关于低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术的报告

关于低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术的报告内容摘要：

域消除瓦斯威胁。 以最经济、最简捷、最易实施的优越性替代浅部专用 巷道法为主的抽采瓦斯技术；变工作面传统的 U 型通风方式为 Y 型通风方式，实现了瓦斯治理治得住、治得快、治得省。 广泛应用低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术，符合国家 “先抽后采 ”安全开采方针和 “煤气共采 ”能源战略，对我国安全高效开发深部煤炭和煤层气资源，保障生命安全，保障能源安全，保护生态环境，加快中国煤炭工业安全发展、节约发展、可持续发展步伐，均具有十分重大的现实意义和深远的历史意义。 为保障该项技术安全可靠应用，煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、淮南矿业集团针对我国煤层群赋存条件的差异，已 集中优势力量，开展本课题的扩大推广运用研究，将逐步形成该项技术的标准和规范，指导全国类似条件矿井安全高效生产。 女士们、先生们、朋友们： 淮南矿区近十年来，坚持技术创新，坚持发展先进生产力，保护生命，保护资源，保护环境，取得了以瓦斯治理为主的安全高效开采技术的重大突破，使企业发生了翻天覆地的变化，让一个 50 多年产量在千万吨徘徊的老煤矿企业，经过短短 5～ 6 年时间超常发展，已经具备 8000 万吨煤炭生产规模。 低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术实现了瓦斯抽采最大化和瓦斯利用最大化，采煤工作面瓦 斯抽采率达 70%以上。 淮南矿区年度抽采瓦斯由 500 万立方米猛增到 2 亿立方米以上，抽采率由 5%增加至 48%，瓦斯利用率达 70%以上，抽采出浓度 10%以上的瓦斯直接用于发电，浓度 30%以上的瓦斯作为民用和锅炉燃烧，瓦斯利用的成本大幅度降低，并率先研究成功低浓度瓦斯安全输送和利用技术；同时采煤机械化程度由 28%提高到 91%，综采单产效率增加了 5 倍，百万吨死亡率由 降至 ，实现了安全高效生产；并且坚持创新发展，和谐发展，规模发展电力、资本产业，培育煤化工、煤机和环保产业，由此，百年矿业构筑了以 “煤电能源 ”为本的百年产业体系，初步建成了一个具有中国特色和时代特点的新型能源企业，走出了一条科学发展、和谐发展、创新发展的成功道路。 女士们、先生们、朋友们： 我们将不辜负国家重托，建设好煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，利用淮南矿区特殊的煤层瓦斯地质条件，加倍努力，继续创新，战略目标是，把煤矿瓦斯治理国家工程研究中心建设成为中国煤矿技术创新的先行者，世界煤矿难点技术的攻关者和中国煤矿技术产业化的奠基者。 争取在深井高瓦斯、高地应力、低透气性煤层群、构造复杂的矿区建成世界首个亿吨级新型能源基地，为国家实施 能源安全战略，为煤炭工业推进安全高效可持续发展，提供源源不断的技术保障、技术支持和创新动力。 在此也真诚地希望新闻界朋友们一如既往地给予关心、支持和帮助。 谢谢大家。 中国工程院院士、采矿工程专家 钱鸣高 淮南矿业集团主持完成的煤与瓦斯共采课题在淮南矿区的顾桥煤矿、新庄孜煤矿及其他地区多个煤矿得到 了成功实践，课题针对深井高瓦斯、高地应力和低透气性特困复杂地质条件下资源开采中的技术难题，成功研发了新型充填材料和充填工艺，解决了强采动影响条件下的沿空留巷支护和快速构筑充填体技术难题，使沿空留巷改善了通风系统，并成功地在沿空巷道由向采空这和卸压岩层内抽采瓦斯。 大家知道低透气性煤层经采动后大量瓦斯积聚在采空区和卸压的岩层内，此项技术实现了煤与瓦斯共采解决了安全问题。 同时把对煤矿有害而且是严重的温室气体，变废为宝，把瓦斯变成了能源资源。 使矿井开采向本质安全型迈进了一大步，取得了显著的经济和社会效益，开创了该类 条件下国内外煤层安全高效开采先例。 “低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术 ”在淮南矿业集团的成功实践不是偶然所成。 首先，先该项技术符合国家制定的 “先抽后采 ”安全开采方针和 “煤与瓦斯共采 ”能源战略，对我国开发深部煤炭和煤层气资源，改善矿井安全条件和保护环境，实施国民经济可持续发展战略等均具有十分重要的意义。 第二，该项技术与淮南矿业集团多年来营造出的创新、实效、求真的行业理念、领导阶层对科学研究的高度重视密不可分，从上世纪末开始研究的卸压开采技术，到今天的低透气性煤层煤与瓦斯共采的开采方法，均折射出了 淮南矿业企业的创新风貌。 第三，此项课题的研制成功，离不开淮南矿业集团长期以来与众多科研院所、高校形成的团队共同努力，企业是创新的主体。 围绕企业实际存在生产实际的问题，开展科学研究，走产学研合作的道路，是推进企业进步，发展生产力，提升综合国力的必由之路。 总之，为了解决瓦斯对安全和环境的威协，变瓦斯为能源，针对低透气性煤层难以实现地面抽采，充分利用开采时形成的巷道和采动后大量释放瓦斯的特点走煤与瓦斯共采之路，这是最经济、科学而且合理的办法。 是最终形成绿色采矿、科学采矿的必由之路。 然而，任何一项新技术走向 工业化生产的道路并非坦途。 所以，我们的部门决策者、工程技术人员应当完善对新事物思维方式，提升对新技术、新知识的认知、理解和吸收的能力，充分认识到煤与瓦斯共采的战略意义。 因此，我建议在全国煤炭行业类似条件的矿井，积极稳妥地推广应用这项煤与瓦斯共采的新技术。 煤矿安全高效开采技术的重大突破 科技部门户网站 2020 年 05 月 26 日 来源：科技日报 “ 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 2020 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。 2020 年完成实验室模拟、相关材料、系统设计研究； 2020 年开始进行工业性试验并取得成功； 2020 年进行项目申报； 2020 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— )，煤层透气性低 (渗透率为 )，瓦斯压力大 (高达 )。 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 ，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，。