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煤矿安全高效开采技术的重大突破 |
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5/27/2008 3:33:00 PM
佳工机电网
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《中华人民共和国科学技术部》2008年5月26日讯 “低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”课题组，由煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、淮南矿业（集团）有限责任公司、安徽建筑工业学院、中国矿业大学、安徽理工大学、沈阳天安矿山机械科技有限公司等企业和院校、科研机构的优秀科研技术人员组成。
课题组在充分调研国际煤炭开采现状后，于2004年提出煤层群无煤柱快速留巷Y型通风煤气共采研究课题。2005年完成实验室模拟、相关材料、系统设计研究；2006年开始进行工业性试验并取得成功；2007年进行项目申报；2008年3月通过了行业鉴定。鉴定委员会专家对研究成果给予高度评价：该研究课题采用无煤柱沿空留巷Y型通风卸压开采，解决了深井高瓦斯、低渗透率、高地应力等复杂地质条件矿区煤与瓦斯共采技术难题。创造了深井复杂地质条件下沿空留巷综采月产36万吨的纪录，采区瓦斯抽采率70%以上。研究成果集成创新了沿空留巷Y型通风煤与瓦斯共采关键技术所涉及的理论、技术、材料、装备及工艺系统，在淮南顾桥、新庄孜，皖北卧龙湖等矿成功实施该技术，取得了显著的经济、社会和环境效益，达到了国际领先水平。
近年来，我们以淮南矿区为代表围绕瓦斯治理技术开展了卓有成效的科技攻关，取得了一系列技术创新成果和行之有效的瓦斯治理办法，在行业内产生了广泛影响，但矿井进入深部开采以来，浅部成熟的依托岩巷工程的瓦斯治理技术对深井开采布局的制约作用越来越大。
深部开采面临的安全技术问题难以突破——
淮南矿区是我国地质条件复杂、灾害频发煤矿的典型代表，煤层赋存特征为高瓦斯煤层群(8—15层可采煤层)，煤层瓦斯含量高(12—36m3/t)，煤质极松软(坚固性系数f为0.2—0.8)，煤层透气性低(渗透率为0.0011mD)，瓦斯压力大(高达6.2MPa)。目前，淮南矿区内大部分生产矿井的开采深度—700—1000m，且开采深度正以每年20—25m的速度增加，新建矿井首采区多在距地表800m以下深度，未来十年面临的煤与瓦斯突出威胁增加问题、软岩支护问题、采空侧小煤柱地压问题及地温问题日趋严重，深部开采面临巨大的安全技术挑战。
高瓦斯低透气性煤层抽采瓦斯难度大，浅部瓦斯治理技术在深部实施困难。矿区所有矿井全面升级为煤与瓦斯突出危险矿井或煤层。高瓦斯突出危险煤层透气性通常比较低，直接进行原始煤体煤层气抽采瓦斯消突，需钻孔布置密集、抽采时间长、效果差，在浅部以巷道或巷道+穿层钻孔抽采(巷道钻孔法)卸压瓦斯的成功经验，以及突出煤层“一面四巷”(煤层巷道开掘前先布置两条岩巷)预抽瓦斯消突的有效措施，均需要提前准备大量的岩巷和钻孔工程，采掘接替紧张，实施困难。
深部软岩和煤巷支护难度更大。淮南矿区地质条件复杂，断层构造多，水平地应力大，实测—820m水平的最大主应力为21.5MPa，软岩遇水膨胀，岩层松软破碎，裂隙发育，属于典型的软岩矿区，深部岩巷的掘进和支护制约作用日益突出。进入深部以后小煤柱沿空掘巷围岩变形显著增加，成为制约综采面快速推进的主要障碍。
传统的U型通风方式无法解决深部采煤工作面隅角瓦斯超限问题。
高地温问题也越显突出。淮南矿区目前最大开采深度—780m，开拓深度—840m，地热灾害严重。生产矿井各煤层—600m水平大部分区段地温超过31℃，属于一级高温区，局部区段大于37℃，进入二级高温区。
地面钻井抽采低透气性煤层瓦斯难度相当大——
