我国煤与瓦斯共采：理论、技术与工程
矿井开拓与开采02煤与瓦斯共采部分
2050》煤炭年需求高达 38 亿吨，在能源结构中比例仍占 50% 。显
然，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。
4
一、科学开采是煤炭工业发展的必由之路
我国能源工业体系以煤炭为基础，以电力为主体；85%的发 电能力为燃煤发电，年消耗煤炭占煤炭总产量的50%；
煤炭比石油、天然气更具有资源优势，长期担当能源基础保
天然气 核电、水电 3.50% 7.70%
天然气 3.10% 核电、水电 7.20%
石油 11.90%
石油 20.40%
煤炭 76.90%
煤炭 69.30%
能源生产结构图
能源消费结构图
国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》中已经
确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源 全面发展的能源战略”；中国工程院《国家能源发展战略2030～
由传统型小型矿井向现代化大型高产高效矿井转移； 从少技术、管理粗放时期的浅部多发到客观条件开采工艺都 发生很大变化的深部，因技术、管理进步不相适应仍然时有 发生; 2008 年我国煤矿百万吨死亡率仍高达 1.182 ， 2009 年降至 0.892 （ 2008 年美国 0.028 ，俄罗斯 0.41 ，波兰 0.25 ，印度 0.32），与世界先进水平差距较大，安全形势严峻。
矿井开拓与开采
第三部分
煤与瓦斯共采
提 纲
一、科学开采是煤炭工业发展的必由之路
二、理念创新引领煤矿瓦斯综合治理 三、技术创新是实现煤与瓦斯共采的关键 四、管理创新是推进瓦斯治本的保障
2
1
科学开采是煤炭工业 发展的必由之路
一、科学开采是煤炭工业发展的必由之路
1、煤炭是我国主体能源
土城矿141713采煤工作面煤与瓦斯共采技术方案
（ 贵 州 盘 江 精 煤 股 份 有 限公 司 土 城 矿 贵 州 盘 江 ５ ５ ３ ５ ２ ９）
摘要： 为 了充分利 用井下瓦斯资源及降低 工作 面瓦斯 浓度 ， 根据 土城矿 自身的特 点 ， 利 用布置
高位抽 采 巷 、 运 输 巷 回风 巷 中抽 放 邻 近 层 和 本 煤 层 瓦斯 、 开 采 卸压 层 、 沿 空 留巷 ４项 技 术 ， 安
量３ ０ ｍ ／ ａｉ ｒ ｎ×２ ０ ％ ：６ ｍ ／ ａｉ ｒ ｎ 。
２ ． １ 开 采 卸 压 层 １ ４ １ ７ １ ４工 作 面采 用 无 煤 柱 沿 空 留 巷 Ｙ 型 通 风卸压开采 ， 其 目的 是 解 决 １ ４ １ ２ １ １和 １ ４ １ ２ １ ３采 面掘 进 和 回 采 过 程 中 的瓦 斯 治 理 问 题 。 该 工 作 面 采 用 顶 板 专 用 瓦 斯 巷 ＋钻 孔 抽 采 法 治 理 瓦斯 。在 ｌ ７ 煤 层 上部 的 １ ５ 煤 层 顶 板 往 上７ ． ６ ４ ｍ 布 置 １条专 用 瓦 斯 巷 ， 回采 期 间 密 闭 该 巷道 口， 用 ￣ ｂ ３ ５ ０ ｍｍ 管 进 入 巷 道 内 抽 采 卸 压 瓦 斯 。在 留巷 及 运输 巷 施 工 本 煤 层 钻 孔 抽 采 ｌ ７ 煤
④沿 Ｊ ４ １ ７ １ ３回风 巷 （ 留 巷 ）铺 设 １趟 ＋ ３ ５ ０ ａ ｒ ｍ 瓦斯抽放 管 ， 在 留巷 内布 置下 向穿 层钻 孔 或 利 用 原 回 风 巷 施 工 的 钻 孔 抽 采 采 动 卸 压 煤 层 瓦斯 ， 减 少 回采期 间邻 近层 瓦斯涌 出 ， 预计 抽
第 ３期 ２ ０ １ ３年 ９ 月
水 力 采 煤 与 管 道 运 输
ＨＹＤＲＡＵＬ Ｉ Ｃ ＣＯＡＬ ＭＩ Ｎｌ ＮＧ ＆ Ｐ Ｉ Ｐ ＥＬ Ｉ ＮＥ ＴＲ ＡＮＳ Ｐ ＯＲ ＴＡＴ Ｉ ＯＮ
煤炭绿色开采技术及其应用
煤炭绿色开采技术及其应用摘要：社会主义建设新时期，探究煤矿绿色开采技术的实践与创新，是煤矿企业可持续发展的技术保障。
本文对煤炭绿色开采技术及其应用进行了探讨。
关键词：煤炭；绿色开采；技术；应用中图分类号：f407.21文献标识码： a 文章编号：根据我国的能源资源状况，煤炭作为我国最重要的一次性能源，在未来20 年内，其在能源构成中的主体地位将不会改变。
2020 年我国煤炭消费量将达到40 亿t。
届时，煤炭产量很可能无法满足工业需求。
不能再单纯地通过提高煤炭的产量缓解煤炭供应的压力，而应该综合考虑发展煤炭循环经济，减少煤炭开采对环境的破坏，而且也应该把发展煤炭循环经济，实现煤炭绿色开采作为理念，大力发展绿色的采煤技术。
一、煤矿开采对环境产生的影响在工作人员实施煤炭开采的过程中，对于环境所产生的影响非常严重，不仅仅能够对整个地下水系以及地表水系产生影响，更加能够对地表水以及地下水产生直接的污染。
煤炭开采能够直接影响到地下水的排泄以及疏干，原因就在于，地下水不断的实施排泄和疏干，一定会使得地下水的水位大面积以及大幅度下降，煤炭区的供水也会枯竭，地表的植被会更加干枯，破坏了自然景观，使农业产量大幅度下降，更有甚者会直接引起地表的土壤沙化。
由于煤炭层是一种层状沉积的矿床，煤炭层的厚度相对来说也比较小，其单位面积的生产能力并不高，甚至可以说是低下，在工作人员实施煤矿开采的过程中，矿井下面很大面积都会被采空，进而形成大量的采空区。
其顶板就会冒落，岩层更加会进行移动，进而直接造成了地面沉降现象的出现，在地表上形成了一块块低洼地。
有些会因为地表的潜水位本来就比较浅，也就在形成低洼的地方形成了积水池或者沼泽地，有些直接表现为又宽又深的裂缝，还有可能埋下山体滑坡隐患，更有甚者会直接形成山体滑坡、积水池或者沼泽，最终破坏了煤炭区的环境，对整个生态环境体系也造成了不可弥补的影响。
二、绿色开采理论体系与总体框架绿色开采理念是在科学采矿三原则(安全、环保和经济)的指导下提出的，强调在现有采煤理论、方法和技术的基础上，发展与创新采矿科学技术，从广义资源的角度上认识和对待煤、瓦斯和水等一切可以利用的各种资源。
煤与瓦斯共采概念
煤与瓦斯共采概念的详细解释1. 定义煤与瓦斯共采（Coal and Gas Co-mining）是指在煤矿开采过程中，同时开采煤层中的瓦斯资源。
煤层瓦斯是一种天然气，主要由甲烷组成，常常会在煤矿开采过程中释放出来。
煤与瓦斯共采利用了煤矿开采过程中产生的瓦斯资源，既能保证煤矿的安全生产，又能有效开发利用瓦斯资源。
2. 重要性2.1 安全性煤矿瓦斯是导致煤矿事故的主要原因之一。
煤与瓦斯共采可以有效地控制瓦斯的释放，减少瓦斯积聚，降低煤矿瓦斯爆炸的风险。
通过共采瓦斯，可以及时排除瓦斯，保持煤矿工作面的安全环境，保障矿工的生命安全。
2.2 能源开发煤矿瓦斯是一种重要的能源资源。
传统上，煤矿瓦斯常常被视为煤矿开采过程中的有害气体，直接排放到大气中。
而煤与瓦斯共采能够将瓦斯资源有效地利用起来，转化为可用的能源。
这不仅能够提供煤矿的自给自足能源，还可以将多余的瓦斯供应给周边地区，提供清洁能源。
2.3 环境保护煤矿瓦斯的排放是导致温室气体增加和大气污染的重要原因之一。
煤与瓦斯共采可以将瓦斯转化为能源，减少其排放量，从而降低对环境的影响。
同时，通过共采瓦斯，还可以减少煤矿的二氧化碳排放，对缓解气候变化具有积极意义。
2.4 经济效益煤矿瓦斯资源的共采不仅能够提供能源，还可以创造经济效益。
共采瓦斯可以作为一种新的能源销售渠道，为煤矿带来额外的收入。
同时，共采瓦斯还可以降低煤矿的能源成本，提高煤矿的竞争力。
3. 应用3.1 煤矿瓦斯抽采系统煤矿瓦斯抽采系统是煤与瓦斯共采的关键设备之一。
该系统主要由瓦斯抽采井、瓦斯抽采管道和瓦斯抽采设备组成。
瓦斯抽采井通过钻孔或开挖方式建设，将瓦斯从煤层中抽采出来。
