第39卷第8期 煤炭学报 2014年8月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY 2014 谢和平,周宏伟,薛东杰,等.我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J].煤炭学报,2014,39(8):1391-1397.doi:10.13225/j.cnki. cs.2014.9038 Xie Heping, Zhou Hongwei, Xue Dongjie, et al. Theory, technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and China [J] Journal of China Coal Society, 2014, 39(8): 1391-1397. doi: 10. 13225/j cnki jccs. 2014.9038 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程 谢和平,周宏伟,薛东杰2,高峰3 (1.四川大学,四川成都610065;2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;3.中国矿业大学深部岩土力学 与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221008) 摘要:针对我国煤层低渗透、强吸附的特点,系统分析总结了我国煤与瓦斯共采基础理论与关键 技术的研究现状与最新进展。在基础理论硏究方面,着重阐释了采动力学及瓦斯増透理论的定量 评价理论体系;在关键技术研究方面,重点介绍了卸压开采抽采瓦斯技术体系、全方位立体式抽采 瓦斯技术体系、深部薄厚煤层瓦斯抽采技术体系的技术鉏成与最新科研进展。进一步指出了建立 煤与瓦斯共采理论体系所面临的难题与挑战,展望了煤与瓦斯共采未来的发展方向。 关键词:煤与瓦斯共采;基础理论;工程技术;最新进展 中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2014)08-1391-0 Theory, technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China XIE He-ping, ZHOU Hong-wei, XUE Dong-jie, GAO Feng' (1. Sichuan Unirersity, Chengdu 610065, China; 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China Unirersity of Mining and Technology Beijing), Beiing 100083, China; 3. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Er ng, China Unirersity of Mining and Technolo- Abstract Considering the low permeability and enhanced adsorption of coal seams in China, the authors made a brief eview about the status and latest progress on the fundamental theory and key engineering technology development on the simultaneous exploitation of coal and gas. On the basis of theoretical research, the authors laid stress on interpreta- tion of the mining-induced mechanics and theory of quantitative evaluation on enhanced permeability of coal. Then the latest scientific research in key technologies is focused on the stress-relief-induced gas extraction technology system the spatial direction-based gas extraction technology system, and some advances of extraction technology system used in the thick or thin coal seam in deep Furthermore the problems and challenges facing the prospect and establishment of theory on simultaneous exploitation of coal and gas were discussed Key words: simultaneous exploitation of coal and gas: fundamental theory; engineering technology; latest progress 煤炭是我国主体能源,瓦斯作为煤的伴生产物,煤与瓦斯共采,是深部煤炭资源开采的必然途径。深 不仅是煤矿重大灾害源和大气污染源,更是一种宝贵部煤与瓦斯共采不仅能保障我国经济持续发展对能 的不可再生能源。我国瓦斯总量大,与天然气总量相源的需求,还将进一步提升我国煤矿安全高效洁净的 当,且随着采深的增加,瓦斯含量将显著增大。实现生产水平,尤其对优化我国能源结构、减少温室气体 收稿日期:2014-06-30责任编辑:王婉洁 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB20120);教育部博士点基金资助项目(20130023110017) 作者简介:谢和平(1956-),男,湖南双峰人,中国工程院院士。E-maill:xiehe@scu.cda.cn
第 39 卷第 8 期 煤 炭 学 报 Vol. 39 No. 8 2014 年 8 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Aug. 2014 谢和平,周宏伟,薛东杰,等. 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J]. 煤炭学报,2014,39(8):1391-1397. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2014. 9038 Xie Heping,Zhou Hongwei,Xue Dongjie,et al. Theory,technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China [J]. Journal of China Coal Society,2014,39(8):1391-1397. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2014. 9038 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程 谢和平1 ,周宏伟2 ,薛东杰2 ,高 峰3 (1. 四川大学,四川 成都 610065;2. 中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;3. 中国矿业大学 深部岩土力学 与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221008) 摘 要:针对我国煤层低渗透、强吸附的特点,系统分析总结了我国煤与瓦斯共采基础理论与关键 技术的研究现状与最新进展。 在基础理论研究方面,着重阐释了采动力学及瓦斯增透理论的定量 评价理论体系;在关键技术研究方面,重点介绍了卸压开采抽采瓦斯技术体系、全方位立体式抽采 瓦斯技术体系、深部薄厚煤层瓦斯抽采技术体系的技术组成与最新科研进展。 进一步指出了建立 煤与瓦斯共采理论体系所面临的难题与挑战,展望了煤与瓦斯共采未来的发展方向。 关键词:煤与瓦斯共采;基础理论;工程技术;最新进展 中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2014)08-1391-07 收稿日期:2014-06-30 责任编辑:王婉洁 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201201);教育部博士点基金资助项目(20130023110017) 作者简介:谢和平(1956—),男,湖南双峰人,中国工程院院士。 E-maill:xiehp@ scu. edu. cn Theory,technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China XIE He-ping 1 ,ZHOU Hong-wei 2 ,XUE Dong-jie 2 ,GAO Feng 3 (1. Sichuan University,Chengdu 610065,China;2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China;3. