深部煤矿开采瓦斯综合治理技术研究.pdf

第4 1 卷第8 期 2 0 1 3年8月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 41 No ． 8 Au g． 2 01 3 深部煤矿 开采瓦斯综合治理技术研究 王春光 ， 张东旭 1 ．煤矿安全国家重点实验室 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 1 2 2 ； 2 ．中国煤炭科工集团沈阳研 究院 ， 辽 宁 抚顺1 1 3 1 2 2 3 ．辽宁工程技术大学 矿业学 院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 摘要 针对深部煤矿开采 中瓦斯压力、 瓦斯含量和地应 力均较大的问题 ， 提 出通过开采保护层、 瓦斯 抽采减少瓦斯含 量、 降低 瓦斯压力， 通过水力化措施增加煤层透气性。在新庄孜煤矿、 潘一矿、 平顶山 矿 区、 牛儿庄煤矿等深部煤矿 的试验表明 采取上述措施后 ， 瓦斯含量明显降低 ， 瓦斯抽采量和煤层透 气性 系数显著增加 。因此 ， 以开采保护层、 瓦斯抽采和水力化措施 为主的瓦斯 综合治理措施 ， 能够明 显减 少瓦斯灾害， 保证深部开采的安全生产。 关键词 深部开采 ； 瓦斯抽采； 保护层 ； 瓦斯预抽 ； 水力压裂 ； 防突措施 中图分类号 T D 7 1 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 3 0 8 0 0 1 1 0 4 Re s e a r c h o n Co mpr e he n s i v e Ga s Co n t r o l Te c h no l o g y o f De e p Co a l M i ni n g W ANG Ch u n． g u a ng l _ ． ZHANG Do ng ． X U ， 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofC o a l Mi n e S a f e t y T e c h n o l o g y ， F u s h u n 1 1 3 1 2 2 ， C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p， F u s h u n 1 1 3 1 2 2 ， C h i n a ； 3 ． C o l l e g e ofMi n i n g E n g i nee r i n g， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Du e t o t h e g a s p r e s s u r e， g a s c o n t e n t a n d g r o u n d s t r e s s we r e a l l l a r g e i n d e e p c o a l mi n i n g ， t h e me t h o d s w e r e p r o p o s e d t o d e c r e a s e t h e g a s p r e s s u r e a n d g a s c o n t e n t t h r o u g h p r o t e c t i v e s e a m mi n i n g a n d g a s d r a i n a g e ， a n d i n c r e a s e d c o a l s e a m p e r me a b i l i t y b y h y d r a u l i c me a s u r e s ． T h e fi e l d t e s t i n d e e p c o a l mi n e， s u c h a s Xi n z h u a n g z i C o a l Mi n e， P a n y i Mi n e ， P i n g d i n g s h a n Mi n i n g A r e a a n d Ni u e r z h u a n g C o a l Mi n e s h o we d t h