低透氣性煤層群

1、低透氣性煤層群低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)（淮南礦業(yè)集團(tuán)2009年6月）一、技術(shù)產(chǎn)生背景、創(chuàng)新成果及推廣應(yīng)用情況我國大多數(shù)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤巖松軟，煤層具有高瓦斯、低透氣性、高吸附性的特點(diǎn)，尤其是低滲透率和非均質(zhì)性的特性，難以在采煤前直接從地面抽采煤層氣。近年來，隨著開采規(guī)模擴(kuò)大和開采深度的迅速增加，深部開采帶來的高瓦斯、高地壓問題，成為淮南等礦區(qū)低透氣性煤層群高效安全開采亟待解決的技術(shù)難題。世界上主要的煤炭生產(chǎn)國家都致力于深部煤層群開采的研究。對于深部煤層群開采面臨的瓦斯問題，國內(nèi)外研究表明：低透氣性煤層群瓦斯治理技術(shù)方向是：首采關(guān)鍵層沿空留巷Y型通風(fēng)無煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)。由

2、設(shè)在淮南礦業(yè)集團(tuán)的煤礦瓦斯治理國家工程研究中心聯(lián)合有關(guān)煤礦企業(yè)、科研院所研發(fā)成功的低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了基于錨桿支護(hù)的留巷圍巖控制、無煤柱Y型通風(fēng)煤與瓦斯共采。采用Y型或H型通風(fēng)方式解決了U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，實現(xiàn)了工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉抵?.8%以下，為煤礦杜絕瓦斯爆炸事故創(chuàng)造了前提條1/12低透氣性煤層群件；利用采空區(qū)所留巷道，施工頂、底板穿層鉆孔，采用留巷替代了抽采瓦斯專用巖巷，大大降低了瓦斯治理成本；留巷鉆孔法連續(xù)高效抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯，實現(xiàn)了連續(xù)抽采卸壓瓦斯，瓦斯抽采率達(dá)70%以上，抽采出的高濃度瓦斯可直接利用，大大降低了瓦斯利用成本，為煤

3、礦安全高效開采提供了科學(xué)可靠的技術(shù)途徑。本項技術(shù)為國內(nèi)外首創(chuàng)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，居于國際領(lǐng)先水平，實現(xiàn)了理論、技術(shù)的重大突破和工藝裝備、材料的集成創(chuàng)新，實現(xiàn)了瓦斯抽采和利用的最大化。目前，已獲得3項發(fā)明專利，12項實用新型專利，9項專利已被受理，在淮南、皖北、鐵法等礦區(qū)近20個工作面得到推廣應(yīng)用，并取得了顯著的安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。二、無煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)原理低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)，采用沿空留巷Y型通風(fēng)一體化，解決高瓦斯、高地應(yīng)力、高地溫的煤層群進(jìn)入深部開采面臨的瓦斯治理、巷道支護(hù)、煤炭開采等重大安全生產(chǎn)技術(shù)難題，即：首采關(guān)鍵卸壓層，沿首采面采空區(qū)邊緣快速機(jī)械化構(gòu)筑高強(qiáng)支撐

4、墻體將回采巷道保留下來。在留巷內(nèi)布置鉆孔抽采鄰近層及采空區(qū)卸壓瓦斯；采用無煤柱連續(xù)開采，實現(xiàn)被保護(hù)層全面卸壓；同步推進(jìn)綜采工作面采煤與卸壓瓦斯抽采，實現(xiàn)了煤與瓦斯安全高效共采；抽采的高、低濃度瓦斯分開輸送到地面加以利用，實現(xiàn)節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益顯著。2/12低透氣性煤層群圖1無煤柱沿空留巷鉆孔法抽采瓦斯原理圖三、無煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)（一）沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制技術(shù)理論研究和工程實踐表明，長壁工作面自開切眼向前推進(jìn)段距離后，懸露的基本頂關(guān)鍵塊體出現(xiàn)斷裂，斷裂線相互貫通，3/12低透氣性煤層群塊體沿斷裂線回轉(zhuǎn)、下沉進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)塊，接觸肝石后形成能夠自穩(wěn)的沿空留巷外層結(jié)構(gòu)，成為外

