煤礦安全高效開采技術的重大突破

1、煤礦安全高效開采技術的重大突破 “低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術”課題組，由煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司、安徽建筑工業(yè)學院、中國礦業(yè)大學、安徽理工大學、沈陽天安礦山機械科技有限公司等企業(yè)和院校、科研機構的優(yōu)秀科研技術人員組成。 課題組在充分調(diào)研國際煤炭開采現(xiàn)狀后，于2004年提出煤層群無煤柱快速留巷Y型通風煤氣共采研究課題。2005年完成實驗室模擬、相關材料、系統(tǒng)設計研究；2006年開始進行工業(yè)性試驗并取得成功；2007年進行項目申報；2008年3月通過了行業(yè)鑒定。鑒定委員會專家對研究成果給予高度評價：該研究課題采用無煤柱沿空留巷Y型通風卸壓開采，解決了

2、深井高瓦斯、低滲透率、高地應力等復雜地質條件礦區(qū)煤與瓦斯共采技術難題。創(chuàng)造了深井復雜地質條件下沿空留巷綜采月產(chǎn)36萬噸的紀錄，采區(qū)瓦斯抽采率70%以上。研究成果集成創(chuàng)新了沿空留巷Y型通風煤與瓦斯共采關鍵技術所涉及的理論、技術、材料、裝備及工藝系統(tǒng)，在淮南顧橋、新莊孜，皖北臥龍湖等礦成功實施該技術，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，達到了國際領先水平。 近年來，我們以淮南礦區(qū)為代表圍繞瓦斯治理技術開展了卓有成效的科技攻關，取得了一系列技術創(chuàng)新成果和行之有效的瓦斯治理辦法，在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了廣泛影響，但礦井進入深部開采以來，淺部成熟的依托巖巷工程的瓦斯治理技術對深井開采布局的制約作用越來越大。 深部開

3、采面臨的安全技術問題難以突破淮南礦區(qū)是我國地質條件復雜、災害頻發(fā)煤礦的典型代表，煤層賦存特征為高瓦斯煤層群(815層可采煤層)，煤層瓦斯含量高(1236m3/t)，煤質極松軟(堅固性系數(shù)f為0.20.8)，煤層透氣性低(滲透率為0.0011mD)，瓦斯壓力大(高達6.2MPa)。目前，淮南礦區(qū)內(nèi)大部分生產(chǎn)礦井的開采深度7001000m，且開采深度正以每年2025m的速度增加，新建礦井首采區(qū)多在距地表800m以下深度，未來十年面臨的煤與瓦斯突出威脅增加問題、軟巖支護問題、采空側小煤柱地壓問題及地溫問題日趨嚴重，深部開采面臨巨大的安全技術挑戰(zhàn)。 高瓦斯低透氣性煤層抽采瓦斯難度大，淺部瓦斯治理技術在

4、深部實施困難。礦區(qū)所有礦井全面升級為煤與瓦斯突出危險礦井或煤層。高瓦斯突出危險煤層透氣性通常比較低，直接進行原始煤體煤層氣抽采瓦斯消突，需鉆孔布置密集、抽采時間長、效果差，在淺部以巷道或巷道+穿層鉆孔抽采(巷道鉆孔法)卸壓瓦斯的成功經(jīng)驗，以及突出煤層“一面四巷”(煤層巷道開掘前先布置兩條巖巷)預抽瓦斯消突的有效措施，均需要提前準備大量的巖巷和鉆孔工程，采掘接替緊張，實施困難。 深部軟巖和煤巷支護難度更大?；茨系V區(qū)地質條件復雜，斷層構造多，水平地應力大，實測820m水平的最大主應力為21.5MPa，軟巖遇水膨脹，巖層松軟破碎，裂隙發(fā)育，屬于典型的軟巖礦區(qū)，深部巖巷的掘進和支護制約作用日益突出。進