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China) Abstract:Considering the low permeability and enhanced adsorption of coal seams in China,the authors made a brief review about the status and latest progress on the fundamental theory and key engineering technology development on the simultaneous exploitation of coal and gas. On the basis of theoretical research,the authors laid stress on interpretation of the mining-induced mechanics and theory of quantitative evaluation on enhanced permeability of coal. Then the latest scientific research in key technologies is focused on the stress-relief-induced gas extraction technology system, the spatial direction-based gas extraction technology system,and some advances of extraction technology system used in the thick or thin coal seam in deep. Furthermore the problems and challenges facing the prospect and establishment of theory on simultaneous exploitation of coal and gas were discussed. Key words:simultaneous exploitation of coal and gas;fundamental theory;engineering technology;latest progress 煤炭是我国主体能源,瓦斯作为煤的伴生产物, 不仅是煤矿重大灾害源和大气污染源,更是一种宝贵 的不可再生能源。 我国瓦斯总量大,与天然气总量相 当,且随着采深的增加,瓦斯含量将显著增大。 实现 煤与瓦斯共采,是深部煤炭资源开采的必然途径。 深 部煤与瓦斯共采不仅能保障我国经济持续发展对能 源的需求,还将进一步提升我国煤矿安全高效洁净的 生产水平,尤其对优化我国能源结构、减少温室气体
1392 煤炭学报 014年第39卷 排放具有十分重要的意义。我国瓦斯抽采最早始于斯地质的8项基本因素,明确了“煤层瓦斯应力场 1938年,但系统的抽采利用起步较晩。20世纪50年的概念;创造性地提出了“煤和瓦斯突出的流变假 代初期,在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻说”{。创建的煤层瓦斯流动理论体系,从本质上阐 孔预采煤层瓦斯,获得了成功,解决了抚顺矿区生产明了煤矿中的瓦斯来源及赋存条件,将瓦斯流动理论 过程中的瓦斯安全问题,而且抽出的瓦斯还被作为民推进到了固、气耦合的新阶段。 用燃料进行利用。20世纪50年代中期,在煤层群的 (3)揭示了卸压开采抽采瓦斯技术的原理。开 开采中,采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳展了高瓦斯矿井地应力与瓦斯压力、煤层透气性系数 泉矿区首先获得成功,解决了煤层群开采中首采工作之间的关系及岩层移动时空规律硏究,煤层瓦斯压力 面瓦斯涌出量大的问题。此后,在阳泉又试验成功利与地应力呈线性关系;煤层透气性系数与地应力呈负 用顶板高抽巷技术抽采上邻近层瓦斯,抽采率达指数关系η。开展了低透气性煤层增透的实验室 60%~70%。到了20世纪60年代以后,邻近层卸压研究,发现卸压法能明显增加煤层透气性,且透气性 瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。20世系数与地应力相关;提出变传统瓦斯治理“风排 纪70—90年代初,针对平顶山等矿区存在的单一低为主变为高效“抽采”瓦斯的新构想,关键技术是让 渗透高瓦斯煤层及有突出危险的煤层,首先采用通常煤体松动卸压,增加透气性,实现卸压开采抽采瓦斯。 的布孔方式预抽采瓦斯,而后陆续试验了强化抽采开打破传统自上而下的煤层开采设计,在淮南顾桥开展 釆煤层瓦斯的方法,如煤层注水、水力压裂、水力割了无煤柱沿空留巷、Y型通风煤与瓦斯共采实验研 缝、松动爆破、大直径(扩孔)钻孔、网格式密集布孔、究,提出煤层群瓦斯高效抽采的“高位环形体”理论, 预裂控制爆破、交叉布孔等,但效果不理想,难以解除根据 COSFLOW提出采动覆岩卸压系数新概念,给出 煤层开采时的瓦斯威胁。同时,我国先后在抚顺龙凤了“高位环形体”的定量描述。在煤层群选择安全 矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等矿区施工可靠的煤层首先开采,造成上下煤岩层膨胀变形、松 地面钻孔40余个,并且进行了水力压裂试验和研究,动卸压,增加煤层透气性;研究清楚首采层开采后应 但是,均未取得预期效果。从20世纪90年代后期至力场、裂隙场及其形成的应力降低区和裂隙发育区 今,全面开展瓦斯(即煤层气)勘探、地面抽采试验和为构建卸压解析瓦斯流动通道、形成瓦斯富集区创造 井下规模抽采利用,这一阶段开始引进国外瓦斯开发条件。 技术,开展了瓦斯的勘探、抽采工程,但是效果不理 (4)完善了煤层群煤与瓦斯安全高效工程体系。 想,未能有效解决煤矿生产中的瓦斯安全问题,导致提出高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采的概念,在 煤矿瓦斯事故时有发生。但由于我国煤田地质条件煤层群开采条件下,首先开采瓦斯含量低、无突出危 类型多,构造复杂,仍存在诸多难题,因此如何形成我险的首采煤层,同时进行卸压瓦斯高效抽采,这样不 国深部煤与瓦斯共采基础理论体系、促进我国煤与瓦仅解决了由卸压煤层向首采煤层涌岀瓦斯问题,保障 斯共采技术的健康发展,已成为我国煤矿安全生产和首采煤层实现安全高效开采,又大幅度地降低了卸压 科学开采研究的一个重大科研课题。 煤层的瓦斯含量,消除了煤与瓦斯突出危险性,为卸 1煤与瓦斯共采基础理论与关键技术进展 压煤层内实施快速掘进与高效采煤提供了安全保 障-1l。针对上部卸压区域存在3种抽采方法:近 1.1基础理论研究进展 程、中程与远程抽采。近程抽采主要采用顶板走向穿 (1)提出了“O”型圈理论。该理论为采空区周层钻孔、走向顺层长钻孔、走向高抽巷与采空区埋管 边空间裂隙的认识奠定了基础,并认为采空区瓦斯是抽采来自首采煤层未开采分层、采空区遗煤、处在垮 沿着采动裂隙发育路径流动,形成了“煤矿绿色开落带的煤层、底板变形较大区域内煤层、断裂带内煤 采”的概念。绿色开采技术的主要内容包括:保水开层及少部分来自弯曲带内煤层的瓦斯。中程抽采主 采、“三下”采煤、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分矸要采用顶板走向高抽巷法与地面钻井法抽采来自断 石的井下处理、煤炭地下气化等。由此可见,煤与瓦裂带内煤层及部分来自弯曲带内煤层的瓦斯。远程 斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一23。抽采主要采用底板巷道网格式上向穿层钻孔法与地 煤与瓦斯共采是煤矿绿色开采的重要分支,在开采高面钻井法抽采来自弯曲带内煤层的瓦斯。针对下部 瓦斯煤层的同时,利用岩层运动的特点将瓦斯开采出卸压区域主要采用底板巷道网格式下向穿层钻孔抽 来将是煤与瓦斯共采的一条重要途径。 采来自下部卸压区域内煤层的瓦斯1。 (2)建立了“煤层瓦斯流动理论”。基于煤矿瓦 (5)建立了采动力学及瓦斯增透理论的定量评
