深部开采瓦斯治理关键技术

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1.3 深部开采面临的主要问题


平煤集团瓦斯含量和瓦斯涌出量变化情况
丁组煤层，瓦斯压力-400m:0.6MPa，-800m：2.16MPa；
瓦斯含量4.5m3/t----->7.06m3/t

戊组煤层，瓦斯压力-430m：1.51MPa，-800m：2.55MPa； 瓦斯含量16.76m3/t ----> 30m3/t
1.1 国内外深部开采现状

浅部资源日益枯竭，国内外矿山都相继进入深部资
源开采状态；
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1.1

国内外深部开采现状
我国的煤炭资源埋深在1000m以下的为2.95亿吨，占煤炭资 源总量的53%； 我国煤矿开采深度以8~12m/a的速度增加，东部矿井正以每

年10-25m的速度发展，可以预计在未来10~20内年我国很


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1.3 深部开采面临的主要问题


高冲击倾向性
进入深部以后，地质构造变得复杂、自重应力增大， 煤岩体积聚了大量的固体能量，在深部地应力、构造 应力以及工程扰动的作用下，使得积聚的能量大于矿 体失稳和破坏所需要的能量，造成整个煤岩系统失去 结构稳定性，发生冲击地压。
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己组煤层，瓦斯压力-430m：1.67MPa，-800m：2.45MPa； 瓦斯含量11.56m3/t ----> 29.5m3/t
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1.3 深部开采面临的主要问题


强烈的采矿扰动
随着采深的增加引起的覆岩自重压力的增大和构造应力 的增强，采场矿压显现强烈，表现为围岩发生剧烈变形 、巷道和采场失稳、甚至发生破坏性的冲击地压，给顶 板管理带来许多困难； 近10年巷道支护成本增加了1.4倍，巷道翻修量占整个巷 道掘进量的40%，这些特征在平顶山、鹤壁、焦作等矿区 表现明显； 破坏前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而 造成深部围岩的破坏往往是大面积的发生，具有区域性 ，如巷道大面积的冒顶垮落等。
深部开采瓦斯治理关键技术
河南理工大学，能源学院
熊祖强，博士，副教授
汇报提纲

深部开采现状及问题 区域瓦斯治理


保护层开采技术
无保护层开采条件下的区域瓦斯治理

瓦斯治理成功理念
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1. 深部开采现状及问题

国内外深部开采现状
河南省深部开采现状 深部开采面临的主要问题


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地温升高、作业环境恶化
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1.3 深部开采面临的主要问题


四种矿井类型的转变
浅部硬岩矿井向软岩矿井转变 低瓦斯矿井向高瓦Байду номын сангаас矿井转变 非突出矿井向突出矿井转变 非冲击矿井向冲击矿井转变
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1.3 深部开采面临的主要问题


深部动力灾害特征
开采深度的增大，矿井的自然条件、瓦斯条件和开采技术条件发生了 显著变化，出现了高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性的复杂 现象交织的情况，突出的危险性越来越大;
多煤矿将进入到1000m到1500m的深度。

已有一批矿山进入深部开采，如沈阳采屯煤矿、开滦赵各
庄矿、徐州张小楼矿、北漂冠山矿、新汶孙庄矿、北京门
头沟矿、长广矿，以及平煤部分矿井等的开采深度在2006 年已经超过了1000m。
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1.2 河南省深部开采现状

平煤集团现有31对矿井，垂深大于800m的采掘工作面36个，这些深 采矿井的年产量占集团公司总产量的30%，并以20~25m/a的速度向 地下深部延伸，随着时间的推移，深部超高地压开采所占的比重将 进一步提升； 鹤壁、荥巩等矿区浅部资源基本开采殆尽，深部煤炭资源储量虽相 当丰富，但标高都在-600m至-1500m之间； 永城煤电目前逐渐转入600m以下的开采深度； 义煤集团的冲击地压问题由来已久，进入深部后该问题更加严重， 跃进煤矿采深已达1000余米； 郑煤集团目前也逐渐转入埋深600m以下； 深部煤炭资源储量丰富，地质工作者就新提交埋深1500米煤炭资源 量100亿吨以上。

