低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術

低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術
張農
中國礦業大學礦業工程學院
1、技術背景
我國大多數礦區地質構造複雜，煤岩鬆軟，煤層具有高瓦斯、低透氣性、高吸附性的特點，從安全開采角度看，應先采瓦斯，將煤層轉到低瓦斯狀態再開采煤炭。在現有技術工藝條件下，難以實施地麵直接預先抽采，井下布置巷道及抽采鑽孔，預抽原始瓦斯效率也很低，通常需要10~20年才能達標。
1998年以來，淮南礦區聯合科研院所開展了卓有成效的研究，形成了卸壓開采抽采瓦斯的理論、技術體係：首采關鍵層，使上下臨近的低透氣性高瓦斯煤層通過充分卸壓增加煤層透氣性，變吸附瓦斯為遊離瓦斯，在采動區預先布置巷道和鑽孔抽采被卸壓煤層的卸壓瓦斯（見圖1），並形成完整的技術體係，實現了高瓦斯煤層在低瓦斯狀態下安全開采。該技術成果在全國多個煤礦區得到成功應用，但存在岩巷及鑽孔工程量大、成本高、周期長、抽采效果差等問題。特別是近年淮南礦區整體進入600～800 m深部開采以後，瓦斯升級、地壓、地溫問題日益突出，實施岩巷瓦斯治理工程十分困難、存在安全隱患。
在卸壓開采抽采瓦斯技術的基礎上，將瓦斯治理、巷道支護、煤炭開采、工作麵降溫等安全技術難題統籌考慮，提出了無煤柱煤與瓦斯共采的科學構想：采用首采層無煤柱沿空留巷，替代預先布置的專用瓦斯抽采岩巷，改變U型通風方式為Y型或H型通風方式，在留巷內布置鑽孔連續抽采采空（動）區卸壓瓦斯的技術路線，開展低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采理論、方法和技術研究。為此需要在如下幾點取得技術突破：
（1）創新深井強采動鬆軟大斷麵煤層巷道圍岩控製技術。淮南礦區煤層硬度係數0.3~0.8，采深多處於600~800 m範圍，原始地應力水平和圍岩單軸抗壓強度相當，特別是在采動期間應力集中係數達3~10倍，深部鬆軟煤巷必將經受強采動動壓影響，采用U型鋼支護累計變形將達到1500~2000 mm以上，U型鋼嚴重變形，根本不具備留巷條件，國內尚無類似條件成功留巷、並能二次使用的先例；德國使用重型U型鋼支架配合壁後充填技術，噸煤開采成本達到800~1200元，依賴於政府補貼來維持煤炭生產，不適合我國國情。我國已形成了以錨杆支護為基礎的煤巷支護體係，采用以錨杆支護為基礎的方式成功解決了U型通風條件下的煤巷支護技術，並得到廣泛應用，這種支護方式具有及時、主動控頂，整體加固、安全可靠、成本低的優點，也為進一步創新強采動留巷支護技術、並從理論和技術上解決錨杆支護狀態下留巷圍岩的穩定性和安全可靠性難題奠定了基礎。
（2）研製新型高承載能力的充填材料。現有高水類、水泥混凝土等充填材料不能滿足深井鬆軟煤層條件留巷強動壓作用下對留巷牆體強度和可縮性要求，國際上也沒有強度高（30 MPa）、密閉性好、可遠距離輸送(800m以上)，且具有一定的可縮性和再膠結性的充填材料。
（3）沿空留巷Y型通風模式下，采空區頂板的裂隙場發育及演化規律、瓦斯流場及彙集規律、鑽孔布置及瓦斯抽采方式等有關理論、技術和方法等研究在國內外都很不成熟。
（4）我國綜采工作麵生產能力已達到300~500萬噸，現有留巷充填工藝係統能力低、裝備機械化程度低，不能與綜采工作麵生產能力相匹配，必須集成創新快速自移的充填模板支架、早強速凝充填材料機械化的泵送充填係統；國外的風力充填係統投資大、係統可靠性差，製約了工作麵的生產能力（僅年產150萬噸），不能適應我國的采煤麵生產能力。因此需要創新遠距離大能力快速充填工藝係統，研製集成專用裝備。
2、留巷鑽孔法煤與瓦斯共采方法與理論
提出深井首采關鍵卸壓煤層無煤柱沿空留巷Y型通風煤與瓦斯共采技術新思路，創立留巷鑽孔法煤與瓦斯共采新方法：根據煤層群賦存條件，選擇安全開采可靠的煤層作為首采關鍵卸壓層開采，沿采空區邊緣沿空留巷實施無煤柱連續開采，在留巷內布置上、下向高、低位鑽孔，抽采頂底板卸壓瓦斯和采空區富集瓦斯的煤層瓦斯開采技術；並通過創新快速構建沿空留巷巷旁充填牆體技術，實現與綜采工作麵同步推進的煤與瓦斯高效共采的開采方法，其原理如圖2，替代了多岩巷的抽采卸壓瓦斯的煤與瓦斯共采技術體係。