煤 炭 学 报 2014 年第 39 卷 排放具有十分重要的意义。 我国瓦斯抽采最早始于 1938 年,但系统的抽采利用起步较晚。 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 孔预采煤层瓦斯,获得了成功,解决了抚顺矿区生产 过程中的瓦斯安全问题,而且抽出的瓦斯还被作为民 用燃料进行利用。 20 世纪 50 年代中期,在煤层群的 开采中,采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳 泉矿区首先获得成功,解决了煤层群开采中首采工作 面瓦斯涌出量大的问题。 此后,在阳泉又试验成功利 用顶板高抽巷技术抽采上邻近层瓦斯,抽采率达 60% ~ 70% 。 到了 20 世纪 60 年代以后,邻近层卸压 瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。 20 世 纪 70—90 年代初,针对平顶山等矿区存在的单一低 渗透高瓦斯煤层及有突出危险的煤层,首先采用通常 的布孔方式预抽采瓦斯,而后陆续试验了强化抽采开 采煤层瓦斯的方法,如煤层注水、水力压裂、水力割 缝、松动爆破、大直径(扩孔)钻孔、网格式密集布孔、 预裂控制爆破、交叉布孔等,但效果不理想,难以解除 煤层开采时的瓦斯威胁。 同时,我国先后在抚顺龙凤 矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等矿区施工 地面钻孔 40 余个,并且进行了水力压裂试验和研究, 但是,均未取得预期效果。 从 20 世纪 90 年代后期至 今,全面开展瓦斯(即煤层气)勘探、地面抽采试验和 井下规模抽采利用,这一阶段开始引进国外瓦斯开发 技术,开展了瓦斯的勘探、抽采工程,但是效果不理 想,未能有效解决煤矿生产中的瓦斯安全问题,导致 煤矿瓦斯事故时有发生。 但由于我国煤田地质条件 类型多,构造复杂,仍存在诸多难题,因此如何形成我 国深部煤与瓦斯共采基础理论体系、促进我国煤与瓦 斯共采技术的健康发展,已成为我国煤矿安全生产和 科学开采研究的一个重大科研课题。 1 煤与瓦斯共采基础理论与关键技术进展 1． 1 基础理论研究进展 (1)提出了“O” 型圈理论。 该理论为采空区周 边空间裂隙的认识奠定了基础,并认为采空区瓦斯是 沿着采动裂隙发育路径流动[1] ,形成了“煤矿绿色开 采”的概念。 绿色开采技术的主要内容包括:保水开 采、“三下”采煤、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分矸 石的井下处理、煤炭地下气化等。 由此可见,煤与瓦 斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一[2-3] 。 煤与瓦斯共采是煤矿绿色开采的重要分支,在开采高 瓦斯煤层的同时,利用岩层运动的特点将瓦斯开采出 来将是煤与瓦斯共采的一条重要途径[3] 。 (2)建立了“煤层瓦斯流动理论”。 基于煤矿瓦 斯地质的 8 项基本因素,明确了“煤层瓦斯应力场” 的概念;创造性地提出了“煤和瓦斯突出的流变假 说” [4] 。 创建的煤层瓦斯流动理论体系,从本质上阐 明了煤矿中的瓦斯来源及赋存条件,将瓦斯流动理论 推进到了固、气耦合的新阶段[5] 。 (3)揭示了卸压开采抽采瓦斯技术的原理。 开 展了高瓦斯矿井地应力与瓦斯压力、煤层透气性系数 之间的关系及岩层移动时空规律研究,煤层瓦斯压力 与地应力呈线性关系;煤层透气性系数与地应力呈负 指数关系[6-7] 。 开展了低透气性煤层增透的实验室 研究,发现卸压法能明显增加煤层透气性,且透气性 系数与地应力相关[8] ;提出变传统瓦斯治理“风排” 为主变为高效“抽采”瓦斯的新构想,关键技术是让 煤体松动卸压,增加透气性,实现卸压开采抽采瓦斯。 打破传统自上而下的煤层开采设计,在淮南顾桥开展 了无煤柱沿空留巷、Y 型通风煤与瓦斯共采实验研 究,提出煤层群瓦斯高效抽采的“高位环形体”理论, 根据 COSFLOW 提出采动覆岩卸压系数新概念,给出 了“高位环形体”的定量描述[9] 。 在煤层群选择安全 可靠的煤层首先开采,造成上下煤岩层膨胀变形、松 动卸压,增加煤层透气性;研究清楚首采层开采后应 力场、裂隙场及其形成的应力降低区和裂隙发育区, 为构建卸压解析瓦斯流动通道、形成瓦斯富集区创造 条件[10] 。 (4)完善了煤层群煤与瓦斯安全高效工程体系。 提出高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采的概念,在 煤层群开采条件下,首先开采瓦斯含量低、无突出危 险的首采煤层,同时进行卸压瓦斯高效抽采,这样不 仅解决了由卸压煤层向首采煤层涌出瓦斯问题,保障 首采煤层实现安全高效开采,又大幅度地降低了卸压 煤层的瓦斯含量,消除了煤与瓦斯突出危险性,为卸 压煤层内实施快速掘进与高效采煤提供了安全保 障[11-13] 。 针对上部卸压区域存在 3 种抽采方法:近 程、中程与远程抽采。 近程抽采主要采用顶板走向穿 层钻孔、走向顺层长钻孔、走向高抽巷与采空区埋管 抽采来自首采煤层未开采分层、采空区遗煤、处在垮 落带的煤层、底板变形较大区域内煤层、断裂带内煤 层及少部分来自弯曲带内煤层的瓦斯。 中程抽采主 要采用顶板走向高抽巷法与地面钻井法抽采来自断 裂带内煤层及部分来自弯曲带内煤层的瓦斯。 远程 抽采主要采用底板巷道网格式上向穿层钻孔法与地 面钻井法抽采来自弯曲带内煤层的瓦斯。 针对下部 卸压区域主要采用底板巷道网格式下向穿层钻孔抽 采来自下部卸压区域内煤层的瓦斯[14] 。 (5)建立了采动力学及瓦斯增透理论的定量评 1392
第8期 谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程 1393 价体系。分析了典型开采条件下工作面支承压力分母巷钻孔法预抽瓦斯卸压消突。瓦斯含量法预测 布规律,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力煤与瓦斯突出技术:针对首采层开展突出机理及规 环境条件[5。采取3种不同开采方式作用下的采动律、突出预测预报新技术研究;寻找新的突出预测预 力学行为特征来模拟研究不同开采方式对煤岩变形报方法和指标,建立矿区防突预测预报指标体系。应 及其强度特征的影响规律,进一步揭示开采方式对煤用微震技术探测首采层采动覆岩裂隙发育区,从而确 岩断裂机理的影响。在理论和技术上对采动引起的定高位环形体裂隙发育等瓦斯富集区,进一步优化瓦 裂隙网络所形成的增透性进行定义和分析,首次提出斯抽采工程设计,逐步实现瓦斯抽采工程准确化。针 一个新力学量:增透率,来反映单位体积改变下煤体对首采层松软煤层开发成功快速全程护孔筛管瓦斯 渗透率的变化,可定量描述开釆过程中覆岩和煤层中抽采技术,完善了高压水射流割缝增透煤层气抽采技 增透率的分布和演化{。在理论上建立卸压开采采术。针对深井井巷揭煤开发了快速揭煤技术,形成低 场卸压增透的定量评价模型[-19 透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术:开发了首采煤 6)揭示了采动裂隙时空演化规律。开采导致层顶板抽采富集区瓦斯技术、开发了大间距上部煤层 上覆岩层变形和大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力抽采被卸压煤层解析瓦斯技术、开发了多重开采下向 耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠卸压增透瓦斯抽采技术、开发了地面布置钻孔抽采被 加,时空演化规律极其复杂,实现对采动诱发煤岩体卸压煤层解析瓦斯技术。提岀无煤柱煤与瓦斯共采 破断及演化更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采新理论,提出采用Y型通风、采空区护巷、在留巷内 具有十分重要的意义。采用分形几何理论进行了布置钻孔连续抽采采空区卸压解析瓦斯的新思 采动裂隙分形特性及演化规律研究2;运用逾渗路{x-2。发现了首采层开采后顶底板不同层位存在 理论建立了以单元裂隙块体为基本格点的逾渗模型,4个瓦斯富集区,研究并揭示了首采保护层采场内应 分析了采动裂隙演化的逾渗特征;建立了采动裂隙演力场、裂隙场分布及演化规律,为布置瓦斯抽采钻孔 化的重正化群格子模型。研究成果表明:深部开采上提供了依据。开发了无煤柱护巷围岩控制关键技术; 覆岩层采动裂隙分布及演化具有分形特征,并受断层主动整体强化锚索网注支护、抗强采动巷内自移辅助 构造、煤层厚度等因素影响;采动裂隙演化过程具有加强支架、巷旁充填墙体支护三位一体的围岩控制技 逾渗特性,可通过重正化技术预测采动裂隙演化的相术;高承载性能的巷旁充填墙体支护材料,研制成功 变临界性{2;通过室内外试验相结合的方法研究得了巷旁充填一体化快速构筑模版支架。开发成功了 到了典型深部开采上覆岩层移动破坏的一般规律 无煤柱(护巷)Y型通风留巷钻孔法抽采瓦斯关键技 1.2关键技术突破 术:首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术、留巷钻 煤与瓦斯共采从2种资源开采顺序上主要有3孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术、留巷钻孔法下 种方式:①先采瓦斯后采煤。通过预先抽采部分瓦向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术 斯,消除突出危险,提高开采安全性。包括:顶底板穿 (2)全方位立体式抽采瓦斯技术体系。主要技 层钻孔预抽瓦斯;保护层开采预抽主采煤层卸压瓦术包括:钻孔裂隙带抽采、高位抽采巷抽采、回采工作 斯;顺层钻孔预抽瓦斯。②煤与瓦斯同采。在掘进面下偶角综合抽采、采空区瓦斯抽采技术、采动煤岩 工作面掘进和采煤工作面回采的同时,利用工作面前移动卸压增透抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯 方应力变化使煤层透气性增加的有利条件,抽采煤体技术区域性卸压开采消突技术、本煤层长钻孔抽采瓦 内瓦斯。同时采用顶板走向钻孔或巷道抽采工作面斯技术、深部开采安全快速揭煤技术、深井低透气性 采空区积聚的大量瓦斯,既避免了采空区瓦斯涌人工煤层井筒揭煤防突关键技术、高瓦斯煤矿电网重大灾 作面造成上隅角瓦斯积聚和回风流瓦斯超限,又将采害监控预警技术等。高瓦斯近距离煤层群顶板顺 空区高浓度瓦斯抽至地面得以利用。③先采煤后采层千米大直径钻孔实现“煤与瓦斯共采”技术,解决 瓦斯。多开气源,确保利用,在采煤工作面或采区结了多年来严重制约矿井发展的瓦斯难题,实现煤与斯 束后,对密闭的采空区进行抽采。主要方法是在密闭安全高效共采,解决了近距离高瓦斯煤层群开采过程 墙内接管抽采或从地面钻孔抽采。目前煤与瓦斯共中综采工作面上隅角和回风流中浓度超限这一难题, 采技术的难点主要集中于瓦斯的抽采,主要有以下几结合千米定向钻机,提出了高抽钻孔组和顶板裂隙钻 种抽采技术体系 孔组联合抽采瓦斯技术。 (1)卸压开采抽采瓦斯技术体系。首采层卸压 (3)深部薄厚煤层瓦斯抽采技术体系。针对深 增透消突技术:首采层均为突出煤层,采用瓦斯抽采部薄煤层,采用Y型通风技术,并在留巷段施工网格
