1、专题部分中国矿业大学2011届本科生毕业设计 第17页煤与瓦斯共采技术现状及综述摘要：结合淮南矿区的煤层瓦斯赋存特征，对矿区矿井煤与瓦斯共采技术及相应的瓦斯抽放技术做出基本的介绍，并在系统回顾我国煤矿瓦斯综合治理技术发展, 分析我国瓦斯综合治理现状的基础上, 从安全矿山建设的视角, 提出了今后煤矿瓦斯综合治理发展战略是转变观念, 提高认识; 建立健全矿井瓦斯抽放和监测监控两个系统; 加大“先抽后采”力度; 强化技术管理。亟待解决的关键技术工作是加大新技术、新工艺研究力度; 加快科研成果向现实生产力转化;推进瓦斯综合治理示范工程建设; 加强基础研究, 推动瓦斯综合治理标准化建设。关键词：淮南矿区
2、；煤与瓦斯采；先抽后采；安全矿山。1 绪论1.1引言瓦斯事故是最严重的矿井灾害之一。我国的煤矿瓦斯与煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出事故频繁发生，伤亡人数多，严重影响着煤矿的安全生产。目前，全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约9000多处，占生产矿井总数的30%左右。建国50多年来，我国一次伤亡100人以上的特别重大事故共发生71次，仅瓦斯爆炸事故就达49起，占全部特别重大事故的69%。可以说，矿井瓦斯灾害防治工作不论是过去还是将来，一直是煤矿安全工作的重中之重。我国的瓦斯综合治理工作任重而道远。1.2现状1.2.1现状淮南矿区地处安徽省淮北平原的南部, 为我国高瓦斯矿区的典型代表, 煤炭资源50
3、0亿t, 瓦斯储量高达5928亿m3时, 按年开发煤层气量10亿m3计, 可持续发展500年以上。煤田内煤层气含量总体是东高西低, 以谢李深部为中心的东部区域煤层气含量最高, 西部的刘庄井田、谢桥井田煤层气含量较低。淮南煤田煤层气资源密度比较大, 都在1.42亿m3/km2以上, 最大可达4.05亿m3/km2。全煤田有三个高煤层气含量区：谢李区、潘集深部区、新集张集深部区。1.2.2瓦斯抽采技术现状目前在淮南矿区的瓦斯抽采技术主要分为两大类：采动煤岩移动卸压抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯技术, 通过采用这两类技术, 在矿区推广实施了煤与瓦斯共采, 取得了显著效果。(1) 采动煤岩移动卸压
4、抽采瓦斯技术这种技术主要包括在开采煤层顶板抽采瓦斯、在开采保护层卸压增透抽采瓦斯和在采动影响区地面钻井抽采瓦斯。开采煤层顶板抽采瓦斯在达到技术要求的条件下, 一条顶板抽采巷道可抽采瓦斯30m3/min，回采工作面瓦斯抽采率达到70%，开采保护层卸压增透抽采瓦斯技术主要通过开采远距离煤层上向卸压、近距离煤层下向多重卸压和急倾斜煤层平行卸压等一系列卸压增透技术, 施工穿层钻孔抽采卸压瓦斯地面钻并抽采瓦斯主要是利用下部煤层采动卸压增加上部煤层透气性, 通过地面钻井抽采采动影响区域煤层瓦斯, 目前矿区地面钻井单井抽采瓦斯量最高达2万m3 /d, 平均1.5万m3/d, 抽采浓度95%, 单井年抽采瓦斯
5、300万m3。(2) 原始煤层强化抽采瓦斯技术原始煤层强化抽采瓦斯主要包括区域煤层钻孔抽采瓦斯技术、掘进巷道边抽边掘技术和深孔控制预裂爆破增透抽采瓦斯技术。 区域煤层钻孔抽采瓦斯技术包括顺层平行钻孔、顺层交叉钻孔和穿层钻孔, 在淮南矿区煤层条件下, 顺层钻孔布孔间距为3-5m, 穿层钻孔的布孔间距为7.5m。边抽边掘技术在掘进巷道两帮分别施工钻场, 从钻场内施工沿掘进方向的长钻孔抽采瓦斯, 同时在掘进迎头施工短钻孔抽采, 长钻孔的单孔瓦斯抽采量可达0.5m3/min, 掘进面的瓦斯抽采率达到25%以上。1.3我国煤矿瓦斯治理技术的发展及现状1.3.1煤矿瓦斯抽放技术自1952年抚顺龙凤矿建立抽