瓦斯抽采管道将抽采出来的瓦斯输送到地面，经过处理后可以用于发电、供暖等用途。
瓦斯抽采设备包括瓦斯抽采泵、瓦斯抽采风机等，用于提供抽采的动力。
3.2 瓦斯抽采管理与监测瓦斯抽采管理与监测是煤与瓦斯共采的重要环节。
通过对瓦斯抽采系统的运行情况进行监测，可以及时发现瓦斯泄漏等安全隐患，采取相应的措施进行处理。
煤与瓦斯共采理论与实践课件
制定安全规程
制定详细的安全操作规程，确保作业人员熟悉并 遵守。
实施安全检查
定期对煤与瓦斯共采设备进行安全检查，确保设 备正常运转，消除安全隐患。
ABCD
强化安全培训
定期对作业人员进行安全培训，提高他们的安全 意识和应对突发情况的能力。
建立应急预案
制定应急预案，对可能发生的瓦斯泄漏、火灾等 事故进行及时处置，减少事故损失。
特点
该技术具有高效、安全、环保等特点， 能够实现煤炭和瓦斯资源的双重利用， 提高矿井经济效益和资源利用率。
煤与瓦斯共采的重要性
01
提高煤炭开采效率
通过同时开采煤炭和瓦斯，可以 缩短采煤周期，提高矿井生产能 力。
02
充分利用资源
03
保障矿井安全
瓦斯是一种清洁能源，可用于发 电、供暖等领域，实现资源的多 重利用。
煤与瓦斯共采技术可以降低矿井 瓦斯浓度，减少瓦斯积聚，从而 降低瓦斯爆炸等事故风险。
煤与瓦斯共采的历史与发展
历史
煤与瓦斯共采技术起源于20世纪 初，经过多年的研究和实践，逐 渐发展成熟。
发展
近年来，随着科技的不断进步和 环保意识的提高，煤与瓦斯共采 技术不断创新和完善，成为煤炭 开采领域的重要发展方向。
强化安全管理
加强煤与瓦斯共采过程中的安全管理，确保开 采过程的安全性和稳定性。
优化采掘协调
通过优化采掘协调，提高开采效率，降低生产成本。
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THANKS
煤与瓦斯共采典型案例
山西焦煤集团
该集团采用地面钻井抽采技术和井下瓦斯抽采技术相结合的方式，实现了煤与瓦斯的共采，提高了煤 矿的安全性和经济效益。
平顶山煤业集团
该集团采用采空区瓦斯抽采技术，成功地解决了采空区瓦斯涌出量大的问题，提高了煤矿的安全性和 经济效益。
瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术
回风巷 开采层B8
下卸压层B7 下卸压层B6
底板岩石巷
进风巷
抽采钻孔
26
回风巷 开采层B8
下卸压层B7 下卸压层B6
底板岩石巷
进风巷
抽采钻孔
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回风巷 开采层B8
下卸压层B7 下卸压层B6
底板岩石巷
进风巷
抽采钻孔
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回风巷 开采层B8
底板卸压区域
下卸压层B7 下卸压层B6
底板岩石巷
进风巷
18
105 102
O形圈18
0
90
重新压实区
60
30 00
8313 50813采空3100区O形沿圈走181向05 长度(2m00)
25 0
“〇”形圈裂隙分布及瓦斯流动通道
开采层 回风巷
进风巷
10
开采层 回风巷
进风巷
11
开采层 回风巷
进风巷
12
开采层 回风巷
进风巷
13
开采层 回风巷
技术原理示意图
5m区0
裂隙发 育卸压
区5m0
增压 区
研究首采保护层工作面开采后应力及裂隙分布和演化规律； 确定不同瓦斯地质条件下煤层的卸压范围、卸压瓦斯富集区和瓦斯抽采巷道工程的合理层位，
研究抽采缷压瓦斯技术。
3、技术路线
打破传统自上而下的煤层开采程序，设计了制造煤体松动卸压的开采方案，提出了“煤 与瓦斯共采”的技维地震精细勘探技术进行三维地震精细勘探观测系统设计、数据采集、资料 处理及解释，形成煤矿复杂地质条件下三维地震勘探数据处理及解释方法。
加强地测信息化管理，实现地质信息资源共享。在建立地测数据库基础上，建成地质管理 及图形系统、测量管理及图形系统、资源管理信息系统、勘探管理系统、地表变形与预计 系统等子系统，构建矿区地测信息化管理平台。
(完整版)袁亮院士-煤与瓦斯共采理论与关键技术
一、我国煤炭安全开采现状
2030、2050年煤炭需求预测
类别
能源需求总量 （亿t标煤） 煤炭需求量 （亿t标煤） 煤炭占能源需求量 的比重（%）
按能源需求总量预测
2010~2020年 2021~2030年
42~50
51~64
25~28.5
28.5~32
57%~60%
50%~56%
2031~2050年 59~78 28.5~32
1.5
2050年 40~45 28.5~32.5 3~3.3 2.7~2.9 4.5~5
1.3
5
一、我国煤炭安全开采现状 我国煤矿地质条件极其复杂 ➢ 93%为井工开采，70%以上国有煤矿是高瓦斯矿井；近 10年来，我国煤炭产量年增幅2亿多吨，2012年全国 煤炭产量达36.5亿吨，贡献巨大，难度巨大。
我国煤层瓦斯分区、 分带和煤与瓦斯突出 矿区分布图
6
一、我国煤炭安全开采现状 我国煤矿安全形势严峻 ➢ 应该清醒地看到，随着开采规模和开采深度的变化， 我国大部分煤矿将成为低透气性高瓦斯开采条件，此 类条件瓦斯治理是世界性难题，长期以来没有解决， 造成煤矿瓦斯事故多发，安全高效开采难以实现。
我国高瓦斯矿区分布图
166
4 辽宁孙家湾煤矿“2.14”特别重大瓦斯爆炸事大透水事故
2005年
123
6 黑龙江东风煤矿“11.27”特别重大煤尘爆炸事故 2005年
172
7 河北刘官屯煤矿“12.7”特别重大瓦斯爆炸事故 2005年
108
8 山西瑞之源煤矿“12.5”特别重大瓦斯爆炸事故 2007年
➢ 全国1044个煤与瓦斯突出矿井中，井型为45万吨/年以 下的突出矿井占72.1%，产量仅仅占1.9%。因此，从提 升安全保障能力、调整产业结构和实现煤矿安全生产 形势根本好转方面考虑，必须提高煤矿的准入门槛;
煤与瓦斯共采技术探讨
２ 煤 与瓦斯 共采 技术 的理论 基础
长期研究及工程实践发现 ， 我 国煤矿瓦斯地质赋存 条件 复杂 ， 靠引进煤层气开采技术 不能解决大部分矿区瓦斯治理
难 题 ，遏 制 不 了瓦 斯 事 故 的发 生 。所 以更 应 该 去 深 入 地研 究
瓦斯 。 在高位裂隙带 内抽放的瓦斯体积分数可 以达到 ２ ０ ％以 上 ，这两部分抽出的瓦斯浓度相对较高，具有利用 的前景和 可行性 ，而且 目前大部分也进行 了利用 。 在煤 层卸压带 内和采空 区抽 出的瓦斯体积分数 一般均
低于 ２ ０ ％，大 部 分 为 １ ３ ％～ １ ５ ％ ，这 主 要 是 由于 卸压 带 内煤
层气 的难度。 因此 ， 开发煤层气生产的重点就理应放在井下， 加强研究井下瓦斯的预抽放技 术，同时，应更进一步地研 究 并完 善解决对 于煤层低 渗透率 以及 在煤层打钻孔 出现 的问 题 ，并且深入研究煤与瓦斯共采 的相应配套设施及技术，使 煤与瓦斯在产业上实配套生产 开采 ，最终实现其安全共采 。
除了原始煤层 中预抽和 高位裂 隙带内抽 出的瓦斯浓度 相对较高外 ，采空区、卸压 带内抽 出的瓦斯浓度相对较低 ， 巷道风排 的瓦斯浓度更低，但是这些低浓度的瓦斯 量很大 ，
一
３ ． １ ． １采动裂 隙场的透气规律研 究
经过 多年采矿学者和技术人员的研 究，目前对于采动卸 压场和裂 隙场 的范 围已经有了相对成 熟的成果和研究手段 ，
流动规律 、瓦斯气体与裂隙岩体 的耦合相互作用 规律，研究
原始煤体 、 卸压带与裂隙带内瓦斯抽放过程中固体煤岩物理 力学性质 的变化，尤其 是抽放过程中透气性变化 规律等 ，这
“煤与瓦斯共采”研究项目获第十五届中国专利奖