a t ， a f t e r a d o p t i ng t h e s e me a s ur e s， t he g a s c o n t e n t wa s de c r e as e d o b v i o us l y， t h e g a s dr a i n a g e v alu e an d c o a l s e a m p e r me a b i l i t y c o e ffic i e n t we r e i n c r e a s e d s i g n i fi c a n t l y ． T h e r e f o r e ， t h e c o mp r e h e n s i v e g a s c o n t r o l me a s u r e s b a s e d o n p r o t e c t i v e s e a m mi n i n g ， g a s d r a i n a g e a nd hy d r a u l i c me a s u r e s c o ul d o b v i o us l y r e d u c e g a s d i s a s t e r a n d e ns ur e s a f e t y i n d e e p c o al mi n i ng ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g； g a s d r a i n a g e； p r o t e c t i v e s e a m ； g a s p r e d r a i n a g e； h y d r a u l i c f r a c t u r i n g ； o u t b u r s t p r e v e n t i o n me a s u r e s 0 引 言 我国煤矿埋深在 1 0 0 0 m以下的煤炭资源约 3 亿 t ， 约占煤炭资源总储量的5 5 ％， 我国煤矿正以每 年 8 ～1 2 m的速度 向下延深 ， 东部 以 1 O ～2 0 I n的速 度 向下延深。预计在未来 1 0年内， 我 国很多煤矿的 开采深度将达 1 0 0 0 ～1 5 0 0 In J ， 因此深部 开采 将 成为我国未来煤矿开采的重点。一般认 为 ， 在埋 藏 深度小于 1 0 0 0 In条件下 ， 地温低 于 5 0℃时， 泥炭 变为褐煤。这一阶段， 煤化作用仍以生物化学作用 为主， 可以产生甲烷 、 乙烷和丙烷等 ； 随着埋藏深度 增大 ， 地温升高到 5 0 1 6 0℃时， 细菌的生化作用已 不 明显 ， 由温度产生 的热分解起决定作用 ， 这时煤化 作用处于长焰煤到瘦煤 的阶段 ， 以 甲烷为主的烃类 物质大量产生。热模拟煤化过程的试验表明 ， 2次 甲烷生气高峰皆出现在该阶段 内， 甲烷产生量在焦 煤时期达最高值， 煤层瓦斯压力增大， 瓦斯含量也随 之增加 ； 且深度增加 ， 岩层 自重增大 ， 地应力相应增 大 ， 煤层和岩层受应力影响内部结构发生变化 ， 强度 降低 ， 煤层和岩层变软 ， 经常引起巷道变形 ， 给巷道 支护和维护带来 困难 ， 煤与瓦斯突出事故和冲击地 压事故相应增加。为了解决深部煤矿开采瓦斯灾害 问题 ， 笔者开展 了深部煤矿瓦斯综合治理技术研究 。 1 深部开采瓦斯治理面临的问题 1 煤矿深部瓦斯含量和 瓦斯压力在成煤 过程 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 1 ； 责任编辑 王晓珍 作者 简介 王春 光 1 9 7 8 一 ， 男 ， 河北承德人 ， 工程师 ， 硕士 ， 国家注册安全 工程师 ， 国家二级安全评价师。T e l 1 3 8 4 2 0 8 0 2 4 3 引用格式 王春光 ， 张东旭 ． 深部煤矿开采瓦斯综合治理技术研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 8 1 卜 1 4 ． 1 1 2 0 1 3 年第8 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 中达到最高。