我国大多数煤矿区煤层气赋存具有低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的“三低一强”的特性，尤其是低渗透率和非均质性，很不利于直接抽采。1991年以来，先后有华北石油地质局、中国煤田地质总局、西安煤科分院、美国安然公司、德士古公司等在安徽两淮煤田进行过煤层气勘探评价工作，共计施工14口井，采气量最大的达到1000m3/d，绝大多数只有几百立方米，且迅速衰减，有的基本采不出气(非均质性)。因此，在现有技术工艺条件下，直接从地面开采煤层气技术上还有相当大的难度，不符合我国大多数煤矿区的客观条件。从安全开采角度看，应先采瓦斯，将煤层转到低瓦斯状态再开采煤炭，以淮南矿区为例，煤层瓦斯含量高达26m3/t，要抽采到8m3/t以下，按照传统技术方法，需抽采10—20年。煤炭是我国的主导能源，高速发展的社会经济急需大量能源，而东部地区煤炭作为国家主要能源基地长期不可替代，按照传统技术方法，显然不能适应国家社会经济发展需求。
低透气性煤层群开采已经面临众多新的技术难题迫切需要攻关研究。因此，研究并总结一整套适合低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采技术，既是淮南矿区多年技术创新的追求和即将大力开发深部煤、气资源的技术需要，也是贯彻落实国家能源政策和实现煤矿安全高效开采的客观需求。
“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”研究课题正是在这样的背景下提出，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，以沿空留巷的方式一体化解决高瓦斯、高地温、高地压、井巷失稳、瓦斯突出、冲击地压等开采技术难题，通过通风降温、简化采掘接替、实现连续开采，并为高效抽采采动卸压瓦斯、治理煤层群瓦斯提供最佳的工作空间，提出基于快速留巷Y型通风抽采卸压瓦斯的煤气共采技术路线。
这项技术研究，充分采用了实验室相似材料模拟、数值模拟、围岩结构理论分析等综合手段，结合淮南矿区几种典型的高瓦斯、高地压煤层开采的工业性试验，实现了低透气性煤层群无煤柱煤气共采技术的集成。主要技术成果如下：
——系统地提出留巷钻孔法煤与瓦斯共采新方法。
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，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的煤层瓦斯开采技术，并通过创新快速构建沿空留巷巷旁充填墙体技术，实现与综采工作面同步推进的煤与瓦斯高效共采的开采方法，替代了多岩巷的抽采卸压煤层气的煤气共采技术体系。
——创新了3项留巷钻孔煤与瓦斯共采技术。
第一项技术：沿空留巷围岩结构稳定性控制技术。在对沿空留巷内外层围岩结构稳定性科学分析基础上，提出了沿空留巷巷内合理支护形式为锚杆支护；提出包括巷道破裂围岩体强度强化、锚杆支护承载性能强化和围岩承载结构强化的沿空留巷巷内锚杆强化支护技术原理；新型锚杆强化支护技术是指超高强度杆体、高预紧力、系统高刚度为核心的“三高”锚杆支护技术。选择超强杆体、高刚度护网、超大托盘、超强大扭矩阻尼螺母，实施大扭矩安装、维持锚杆的荷载，并向围岩扩散，形成高强主动高阻稳定的锚杆支护围岩承载结构；提出采用仿液压支架结构作为巷内辅助加强支护、巷旁充填材料的性能要求有良好的泵送性能，能满足复杂高程变化条件下的远距离泵送要求，拆模时间应满足综采工作面快速推进的要求，保证沿空留巷支护墙体能紧随工作面及时快速构筑。
第二项技术：巷旁充填材料研制与快速留巷充填工艺系统集成创新。成功研究制备了CHCT新型充填材料，该材料能满足矿压显现规律和巷道变形特性要求，具有良好的承载特性和变形性能且适宜远距离泵送施工；集成创新了快速留巷巷旁充填工艺系统。快速留巷巷旁充填工艺系统包括：地面干混充填料制备系统、干混充填料由地面至井下泵站运输系统、干混充填料送至充填泵料斗上料系统、充填料浆的制备与泵送系统和充填模板支架系统；研发了集装料箱式自动卸料至上料系统的高效充填材料的输送系统，自主研发了充填模板支架，缩短了立模时间。