通過實驗研究揭示出煤層群首采關鍵卸壓層開采後，采動影響區內頂底板岩層裂隙的動態演化規律、Y型通風采空區的空氣壓力場分布和卸壓瓦斯運移規律，首采關鍵卸壓層開采後，上覆岩層豎向形成三帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，采空側冒落帶岩體呈不規則堆積，規則冒落帶和裂隙帶中頂板岩層產生卸壓膨脹，采空側空隙分布呈“O”型，采空區瓦斯易於富集在上部采動冒落空隙區；首次發現采空區側存在“豎向裂隙發育區”，並和不規則冒落帶相連通，為圍岩卸壓瓦斯和首采煤層工作麵采空區積聚的瓦斯提供良好的儲集場所。彎曲下沉帶內煤體發生膨脹變形，煤層離層裂隙發育，煤層的透氣性顯著增加，處於彎曲下沉帶遠程豎向卸壓區的煤層中富含高壓卸壓瓦斯，為遠程卸壓抽采瓦斯提供了良好的通道。這些研究為卸壓瓦斯抽采鑽孔的布置提供了理論依據。
3、創新3項留巷鑽孔煤與瓦斯共采技術
第一項技術：深井強動壓沿空留巷圍岩結構穩定性控製技術
課題基於大量現場礦壓實測和三維數值模擬03manbetx 得出沿空留巷存在明顯的階段性礦壓特征，研究指出不能簡單地描述沿空留巷處於低值應力區，而是要經受一個強采動的應力調整期，這一時期留巷幫頂出現顯著的剪切應力集中，合理的巷內支護形式應克服這種剪切破壞，抗剪切能力強的新型高性能錨杆組合支護配合新型巷內輔助加強支架，具有很好的適應性。
課題基於采空區側向頂板運動和垮冒特征的物理模擬和理論03manbetx 揭示出沿空留巷內外層結構穩定規律；長壁工作麵自開切眼向前推進一段距離後，懸露的基本頂關鍵塊體出現斷裂，斷裂線相互貫通，塊體沿斷裂線回轉、下沉進而形成結構塊，接觸矸石後形成能夠自穩的沿空留巷外層結構。沿空留巷內層支護圍岩小結構如果隻由巷道周圍錨杆支護、巷旁充填牆體構成，該結構將在外層大結構形成過程中受到強烈的破壞，在應力調整期中不能自穩，由此提出階段性輔助加強的創新思路，形成巷道組合錨杆支護、巷旁充填牆體、巷內輔助加強支架“三位一體”的沿空留巷圍岩整體支護原理和一套新型“三高”錨杆支護及自移式主動強力控頂支架輔助補強的留巷支護技術體係，采用抗剪切性能的超高強度、高預緊力、係統高剛度為核心的“三高”錨杆支護技術，選擇超強杆體、高剛度護網、超大托盤、超強大扭矩阻尼螺母，實施大扭矩高預應力，維持錨杆的荷載，提升主動承載能力，並向圍岩擴散，形成高強主動高阻穩定的錨杆支護圍岩承載結構，控製變形效果十分顯著。
研發新型巷內輔助加強支架，形成係列產品，成功地解決了深井強采動動壓影響期巷道圍岩穩定控製問題。
第二項技術：巷旁充填材料研製與快速留巷充填工藝係統集成創新
成功研製了適宜井下高程變化，具有早強、高增阻、可縮性且可遠距離泵送施工的大流態、自密實的新型CHCT型充填材料，其基本組分為水泥、粉煤灰、粗、細骨料、複合泵送劑、複合早強劑和水等。配比範圍：水泥為10~30%、粉煤灰為7~40%、石子為15~40%、砂為15~30%、水為10~30%；材料性能：充填料漿塌落度120～260 mm，可實現遠距離泵送，最長水平泵送距離達1200 m，泵送入模後自密實；充填結束後2~3 h可脫模；1 d、2 d、3 d、7 d、28 d抗壓強度分別可達5 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa和28 MPa；具有良好的壓縮變形性能，壓縮率5~10%，殘餘強度可達極限抗壓強度的35~60%。該材料實現了多套組合配方，能根據不同的礦壓顯現規律和巷道變形特性要求配製，具有良好的承載特性和變形性能且適宜遠距離泵送施工，並形成了多種不同產能的工業化生產模式。
研發了集裝箱式機械化卸料及上料係統、強支撐自移模板液壓充填支架，集成創新了充填材料遠距離輸送係統和機械化快速構築充填牆體工藝係統。自主研發成套充填模板支架，具備機械化上料、機械立模、高阻帶壓整體自移，日推進度達11 m，實現了快速留巷，滿足了工作麵快速回采的要求。充填模板支架包括巷旁充填側模板支架、巷旁充填後模板支架、支架牽引掛外側模板三部分組成。選用德國普茨邁斯特BSM1002-E混凝土泵，該泵最大理論輸送能力15 m3/h，最大理論輸送壓力100 bar，骨料最大粒徑8 mm，實現了遠距離（≥800 m）連續泵送，操作工藝可靠。