南桐矿 务局开采深度 为 6 5 O l 1 0 0 m， 平均开采深度 8 7 5 m， 瓦斯压力 5 ． 0 ～1 0 ． 0 MP a ， 所开采煤层已大部分成为强突出危险煤层 ； 淮南矿 业集 团开采深度为 6 0 0 1 0 0 0 m， 平均开采深度达 到 8 0 0 m， 瓦斯压力 4 ． 2 ～5 ． 6 M P a ， 根据 煤矿瓦 斯等级鉴定暂行办法 规定 ， 这些矿井都 已升级为 突出矿井 ， 而且突出灾害较 为严重。瓦斯涌 出量较 大 ， 有的已达到 1 0 0 m ／ m i n ， 甚至更大。 2 深部开采会导致地应力增高 ， 高地应力会引 起矿井围岩 、 支 护变形和破坏 ， 并 引发矿井 动力现 象 ， 是诱发冲击地压、 岩爆 、 煤与瓦斯突出等事故灾 害的主要 因素 。地应力增大 可导致煤 层和岩层 变软 ， 给钻孔施工和维护带来很大难度 ， 造成钻孔成 孔率下降和抽采效率降低 ， 同时煤层透气性降低。 2 深部开采瓦斯综合治理措施 深部开采瓦斯综合治理应以防突和抽采为主 ①抽采 以邻近层卸压瓦斯抽采 、 本煤层瓦斯预抽及 采空区瓦斯抽采为主； ②深部煤层开采 的本煤层瓦 斯含量较大 ， 而且顶底板岩层透气性不好 ， 瓦斯释放 条件较差 ， 因此 ， 防治突出措施将以降低减少本层瓦 斯为主。目前 ， 我 国主要是按照 “ 四位一体” 综合防 突措施 防治煤与瓦斯 突出， 具体分为区域综合 防突 措施和局部综合防突措施 ， 其 中区域 防突措施 主要 有开采保护层和瓦斯抽采 2大类 j ， 局部 防突措施 有水力冲孑 L 、 水力压裂 、 水力挤压、 水力 冲刷和煤层 注水等水力化措施。 2 ． 1 保护层开采防治煤与瓦斯突出 1 开采保护层 。开采保 护层 是最为有效 的治 理煤与瓦斯突出的区域性措施 ， 其原理如图 1 所示 。 一 一 辫[ ] 一 一 ] 一 _ [ 图 1 开采保 护层 防治煤 与瓦斯突 出的原理 2 开采保护层结合瓦斯抽采。在开采层问距 小于 3 0 ～5 0 m 的煤层群时 ， 层 问没有较厚 的硬岩 层 ， 突出层卸压后 ， 大量瓦斯将通过层问裂隙涌向开 采层 ， 从而引起开采层瓦斯超限， 靠通风不能解决瓦 斯超 限问题 ， 因此 ， 需要结合瓦斯抽采来降低瓦斯 向 工作面和上隅角的涌出。而开采层瓦斯主要来源于 采空区和邻近层 ， 因此采用采空 区抽采结合钻孔抽 采 ， 可以减少本煤层开采的瓦斯 向上隅角和 回风巷 排放的压力 ， 同时加快被保护层的瓦斯释放速度， 提 高采掘进度。 3 用钻卸法开采极 薄保 护层。钻卸法是 以打 大直径钻孔为手段 ， 通过利用地应力、 瓦斯压力等破 坏保护层的极薄煤层， 达到开采保护层的 目的。具 体做法是在突出煤层上方极薄煤层的运输巷或者中 间巷 ， 沿极薄煤层仰斜打一些平行的间距不大的大 直径钻孔 ， 使煤层的应力重新分布， 煤柱产生集 中应 力 ， 当煤柱均被压碎 ， 则在突出煤层的上方形成一个 连续的卸压空问 图 2 ， 从而起 到开采保护层防治 突出的作用。 一 圜 a 钻卸法煤杜破坏前 b 钻卸法煤柱破坏后 图 2 钻卸法开采极 薄保 护层 示意 2 ． 2 突出煤层瓦斯抽采 降低突出煤层瓦斯压力和含量以及改变煤层地 应力 ， 是防治煤与瓦斯突出的手段之一 。在没有保 护层可开采的条件下 ， 瓦斯抽采是最有效的防治煤 与瓦斯突出危险性的手段 ， 它以减少煤层瓦斯含量、 降低煤层瓦斯压力为 目的。通过合理抽 采， 不但能 够防治煤与瓦斯突出， 浓度较高的瓦斯也可以民用 ， 为煤矿企业创造较好的经济收益。 瓦斯抽采分为预抽 、 邻近层和采空 区抽采 ， 预抽又分为穿层钻孔条带抽采 、 顺层钻孔抽采和网 格式穿层钻孔抽采 、 地面长钻孔抽采和综合抽采。 1 穿层钻孔条带瓦斯抽采 是在 突出煤层 以 外的岩石巷道或者非突出煤层巷道打穿层钻孔 ， 穿 层钻孔条带预抽煤层瓦斯 图 3 ， 降低预抽条带瓦 斯压力 ， 减少煤层 瓦斯 含量 ， 使该条带应力 重新分 王春光等 深部煤矿开采瓦斯综合治理技术研究 2 0 1 3年第 8 期 布 ， 增加透气性 ， 降低煤层 的煤与瓦斯 突出危险性 ， 使突出煤层能够顺利掘进巷道 ， 形成采煤工作面。 2 网格式 穿层钻孔 适用 于松软低 透气性突 出煤层 的瓦斯抽采 ， 可解决突 出煤层打顺层孔 时喷 孔 、 塌孔 问题 图 4 。 