此专利将瓦斯治理 、 煤矿开采、 工作面降温等安全技 术难题统筹考虑 ， 解决了采煤工作 面上隅角瓦斯积聚 问题 ， 提高了煤炭资源回收率， 抽采的高浓度 瓦斯直接利用 ， 实现 了绿 色开采。同时， 开创 了瓦斯综合治理技术 服 务 的先 河 ， 成 为 面向全 行 业推 广 的煤 与 瓦斯共 采关键技 术 。 截至目 前， 该项技术 已在皖北、 淮北、 铁 法、 西山煤 电、 华晋焦煤、 陕煤化 集团等全国类似条件矿 区 ２ ０ ０多个
Ｐ ｅ ｉ Ｙ ｕ Ｌ ｏ ｎ ｇ Ｑ ｉ ｕ Ｍｉ ｎ ｇ ２
（ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｈ ｕ ａ Ｇ ｕ ｏ ｈ ｕ ａ Ｓ ｈ ｏ ｕ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｎ ｙ Ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｅ ｄ Ｓ ｈ ｏ ｕ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ ， ２ ６ ２ ７ １ ４ ） （ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｈ ｕ ａ Ｇ ｕ ｏ ｈ ｕ ａ（ Ｂ ｅ ｇ ）Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｎｙ ａ Ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｅ ｄ ， Ｂ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， １ ０ ０ ０ ２ ５ ）
工作 面 ， 得 到 了应 用和推 广 ， 覆 盖 产 能达到 ８亿吨 以上 。 （ 神 华 集 团科 技发 展部 供稿 ）
ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｐ ｕ ｔ ｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏｒ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ
科技成果——低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术
科技成果——低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术适用范围截止2008年12月底，该技术已在两淮矿区的9个煤矿16个采面工作面成功推广应用，正在推广应用此项的矿区有重庆能源集团、冀中能源集团、辽宁铁煤集团、山西华晋焦煤集团等，此项技术可覆盖煤炭行业领域3亿吨左右的煤炭开采量，节约煤炭生产成本10亿元。
技术原理基于大量现场矿压测试和三维数值模拟分析得出沿空留巷存在明显的阶段性矿压特征，研究指出不能简单地描述沿空留巷处于低值应力区，在受工作面采动影响的留巷过程中存在一个强烈的应力调整期，这一时期留巷帮顶出现显著的剪切应力集中，合理的巷内支护形式应适应这种剪切破坏，抗剪切能力强的新型高性能锚杆组合支护配合新型巷内辅助加强支架，具有很好的适应性。
关键技术（1）首次提出了无煤柱煤与瓦斯共采技术原理；（2）创建了无煤柱沿空留巷Y型通风钻孔法煤与瓦斯共采技术体系；（3）系统地研究并获得了Y型通风采空区的流场与瓦斯浓度场；（4）创新性的提出了无煤柱沿空留巷Y型通风煤与瓦斯共采技术；（5）提出了煤与瓦斯共采覆岩卸压、渗透率分布以及瓦斯抽采动态运移三个基本规律模型。
技术流程针对我省淮南矿区煤层瓦斯赋存条件复杂多变的总体背景，以矿井深部开采安全保障技术及装备为研究主线，立足于降低煤矿重大瓦斯事故和开发有效防治新技术和装备的根本目的，完成了六个方面的研究内容，分别为：深部矿井强突出煤层区域预抽消突技术、打钻技术、快速揭煤防突技术、卸压开采技术研究；低透气性煤层地面钻井抽采瓦斯技术研究；深井煤与瓦斯突出的机理及动力学理论研究；微震监测及煤与瓦斯突出预测预报技术研究；深部开采通风系统结构、模式及技术装备；深部矿井瓦斯赋存规律的研究。
此六项研究内容分为三个层次，分别为理论与基础研究、监测与预报技术研究以及抽采消突及装备研究。
主要技术指标研制出强突出煤层打钻防喷装置和瓦斯含量法预测突出危险快速取样装置。
建立深部煤矿瓦斯地质区域分布及采动影响区瓦斯流动场理论、高瓦斯低渗透性煤层高效抽采瓦斯技术和瓦斯综合治理成套技术；低透气高瓦斯煤层卸压瓦斯抽采率达到50-60%。
煤与瓦斯协调开采技术研究
： 譬 ： 璺 越 Ｉ 链 ： ｊ
质含量 、水分含量 、煤阶、岩性 、气体组分等。 ４ ．区域地质 构造对 瓦斯分布 区域 的控 制
在 这 样 的 区域 地 质构 造 下 ，煤 层 处 于 封 闭 型 地
质构造 的控 制 ，透 气性较 差 ，不利于 瓦斯排放 ，容 易造成瓦斯积聚 ，形成高压瓦斯集中区。 三 煤与瓦斯协调开采技术
性 难题 ，特 别是社 会公益性 研究 被大大 削弱 ，瓦斯
治理和利用等方面的技术研究和创新进展缓慢。 （ ）煤矿瓦斯 抽采难度增大。我国高瓦斯矿井 ３ 多 ，煤 层瓦斯 含量高 、压 力大 、透 气性 差 、抽采 难
度大 。
一 Ｉｚ ｍ ■ 记工 ｏ ＿ Ｉ ∽ Ｅ ０ ｍ 区块６ 个 ，总面积 ８ ８ ０ ３ ｉ 层气勘探登 ｏ ｚ ４ｏ＝ Ｉ ； 科学技求 ．ｋｎ ，分布 １１
过几十年的发展 ，煤矿井下瓦斯抽采 ，已由最初为保
（ ）煤矿 瓦斯 直接排 空对环境影响较大。煤层 ６
中 国煤炭工业 ２１／２ ０１ ４９ ｏ
Hale Waihona Puke 端 譬 如辱 ０ ≮斟 学 技 术
气 的温 室效应约 为二氧 化碳 的２ 倍 。据测算 ，我 国 ｌ 煤炭开 采、加 工 、运输过程 中每年释放瓦斯 约 １０ ５ 亿
在 １个省 区。主要项 目有 ：山西沁水枣 园井组煤层气 ２
开发试验项 目，生产试验井 １ 口；辽宁阜新刘家井组 ５ 煤 层气开 发项 目，钻井 ８ 口，单井 日均产 气３ ０ ｍ ０ ０ 以
上 ；山西晋城潘 庄煤层气地面 开发项 目，施工 了１ ５ ７ 口煤层气井 ，日产气约ｌ万ｍ ０ ；山西沁南潘河先导性
和采 空 区抽采单 一技术 ，逐渐 发展到针 对各 类条件 适合于不同开采方法 的瓦斯综合抽采技术。 ３ ．煤层气产业化发展存在的主要 问题
我国煤与瓦斯共采及钻井技术分析
源 的共 同开采 。 该技 术 经过 近 １ ０余年 的研 究 ， 已逐 渐丰 富和 完善起 来 。 本 文就煤 与 瓦斯共采 和钻 井技 术 两个方 面对 煤与 瓦斯 共采技 术体 系进 行 分析 ， 同时介 绍“ 一 井三 用” 地 面钻 井新技 术 ， 对我 国煤 与 瓦 斯共 采技 术和 理论研 究具有 积极 意义 。 关键 词 煤 与 瓦斯 共采 ； 采动 卸压 ； 钻 井钻 孔 ； 一 井三 用 中图分类 号 ： Ｔ Ｄ ７ １ ２ ． ６ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ９ — ０ ７ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ２ ０ — ０ ２
一
。
１ 煤与 瓦斯 共采基本原理