第三項技術：留巷鑽孔瓦斯抽采技術
1）首采關鍵層頂板采空區富集瓦斯抽采技術：在沿空留巷內布置傾向抽采瓦斯鑽孔，如圖2中的1#鑽孔，鑽孔布置在采空區上方的卸壓豎向帶狀裂隙區，抽采采空區解吸遊離瓦斯，包括來自開采層和卸壓層通過采動影響形成的裂隙通道彙集到采空區上部豎向帶狀裂隙區內的解吸遊離瓦斯，卸壓豎向帶狀裂隙區位於采空區頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內。在留巷內保持6~8個采空區抽采瓦斯管道與留巷內的抽采主管道連通，抽采Y型通風壓力場驅動下在留巷後部20~80 m內的采空區內部富集的大量高濃度瓦斯，該項技術利用首采關鍵層留巷抽采瓦斯鑽孔替代了首采層頂板高位抽采巷道，節省了首采關鍵層頂板岩石抽采巷，工程量大大減少。
2）大間距上部遠程煤層膨脹卸壓瓦斯抽采技術：淮南礦區煤層賦存為煤層群，首采關鍵卸壓煤層後，卸壓層傾向卸壓範圍向頂板方向發展的高度達到130~150 m，卸壓保護區上部卸壓煤層透氣性係數增加數千倍；但遠程卸壓煤層與首采卸壓層中間有致密隔氣性較好的泥岩，上部大間距遠程卸壓煤層中的富含高壓解吸瓦斯仍儲集在煤層中。傳統的卸壓開采抽采瓦斯技術是在被卸壓煤層的底板布置一條岩石巷道和抽采鑽孔，抽采上部大間距遠程卸壓煤層中的解吸瓦斯。而煤與瓦斯共采則是在留巷內直接向大間距頂板遠程煤層卸壓區內施工穿層抽采瓦斯鑽孔，如圖2中的2#、3#孔，圖4中的6#孔，抽采鑽孔直接穿過上部遠程卸壓煤層，傾向穿層抽采瓦斯鑽孔的傾角小於采動卸壓角。由沿空留巷中施工的上向傾向抽采瓦斯鑽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。該項技術通過留巷內上向穿層鑽孔替代遠程卸壓煤層底板岩石巷及在該巷中布置的大量上向穿層鑽孔（如圖1），工程量大大減少。

3）煤層群多層開采底板卸壓瓦斯抽采技術：淮南礦區煤層群條件下，首采關鍵卸壓煤層，傾向卸壓範圍向底板方向發展的深度為80~100 m，在卸壓保護區下部卸壓煤層透氣性係數增加數百倍，底板裂隙發育區的卸壓瓦斯通過豎向裂隙與采空區貫通，上浮運移至采空區，沒有顯著的瓦斯富集區。但在底板致密隔氣性較好的泥岩之下的遠程卸壓煤層中存在高壓富集瓦斯，在留巷內布置下向抽采瓦斯鑽孔直接穿過下部卸壓煤層，如圖2中的4#、5#孔，圖4中的10#孔抽采底部卸壓煤層的解吸瓦斯，可連續高效抽采高濃度瓦斯。該項技術通過留巷內下向穿層鑽孔替代遠程卸壓煤層底板岩石巷及在該巷中布置的上向穿層鑽孔，實現下向連續卸壓抽采，節省底板卸壓煤層抽采瓦斯岩石巷和大量的抽采鑽孔（如圖1），工程量大大減少。
沿空留巷Y型通風方式，在留巷鑽孔法抽采采動卸壓瓦斯基礎上，通過工作麵上、下進風巷風量和留巷段采空區抽采量的調節，改變了采空區流場結構，消滅了上隅角，杜絕了瓦斯超限02manbetx.com ，保證工作麵上隅角瓦斯濃度處於安全允許值以下的較低值。同時可以連續抽采采空區高濃度的卸壓瓦斯，實現了瓦斯抽采最大化和瓦斯利用的最大化，開創了煤與瓦斯共采、安全高效開采的新模式。
4、工程實踐取得顯著效果
淮南顧橋礦、新莊孜礦、皖北臥龍湖礦等成功地開展了係統的工業性試驗，取得顯著的社會、技術和經濟效益：1）把瓦斯當成一種資源，實現了煤與瓦斯共采，實現了瓦斯抽采的最大化，工作麵瓦斯抽采率從10%增加到70%；顧橋礦創造了深井複雜地質條件下沿空留巷綜采月產36萬噸的國際同類條件最高水平，采煤工作麵瓦斯抽采率70%以上，效益效率顯著提高；2）Y型通風方式消除了上隅角瓦斯積聚和超限02manbetx.com ；3）實現了無煤柱開采，多回收區段煤柱8~20m，提高回采率3~10%；4）節省了至少兩條岩石巷道和一條煤巷，簡化了開采布局和采區巷道係統，通風係統穩定可靠；5）降低了工作麵溫度3~5℃，工人勞動環境大為改善；6）抽采的高濃瓦斯實現了高效利用，實現了節能減排。
特別說明：本項成果是以煤礦瓦斯治理國家工程中心為平台，由淮南礦業集團、安徽建工學院、中國礦業大學、沈陽天安公司、安徽理工大學聯合完成的，獲得2009年度國家科技進步二等獎。