第四十条
区域防突措施应当优先采用开采保护层。
我国《煤矿安全规程》第192条规定：“对于有突出危险煤层，应采取 开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”。

第193条规定：“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防 治突出措施”。

第198条规定：“开采保护层时，应同时抽采被保护层瓦斯”。



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1.3 深部开采面临的主要问题


高地应力
仅重力引起的垂直原岩应 力通常就超过工程岩体的抗 压强度(20 MPa); 工程开挖所引起的应力集 中水平则更是远大于工程岩 体的强度(>40 MPa) 构造应力或残余构造应力 使应力大大提高
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1.3 深部开采面临的主要问题
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2. 区域瓦斯治理


瓦斯治理措施的发展
探索阶段。 20世纪50~80年代，主要摸清煤与瓦斯突出规律，引进消
化和吸收国外煤与瓦斯突出防治技术和经验，研究适合中国特点的煤 与瓦斯突出预测方法和突出防治工程方法。

局部措施为主阶。20世纪80~90年代末，主要贯彻落实“四位一体”
综合防突措施，以1988年《防治煤与瓦斯突出细则》出版和1995年的 修订为代表，研究重点是煤与瓦斯突出危险性预测方法与预测指标， 同时兼顾突出防治工程方法的深化研究。
开采保护层分为上保护层和下保护层两种方式。 预抽煤层瓦斯可采用的方式有：地面井预抽煤层瓦斯以及井下穿层钻孔或顺 层钻孔预抽区段煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔或穿 层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区 域煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯等。 预抽煤层瓦斯区域防突措施应按上述列举的各类方式的优先顺序选取，或一 并采用多种方式的预抽煤层瓦斯措施。
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保护层开采应注意的问题

开采保护层时应同时抽采被保护层的瓦斯；
开采近距离保护层时，必须采取措施防止被保护层初期卸压瓦斯突然 涌入保护层采掘工作面或误穿突出煤层；

正在开采的保护层工作面必须超前于被保护层的掘进工作面，其超前
距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m；
斯治理战略目标，目前已基本实现这一目标;

阳泉煤业集团在超远距离保护层成功开采实践的基础上，2007年明确提出 全面调整矿井采掘部署，改变开采层序，为实施保护层开采及卸压瓦斯抽 采创造条件。
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3. 保护层开采技术

保护层开采是最经济有效的煤与瓦斯突出以及冲击地压动力灾害防治
措施；


高瓦斯含量、压力
随着煤矿采深的增加，瓦斯含量和瓦斯压力迅速增加，并
造成瓦斯灾害事故的频繁发生;

近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤矿 事故70%出现在中国采深600m以下的矿井;

深部煤层松软，煤层的透气性差（透气性系数0.0001～
0.0061mD）,深孔钻进困难，瓦斯预抽效果较差;

开采保护层时，采空区内不得留有煤(岩)柱。 保护范围的确定：（防突规定）第48条 保护层和被保护层开采设计
依据的保护层有效保护范围等有关参数应根据试验考察确定，并报煤 矿企业技术负责人批准后执行。
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保护范围确定
δ δ
2
δ
1
4
δ
α
3
A—保护层；B—被保护层；C—保护范围边界线 保护层工作面沿倾斜方向的保护范围
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保护范围确定
若保护层采煤工作面停采时间超过3个月、且卸压比较充分，则该保护层采 煤工作面对被保护层沿走向的保护范围对应于始采线、采止线及所留煤柱边 缘位置的边界线可按卸压角 56°～60°划定。
的无突出危险煤层的，除因突出煤层距离太近而威胁保护层工作面安
全的或可能破坏突出煤层开采条件的以外，必须首先开采保护层。

有条件的矿井也可将软岩层作为保护层开采； 当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时，应综合比较分析，择优开采 保护效果最好的煤层； 当矿井中所有煤层都有突出危险时，应选择突出危险程度较小的煤层作 保护层先行开采，但采掘前必须按本规定的要求采取预抽煤层瓦斯区域 防突措施并进行效果检验； 应优先选择上保护层。在选择开采下保护层时，不得破坏被保护层的开 采条件。