煤 矿 开采 过 程 中 ，由于 本 煤层 采 动 而 引起 的覆 岩移动 ， 一方 面 会 改变 本煤 层 的原 始应 力 场 ， 在 本 煤 层 的不 同 区域 内形 成 卸压 带 和 应 力集 中带 ，导致 本 煤 层 周 围覆 岩 发生 膨 胀变 形 和 破 坏 ，形 成 岩层 离 层 裂 隙和 穿层 竖 向破 断 裂 隙 ；另 一 方 面 ，使 得 本煤 层 上、 下 一 定 范 围 内覆 岩 应 力 场 发 生 变 化 ， 导致 上 、 下 邻 近 煤层 的瓦斯 卸压 ， 产 生 卸压增 透 增 流效应 。 为 了保 证本 煤 层 工 作 面 的安 全 高效 开 采 ，需 减
煤矿 现 代化
２ ０ １ ３ 年第４ 期
总第１ １ 分析
赵 光普
（ 中 国矿 业 大 学 （ 北京 ） 资 源与 安 全 工 程 学 院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
摘
要
煤与 瓦斯 共采就 是将 煤炭 和赋 存 于煤层 中的 瓦斯都 作 为矿 井的 资 源加 以开采 ，实现 两种 资
我国煤与瓦斯共采理论、技术与工程
我国煤与瓦斯共采理论、技术与工程一、本文概述本文旨在全面探讨和分析我国煤与瓦斯共采的理论、技术与工程实践。
煤与瓦斯共采作为一种重要的煤炭开采方式，对于提高煤炭资源利用效率、保障能源安全以及推动煤炭行业可持续发展具有重要意义。
本文将从多个方面对我国煤与瓦斯共采的理论体系、技术方法和工程应用进行深入探讨，以期为我国煤炭工业的持续发展提供理论支持和实践指导。
本文将对煤与瓦斯共采的基本理论进行阐述，包括煤与瓦斯共采的基本概念、原理及其在国内外的发展历程。
通过对这些基础理论的研究，有助于我们更好地理解煤与瓦斯共采的本质和内在规律，为后续的技术研发和工程实践提供坚实的理论基础。
本文将重点介绍煤与瓦斯共采的关键技术。
这包括瓦斯抽采技术、煤炭开采技术、瓦斯利用技术等。
通过对这些技术的深入分析和研究，我们可以了解到各种技术的优缺点和适用范围，为我国煤与瓦斯共采的实践提供技术支持。
本文将结合具体的工程案例，对煤与瓦斯共采的工程实践进行详细分析。
这些案例既包括成功的经验，也包括失败的教训。
通过对这些案例的研究，我们可以总结出煤与瓦斯共采的最佳实践模式和经验教训，为我国煤炭工业的未来发展提供借鉴和参考。
本文将从理论、技术和工程实践三个方面全面探讨我国煤与瓦斯共采的理论、技术与工程。
希望通过本文的研究和分析，能够为推动我国煤炭工业的持续发展提供有益的启示和建议。
二、煤与瓦斯共采理论基础煤与瓦斯共采技术是在深入理解煤层瓦斯赋存规律、煤岩力学特性及瓦斯运移规律的基础上，结合现代采矿技术而发展起来的一种新型开采模式。
其核心理论主要包括煤与瓦斯共生的地质条件、煤岩瓦斯相互作用机制以及瓦斯抽采与煤炭开采的协同优化。
煤与瓦斯共生的地质条件是煤与瓦斯共采技术实施的前提。
煤层中瓦斯的赋存状态、含量及分布规律受到地质构造、煤层厚度、埋藏深度等多种因素影响。
通过深入研究这些因素对瓦斯赋存的影响，可以为煤与瓦斯共采提供基础数据支持。
煤岩瓦斯相互作用机制是煤与瓦斯共采技术实施的关键。
煤海“伏虎”——记中国工程院院士袁亮
到地 面 。这样 ，既 实现 了煤 与瓦斯
淮南 煤炭 赋存 条件 差 ，为低 透
７ ％。但 淮 南矿 区也是 瓦斯 危 害最 ４ 典 型 的矿 区之 一 ，是全 国煤矿 瓦斯
事故 的重灾 区。 １９ 年 ，３ ９６ ６岁的袁亮成为全 国
千 万 吨煤 矿 中最 年 轻 的 总工 程 师 。 工 作 １ 来 ，他 多 次 下 到 煤 矿 井 ４年 下 ；曾 ４ 在井 下 目睹 了矿 工生命 次 被 瓦斯事故 吞噬 的惨痛 场面 ，并 参 与和 组织 、指 挥处理 了多 次瓦斯 事 故 ，可 以说经 常面 临生命危 险 ，其
我 国煤 炭开采难度大 ， １ ０ 一 ０ｍ ０
以下煤 炭资源量 占总 资源 量的 ５ ％， ３ 全 国 ９ ％ 以上 的煤 矿 为井 工 开采 ， ５ 瓦斯 、水 、火 、地 压 、地 温等 自然
灾 害 严 重 ， 瓦 斯 问 题 尤 为 突 出 ， 国
—
煤海 “ 虎＂ 伏
层 的瓦斯 被解 析为 游离瓦 斯 ，再 通
过 预先 布 置 的巷道 和 钻 孔 “ 采 ” 抽
孔 ，在巷 道里 四处乱 窜 ，会 给安全
造 成 巨 大 的威 胁 ” 。
量 ５０ ｔ ０ 亿 ，是我国东部 和南部最 大
的一块 整装煤 田，占我 国东 部煤 炭
储量 的 ５ ％，占安徽省 煤炭 储量 的 ０
感 受也是刻骨Biblioteka 心 的。 ９ ７ ｌ 月 ， １９ 年 １ 淮南矿 区连续 发生 ２ 特大 瓦斯爆 起 炸 事故 ，牺 牲 １３ 。在一 次处 理 ３人
井 下事故 时 ，很 多人都 吓跑 了 ，只 有袁 亮坚持到最后 。淮 南煤矿 近 ２ ０ 年来 ，付出 了 ４ ０多条 生命 的代价 ， ０ 这个 代价太 沉重 了。看到这 些带 血
煤矿开采工艺工程与技术展望探讨
煤矿开采工艺工程与技术展望探讨摘要:煤炭资源是我国最基本的消耗能源。
我国的经济发展和国民日常生活离不开煤炭资源。
为了满足我国生产生活对煤炭资源的需求,我国煤矿开采技术进行了一定的改革,其机械化程度逐步的提高。
而应用煤矿开采技术的范围也更加广泛。
但是,煤矿开采工作效率的提高,也引发了较多的生态问题。
许多的开采工艺和技术只注重煤矿的开采量,忽视了对生态环境的保护。
本文就此阐述了一些常见的煤矿开采技术和工艺,并对煤矿开采技术的前景进行了一定的讨论。
关键词:煤矿开采工艺过程技术展望煤矿开采技术和工艺,是一个不断创新和发展的过程。
为了提高煤炭产量,煤矿企业一直都注重对采煤工艺和方法的完善。
采煤工艺的进步,能够促进煤炭开采整体的变革。
现代采煤工艺是为了向高效率、安全性和高产量方向发展。
其工艺和技术将现代高新技术和采煤技术相结合,从而开发智能化的生产监控和采煤设备系统,实现多样化、多层次的采煤工艺。
我国采煤技术已经走向了成熟的阶段,其理论研究和应用水平也取得了很大的提高。
在不稳定、急倾斜的地质中,采煤工艺过程也有了较大的范围空间,其主要方向是提高机械化水平,并改善作业的条件。
1 煤矿开采工艺工程1.1 高效集约化生产技术煤矿开采的工艺注重高效集约化,并一直往该方向进行技术改革。
为了促使集中化的生产,并提高单个工作面的产量,研究可靠性的采煤工艺和装备。
开采布置和生产系统注重高效性和简单性,整个生产过程的科学管理和监控都要有相应的配套开采技术,并注重煤矿开采的机械化,改善装备和工艺条件,扩大应用的范围和水平,从而提高机械化采煤的水平和程度。
1.2 硬顶板控制技术煤矿开采中,需研究小地压、浅埋的硬厚顶板控制技术。
该技术主要依靠倾斜深孔爆破和岩层的定向水利压裂来处理,直接顶有了该技术,便可以随意的开采,提高煤炭的回收率。
而且能将顶煤破碎掉,保证工作面顺利的开展安全生产。
1.3 开采薄煤层技术目前,我国采煤机在薄煤层上很难取得很好的开采效果。
卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系
卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系一、本文概述本文旨在探讨卸压开采抽采瓦斯理论及其在实际应用中的煤与瓦斯共采技术体系。
我们将首先概述卸压开采抽采瓦斯理论的基本概念、原理及其重要性，然后详细介绍煤与瓦斯共采技术体系的核心要素和实施步骤。
通过对这些内容的深入研究和探讨，我们期望为煤矿安全生产和瓦斯资源的高效利用提供新的理论支持和技术指导。
卸压开采抽采瓦斯理论是一种针对煤矿瓦斯治理的重要理论，它利用卸压开采过程中煤体应力场的变化，实现瓦斯的有效抽采。
这一理论不仅有助于降低煤矿瓦斯浓度，提高矿井安全水平，还能有效利用瓦斯资源，推动煤炭产业的可持续发展。
煤与瓦斯共采技术体系则是在卸压开采抽采瓦斯理论基础上形成的一套完整的技术体系。