第 8 期 谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程 价体系。 分析了典型开采条件下工作面支承压力分 布规律,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力 环境条件[15] 。 采取 3 种不同开采方式作用下的采动 力学行为特征来模拟研究不同开采方式对煤岩变形 及其强度特征的影响规律,进一步揭示开采方式对煤 岩断裂机理的影响。 在理论和技术上对采动引起的 裂隙网络所形成的增透性进行定义和分析,首次提出 一个新力学量:增透率,来反映单位体积改变下煤体 渗透率的变化,可定量描述开采过程中覆岩和煤层中 增透率的分布和演化[16] 。 在理论上建立卸压开采采 场卸压增透的定量评价模型[17-19] 。 (6)揭示了采动裂隙时空演化规律。 开采导致 上覆岩层变形和大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力 耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠 加,时空演化规律极其复杂,实现对采动诱发煤岩体 破断及演化更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采 具有十分重要的意义[19] 。 采用分形几何理论进行了 采动裂隙分形特性及演化规律研究[20-23] ;运用逾渗 理论建立了以单元裂隙块体为基本格点的逾渗模型, 分析了采动裂隙演化的逾渗特征;建立了采动裂隙演 化的重正化群格子模型。 研究成果表明:深部开采上 覆岩层采动裂隙分布及演化具有分形特征,并受断层 构造、煤层厚度等因素影响;采动裂隙演化过程具有 逾渗特性,可通过重正化技术预测采动裂隙演化的相 变临界性[24] ;通过室内外试验相结合的方法研究得 到了典型深部开采上覆岩层移动破坏的一般规律。 1． 2 关键技术突破 煤与瓦斯共采从 2 种资源开采顺序上主要有 3 种方式:① 先采瓦斯后采煤。 通过预先抽采部分瓦 斯,消除突出危险,提高开采安全性。 包括:顶底板穿 层钻孔预抽瓦斯;保护层开采预抽主采煤层卸压瓦 斯;顺层钻孔预抽瓦斯。 ② 煤与瓦斯同采。 在掘进 工作面掘进和采煤工作面回采的同时,利用工作面前 方应力变化使煤层透气性增加的有利条件,抽采煤体 内瓦斯。 同时采用顶板走向钻孔或巷道抽采工作面 采空区积聚的大量瓦斯,既避免了采空区瓦斯涌入工 作面造成上隅角瓦斯积聚和回风流瓦斯超限,又将采 空区高浓度瓦斯抽至地面得以利用。 ③ 先采煤后采 瓦斯。 多开气源,确保利用,在采煤工作面或采区结 束后,对密闭的采空区进行抽采。 主要方法是在密闭 墙内接管抽采或从地面钻孔抽采。 目前煤与瓦斯共 采技术的难点主要集中于瓦斯的抽采,主要有以下几 种抽采技术体系: (1)卸压开采抽采瓦斯技术体系。 首采层卸压 增透消突技术:首采层均为突出煤层,采用瓦斯抽采 母巷钻孔法预抽瓦斯卸压消突[25] 。 瓦斯含量法预测 煤与瓦斯突出技术:针对首采层开展突出机理及规 律、突出预测预报新技术研究;寻找新的突出预测预 报方法和指标,建立矿区防突预测预报指标体系。 应 用微震技术探测首采层采动覆岩裂隙发育区,从而确 定高位环形体裂隙发育等瓦斯富集区,进一步优化瓦 斯抽采工程设计,逐步实现瓦斯抽采工程准确化。 针 对首采层松软煤层开发成功快速全程护孔筛管瓦斯 抽采技术,完善了高压水射流割缝增透煤层气抽采技 术。 针对深井井巷揭煤开发了快速揭煤技术,形成低 透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术:开发了首采煤 层顶板抽采富集区瓦斯技术、开发了大间距上部煤层 抽采被卸压煤层解析瓦斯技术、开发了多重开采下向 卸压增透瓦斯抽采技术、开发了地面布置钻孔抽采被 卸压煤层解析瓦斯技术。 提出无煤柱煤与瓦斯共采 新理论,提出采用 Y 型通风、采空区护巷、在留巷内 布置钻孔连续抽采采空区卸压解析瓦 斯 的 新 思 路[26-27] 。 发现了首采层开采后顶底板不同层位存在 4 个瓦斯富集区,研究并揭示了首采保护层采场内应 力场、裂隙场分布及演化规律,为布置瓦斯抽采钻孔 提供了依据。 开发了无煤柱护巷围岩控制关键技术; 主动整体强化锚索网注支护、抗强采动巷内自移辅助 加强支架、巷旁充填墙体支护三位一体的围岩控制技 术;高承载性能的巷旁充填墙体支护材料,研制成功 了巷旁充填一体化快速构筑模版支架。 开发成功了 无煤柱(护巷)Y 型通风留巷钻孔法抽采瓦斯关键技 术:首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术、留巷钻 孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术、留巷钻孔法下 向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术[28-30] 。 (2)全方位立体式抽采瓦斯技术体系。 主要技 术包括:钻孔裂隙带抽采、高位抽采巷抽采、回采工作 面下偶角综合抽采、采空区瓦斯抽采技术、采动煤岩 移动卸压增透抽采瓦斯技术、原始煤层强化抽采瓦斯 技术区域性卸压开采消突技术、本煤层长钻孔抽采瓦 斯技术、深部开采安全快速揭煤技术、深井低透气性 煤层井筒揭煤防突关键技术、高瓦斯煤矿电网重大灾 害监控预警技术等[13] 。 高瓦斯近距离煤层群顶板顺 层千米大直径钻孔实现“煤与瓦斯共采” 技术,解决 了多年来严重制约矿井发展的瓦斯难题,实现煤与斯 安全高效共采,解决了近距离高瓦斯煤层群开采过程 中综采工作面上隅角和回风流中浓度超限这一难题, 结合千米定向钻机,提出了高抽钻孔组和顶板裂隙钻 孔组联合抽采瓦斯技术[31] 。 (3)深部薄厚煤层瓦斯抽采技术体系。 针对深 部薄煤层,采用 Y 型通风技术,并在留巷段施工网格 1393
1394 煤炭学报 014年第39卷 立体式穿层钻孔,拦截抽采邻近突出煤层的卸压瓦移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其 斯,实现了无煤柱煤与瓦斯共采。高瓦斯特厚煤复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩 层煤与瓦斯共采技术:利用首采煤层的卸压增透增流体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。 效应,采用专用瓦斯巷与穿层钻孔的方法,可以使处现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠 于弯曲下沉带的远距离有煤与瓦斯突出危险煤层消性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长 除突岀危险,能够实现煤与瓦斯两种资源安全、髙产、壁开釆对煤岩体形成强烈开釆扰动,尤其是对于深部 高效共采;采用高抽巷方法,可以对处于上覆采动断矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰 裂带的中距离卸压瓦斯实施抽采,能够实现煤与瓦斯动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦 两种资源安全、高产、高效共采;实践证明,两种煤与斯运移富集规律呈现度复杂的特点。矿井单产能力 瓦斯卸压共采模式、原理是可行的3-。 大幅度提高,矿井瓦斯涌出量显著增加,相当数量的 2煤与瓦斯共采将面临的挑战与主要问题 低瓦斯矿井将转变为高瓦斯矿井,开采条件越来越复 杂,煤与瓦斯突出危险性越来越大,给安全生产带来 2.1基础理论面临的挑战 严重的威胁。为节约与高速开发资源,我国深部较厚 目前煤与瓦斯共釆工程实践取得了一定的成果,煤层,条件合适一般采用大采高一次采全厚采煤法。 但总体上理论研究落后于工程实践,例如:①深部采大采高技术的应用也造成了煤层覆岩移动的复杂性 动含瓦斯煤岩体破裂机理、性质、特征及破裂程度之与巷道维护的困难性,生产过程中巷道垮落严重,工 间的关系不清;②高强度大断面集中开采和工作面作面回风受阻,容易造成瓦斯超限;另外采空区垮落 推进度与瓦斯抽放量、瓦斯排放量的动态关系关联机范围较大,容易涌出大量瓦斯,造成回风道瓦斯超限。 理不清;③瓦斯在破断煤岩体中的富集与运移规律尤其是上隅角瓦斯超限时有发生,这些现象的造成都 不清;④煤与瓦斯共采时空协同机理及单一高瓦斯是大采高造成的剧烈扰动引起的,同时也减少了瓦斯 低透气性煤层的瓦斯抽采理论与方法没有取得实质预抽时间,这些都给生产带来了严重安全隐患。因此 性进展。上述关键问题的本质是理论研究欠缺、机理当今开采技术进步(集约化开采、大采高、快速推进 分析不够深入。由于我国煤层赋存条件普遍复杂多等)加大了对煤炭资源的开采利用,但带来的技术难 变,原始煤层透气性低,对含瓦斯煤岩体破裂机理、特题同时也限制了煤与瓦斯共采的高效开发。 