5、層大結(jié)構(gòu)。沿空留巷內(nèi)層支護(hù)圍巖小結(jié)構(gòu)如果只由巷道周圍錨桿支護(hù)、巷旁充填墻體構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)將在外層大結(jié)構(gòu)形成過程中受到強(qiáng)烈的破壞，有可能不能自穩(wěn)，由此提出階段性輔助加強(qiáng)的創(chuàng)新思路，形成巷道組合錨桿支護(hù)、巷旁充填墻體、巷內(nèi)輔助加強(qiáng)支架三位一體”的沿空留巷圍巖整體支護(hù)原理和一套新型三高”錨桿支護(hù)與自移式強(qiáng)力控頂支架輔助補(bǔ)強(qiáng)的留巷支護(hù)技術(shù)體系。三高”錨桿支護(hù)技術(shù)以抗剪切的超高強(qiáng)度桿體、高預(yù)緊力、系統(tǒng)高剛度為核心，選擇超強(qiáng)桿體、高剛度護(hù)網(wǎng)、超大托盤、超強(qiáng)大扭矩阻尼螺母，實施大扭矩高預(yù)應(yīng)力，提升主動承載能力，并向圍巖擴(kuò)散，形成高強(qiáng)主動高阻穩(wěn)定的錨桿支護(hù)圍巖承載結(jié)構(gòu)。留巷支護(hù)技術(shù)體系中采用的自移式輔助加強(qiáng)支架

6、系自主研發(fā)，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品，可以成功解決不同開采條件下的采動影響期巷道圍巖穩(wěn)定控制問題。該支架采用液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有支護(hù)強(qiáng)度高、護(hù)頂面積大和自移功能。圖2為ZT2X4000/18/35型輔助加強(qiáng)支架在井下工作狀況。4/12低透氣性煤層群圖2輔助加強(qiáng)支架（二）快速巷旁充填技術(shù)無煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)體系中巷旁充填墻體是由適宜工作面采高變化，具有早強(qiáng)、高增阻、可縮性且實現(xiàn)可遠(yuǎn)距離泵送施工的大流態(tài)、自密實的新型CHCT型充填材料形成的，其基本組分為水泥，粉煤灰，粗、細(xì)骨料，復(fù)合泵送劑，復(fù)合早強(qiáng)劑和水等。配比范圍：水泥為1030%、粉煤灰為740%、石子為1540%、砂為1530%、水為1030%

7、;材料性能：充填料漿塌落度120260mm,可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離泵送，最長水平泵5/12低透氣性煤層群送距離達(dá)1200m,泵送入模后自密實；充填結(jié)束后23h可脫模；1d、2d、3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)5MPa、10MPa、12MPa、15MPa和28MPa;具有良好的壓縮變形性能，壓縮率510%,殘余強(qiáng)度可達(dá)極限抗壓強(qiáng)度的3560%。該材料實現(xiàn)了多套組合配方，能根據(jù)不同的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道變形特性要求配制，具有良好的承載特性和壓縮變形性能且適宜遠(yuǎn)距離泵送施工，已形成了多種不同產(chǎn)能的工業(yè)化生產(chǎn)模式?？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)、地面至井下干混充填料泵站運(yùn)輸系統(tǒng)、充填泵料

8、斗干混充填料上料系統(tǒng)、充填料漿的制備與泵送系統(tǒng)和充填支架模板系統(tǒng)。主要充填工藝過程為：由地面專門生產(chǎn)線按設(shè)計配比生產(chǎn)出干混充填材料，以袋裝或?qū)Ｓ眉b箱散裝運(yùn)至井下泵站；用螺旋輸送機(jī)或皮帶輸送機(jī)將干混料送至充填泵料斗；在充填泵中加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)充填管路泵送至充填模內(nèi)；充填料漿在充填模內(nèi)自流平密實，自然養(yǎng)護(hù)，待硬化產(chǎn)生一定強(qiáng)度后拆模。工藝流程如圖3所不。6/12低透氣性煤層群圖3快速留巷巷旁充填工藝流程（三）留巷鉆孔法瓦斯抽采技術(shù)1 .首采關(guān)鍵層頂板采空區(qū)富集瓦斯抽采技術(shù)在沿空留巷內(nèi)布置傾向抽采瓦斯鉆孔，如圖1中的1#鉆孔,鉆孔布置在采空區(qū)上方的卸壓豎向帶狀裂隙區(qū)，抽采采空區(qū)解吸游離瓦斯，包括來自