它包括了瓦斯抽采、瓦斯利用、矿井安全监控等多个方面，旨在实现煤矿瓦斯治理与资源利用的双赢。
通过这一技术体系的实施，我们可以更好地解决煤矿瓦斯问题，提高煤炭资源的综合利用效率。
本文将对卸压开采抽采瓦斯理论和煤与瓦斯共采技术体系进行深入分析和研究，以期为我国煤矿安全生产和瓦斯资源的高效利用提供有益的理论支持和实践指导。
二、卸压开采抽采瓦斯理论基础卸压开采抽采瓦斯理论是基于煤岩体力学、瓦斯运移规律以及采矿工程学的原理，旨在通过降低煤体应力，创造有利于瓦斯抽采的条件，从而实现煤与瓦斯的高效共采。
其核心思想在于，通过人为控制采煤工作面的推进速度和方式，使煤体产生卸压效应，降低煤体中的瓦斯压力，增加瓦斯流动的通道，提高瓦斯抽采率。
煤体应力分布与瓦斯运移关系：煤体中的瓦斯运移受到应力场的影响，应力分布的不均匀性导致瓦斯流动的差异性。
通过卸压开采，可以调整煤体应力分布，创造有利于瓦斯流动的应力环境。
卸压开采条件下的瓦斯流动规律：卸压开采过程中，煤体内部应力降低，瓦斯压力随之减小，瓦斯流动通道增多。
研究卸压开采条件下的瓦斯流动规律，有助于优化瓦斯抽采参数，提高瓦斯抽采效果。
卸压开采与瓦斯抽采的协同作用：卸压开采与瓦斯抽采是相互促进的过程。
我国煤与瓦斯共采技术现状及展望
共采 中主要 采用 卸压 瓦斯抽 放方 法 ， 即在采 掘工 作面 影 响范 围 内的抽放 。 压 瓦斯抽放 方法 从抽 放部 位上 卸
的 ， 国 煤 层 气 资 源 丰 富 ，居 世 界 第 三 位 ， 藏 我 埋 ２０ ０ｍ 以 内的煤 层气 资 源 约 有 ３ ０ ６万亿 ｍ ， 当 于 。相 ４０多亿 ｔ 准煤 或 ３０多亿 ｔ 准油 ， 陆上 天然气 ５ 标 ５ 标 与
境 ， 其 是 一 种 高效 、 洁 可燃 气 体 ， 热 量 为 ３ ． 但 清 发 ３５
～
采层采空区涌出瓦斯的煤层叫做邻近层 ， 其中位于开 采层顶板内的邻近层叫做上邻近层 ， 底板内的叫下邻 近层 。 邻近层抽放瓦斯方 法主要有巷道法和钻孔法。
阳泉抽 放 上 、 下邻 近层 瓦 斯 的 钻 孔 布置 方 法 见 图 １ ，
始 的 ， ２０ 年底 ， 国 已有 １５个 煤矿 建立 了井 下 到 ０１ 全 ８
瓦斯 抽放 系统和地 面输 气 系 统 ，０ ２年 ， 国瓦斯 抽 ２０ 全 放 量 达 １１６ Ｍｍ 。 ４ 现有 瓦斯抽 放 技术 中在 煤 与 瓦斯
收 稿 １ 期 ：０ １—０ ５ ｔ ２１ ４—１ ４
实意义 。 １ 煤 与瓦斯 共采技 术现 状
煤 层 煤 层
煤 与瓦斯共 采首 先应 该实 现煤层 瓦斯 的抽采 ， 我 国工 业抽 放 瓦斯 始 于 １３ ９ ８年 的抚 顺 龙 凤 矿 ， 系 统 但 联 系的抽 放瓦斯 是 １５ ９ ２年在 龙凤 矿建 抽放 瓦斯 泵 开
开 采层
（． １ 中国矿 业大学 环 境与测绘 学院 ， 江苏 徐 州 ２ １ １ ；． ２ １６ ２ 中国矿 业大学 化工学院 ， 江苏 徐州 ２ １１ ； ２ １６
973项目申报书——2011CB201200-G深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论
项目名称：深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论首席科学家：谢和平四川大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、预期目标（一）总体目标针对我国煤炭开采的“深部（高应力、高瓦斯、强吸附性）、高强、低渗”的三大突出特征，揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律，发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律，建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制，形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法，为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础，促进相关学科的发展。
在国内外核心学术期刊发表论文150 篇以上，其中SCI、EI 收录论文120篇以上，有重要国际影响的论文30 篇以上，出版著作6～7 部。
申请专利8～10项。
在深部煤与瓦斯共采研究领域，取得一批具有国际影响的研究成果。
培养博士后、博士生和硕士生70～90 名，凝聚和培育国内一批高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队。
建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台，完成1～2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程，为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。
（二）五年预期目标（1）揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征；获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律；建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论，并发展相应的反演方法。
（2）建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律；建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型；建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型；应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术，从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。
瓦斯治理理论与技术浅析
我 国矿井监 测 系统 落后 的原 因有 两 个 方 面 。一 方 面是 我 国绝大 多 数 矿 井 虽 然 都 实 现 了矿 井 联 网 ， 但 是 矿井的信息化管理和紧急情况的处理 比较落后 ， 还有 待于进一步提高。另一方 面， 我 国矿井现场 的监督 管
一
理人员和技术维护人员 的素质不高 、 技能水平偏低 ， 致 使监督 系统得不到及时有效的维护， 对紧急情况 的处 理不 及 时 ， 大大 限制 了煤 矿开采 的顺 利进 行 。 ３ ． 提 高瓦斯 治理 技术 的重 要措 施
３ ． １全 面提 高从 业人 员的安 全意识
企业应 重视 从 业 人 员 的安 全 教 育 ， 大 力 实 行 人 才 战略， 培养 出高技能 、 高素质人才 。另外 ， 还应建立健 全全体从业人员 的安全培训体系。聘请相关专业人士 对全体从业人员进行定期 的安全教育 ， 并按计划进行 安全考核 ， 对于成绩优秀的人员给予一定 的物质奖励 ， 促进从 业人 员 学 习 的积 极 性 ， 从 思 想 上 提 高 全 体 员 工 的安全意识 ， 最大程度降低事故发生的概率 ， 为员工的 生命和财产安全负起责任 。
瓦斯治理理论与技术浅析
曹伟 （ 内蒙古博源煤化工有限责任公 司 ， 内蒙古 鄂尔多斯 ０ １ ７ ２ ０ ９ ）