征不清楚,对采动导致的破断煤岩体中裂隙的密度 连通度等规律没有进行充分研究,对破断煤岩体中瓦3煤与瓦斯共采几个值得关注的发展方向 斯解吸的机理、卸压瓦斯动态平衡的机理不清,因此3.1采动煤岩体瓦斯增透理论与模型 煤与瓦斯共采技术的应用仍处在经验的层面,缺乏科 瓦斯在煤层中的流动规律是煤与瓦斯共采理论 学性、系统性的理论指导。由于对破断煤岩体中瓦斯的重要课题。目前工作大多集中在煤的渗透属性、瓦 的流动规律缺乏深人研究,对高瓦斯矿井不同区域、斯运移基本规律研究,并未考虑煤炭开采过程中采动 不同破坏程度的破断煤岩体中瓦斯的富集程度不了应力即支承压力变化和水平应力卸载效应导致的煤 解,导致抽采钻孔的布置缺乏足够的科学性、合理性体变形破裂以及复杂裂隙网络对煤层渗透性的影响, 和针对性,抽采瓦斯的有效时间短、浓度低、流量小,因而无法描述不同开采方式下煤体渗透率的变化规 达不到安全生产和高效率、大流量、稳定采气的要求。律。而开采导致的高密度、高联通度的采动裂隙,使 由于对采动影响范围内破断煤岩体的形成机理、发育煤层的渗透率发生了根本性改变,目前还没有合适的 程度缺乏系统的硏究,相应范围破断煤岩体瓦斯卸压理论来定量描述这种增透机理和增透效果,更没有评 解吸、流动、富集的规律认识不足,瓦斯的抽采工程与价方法和体系来指导煤与瓦斯共采。因此,如何定量 煤炭的开采工程难以实现同步性、协调性,导致瓦斯准确评价采动影响以及与増透措施共同影响下煤岩 抽采滞后于煤炭开采,既降低了煤炭开采的安全性,体的增透效果,尤其是基于采动裂隙演化几何特征的 制约了煤炭开采的高产高效,又阻碍了瓦斯的充分高增透率评价模型,乃至整个瓦斯抽采过程中随瓦斯抽 效抽采3 釆动态变化的增透率评价模型,是煤与瓦斯共采面临 2.2工程技术面临的难题 的一个重要基础科学问题。 随着矿井开采向深部延深,瓦斯含量、瓦斯压力、3.2变频气动致裂瓦斯抽采技术 绝对瓦斯涌出量逐年增加,透气性降低。深部采掘导 我国很多高瓦斯矿井煤层具有松软和低渗特点, 致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转瓦斯抽采极为困难,煤层增透是提高煤层瓦斯抽采率
煤 炭 学 报 2014 年第 39 卷 立体式穿层钻孔,拦截抽采邻近突出煤层的卸压瓦 斯,实现了无煤柱煤与瓦斯共采[32] 。 高瓦斯特厚煤 层煤与瓦斯共采技术:利用首采煤层的卸压增透增流 效应,采用专用瓦斯巷与穿层钻孔的方法,可以使处 于弯曲下沉带的远距离有煤与瓦斯突出危险煤层消 除突出危险,能够实现煤与瓦斯两种资源安全、高产、 高效共采;采用高抽巷方法,可以对处于上覆采动断 裂带的中距离卸压瓦斯实施抽采,能够实现煤与瓦斯 两种资源安全、高产、高效共采;实践证明,两种煤与 瓦斯卸压共采模式、原理是可行的[33-34] 。 2 煤与瓦斯共采将面临的挑战与主要问题 2． 1 基础理论面临的挑战 目前煤与瓦斯共采工程实践取得了一定的成果, 但总体上理论研究落后于工程实践,例如:① 深部采 动含瓦斯煤岩体破裂机理、性质、特征及破裂程度之 间的关系不清;② 高强度大断面集中开采和工作面 推进度与瓦斯抽放量、瓦斯排放量的动态关系关联机 理不清;③ 瓦斯在破断煤岩体中的富集与运移规律 不清;④ 煤与瓦斯共采时空协同机理及单一高瓦斯 低透气性煤层的瓦斯抽采理论与方法没有取得实质 性进展。 上述关键问题的本质是理论研究欠缺、机理 分析不够深入。 由于我国煤层赋存条件普遍复杂多 变,原始煤层透气性低,对含瓦斯煤岩体破裂机理、特 征不清楚,对采动导致的破断煤岩体中裂隙的密度、 连通度等规律没有进行充分研究,对破断煤岩体中瓦 斯解吸的机理、卸压瓦斯动态平衡的机理不清,因此 煤与瓦斯共采技术的应用仍处在经验的层面,缺乏科 学性、系统性的理论指导。 由于对破断煤岩体中瓦斯 的流动规律缺乏深入研究,对高瓦斯矿井不同区域、 不同破坏程度的破断煤岩体中瓦斯的富集程度不了 解,导致抽采钻孔的布置缺乏足够的科学性、合理性 和针对性,抽采瓦斯的有效时间短、浓度低、流量小, 达不到安全生产和高效率、大流量、稳定采气的要求。 由于对采动影响范围内破断煤岩体的形成机理、发育 程度缺乏系统的研究,相应范围破断煤岩体瓦斯卸压 解吸、流动、富集的规律认识不足,瓦斯的抽采工程与 煤炭的开采工程难以实现同步性、协调性,导致瓦斯 抽采滞后于煤炭开采,既降低了煤炭开采的安全性, 制约了煤炭开采的高产高效,又阻碍了瓦斯的充分高 效抽采[35] 。 2． 2 工程技术面临的难题 随着矿井开采向深部延深,瓦斯含量、瓦斯压力、 绝对瓦斯涌出量逐年增加,透气性降低。 深部采掘导 致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转 移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其 复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩 体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。 现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠 性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长 壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部 一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰 动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦 斯运移富集规律呈现度复杂的特点。 矿井单产能力 大幅度提高,矿井瓦斯涌出量显著增加,相当数量的 低瓦斯矿井将转变为高瓦斯矿井,开采条件越来越复 杂,煤与瓦斯突出危险性越来越大,给安全生产带来 严重的威胁。 为节约与高速开发资源,我国深部较厚 煤层,条件合适一般采用大采高一次采全厚采煤法。 大采高技术的应用也造成了煤层覆岩移动的复杂性 与巷道维护的困难性,生产过程中巷道垮落严重,工 作面回风受阻,容易造成瓦斯超限;另外采空区垮落 范围较大,容易涌出大量瓦斯,造成回风道瓦斯超限。 尤其是上隅角瓦斯超限时有发生,这些现象的造成都 是大采高造成的剧烈扰动引起的,同时也减少了瓦斯 预抽时间,这些都给生产带来了严重安全隐患。 因此 当今开采技术进步(集约化开采、大采高、快速推进 等)加大了对煤炭资源的开采利用,但带来的技术难 题同时也限制了煤与瓦斯共采的高效开发。 3 煤与瓦斯共采几个值得关注的发展方向 3． 1 采动煤岩体瓦斯增透理论与模型 瓦斯在煤层中的流动规律是煤与瓦斯共采理论 的重要课题。 目前工作大多集中在煤的渗透属性、瓦 斯运移基本规律研究,并未考虑煤炭开采过程中采动 应力即支承压力变化和水平应力卸载效应导致的煤 体变形破裂以及复杂裂隙网络对煤层渗透性的影响, 因而无法描述不同开采方式下煤体渗透率的变化规 律。 而开采导致的高密度、高联通度的采动裂隙,使 煤层的渗透率发生了根本性改变,目前还没有合适的 理论来定量描述这种增透机理和增透效果,更没有评 价方法和体系来指导煤与瓦斯共采。 因此,如何定量 准确评价采动影响以及与增透措施共同影响下煤岩 体的增透效果,尤其是基于采动裂隙演化几何特征的 增透率评价模型,乃至整个瓦斯抽采过程中随瓦斯抽 采动态变化的增透率评价模型,是煤与瓦斯共采面临 的一个重要基础科学问题。 3． 2 变频气动致裂瓦斯抽采技术 我国很多高瓦斯矿井煤层具有松软和低渗特点, 瓦斯抽采极为困难,煤层增透是提高煤层瓦斯抽采率 1394
第8期 谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程 1395 的根本途径,除了解放层开采具有理想的增透效果以的科学性、有效性、针对性,真正实现瓦斯资源的有效 外,在不具备解放层开采条件下的深部单一煤层增透开发利用。 仍是世界性难题。煤层增透需要实现2个目标:一是 使煤体产生尽可能多的裂缝,二是要实现裂缝的高连 参考文献: 通率。目前,有引进水力压裂技术和水平井技术对煤[1]许家林钱呜高岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用[ 层进行大规模压裂改造,也有在井下利用高压脉冲水 中国矿业大学学报,2004,33(2):141-144 在煤体钻孔内部进行割缝和扩孔,但是效果并不理 Xu Jialin, Qian Minggao. Study and application of mining-induced fracture distribution in green mining[ J]. Journal of China University 想。根本原因是水使煤体中的黏性矿物发生膨胀,煤 of Mining Technology, 2004, 33(2): 141-144 层软化,导致裂缝通道闭锁。 [2]钱鸣高,缪协兴,许家林.