5、入深部以后小煤柱沿空掘巷圍巖變形顯著增加，成為制約綜采面快速推進的主要障礙。 傳統(tǒng)的U型通風方式無法解決深部采煤工作面隅角瓦斯超限問題。 高地溫問題也越顯突出?；茨系V區(qū)目前最大開采深度780m，開拓深度840m，地熱災害嚴重。生產(chǎn)礦井各煤層600m水平大部分區(qū)段地溫超過31，屬于一級高溫區(qū)，局部區(qū)段大于37，進入二級高溫區(qū)。 地面鉆井抽采低透氣性煤層瓦斯難度相當大 我國大多數(shù)煤礦區(qū)煤層氣賦存具有低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質性強的“三低一強”的特性，尤其是低滲透率和非均質性，很不利于直接抽采。1991年以來，先后有華北石油地質局、中國煤田地質總局、西安煤科分院、美國安然公司、德士古公司等在

6、安徽兩淮煤田進行過煤層氣勘探評價工作，共計施工14口井，采氣量最大的達到1000m3/d，絕大多數(shù)只有幾百立方米，且迅速衰減，有的基本采不出氣(非均質性)。因此，在現(xiàn)有技術工藝條件下，直接從地面開采煤層氣技術上還有相當大的難度，不符合我國大多數(shù)煤礦區(qū)的客觀條件。從安全開采角度看，應先采瓦斯，將煤層轉到低瓦斯狀態(tài)再開采煤炭，以淮南礦區(qū)為例，煤層瓦斯含量高達26m3/t，要抽采到8m3/t以下，按照傳統(tǒng)技術方法，需抽采1020年。煤炭是我國的主導能源，高速發(fā)展的社會經(jīng)濟急需大量能源，而東部地區(qū)煤炭作為國家主要能源基地長期不可替代，按照傳統(tǒng)技術方法，顯然不能適應國家社會經(jīng)濟發(fā)展需求。 低透氣性煤層群

7、開采已經(jīng)面臨眾多新的技術難題迫切需要攻關研究。因此，研究并總結一整套適合低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采技術，既是淮南礦區(qū)多年技術創(chuàng)新的追求和即將大力開發(fā)深部煤、氣資源的技術需要，也是貫徹落實國家能源政策和實現(xiàn)煤礦安全高效開采的客觀需求。 “低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術”研究課題正是在這樣的背景下提出，將高瓦斯、高地壓、低透氣性煤層群的技術難題等統(tǒng)一起來考慮，以沿空留巷的方式一體化解決高瓦斯、高地溫、高地壓、井巷失穩(wěn)、瓦斯突出、沖擊地壓等開采技術難題，通過通風降溫、簡化采掘接替、實現(xiàn)連續(xù)開采，并為高效抽采采動卸壓瓦斯、治理煤層群瓦斯提供最佳的工作空間，提出基于快速留巷Y型通風抽采卸

8、壓瓦斯的煤氣共采技術路線。 這項技術研究，充分采用了實驗室相似材料模擬、數(shù)值模擬、圍巖結構理論分析等綜合手段，結合淮南礦區(qū)幾種典型的高瓦斯、高地壓煤層開采的工業(yè)性試驗，實現(xiàn)了低透氣性煤層群無煤柱煤氣共采技術的集成。主要技術成果如下： 系統(tǒng)地提出留巷鉆孔法煤與瓦斯共采新方法 根據(jù)煤層群賦存條件，首采關鍵卸壓層，沿采空區(qū)邊緣沿空留巷實施無煤柱連續(xù)開采，在留巷內(nèi)布置上、下向高、低位鉆孔，抽采頂?shù)装逍秹和咚购筒煽諈^(qū)富集瓦斯的煤層瓦斯開采技術，并通過創(chuàng)新快速構建沿空留巷巷旁充填墻體技術，實現(xiàn)與綜采工作面同步推進的煤與瓦斯高效共采的開采方法，替代了多巖巷的抽采卸壓煤層氣的煤氣共采技術體系。 創(chuàng)新了3項留巷