摘 要： 随着社会的发展和科技的进 步 ， 瓦斯安全问题也受到了越来越多的关注 。我 国在煤矿瓦斯治理方面还存在很多不足 ， 本 文介绍 了目前我 国煤矿瓦斯治理 的理论 ， 并结 合实际存在 的问题 提出了一 些改进建 议。 关键词 ： 煤矿 ； 瓦斯 ； 治理理论 ； 问题 ； 技术
益相挂钩 ， 调动员工工作 的热情和责任心 ， 确保基层的 开采工 作安 全 进 行 。再 者 是 企 业 的管 理 部 门 ， 企业 不 仅要有英明的领导者 ， 还应该明确各个部门的责任 ， 保 证 生产 过程 顺 利 安 全 进 行 。最 后 ， 还 要 全 面 提 高 企 业 监管人员的责任意识 ， 使每个监管人 员都能做到在其 位谋其职 ， 尽最大努力将事故发生 的概率降到最低 。 １ ． ２企业 文化 建设 不容 忽视 企 业文 化是 煤 矿 开 采 事 业 的灵 魂 ， 对 于 企 业 发 展 意义重大。煤矿企业在加强安全文化建设 的同时， 还 应注意适当引进一些先进 的技术 和设备 ， 使 企业生产 规 模化 。另 外 ， 还 要 注 意全 面落 实 “ 预防为主， 安 全 第 ” 的生产方针 ， 对生产仪器和设备进行定期 的检查和 维修 ， 防止事 故发 生 。
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㊀第39卷第8期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.39㊀No.8㊀㊀2014年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug.㊀2014㊀谢和平,周宏伟,薛东杰,等.我国煤与瓦斯共采:理论㊁技术与工程[J].煤炭学报,2014,39(8):1391-1397.doi:10.13225/ki.jccs.2014.9038Xie 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/ki.jccs.2014.9038我国煤与瓦斯共采:理论㊁技术与工程谢和平1,周宏伟2,薛东杰2,高㊀峰3(1.四川大学,四川成都㊀610065;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,北京㊀100083;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㊀221008)摘㊀要:针对我国煤层低渗透㊁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㊂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㊁全方位立体式抽采瓦斯技术体系㊁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㊂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㊂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:TD712㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2014)08-1391-07收稿日期:2014-06-30㊀㊀责任编辑:王婉洁㊀㊀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)㊀㊀作者简介:谢和平(1956 ),男,湖南双峰人,中国工程院院士㊂E -maill:xiehp@Theory ,technology and engineering of simultaneous exploitation ofcoal and gas in ChinaXIE He-ping 1,ZHOU Hong-wei 2,XUE Dong-jie 2,GAO Feng 3(1.Sichuan University ,Chengdu ㊀610065,China ;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining ,China University of Mining and Technology (Beijing ),Beijing ㊀100083,China ;3.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering ,China University of Mining and Technolo-gy ,Xuzhou ㊀221008,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 interpreta-tion of the mining-induced mechanics and theory of quantitative evaluation on enhanced permeability of coal.Then thelatest 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 oftheory on simultaneous exploitation of coal and gas were discussed.Key words :simultaneous exploitation of coal and gas;fundamental theory;engineering technology;latest progress㊀㊀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㊂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㊂实现煤与瓦斯共采,是深部煤炭资源开采的必然途径㊂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㊁减少温室气体煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2014年第39卷排放具有十分重要的意义㊂我国瓦斯抽采最早始于1938年,但系统的抽采利用起步较晚㊂20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㊂20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㊂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%㊂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㊂20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㊁水力压裂㊁水力割缝㊁松动爆破㊁大直径(扩孔)钻孔㊁网格式密集布孔㊁预裂控制爆破㊁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㊂同时,我国先后在抚顺龙凤矿㊁阳泉矿㊁焦作中马村矿㊁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㊂从20世纪90年代后期至今,全面开展瓦斯(即煤层气)勘探㊁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㊁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㊂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㊁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㊂1㊀煤与瓦斯共采基础理论与关键技术进展1．