Kl 互 匝笪 l l 6 0 m北西二石门 6 0 m北西四石门 f a 平而 图 回 大 输 巷 抽采管 卸压带 图5 顺层钻 孔抽 采本煤 层瓦斯 由于煤层瓦斯来源不同， 随着采深增加 ， 瓦斯涌 出量也不断增大 ， 采用单一抽采方式可能不能解决 问题 ， 因此 ， 很多情况下采用综合抽采方式 图 6 。 2 ． 3 防治煤与瓦斯突 出的水力化措施 水力化措施是在抽采瓦斯的基础上增加煤层透 气性 ， 提高抽 采率 ， 尽快 降低煤层 瓦斯压 力和含 量 的一种手段。防治煤与瓦斯突出的水力化措施从 工作方式上可分为 2种 第 1 种是在煤体中形成空 洞 ， 利用形成空洞后 的地应力重新分布 ， 扩大卸压影 响范围， 并利用形成的空洞疏通通道 ， 排出煤层中的 回风巷 顶板走_向K钻孔 卜 隅角插管 顺层水平 钻孑 空区 进风巷 抽采孔爆破孔 强化抽采区 初采段 3 0 0m1 图 6 综合抽采煤层瓦斯防治煤 与瓦斯突 出 瓦斯 。第 2种方式是改善煤体 的力学性质 ， 增加其 强度 ， 提高其稳定性 ， 扩大其卸压范 围， 并将其脆性 破坏转变为塑性破坏。利用水 的不可压缩性 ， 来完 成水力冲孔 、 水力压裂 、 水力挤 压、 水力 冲刷和煤层 注水 。通过所达到的 目的不同可将水力化措施 分为 2类 将水作为湿润剂， 向煤层注水湿润煤体 ， 增加煤层 的塑性、 降低煤层的解吸速度 ， 从而起到防 治突出的目的； 将水作为工具 ， 在煤层中形成人工空 腔 ， 或使已形成 的槽缝 、 裂缝扩大 ， 促使煤体位移 ， 如 水力冲刷 、 水力割缝 、 水力压裂和水力挤出等。主要 目的是使煤体破裂 、 位移 ， 以使煤体中的应力趋于缓 和或重新分布， 瓦斯得到排放 ， 从而起到防治突出的 作用。 3 深部开采瓦斯综合治理措施效果检验 3 ． 1 保护层开采治理瓦斯效果 1 新庄孜煤矿开采深度在 7 0 0 IT I 左右， 进行保 护层开采后 ， 突出煤层透气性增大 5 7 0倍 ， 单孔抽采 量增大 4 0倍 。开采保护层之前突出危险严重 ， 开采 保护层后没有发生突出事故。较好地解决了煤层 回 采时 的 瓦斯 治 理 问题。保 护层 工 作 面单 产 提高 3 3 ％， 突出煤层掘进月单进 由 3 0 IT I 提高到 9 0 m， 安 全和经济效益显著。 2 潘一矿开采深度在 1 0 0 0 1 1 3 左右 ， 采用保护 层开采后 ， 2 1 2 1 3 进、 回风巷月掘进速度 由 4 0 ～6 0 1 1 1 提高至 2 0 0 m， 工作面回采产量 由 1 7 0 0 t ／ d提高 至 5 1 0 0 t ／ d 。潘三矿 1 7 8 1 3 工作面年单产也 由原 来的不足 6 0万 t ， 提高到 1 6 0万 t 。 3 淮北海孜煤矿开采深度在 6 0 0 m左右 ， 9煤 层有突出危险性 ， 将 l 0煤作为下保护层开采后 ， 煤 层瓦斯压力从 0 ． 6 2 M P a降低到 0 ． 1 7 M P a ， 煤层瓦 斯含 量从 未采 取保 护 层开 采 的 8 m ／ ra i n降 到 5 m ／ m i n ， 保护层开采对煤与瓦斯突 出的防治起到 了 明显作用。同时在开采保护层前后测定煤层透气性 系数 ， 从未开采保护层时的0 ． 3 0 1 m ／ M P a d 增 1 3 2 0 1 3 年第8 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 加到 0 ． 9 0 9 m ／ M P a d ， 增大了 3倍。 4 平顶山矿区埋深在 6 1 5 ～ 9 8 5 I n ， 属于深部开 采煤层。吨煤突出瓦斯量 6 0 ． 4 7 i n ， 瓦斯突出较为 严重。己 煤层是煤与瓦斯突 出煤层 ， 瓦斯含量 在 1 0 ～1 5 1 1 1 ／ t ， 其上覆己 煤层突出危险性较弱 ， 因 此 ， 将己 煤层作 己 煤层的保护层进行开采。开 采保护层后， 己 煤层瓦斯含量降低了到 5 1 T I ／ t ， 有效减少了煤与瓦斯突出事故 的发生。 3 ． 2 抽采突出煤层治理瓦斯效果 渝阳煤矿属突出矿井 ， 开采深度在 9 0 0 I n ， 煤层 瓦斯含量为 1 5 ． 0 8 m ／ t ， 矿井绝对瓦斯 涌出量 9 0 ． 