资源与环境协调(绿色)开采[冂] 变频气动致裂技术一方面利用气体的高度扩 炭学报,2007,32(1):1-7 散性,尽可能多地打开煤体中原生微裂隙通道,增强 Qian Minggao, Miao Xiexing, Xu Jialin. Green mining of coal re- 煤体的透气性,同时在不诱发瓦斯突出危险的前提 sources harmonizing with environment[J] Journal of China Coal So- cIety,2007,32(1):1-7 下,通过低压变频抽压交替力学作用使煤体产生裂]钱鸣高,许家林缪协兴煤矿绿色开采技术门中国矿业大学 隙的疲劳扩展,进一步增强煤体的裂隙度和连通率, 学报,2003,32(4):343-348 克服水力压裂的固有缺陷,为单一煤层增透和有效抽 Qian Minggao, Xu Jialin, Miao Xiexing. Green technique in coal min- 采带来技术突破。 ing[J]- Joumal of China University of Mining& Technology, 2003 3.3与岩层移动时空协同的煤与瓦斯共采技术体系 32(4):343-348 为了克服目前煤与瓦斯共采的时效性差、协同性 [4]周世宁,何学秋煤和瓦斯突出机理的流变假说[J].中国矿业 大学学报,1990,19(2):1-8 差、瓦斯抽放效率低的状况,应进一步针对高瓦斯煤 Zhou Shining, He Xueqiu. Rheological hypothesis of coal and meth- 层群赋存条件,研究高强、集约化开采、低渗条件下煤 e outburst mechanism[J]. Joumal of China University of Mining 与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,揭示 hnology,1990,19(2):1-8. 控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,探讨基于5)周世宁,孙正,媒层瓦斯流动理论及其应用,媒炭学报 时空协同机理的煤与瓦斯共采的评价模型及瓦斯抽 Zhou Shining, Sun Jizheng. Theory and application of coal and meth- 采优化布置方案。尤其是需要建立大空间快速推进 flow[J]. Journal of China Coal Society, 1965,2(1): 24-36. 的长壁开采强烈扰动下煤岩体的应力场-裂隙场-瓦[6]袁亮低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究[]岩石力 斯场的时空耦合关系,进行煤与瓦斯共采影响因素辨 学与工程学报,2008,27(7):1370-1379 识与量化分析,如采深、煤层厚度、采高、渗透率、孔隙 Yuan Liang. Key technique of safe mining in low permeability and 度、顶底板岩层物理力学性质等,提出煤炭开采与瓦 methane-rich seam group[ J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(7):1370-1379 斯抽采最优匹配的优化设计方法与理论模型进而建[]袁亮卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[门 立基于时空协同机理的煤与瓦斯共采的理论基础及 煤炭学报,200,34(1):1-8 煤与瓦斯共采的普适模型。 Yuan Liang. Theory of pressure-relieved gas extraction and technique pal production and gas extraction[J].Journ 4结语 of China Coal Society, 2009, 34(1): 1-8 我国瓦斯(即煤层气)资源总量大,与天然气总 [8]袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[J].中国煤炭 2010(6):5-12. 量相当,在国际油价居高不下、减排压力空前增加的 Yuan Liang. Concept of gas control and simultaneous extraction of 大环境下,瓦斯资源将扮演越来越重要的角色,在我 coal and gas[J]. China Coal, 2010(6): 5-12 国能源结构中的比例也将持续增加。我国煤层低渗[9袁亮郭华,沈宝堂等低透气性煤层群煤与瓦斯共采中 透、强吸附的特征决定了必须实施煤与瓦斯共采,使 的高位环形裂隙体[].煤炭学报,2011,36(3):357-365. Yuan Liang, Guo Hua, Shen Baotang, et al. Circular overlying zone at 煤层充分增透,才能有效抽采瓦斯。实施煤与瓦斯共 longwall panel for efficient methane capture of mutiple coal se 采,不仅能保障我国经济持续发展对能源的依赖,还 ith low permeability[ J]. Journal of China Coal Society,2011, 36 将进一步提升我国煤矿科学开采水平。虽然我国煤 (3):357-365 与瓦斯共采的工程实践已初具规模,但尚未形成科学[10)袁亮,薛俊华,刘泉声,等煤矿深部岩巷围若控制理论与支 性、有效性、针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系 护技术[J].煤炭学报,2011,36(4):535-543 Yuan Liang, Xue Junhua, Liu Quansheng, et al. Surrounding rock 因此,应围绕煤与瓦斯共采基础理论进行攻关,形成 stability control theory and support technique in deep rock roadway 我国煤与瓦斯共采理论体系,真正实现煤与瓦斯共采 for coal mine[J]. Joumal of China Coal Society, 2011, 36(4)
第 8 期 谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程 的根本途径,除了解放层开采具有理想的增透效果以 外,在不具备解放层开采条件下的深部单一煤层增透 仍是世界性难题。 煤层增透需要实现 2 个目标:一是 使煤体产生尽可能多的裂缝,二是要实现裂缝的高连 通率。 目前,有引进水力压裂技术和水平井技术对煤 层进行大规模压裂改造,也有在井下利用高压脉冲水 在煤体钻孔内部进行割缝和扩孔,但是效果并不理 想。 根本原因是水使煤体中的黏性矿物发生膨胀,煤 层软化,导致裂缝通道闭锁。 变频气动致裂技术[36]一方面利用气体的高度扩 散性,尽可能多地打开煤体中原生微裂隙通道,增强 煤体的透气性,同时在不诱发瓦斯突出危险的前提 下,通过低压变频抽压交替力学作用,使煤体产生裂 隙的疲劳扩展,进一步增强煤体的裂隙度和连通率, 克服水力压裂的固有缺陷,为单一煤层增透和有效抽 采带来技术突破。 3． 3 与岩层移动时空协同的煤与瓦斯共采技术体系 为了克服目前煤与瓦斯共采的时效性差、协同性 差、瓦斯抽放效率低的状况,应进一步针对高瓦斯煤 层群赋存条件,研究高强、集约化开采、低渗条件下煤 与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,揭示 控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,探讨基于 时空协同机理的煤与瓦斯共采的评价模型及瓦斯抽 采优化布置方案。 尤其是需要建立大空间快速推进 的长壁开采强烈扰动下煤岩体的应力场-裂隙场-瓦 斯场的时空耦合关系,进行煤与瓦斯共采影响因素辨 识与量化分析,如采深、煤层厚度、采高、渗透率、孔隙 度、顶底板岩层物理力学性质等,提出煤炭开采与瓦 斯抽采最优匹配的优化设计方法与理论模型,进而建 立基于时空协同机理的煤与瓦斯共采的理论基础及 煤与瓦斯共采的普适模型。 4 结 语 我国瓦斯(即煤层气) 资源总量大,与天然气总 量相当,在国际油价居高不下、减排压力空前增加的 大环境下,瓦斯资源将扮演越来越重要的角色,在我 国能源结构中的比例也将持续增加。 我国煤层低渗 透、强吸附的特征决定了必须实施煤与瓦斯共采,使 煤层充分增透,才能有效抽采瓦斯。 实施煤与瓦斯共 采,不仅能保障我国经济持续发展对能源的依赖,还 将进一步提升我国煤矿科学开采水平。 虽然我国煤 与瓦斯共采的工程实践已初具规模,但尚未形成科学 性、有效性、针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系。 因此,应围绕煤与瓦斯共采基础理论进行攻关,形成 我国煤与瓦斯共采理论体系,真正实现煤与瓦斯共采 的科学性、有效性、针对性,真正实现瓦斯资源的有效 开发利用。 参考文献: [1] 许家林,钱鸣高. 岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用[ J]. 中国矿业大学学报,2004,33(2):141-144. Xu Jialin,Qian Minggao. Study and application of mining-induced fracture distribution in green mining[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2004,33(2):141-144. [2] 钱鸣高,缪协兴,许家林. 