突出危险程度大，发生冲击和有冲击危险的矿井数量逐年增加，突出 事故规模和发生次数呈上升趋势，灾害治理困难 ；
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2. 区域瓦斯治理


区域瓦斯治理措施和局部瓦斯治理措施
第五条 煤矿企业、突出矿井应当根据突出矿井的实际状况和条件制定具体 的区域综合防突措施和局部综合防突措施。

局部措施是在煤与瓦斯突出煤层采掘工作面前方局部区域内采取防突措施，
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2. 区域瓦斯治理


区域性治理与局部治理并重阶段。
自本世纪初开始，淮南矿业集团在长期瓦斯治理经验总结的基础上， 提出了“可保尽保，应抽尽抽”的瓦斯治理战略．

2005年3月国家发展改革委、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿
安全监察局在总结淮南、阳泉、平顶山、松藻等煤矿瓦斯治理经验的 基础上，编写了《煤矿瓦斯治理经验五十条》，在瓦斯治理的基本思 想中明确提出区域性治理与局部治理并重，实施“可保尽保，应抽尽 抽”的瓦斯治理战略。并在第33条中明确提出：“强制开采保护层， 做到可保尽保，并抽采瓦斯，降低瓦斯含量”。第35条中提出：“顶 、底板穿层钻孔掩护强突出煤层掘进”。
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保护层
被保护层
地表
1#
下保护层 上保护层 远距离保护层
保护层
首采煤层
被保护层 3#
近距离保护层
4# 5# 6#
保护层开采防治瓦斯突出机理
地表 弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带 冒 落 带 底 鼓 破 碎 带
机巷
风巷 首采煤层
保护层的选择

在突出矿井开采煤层群时，如在有效保护垂距内存在厚度0.5m及以上

平煤集团实现“四个转变”：即由措施型向工程型转变、由局部治理向区
域治理转变、由生产过程的被动治理向超前治理转变、由单独抽采向综合 利用转变。

淮南矿业集团在“可保尽保，应抽尽抽”瓦斯治理战略目标的基础上，
2006年全面实施岩巷计划，为区域性瓦斯治理创造条件;

淮北矿业集团2006年明确提出，“区域性治理为主，局部治理为辅”的瓦

区域瓦斯治理是煤与瓦斯突出和冲击地压防治观念和治理技术路线的重大
转变，具有战略意义。

为了应对日趋严重的煤与瓦斯突出灾害，人们越来越清醒地认识到，在现 有技术条件下，区域性瓦斯治理是技术的首选;

许多矿业集团结合自身特点，制定了区域性瓦斯治理战略并付诸实施;
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2. 区域瓦斯治理
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1.3 深部开采面临的主要问题


5个力学特性转化特点
围岩应力场的复杂性 围岩的大变形和强流变性特性 动力响应的突变性 深部岩体的脆-延转化 深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性
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1.3 深部开采面临的主要问题


6大灾害表现形式
瓦斯超限、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸 岩爆频率和强度均明显增加 采场矿压显现剧烈 突水事故趋于严重
1.3 深部开采面临的主要问题


高岩溶水压
在采深大于1 000 m的深部，其岩溶水压将高达7 MPa ，甚至更高;


岩溶水压的升高，使得矿井突水灾害更为严重;
焦煤、平煤、郑煤等都面临着深度突水隐患的威胁；
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1.3 深部开采面临的主要问题



高地温
越往地下深处，地温越高; 地温梯度一般为30~50℃／km不等，常规情况下的地温 梯度为30℃／km;
经效果检验确认，消除该局部区域的突出危险性，形成防止突出的安全带后 ，在留有足够超前距的条件下，可在安全带内进行采掘作业。
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2. 区域瓦斯治理

区域防突措施
四十五条 区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前，对突出煤层较 大范围采取的防突措施。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦
斯两类。
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2. 区域瓦斯治理


区域防突措施先行、局部防突措施补充。
第六条 防突工作坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则 。未采取区域综合防突措施并达到要求指标的，严禁进行采掘活动，做到
“不掘突出头，不采突出面”。
区域防突工作应当做到“多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标”。