1㊀基础理论研究进展(1)提出了 O 型圈理论㊂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㊂绿色开采技术的主要内容包括:保水开采㊁ 三下 采煤㊁煤与瓦斯共采㊁煤巷支护与部分矸石的井下处理㊁煤炭地下气化等㊂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]㊂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]㊂(2)建立了 煤层瓦斯流动理论 ㊂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]㊂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㊁气耦合的新阶段[5]㊂(3)揭示了卸压开采抽采瓦斯技术的原理㊂开展了高瓦斯矿井地应力与瓦斯压力㊁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]㊂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㊂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㊁Y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]㊂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㊁松动卸压,增加煤层透气性;研究清楚首采层开采后应力场㊁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㊁形成瓦斯富集区创造条件[10]㊂(4)完善了煤层群煤与瓦斯安全高效工程体系㊂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㊁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]㊂针对上部卸压区域存在3种抽采方法:近程㊁中程与远程抽采㊂近程抽采主要采用顶板走向穿层钻孔㊁走向顺层长钻孔㊁走向高抽巷与采空区埋管抽采来自首采煤层未开采分层㊁采空区遗煤㊁处在垮落带的煤层㊁底板变形较大区域内煤层㊁断裂带内煤层及少部分来自弯曲带内煤层的瓦斯㊂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㊂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㊂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]㊂(5)建立了采动力学及瓦斯增透理论的定量评2931第8期谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论㊁技术与工程价体系㊂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]㊂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㊂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]㊂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]㊂(6)揭示了采动裂隙时空演化规律㊂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]㊂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㊂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㊁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㊂1．2㊀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㊂通过预先抽采部分瓦斯,消除突出危险,提高开采安全性㊂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㊂②煤与瓦斯同采㊂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㊂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㊂③先采煤后采瓦斯㊂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㊂主要方法是在密闭墙内接管抽采或从地面钻孔抽采㊂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㊂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]㊂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㊁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㊂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㊂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㊂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㊁开发了大间距上部煤层抽采被卸压煤层解析瓦斯技术㊁开发了多重开采下向卸压增透瓦斯抽采技术㊁开发了地面布置钻孔抽采被卸压煤层解析瓦斯技术㊂提出无煤柱煤与瓦斯共采新理论,提出采用Y型通风㊁采空区护巷㊁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]㊂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㊁裂隙场分布及演化规律,为布置瓦斯抽采钻孔提供了依据㊂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㊁抗强采动巷内自移辅助加强支架㊁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㊂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㊁留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术㊁留巷钻孔法下向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术[28-30]㊂(2)全方位立体式抽采瓦斯技术体系㊂主要技术包括:钻孔裂隙带抽采㊁高位抽采巷抽采㊁回采工作面下偶角综合抽采㊁采空区瓦斯抽采技术㊁采动煤岩移动卸压增透抽采瓦斯技术㊁原始煤层强化抽采瓦斯技术区域性卸压开采消突技术㊁本煤层长钻孔抽采瓦斯技术㊁深部开采安全快速揭煤技术㊁深井低透气性煤层井筒揭煤防突关键技术㊁高瓦斯煤矿电网重大灾害监控预警技术等[13]㊂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]㊂(3)深部薄厚煤层瓦斯抽采技术体系㊂针对深部薄煤层,采用Y型通风技术,并在留巷段施工网格3931煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀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]㊂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㊁高产㊁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㊁高产㊁高效共采;实践证明,两种煤与瓦斯卸压共采模式㊁原理是可行的[33-34]㊂2㊀煤与瓦斯共采将面临的挑战与主要问题2．