资源与环境协调(绿色) 开采[ J]. 煤 炭学报,2007,32(1):1-7. Qian Minggao, Miao Xiexing, Xu Jialin. Green mining of coal resources harmonizing with environment[J]. Journal of China Coal Society,2007,32(1):1-7. [3] 钱鸣高,许家林,缪协兴. 煤矿绿色开采技术[ J]. 中国矿业大学 学报,2003,32(4):343-348. Qian Minggao,Xu Jialin,Miao Xiexing. Green technique in coal mining[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2003, 32(4):343-348. [4] 周世宁,何学秋. 煤和瓦斯突出机理的流变假说[ J]. 中国矿业 大学学报,1990,19(2):1-8. Zhou Shining,He Xueqiu. Rheological hypothesis of coal and methane outburst mechanism[J]. Journal of China University of Mining & Technology,1990,19(2):1-8. [5] 周世宁,孙辑正. 煤层瓦斯流动理论及其应用[ J]. 煤炭学报, 1965,2(1):24-36. Zhou Shining,Sun Jizheng. Theory and application of coal and methane flow[J]. Journal of China Coal Society,1965,2(1):24-36. [6] 袁 亮. 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究[ J]. 岩石力 学与工程学报,2008,27(7):1370-1379. Yuan Liang. Key technique of safe mining in low permeability and methane-rich seam group [ J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(7):1370-1379. [7] 袁 亮. 卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[ J]. 煤炭学报,2009,34(1):1-8. Yuan Liang. Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[ J]. Journal of China Coal Society,2009,34(1):1-8. [8] 袁 亮. 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[ J]. 中国煤炭, 2010(6):5-12. Yuan Liang. Concept of gas control and simultaneous extraction of coal and gas[J]. China Coal,2010(6):5-12. [9] 袁 亮,郭 华,沈宝堂,等. 低透气性煤层群煤与瓦斯共采中 的高位环形裂隙体[J]. 煤炭学报,2011,36(3):357-365. Yuan Liang,Guo Hua,Shen Baotang,et al. Circular overlying zone at longwall panel for efficient methane capture of mutiple coal seams with low permeability[ J]. Journal of China Coal Society,2011,36 (3):357-365. [10] 袁 亮,薛俊华,刘泉声,等. 煤矿深部岩巷围岩控制理论与支 护技术[J]. 煤炭学报,2011,36(4):535-543. Yuan Liang,Xue Junhua,Liu Quansheng,et al. Surrounding rock stability control theory and support technique in deep rock roadway for coal mine [ J]. Journal of China Coal Society,2011,36 (4 ): 1395
1396 煤炭学报 014年第39卷 535-543 2013,38(6):930-935 1]程远平,周德永,俞启香,等.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律[20]薛东杰,周宏伟,赵天,等.基于体积估算岩石断面分维的算 研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(1):12-18. 法研究[].岩土工程学报,2012,34(7):1256-1261. Cheng Yuanping, Zhou Deyong, Yu Qixiang, et al. Research on ex Xue Dongjie, Zhou Hongwei, Zhao Tian, et al. Algorithm of fractal on laws of gas for pressure-relief i dimension of rock fracture surface based on volume estimation[J] coal seams[ J] Journal of Mining Safety Engineering, 2006,23 Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(7): 1256- (1):12-18. 126l. 12]程远平,俞启香,袁亮.上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽[21]薛东杰,周宏伟,易海洋.三维空间岩石裂纹分形曲线的分维估 采技术[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2003,22 算[J]煤炭学报,2012,37(9):1522-1527 (4):483-486 Xue Dongjie, Zhou Hongwei, Yi Haiyang. Fractal dimension esti- Cheng Yuanping, Yu Qixiang, Yu Gas extraction tech- mate of rock crack curve in three dimensional space[J]. Journal of niques and movement properties of long distance and pressure relief China Coal Society, 2012, 37(9): 1522-15 rock mass upon exploited coal seam[]- Joumal of Liaoning Tech-[22]周宏伟,张涛,薛东杰,等.长壁工作面覆岩采动裂隙网络演 nical University( Natural Science ), 2003, 22(4): 483-486 化特征[J].煤炭学报,2012,36(12):1957-1962 [13]程远平,俞启香.煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用 Zhou Hongwei, Zhang Tao, Xue Dongjie, et al. Evolution of mining [冂].中国矿业大学学报,2003,32(5):471-475 crack network in overburden strata of longwall face[J].Journal of Cheng Yuanping, Yu Qixiang. Application of safe and high-efficient China Coal Society,2012,36(12):1957-1962. exploitation system of coal and gas in coal seams[J]. Journal of [23] Zhou Hongwei, Liu Jinfeng, Xue Dongjie, et al. Numerical simula- China University of Mining Technology, 2003, 32(5): 471-47 process in mining-induced crack network[ J].Inter- 4]程远平,俞启香,袁亮,等煤与远程卸压瓦斯安全高效共采 national Journal of Mining Science and Technology, 2012, 22(6) 试验研究[J].中国矿业大学学报,2004,33(2):132-136 793-799 Cheng Yuanping, Yu Qixiang, Yuan Liang,etal. Experimental re-[24]薛东杰,周宏伟,王超圣,等.