6、放系统, 开始抽放瓦斯以来, 我国瓦斯抽放工作走过了半个多世纪, 瓦斯抽放技术的发展主要经历以下几个阶段。(1) 高透气性煤层抽放瓦斯阶段。20世纪50年代初期, 在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔抽放瓦斯, 获得了成功, 解决了抚顺矿区高瓦斯特厚煤层开采的关键技术问题。在煤层透气性远远小于抚顺煤田的其他矿区采用类似的方法抽放瓦斯时, 未能取得抚顺矿区的抽放效果。(2) 邻近层抽放瓦斯阶段。20 世纪50 年代末, 采用井下穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯在阳泉矿区获得成功, 解决了煤层群开采首采煤层工作面瓦斯涌出量大的问题, 且认识到利用采动卸压作用对未开采的邻近煤层实施边采边抽, 可以有效地
7、抽出瓦斯, 减少邻近层瓦斯向开采层工作面涌出, 该技术在具有邻近层抽放条件的矿区得到广泛应用, 取得了较好的抽放效果。(3) 低透气性煤层强化抽放瓦斯阶段。在低透气性高瓦斯和突出煤层, 采用常规钻孔抽放瓦斯技术效果不理想。为此, 从20世纪70年代开始, 国内试验研究了煤层中高压注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径钻孔多种强化抽放技术; 90年代又试验研究了网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布孔等抽放新技术。网格式密集布孔在煤矿得到了应用, 但多数方法因工艺复杂、实用性差等问题, 在煤矿未能得到广泛应用。(4) 综合抽放瓦斯阶段。20 世纪80 年代开始, 随着机采、综采, 尤其是放顶煤
8、采煤技术的应用, 采掘速度加快、开采强度增大, 工作面瓦斯涌出量大幅度增加。为了解决高产、高效工作面瓦斯涌出问题, 开始实施综合抽放瓦斯, 即在时间上,将预抽、边采边抽及采空区抽放相结合; 在空间上, 将开采层、邻近层和围岩抽放相结合; 在工艺方式上, 将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽放与地面钻孔抽放相结合、常规抽放与强化抽放相结合。实施综合抽放瓦斯方法, 最大限度提高瓦斯抽放率。1.3.2煤与瓦斯突出防治技术随着1953年抚顺煤炭研究所的成立, 我国煤与瓦斯突出防治技术研究开始起步, 其技术发展大致分为以下几个阶段。(1) 安全防护措施阶段。20世纪50年代, 防突技术研究以安全防护措施为
9、主, 目的是保证一旦煤与瓦斯突出发生时, 避免造成人身伤亡事故, 提出的主要防突措施有震动放炮, 即在施工人员远离工作面的条件下, 利用爆破作用, 使工作面前方煤体应力和瓦斯动力状况突然改变。目前, 震动放炮是石门揭煤主要安全防护措施。(2) 防突措施阶段。20世纪60年代开始, 北票、中梁山等矿务局全面开展开采保护层的工业试验, 并取得了较好的防突效果。70 年代末, 全面开展局部防突措施研究, 试验提出了超前钻孔、松动爆破、煤层注水、水力冲孔、水力冲刷、金属骨架等多种防突措施, 目前超前钻孔和松动爆破措施是突出煤层开采应用最为广泛的局部防突措施。(3) 突出预测阶段。1979 年, 煤科院
10、抚顺研究所与北票、白沙矿务局合作, 在我国首次提出用于掘进工作面突出预测的钻屑解吸指标法及解吸指标h2、钻屑量指标S; 1984年煤科院重庆研究所提出了钻屑解吸指标K1值。20世纪80年代, 国内从事瓦斯治理研究的科研院所都在从事突出预测科研工作, 突出预测技术在国家“七五”重点科技攻关中得到完善。(4) “四位一体”综合防突阶段。从1988 年开始, 以防治煤与瓦斯突出细则(以下简称细则) 的颁布为标志。该阶段将突出预测和措施效果检验纳入到防突工作中来, 全面实施包括突出危险性预测、防突技术措施、措施效果检验和安全防护措施的“四位一体”综合防突技术, 突出次数由20世纪80年代的年突出千次,