9、開采層和卸壓層通過采動影響形成的裂隙通道匯集到采空區(qū)上部豎向帶狀裂隙區(qū)內(nèi)的解吸游離瓦斯，卸壓豎向帶狀裂隙區(qū)位于采空區(qū)頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內(nèi)。在留巷內(nèi)保持68個采空區(qū)抽采瓦斯管道與留巷內(nèi)的抽采主管道連通，抽采Y型通風(fēng)壓力場驅(qū)動下在留巷后部2080m內(nèi)的采空區(qū)內(nèi)部富集的大量高濃度瓦斯，該項技術(shù)利用首采關(guān)鍵層留巷抽采瓦斯鉆孔替代了首采層頂板高位抽采巷道，節(jié)省了首采關(guān)鍵層巖石抽采巷，工程量大大減少。2 .大間距上部遠(yuǎn)程煤層膨脹卸壓瓦斯抽采技術(shù)如礦區(qū)煤層賦存為煤層群條件，首采關(guān)鍵卸壓煤層后，卸壓層傾向卸壓范圍向頂板方向發(fā)展的高度達(dá)到130150m,在卸壓保護(hù)區(qū)上部卸壓煤層透氣性系數(shù)增加數(shù)千倍；但遠(yuǎn)

10、程卸壓煤層與首采卸壓層中間具有致密隔氣性較好的泥巖，上部大間距遠(yuǎn)程7/12低透氣性煤層群卸壓煤層中的富含高壓解吸瓦斯仍儲集在煤層中。傳統(tǒng)的卸壓開采抽采瓦斯技術(shù)是在被卸壓煤層的底板布置一條巖石巷道和抽采鉆孔，抽采上部大間距遠(yuǎn)程卸壓煤層中的解吸瓦斯。而本項技術(shù)則是在留巷內(nèi)直接向大間距頂板遠(yuǎn)程煤層卸壓區(qū)內(nèi)施工穿層抽采瓦斯鉆孔，如圖4中的6#孔、圖1中的4#、5#孔，抽采鉆孔直接穿過上部遠(yuǎn)程卸壓煤層，傾向穿層抽采瓦斯鉆孔的傾角小于采動卸壓角。由沿空留巷中施工的向上傾向穿層抽采瓦斯鉆孔能夠獲得理想的抽采高濃度大流量瓦斯效果，抽采的瓦斯可直接利用。該項技術(shù)通過留巷內(nèi)向上穿層鉆孔替代遠(yuǎn)程卸壓煤層底板巖石巷及

11、在該巷中布置的大量向上穿層鉆孔，工程量大大減少。1-下風(fēng)巷2-上風(fēng)巷3-沿空留巷墻體4-工作面5-抽采管路6-向上鉆孔7-留巷8-回風(fēng)巷9-采空區(qū)10-向下鉆孔圖4沿空留巷Y型通風(fēng)低位鉆孔抽采卸壓瓦斯布置圖8/12低透氣性煤層群3 .煤層群多層開采底板卸壓瓦斯抽采技術(shù)首采關(guān)鍵卸壓煤層，傾向卸壓范圍向底板方向發(fā)展的深度為80100m,在卸壓保護(hù)區(qū)下部卸壓煤層透氣性系數(shù)增加數(shù)百倍，底板裂隙發(fā)育區(qū)的卸壓瓦斯通過豎向裂隙與采空區(qū)貫通，上浮運(yùn)移至采空區(qū)，沒有顯著的瓦斯富集區(qū)。但在底板致密隔氣性較好的泥巖之下的遠(yuǎn)程卸壓煤層中存在高壓富瓦斯煤層，在留巷內(nèi)布置向下抽采瓦斯鉆孔直接穿過下部卸壓煤層，如圖4中的1