9、鉆孔煤與瓦斯共采技術第一項技術：沿空留巷圍巖結構穩(wěn)定性控制技術。在對沿空留巷內(nèi)外層圍巖結構穩(wěn)定性科學分析基礎上，提出了沿空留巷巷內(nèi)合理支護形式為錨桿支護；提出包括巷道破裂圍巖體強度強化、錨桿支護承載性能強化和圍巖承載結構強化的沿空留巷巷內(nèi)錨桿強化支護技術原理；新型錨桿強化支護技術是指超高強度桿體、高預緊力、系統(tǒng)高剛度為核心的“三高”錨桿支護技術。選擇超強桿體、高剛度護網(wǎng)、超大托盤、超強大扭矩阻尼螺母，實施大扭矩安裝、維持錨桿的荷載，并向圍巖擴散，形成高強主動高阻穩(wěn)定的錨桿支護圍巖承載結構；提出采用仿液壓支架結構作為巷內(nèi)輔助加強支護、巷旁充填材料的性能要求有良好的泵送性能，能滿足復雜高程變化條件

10、下的遠距離泵送要求，拆模時間應滿足綜采工作面快速推進的要求，保證沿空留巷支護墻體能緊隨工作面及時快速構筑。 第二項技術：巷旁充填材料研制與快速留巷充填工藝系統(tǒng)集成創(chuàng)新。成功研究制備了CHCT新型充填材料，該材料能滿足礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道變形特性要求，具有良好的承載特性和變形性能且適宜遠距離泵送施工；集成創(chuàng)新了快速留巷巷旁充填工藝系統(tǒng)?？焖倭粝锵锱猿涮罟に囅到y(tǒng)包括：地面干混充填料制備系統(tǒng)、干混充填料由地面至井下泵站運輸系統(tǒng)、干混充填料送至充填泵料斗上料系統(tǒng)、充填料漿的制備與泵送系統(tǒng)和充填模板支架系統(tǒng)；研發(fā)了集裝料箱式自動卸料至上料系統(tǒng)的高效充填材料的輸送系統(tǒng)，自主研發(fā)了充填模板支架，縮短了立模時間

11、。 第三項技術：留巷鉆孔瓦斯抽采技術。包含：低位鉆孔抽采采空區(qū)富集瓦斯技術，利用留巷形成的聚集瓦斯的采動裂隙“豎向帶狀裂隙區(qū)”進行采空區(qū)高濃度瓦斯抽采，有效解決了工作面留巷回風流瓦斯超限問題和礦井高濃度瓦斯抽采利用的問題；高位鉆孔抽采頂?shù)装暹h程卸壓煤層瓦斯技術，在留巷內(nèi)布置上向穿層鉆孔抽采上部遠程卸壓煤層瓦斯，下向穿層鉆孔抽采下部遠程卸壓煤層瓦斯；留巷鉆孔抽采瓦斯的保障技術，通過控制采空區(qū)埋管抽采管道口的數(shù)量和開啟程度控制采空區(qū)瓦斯抽采量和抽采瓦斯?jié)舛?，采用沿空留巷Y型通風方式，可通過工作面上、下進風巷風量和留巷段埋管抽采量的調(diào)節(jié)，將留巷排放瓦斯的濃度合理控制在安全值以下，因此，Y型通風對瓦斯

12、管理具有很大的靈活性。 取得了兩種典型煤層群條件下的工業(yè)性試驗成功 第一種典型條件：遠距離煤層群煤與瓦斯共采工業(yè)性試驗。顧橋煤礦首采關鍵卸壓層沿空留巷Y型通風煤氣共采實踐表明：1115(1)綜采工作面采用沿空留巷Y型通風卸壓抽采瓦斯技術，遠程穿層鉆孔替代傳統(tǒng)的C13煤層底板抽放巷及其在該巷內(nèi)施工的抽采鉆孔；留巷內(nèi)施工的低位抽采鉆孔替代傳統(tǒng)的抽采本煤層瓦斯的高抽巷，取得了較好的瓦斯治理效果，留巷回風流瓦斯?jié)舛仍?.4%以下，消除了上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，綜采生產(chǎn)的安全可靠性顯著提高。工作面日推進度10.5m、日產(chǎn)原煤16000噸，創(chuàng)同類工作面日產(chǎn)新高、日開采煤層氣30946m3，抽采率超過70%。

