ，终孔高度位于煤层顶板向 上 1 O ～1 5 m，距 工作 面 回风 巷 的水 平 距 离 为 5 ～ 2 0 m，扇形布置。顶板走 向钻 孑 L 抽采浓度一般 在 1 5 ～4 5 之 间 ，纯 量 在 5 ～ 1 8 m。 ／ mi n范 围。 2 穿 层钻 孔预 抽技 术 。在煤 层底 板开拓 或分 组 集 中岩 巷 内 ，沿走 向每 隔 2 5 ～3 0 m 施 工 一个 钻 场 ，布 置一 组穿 层钻 孔 ，钻孔 穿透煤 层 ，孑 L 底 间距 1 0 2 0 m，预抽 2 ～3年 。抽采 浓 度一 般 为 3 O ～ 7 0 ，单孔 纯量 为 0 ． 2 ～1 m。 ／ mi n 。该 技术 主要 用 于 无保 护层 开采 的突 出煤层 消 突 。 3 穿层钻孔抽采卸压瓦斯技术 。一般配合卸 压层 开采 ，施 工穿层 钻 孔拦截 抽 采被 卸压层 卸压 瓦 斯，终孔位置为进入 临近被卸压煤层顶板 0 ． 5 m， 钻孑 L 间距 为 2 O ～ 4 0 m。抽 采 浓 度 一 般 为 4 O ～ 8 0 ，纯量 为 2 0 3 0 m。 ／ rai n ，最佳 抽 采 范 围为 随 卸压层开采推进走向 2 0 0 3 0 0 m。 4 采空区埋管抽采技术 。在工作面上风巷单 独敷设抽采管路进行上隅角埋管抽采，埋管分为浅 埋 3 ～5 m 和 深 埋 2 0 ～4 0 m两 种 。上 隅角 1 1 充填垛采用编织袋装填煤矸进行充填 ，主要用于控 制高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限或积聚。 5 顶板专 用 瓦斯抽采 巷抽 采技 术 。在 开采煤 层顶板岩层或煤层 中沿工作面走向方向施工顶板专 用瓦斯抽采巷 ，层位处于采空区裂隙带 内抽采高浓 度 瓦斯 。一 般 用 于 瓦 斯 涌 出量 在 3 O ～ 7 0 m。 ／ rai n 的工作 面 。 6 回风巷倾 向钻孔抽采技术 。开采下卸压层 或工作面上临近层瓦斯涌出量较大时可在回风巷向 顶板施工倾向钻孔 ，抽采被卸压层或临近层 瓦斯。 钻孔倾角 4 0 6 0 。 ，终孔落在被卸压层顶板或临近 煤层顶板。封孔深度超过冒落带并且不低于 2 0 m。 7 地 面钻井 抽采 技术 。开采 卸压层 时 ，采用 地 面钻井抽 采采动 区卸 压瓦 斯 。钻 井一 般布 置在工 作面的中部 ，钻井间距 3 0 0 m左右 ，单井流量 5 ～ 1 8 m。 ／ mi n ，浓度 5 0 ～9 5 O，单井抽放纯瓦斯可 达 2 0 0万 m。以上 。 采用地 面钻井 抽采 采空 区瓦斯 时 ，钻井 一般布 置在 距 工 作 面 回 风 巷 3 0 ～ 5 0 m 左 右 ，钻 井 间 距 1 2 0 m左右 ，单井流量 3 ～8 m。 ／ rai n ，浓度 3 0 ～ 8 O ，单井抽放纯瓦斯可达 1 0 0 万 m。 以上。 8 顺层 钻孔 抽采技 术 。通 常是在 开采煤 层 的 机巷和风巷时 ，沿煤层倾斜 方 向施工顺层倾 向钻 孔 ，也可由采区上山、下山、工作面煤壁沿煤层走 向施工水平钻孔。顺层长钻孑 L 瓦斯抽采技术主要解 决 突出和本 煤层 瓦斯 涌出量 大等 问题 。矿 区试 验顺 层钻 孔深度 已达 3 0 0 m。 4结语 淮南矿区的实践表明，通过加强技术攻关能够 有效 治理 瓦斯 灾害 ，煤 矿 瓦 斯 资 源可 以变 害 为宝 。 只有 瓦斯 治理 与利用技 术不 断 突破 ，才能有 效预 防 和避 免瓦斯 事故 的发生 ，促进 煤炭生 产安全 高效 绿 色开采，实现煤炭工业健康可持续发展。 尽管煤 与 瓦斯共采 在淮南 矿 区取 得 了成 功 ，并 在全 国开始 推广 应 用 。但 我们 应 该 清 醒地认 识 到 ， 煤与瓦斯共采研究成果要在全 国进一步推广 ，还有 很多 工作要 做 ，需 要对 不 同矿 区 、不 同煤层 地质条 件 的相 关技 术 问题进 行研 究 ，使 煤与 瓦斯共采 能够 适用于我国各类条件的煤矿，并在此