11、 降低到200300次/ a。1.3.3瓦斯综合治理现状我国瓦斯治理技术经过50多年的努力, 尤其是经过“六五”至“十五”期间国家重点科技攻关, 瓦斯防治技术取得了长足进步。在瓦斯抽放方面, 国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局先后提出“先抽后采、以风定产、监测监控”瓦斯治理十二字方针和“多措并举、应抽尽抽、抽放平衡”三项基本准则, 国务院办公厅出台了关于加快煤层气(煤矿瓦斯) 抽放利用的若干意见, 国家发改委联合七部委、局出台了“煤矿瓦斯治理与利用实施意见”, 国家安全生产监督管理总局及时颁布了“煤矿瓦斯抽放基本指标”和“矿井瓦斯抽放规范”等标准。国家的高度重视,使我国煤矿瓦斯抽放得
12、到了前所未有的发展, 目前国有重点煤矿的286处高瓦斯、高突矿井中, 已有264处建立了抽放系统, 2006年抽放量达到26114亿m3 , 有10个企业抽放量超过1亿m3。在突出防治领域, 已经形成了一整套的从预测、措施、措施效果检验到安全防护措施的“四位一体”综合防突技术体系, 配套有一系列的预测方法、防突技术措施及其装备, 防突工作贯穿于从地质勘探、新井建设、生产矿井新水平、新采区开拓延深, 到工作面掘进和回采整个矿井建设、开采过程, 取得了较好的防突效果。但是, 我国瓦斯综合治理距煤矿安全生产的要求还有相当大的差距, 煤矿瓦斯事故多发的不利局面有待根本扭转。2 我国瓦斯综合治理存在的主
13、要问题我国瓦斯防治技术尽管起到了很好的瓦斯治理效果, 但仍难以满足采矿技术进步和矿井集约化开采的需要, 存在的突出问题主要有以下几个方面。2.1安全管理技术方面(1) 安全管理薄弱, 低瓦斯矿井事故多发。一些煤矿企业瓦斯管理人员人才严重缺乏, 日常瓦斯管理得不到重视, 低瓦斯矿井瓦斯爆炸事故多发是很好的例子。2003年, 大同市杏儿沟矿绝对瓦斯涌出量为3199 m3 /min, 相对瓦斯涌出量为2162m3 / t, 发生瓦斯爆炸事故, 死亡43人; 2004年河南新生二井绝对瓦斯涌出量不到2 m3 /min, 长时间停电造成瓦斯积聚, 电缆短路引起瓦斯爆炸, 造成33人的特别重大死亡事故。2
14、005年, 在我国发生的39起重大瓦斯事故中, 低瓦斯矿井发生18起, 占4612%。(2) 安全技术管理薄弱, 瓦斯抽放工程、防治突出措施的针对性不够。自实施了“四位一体”的综合防突以来, 防突效果是明显的, 但突出事故时有发生, 措施的针对性不够是一个重要原因。在突出预测方面, 大多数突出矿井未进行敏感指标研究; 细则明确要求预测指标临界值根据矿井自身实测资料确定, 而细则已经颁布了20 年,大多数矿井无自己的指标临界值; 矿井的开采采区、水平都变更了, 但超前钻孔、松动爆破的有效排放半径未重新进行实际测定, 并及时修改防突设计; 瓦斯抽放设计无根据自身煤层条件实际测定的钻孔抽放量、合理预
15、抽期、有效抽放半径等重要技术参数。上述技术管理的不到位, 使措施的针对性差, 必然导致抽放设计不合理、瓦斯抽放率低、预测指标无效、防突措施失效, 最终在采取措施后发生瓦斯事故。(3) 采、掘、抽关系紧张, 难以满足“先抽后采”的需要。确保抽放时间是保证瓦斯抽放率的基本要求。据焦作、鹤壁、平顶山等矿区的统计, 工作面预抽瓦斯时间最长为8个月, 最短仅为1个月, 平均只有313 个月。由于抽放瓦斯时间短, 导致采、掘、抽关系失调, 尤其是突出矿井,根本没有足够的预抽瓦斯时间, 导致抽放率低。2006年全国煤矿抽放率不到20% , 国有重点煤矿已建立抽放系统的矿井, 多数抽放率不足30%。(4) 安
16、全投入不足, 新技术推广力度不够。安全投入是瓦斯综合治理至关重要的环节, 淮南矿业集团公司瓦斯治理成效显著, 重要的一点就是大力推进技术攻关, 形成了煤与瓦斯共采的工程技术体系。但一些企业的领导, 尤其是低瓦斯矿井, 对瓦斯综合治理的重要性认识不足, 不注重瓦斯治理安全投入, 致使矿井瓦斯治理技术落后、装备陈旧、专业人才匮乏, 系统防灾抗灾能力低下, “四位一体”综合防突措施难以得到真正落实。(5) 基础研究工作薄弱, 瓦斯管理标准、规范难以满足开采技术发展要求。2005年以来, 国家安全生产监督管理总局及时出台了一系列瓦斯抽放标准, 为瓦斯抽放技术的发展提供了技术支撑。但应该看到, 我国煤矿开采技术发展很快, 尤其是放顶煤和高效集约化开采技术的应用, 巷道掘进长度已经达到4