7 1 I n ／ m i n 、 相对瓦斯涌出量 7 5 ． 1 0 m ／ t ， 单层开采 ， 因 此采用本煤层强化抽采 ， 钻孔 间距 5 m， 孔深 9 0 m， 孔径 9 6 m m， 其 中运输巷 布置钻孔 1 6 8个 ， 回风巷 1 9 2个 。抽采 3个月后， 煤层瓦斯 含量降低 到 5 ． 8 0 i n ／ t ， 消除了煤与瓦斯突出危险性 。 3 ． 3 水力化措施防治煤与瓦斯突出的效果 峰峰矿务局牛儿庄煤矿 ， 开采深度 6 0 0 IT I ， 采 2 号煤层时采用水力化措施的水力压裂技术， 对该煤 层进行增透， 透气性系数从采取水力压裂前的 0 ． 3 5 2 IT I ／ MP a d 增加到 1 ． 0 4 I n ／ M P a d ， 平均瓦 斯抽采率提高 3倍以上。渝阳煤矿开采深度在 9 0 0 1T I ， 煤层瓦斯含量为 1 5 ． 0 8 n l ／ t ， 透气性系数为 0 ． 0 1 3 m ／ MP a d 。采用钻孔进行水利化措施 的水力 压裂试验 ， 水力压裂后煤层透气性系数增加到 0 ． 9 6 7 m ／ M P a d ， 瓦斯抽采流量增大 了 4～1 7倍 ， 瓦 斯抽采浓度增大 1 3倍 ， 抽采瓦斯纯量增大 1 0 ～ 3 3 倍 ， 水力压裂效果明显。逢春煤矿开采深度在 6 5 0 IT I ， 采用水力化措施 进行水力压裂 ， 透气性系数从 0 ． 1 8 4 I n ／ M P a d 增加到 1 ． 7 6 2 1 1 3 ／ MP a d ， 钻孑 L 平均单孔瓦斯纯量增加 1 2 ． 3倍 ， 抽采浓度增加 6 ． 8倍。 4结 语 针对深部开采矿井深部瓦斯压力、 瓦斯含量和 地应力均较大的问题 ， 提 出以防突和抽采为主的瓦 斯综合治理措施 ， 通过保护层开采 、 水力化措施 防 突、 瓦斯抽采等措施 ， 减少 了瓦斯含量 ， 降低了瓦斯 压力。上述瓦斯治理方法 的现场实践表明， 在深部 开采矿井采用合适的瓦斯治理方法可减少瓦斯事故 的发生 ， 提高深部煤层开采的产量和安全性。 1 4 参考 文献 [ 1 ] 梁军成 ， 刘美军 ．煤矿 深部开采相关 灾害 问题 及应对措 施 的 探讨 [ J ] ． 价值工程 ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 1 2 9 5 2 9 6 ． [ 2 ] 孙月 庚 ．改变 煤层 透气 性 防突 措施 及应 用 [ J ] ． 煤 矿安 全 ， 2 0 0 5 ， 3 6 9 5 6 5 7 ． [ 3 ] 王兆丰， 李 志强． 水 力挤 出措施消突 机理研究 [ J ] ． 煤矿 安全 ， 2 0 0 4 ， 3 5 1 2 1 4 ． [ 4 ] 汪有清 ， 底抽 巷上 向穿 层钻孔 抽 放远 程卸 压 瓦斯技 术研 究 [ D] ． 淮南 安徽理工大学 ， 2 0 0 6 3 - 6 ． [ 5 ] 邓涛 ， 王宏 图， 练友红． 祁南矿网格式上向密集穿层钻孔结合 顺层钻孔抽采瓦 斯技术 [ J ] ． 矿业 安全 与环保 ， 2 0 1 0， 3 7 1 3 3 3 5 ． [ 6 ] 滑俊杰 ．突出煤层水力挤 出快速消突技术研 究 [ D] ． 焦作 河 南理工大学 ， 2 0 1 1 2 - 6 ． [ 7 ] 顾德祥 ．低透气性 突出煤层强化增透瓦斯抽采技术研究 [ D] ． 淮南 安徽理工大学 ， 2 0 0 9 5 - 8 ． [ 8 ] 周勇 ．近煤岩巷水力 冲孔快 速防突技术实 践[ J ] ． 煤 ， 2 0 1 1 ， 2 0 2 6 6 6 7 ． [ 9 ] 李家彪 ， 刘 明举 ， 赵发军 ． 水力 冲孔在新 义矿 瓦斯抽采中的应 用 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 1 7 3 6 3 8 ． [ 1 0 ] 谈 国文 ， 赵旭生 ， 张庆华 ， 等． 渝阳煤矿煤与瓦斯突出综合预警 系统建设及应用 [ J ] ． 煤矿安全， 2 0 1 1 ， 4 2 1 7 2 7 5 ． [ 1 1 ] 王春光， 王建 国， 王魁军 ， 等． 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