1㊀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㊁性质㊁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㊁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㊂上述关键问题的本质是理论研究欠缺㊁机理分析不够深入㊂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㊁特征不清楚,对采动导致的破断煤岩体中裂隙的密度㊁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㊁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㊁系统性的理论指导㊂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㊁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㊁合理性和针对性,抽采瓦斯的有效时间短㊁浓度低㊁流量小,达不到安全生产和高效率㊁大流量㊁稳定采气的要求㊂由于对采动影响范围内破断煤岩体的形成机理㊁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㊁流动㊁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㊁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]㊂2．2㊀工程技术面临的难题随着矿井开采向深部延深,瓦斯含量㊁瓦斯压力㊁绝对瓦斯涌出量逐年增加,透气性降低㊂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㊁转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎㊁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㊁破坏过程,其介质属性十分复杂㊂现代大型矿井大多采用装备功率大㊁重型化㊁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㊂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㊂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㊂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㊂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㊂因此当今开采技术进步(集约化开采㊁大采高㊁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㊂3㊀煤与瓦斯共采几个值得关注的发展方向3．1㊀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㊂目前工作大多集中在煤的渗透属性㊁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㊂而开采导致的高密度㊁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㊂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㊂3．2㊀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4931第8期谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论㊁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㊂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㊂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㊂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㊂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㊂3．3㊀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㊁协同性差㊁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㊁集约化开采㊁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㊂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㊁煤层厚度㊁采高㊁渗透率㊁孔隙度㊁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㊂4㊀结㊀㊀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㊁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㊂我国煤层低渗透㊁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㊂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㊂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㊁有效性㊁针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系㊂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㊁有效性㊁针对性,真正实现瓦斯资源的有效开发利用㊂参考文献:[1]㊀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 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