上覆岩层裂隙演化逾渗模型研究 [].中国矿业大学学报,2013,42(6):917-922 relief gas in long distance[J] Journal of China University of Min- Xue Dongjie, Zhou Hongwei, Wang Chaosheng, et al. Percolation ing and Technology, 2004, 33(2): 132-136 model of mining-induced crack evolution of the overlying strata 5]谢和平,周宏伟,刘建锋,等不同开采条件下采动力学行为研 J]- Joumal of China University of Mining& Technology, 2013, 42 究[J].煤炭学报,2011,36(7):1067-1074 (6):917-922 κ .ie Heping, Zhou Hongwei, Liu jianfeng, et al. Mining-induced me-[25]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤气共采理论与实践[J].中 国工程科学,2009,11(5):72-80 Joumal of China Coal Society, 2011, 36(7): 1067-1074. Yuan Liang. Theory and practice of integrated pillarless coal pro- [16]谢和平,高峰,周宏伟,等.煤与瓦斯共采中煤层增透率理论 duction and methane extraction in multiseams of low permeability 与模型研究[J]煤炭学报,2013,38(7):1101-1108 [J]. Engineering Sciences, 2009, 11(5):72-80 ie Heping, Gao feng, Zhou Hongwei,etal. On theoretical and[26]袁亮.低透气性高瓦斯煤层群无煤柱快速留巷Y型通风煤 modeling approach to mining enhanced permeability for simultane- 与瓦斯共采关键技术[门中国煤炭,2009,34(6):9-13 us exploitation of coal and gas[J]. Journal of China Coal Society Yuan Liang. Key technology for simultaneous extraction of coal/ gas 2013,38(7):1101-1108 n low permeable high gas content coal seam cluster under pillarless [17]薛东杰,周宏伟,孔琳,等采动条件下被保护层瓦斯卸压增 gob-side entry retained with Y type ventilation J]. China Coal 透机理研究[J].岩土工程学报,2012,34(10):1910-1916 2009,34(6):9-13 Xue Dongjie, Chou hongwei, Kong lin,etal. Mechanism of unloa-[27]袁亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术[冂].煤炭学报,2008 ding-induced permeability increment of protected coal seam under 33(8):898-902. ning[ J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34 Yuan Liang. The technique of coal mining and gas extraction by (10):1910-1916 roadway retaining and borehole drilling[ J]. Joumal of China Coal [18]薛东杰,周宏伟,唐咸力,等.采动工作面前方煤岩体积变形及 瓦斯增透研究[冂].岩土工程学报,2013,35(2):328-336. 28]袁亮.低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特 Xue Dongjie, Zhou Hongwei, T'ang Xianli, et al. Mechanism of de- 征与抽采技术[J.煤炭学报,2008,33(12):1362-1367 formation-induced damage and gas permeability enhancement of Yuan Liang gas distribution of the mined-out side and extraction coal under typical mining layouts[J]. Chinese Journal of Geotech- technology of first mined key seam relief-mining in gassy mult nical Engineering, 2013, 35(2): 328-336 seams of low permeability[ J] Journal of China Coal Society, 2008 [19]薛东杰,周宏伟,唐咸力,等.采动煤岩体瓦斯渗透率分布规律 3(12):1362-1367 与演化过程[J]煤炭学报,2013,38(6):930-935 29]袁亮复杂特困条件下煤层群瓦斯抽放技术研究[J].煤炭 Xue Dongjie, Zhou Hongwei, T'ang Xianli, et al. Evolution of minin 科学技术,2004,31(11):1-4 induced enhancement and distribution of gas permeability in coal Yuan Liang. Research on gas drainage technology for seam group seam and surrounding rock [J]. Journal of China Coal Society, with complicated and difficult conditions [J]. Coal Science and
煤 炭 学 报 2014 年第 39 卷 535-543. [11] 程远平,周德永,俞启香,等. 保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律 研究[J]. 采矿与安全工程学报,2006,23(1):12-18. Cheng Yuanping,Zhou Deyong,Yu Qixiang,et al. Research on extraction and emission laws of gas for pressure-relief in protecting coal seams[ J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23 (1):12-18. [12] 程远平,俞启香,袁 亮. 上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽 采技术[ J]. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2003,22 (4):483-486. Cheng Yuanping, Yu Qixiang, Yuan Liang. Gas extraction techniques and movement properties of long distance and pressure relief rock mass upon exploited coal seam[J]. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2003,22(4):483-486. [13] 程远平,俞启香. 煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用 [J]. 中国矿业大学学报,2003,32(5):471-475. Cheng Yuanping,Yu Qixiang. Application of safe and high-efficient exploitation system of coal and gas in coal seams [ J]. Journal of China University of Mining & Technology,2003,32(5):471-475. [14] 程远平,俞启香,袁 亮,等. 煤与远程卸压瓦斯安全高效共采 试验研究[J]. 中国矿业大学学报,2004,33(2):132-136. 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