12、0#孔、圖1中的2#、3#孔，抽采底部卸壓煤層的解吸瓦斯，可連續(xù)高效抽采高濃度瓦斯。該項技術(shù)通過留巷內(nèi)向下穿層鉆孔替代遠(yuǎn)程卸壓煤層底板巖石巷及在該巷中布置的向上穿層鉆孔，節(jié)省底板卸壓煤層抽采瓦斯巖石巷和大量的抽采鉆孔，工程量大大減少。4 .采空區(qū)埋管抽采瓦斯技術(shù)首采層沿空留巷工作面的上、下鄰近煤層距首采關(guān)鍵卸壓層很近，由于近距離鄰近卸壓煤層涌出的瓦斯量大，工作面采用埋管抽采作為防止采空區(qū)瓦斯大量向工作面涌出的輔助措施。工作面在巷旁充填體施工過程中，每間隔10m預(yù)留一直徑不小于150mm抽采管道，通過三通和連接管接入采空區(qū)抽采管道上，在每一分支管道上設(shè)置一個閘閥，通過閘閥控制同時埋管抽放的數(shù)量，

13、在留巷內(nèi)保持6-8個采空區(qū)抽采管道與埋管抽采主管道9/12低透氣性煤層群連通，抽放口與工作面的距離2080m之間；其它的采空區(qū)抽采管道的閘閥關(guān)閉，當(dāng)工作面瓦斯涌出量大或瓦斯涌出異常時，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?。沿空留巷Y型通風(fēng)工作面，可通過工作面上、下進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)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形通風(fēng)對瓦斯管理具有很大的靈活性。四、主要技術(shù)特點(diǎn)本項技術(shù)在新型充填材料和充填工藝、強(qiáng)采動影響條件下的留巷支護(hù)和快速構(gòu)筑充填體關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了突破，在充填材料遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)新設(shè)備研發(fā)和機(jī)械化快速構(gòu)筑充填墻體工

14、藝系統(tǒng)上實現(xiàn)了集成創(chuàng)新，有效地解決了高瓦斯低透氣性煤層安全高效開采技術(shù)難題。其主要特點(diǎn)有：一是實現(xiàn)了煤與瓦斯安全高效共采，實現(xiàn)了瓦斯抽采濃度、抽采效率最大化；二是采用Y型通風(fēng)方式，消除了采煤工作面上隅角瓦斯超限隱患；10/12低透氣性煤層群三是利用沿采空區(qū)留巷巷道，施工頂、底板穿層鉆孔，抽采臨近層或被保護(hù)層卸壓瓦斯，可以節(jié)省大量瓦斯抽采鉆孔工程，解決低透氣性煤層群瓦斯先抽后采問題，真正實現(xiàn)煤與瓦斯共采；四是沿空留巷無煤柱開采，可以多回收區(qū)段煤柱820m,提高回采率5%8%;五是充填留巷作為瓦斯治理巷道，節(jié)省至少兩條巖巷，降低了掘進(jìn)成本和肝石排放量，留巷繼續(xù)服務(wù)下一個鄰近工作面，少掘一條煤巷，簡化開采布局和采區(qū)巷道系統(tǒng)；六是Y型通風(fēng)條件下，工作面可以降溫35c且作業(yè)人員均在進(jìn)風(fēng)流中工作，大大改善作業(yè)環(huán)境，有效解決深井開采的熱害問題；七是抽采的瓦斯?jié)舛雀撸芍苯痈咝Ю?，實現(xiàn)節(jié)能減排，瓦斯利用成本大大降低，實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展。五、無煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)適用條件（一）開采煤層適用條件11/12低透氣性煤層群薄及中厚煤層；傾角025°頂板為中等穩(wěn)定以上；單一或煤層群開采；頂板穩(wěn)定性較差的工作面走向長度小于或等于1500m,頂板