第三项技术：留巷钻孔瓦斯抽采技术。包含：低位钻孔抽采采空区富集瓦斯技术，利用留巷形成的聚集瓦斯的采动裂隙“竖向带状裂隙区”进行采空区高浓度瓦斯抽采，有效解决了工作面留巷回风流瓦斯超限问题和矿井高浓度瓦斯抽采利用的问题；高位钻孔抽采顶底板远程卸压煤层瓦斯技术，在留巷内布置上向穿层钻孔抽采上部远程卸压煤层瓦斯，下向穿层钻孔抽采下部远程卸压煤层瓦斯；留巷钻孔抽采瓦斯的保障技术，通过控制采空区埋管抽采管道口的数量和开启程度控制采空区瓦斯抽采量和抽采瓦斯浓度，采用沿空留巷Y型通风方式，可通过工作面上、下进风巷风量和留巷段埋管抽采量的调节，将留巷排放瓦斯的浓度合理控制在安全值以下，因此，Y型通风对瓦斯管理具有很大的灵活性。
——取得了两种典型煤层群条件下的工业性试验成功。
第一种典型条件：远距离煤层群煤与瓦斯共采工业性试验。顾桥煤矿首采关键卸压层沿空留巷Y型通风煤气共采实践表明：1115(1)综采工作面采用沿空留巷Y型通风卸压抽采瓦斯技术，远程穿层钻孔替代传统的C13煤层底板抽放巷及其在该巷内施工的抽采钻孔；留巷内施工的低位抽采钻孔替代传统的抽采本煤层瓦斯的高抽巷，取得了较好的瓦斯治理效果，留巷回风流瓦斯浓度在0.4%以下，消除了上隅角瓦斯超限现象，综采生产的安全可靠性显著提高。工作面日推进度10.5m、日产原煤16000吨，创同类工作面日产新高、日开采煤层气30946立方米，抽采率超过70%。
第二种典型条件：近距离煤层群煤与瓦斯共采工业性试验。通过实施沿空留巷Y型通风技术，优化抽采钻孔布置，研究并实施了倾向钻孔抽采顶底板被保护煤层(高瓦斯强突出煤层)卸压瓦斯，保护层工作面回采期间瓦斯抽采量占工作面总的瓦斯量比例最高达85%，平均为75%。正是近距离煤层群煤与瓦斯共采工业性试验。通过留巷卸压煤气共采，首采卸压煤层安全回采煤炭40万t，解放上覆B11b煤层煤量46.95万t；解放下伏B8煤层煤量24.36万t；总计解放煤量71.41万t。经济效益和社会效益显著。
类似淮南资源条件的矿区，特别是深部高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层群开采必须走无煤柱沿空留巷Y型通风煤气共采的道路：利用煤层群开采条件，首采关键卸压层，采用无煤柱开采技术，实现全面卸压开采，抽采卸压瓦斯，消除煤柱应力集中，真正实现大面积区域消突；实现无煤柱开采的关键是沿空留巷煤与煤气共采，即沿采空区边缘人工构筑高强支撑体将回采巷道保留下来，解决深部开采中高地应力问题和使巷道在最低的应力环境下长期维护的问题，创新卸压抽采方法，形成以留巷钻孔法连续抽采卸压煤层气技术体系，替代浅部专用巷道法为主的抽采煤层气技术;变工作面传统的U型通风方式为Y型通风方式。
低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术的应用要结合具体试验地点的煤层群赋存条件。根据煤层群赋存条件的差异，煤矿瓦斯治理国家工程研究中心和淮南矿业(集团)公司已集中优势力量，正在进行本课题的进一步深入研究，将逐步形成煤层群无煤柱快速留巷Y型通风关键技术的标准和规范，保障该项技术的安全可靠应用，实现“三高”矿井的安全、高效生产。
低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术，成功地解决了深井高瓦斯、低渗透率、高地应力等复杂地质条件矿区的煤与瓦斯共采技术难题。应用此项技术成果，符合国家制定的“先抽后采”安全开采方针和“煤气共采”能源战略，对我国开发深部煤炭和煤层气源，改善矿井安全条件和提高经济效益，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、保护大气环境，都具有十分重要的意义。
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