13、第二種典型條件：近距離煤層群煤與瓦斯共采工業(yè)性試驗。通過實施沿空留巷Y型通風技術，優(yōu)化抽采鉆孔布置，研究并實施了傾向鉆孔抽采頂?shù)装灞槐Ｗo煤層(高瓦斯強突出煤層)卸壓瓦斯，保護層工作面回采期間瓦斯抽采量占工作面總的瓦斯量比例最高達85%，平均為75%。正是近距離煤層群煤與瓦斯共采工業(yè)性試驗。通過留巷卸壓煤氣共采，首采卸壓煤層安全回采煤炭40萬t，解放上覆B11b煤層煤量46.95萬t；解放下伏B8煤層煤量24.36萬t；總計解放煤量71.41萬t。經(jīng)濟效益和社會效益顯著。 類似淮南資源條件的礦區(qū)，特別是深部高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層群開采必須走無煤柱沿空留巷Y型通風煤氣共采的道路：利用煤層群開采條

14、件，首采關鍵卸壓層，采用無煤柱開采技術，實現(xiàn)全面卸壓開采，抽采卸壓瓦斯，消除煤柱應力集中，真正實現(xiàn)大面積區(qū)域消突；實現(xiàn)無煤柱開采的關鍵是沿空留巷煤與煤氣共采，即沿采空區(qū)邊緣人工構筑高強支撐體將回采巷道保留下來，解決深部開采中高地應力問題和使巷道在最低的應力環(huán)境下長期維護的問題，創(chuàng)新卸壓抽采方法，形成以留巷鉆孔法連續(xù)抽采卸壓煤層氣技術體系，替代淺部專用巷道法為主的抽采煤層氣技術;變工作面?zhèn)鹘y(tǒng)的U型通風方式為Y型通風方式。 低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術的應用要結合具體試驗地點的煤層群賦存條件。根據(jù)煤層群賦存條件的差異，煤礦瓦斯治理國家工程研究中心和淮南礦業(yè)(集團)公司已集中優(yōu)勢力量，正

15、在進行本課題的進一步深入研究，將逐步形成煤層群無煤柱快速留巷Y型通風關鍵技術的標準和規(guī)范，保障該項技術的安全可靠應用，實現(xiàn)“三高”礦井的安全、高效生產(chǎn)。 低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術，成功地解決了深井高瓦斯、低滲透率、高地應力等復雜地質條件礦區(qū)的煤與瓦斯共采技術難題。應用此項技術成果，符合國家制定的“先抽后采”安全開采方針和“煤氣共采”能源戰(zhàn)略，對我國開發(fā)深部煤炭和煤層氣源，改善礦井安全條件和提高經(jīng)濟效益，緩解常規(guī)油氣供應緊張狀況，實施國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護大氣環(huán)境，都具有十分重要的意義。 相關鏈接： Y型通風巷道系統(tǒng)：在煤層群開采時首選關鍵卸壓層，建立“二進一回”的Y型通風巷道系統(tǒng)，可采用相鄰的兩個工作面同時設計、施工三條巷道或利用在采區(qū)邊界建立回風上山構成。Y型通風巷道系統(tǒng)可以采用風門、風窗，調(diào)節(jié)供風風流，確保風流場的穩(wěn)定。 留巷支護：沿留空巷巷道是沿采空區(qū)邊緣人工構筑高強支撐墻體將工作面回采巷道保留下來，沿空巷巷道由原工作面回采巷道頂板、底板、保留煤幫及人工構筑高強支撐墻體構成。沿留空巷巷道支護采用高強度、大預應力錨桿(索)、網(wǎng)、梁聯(lián)合支護，錨固控制巖體變形提高其主動承載能力，并與留巷充填共同承受采動應力的破壞。 充填留巷