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1、煤与瓦斯共采技术在大型煤矿建设中的应用唐永志一、问题的提出在我国煤矿,高瓦斯矿井安全高效开采是世界性难题,淮南矿区是该类条件的典型代表。矿区煤层赋存为高瓦斯煤层群（918层可采煤层），根据层间距的大小自下而上分为A、B、C、D、E五组,主采煤层C13、BH.B8、B4均为强突出煤层。其中13T煤层属于C组煤层,平均厚度4.5m,煤质优良,但瓦斯含量大,突出危险性严重煤层赋存的地质条件极为复杂,煤层瓦斯含量高（1236m3t）,煤体极松软（坚固性系数f为O.20.8）,煤层透气性低（渗透率为O.OOlmD）,煤层瓦斯压力大（高达6.2MPa）,随着逐步向深部开采,矿井开采深度将以每年20m以上的
2、速度下延,矿区瓦斯涌出量将以每年100m3min的幅度递增,2008年达到940m3min0目前,淮南区内新建矿井多为深井开发,首采区多在距地表800m以下深度;大部分生产矿井的开采深度已达-700-1000%且开采深度正以每年2025m的速度增加。1997年前,煤层开采程序自上而下,不能实现卸压开采,首采煤层即为高瓦斯强突出的主采煤层,瓦斯事故频发、工作面受瓦斯制约生产效率低下,仅采用传统的本煤层瓦斯抽放技术和方法,不能解决松软低透气性煤层群安全开采的瓦斯治理难题;矿井设计的井筒服务半径达56km,矿井通风阻力高达5100Pa,抗灾能力差；因此,淮南矿区必须创新矿井设计理念和瓦斯综合治理技术
3、。实现大型矿井的安全高效开采。二、低透气性煤层群卸压开采程序煤层群开采时首先选择瓦斯含量较小、突出危险性较低的煤层作为首采卸压层,确保现有的瓦斯治理技术能够满足首采卸压层的瓦斯治理需求,实现首采卸压层安全开采。针对淮南矿区具体条件的煤层群开采程序,首采面选择开采卸压层,优先采取自上而下的下行开采顺序;若无上卸压层可采,且首采下邻近层能满足上部煤层开采条件不被破坏,也可采用上行开采程序。为解决煤层高瓦斯及瓦斯突出问题,在煤层群条件下,采用煤层底板和顶板岩石集中巷布置，以利于煤层瓦斯抽采;在采取抽采瓦斯的同时,打破以往“先厚后薄、自上而下”的开采程序,选择低瓦斯薄煤层作为卸压层开采,一方面使高瓦斯
4、厚煤层瓦斯得以有效释放,实现高瓦斯煤层的消突和安全开采,为大幅度提高工作面单产创造条件,另一方面开采薄煤层可使采区煤炭回收率提高10%左右。淮南矿区选择开采11-2煤层上向卸压13-1煤层,选择开采B8煤层下向卸压B6煤层,选择开采BIO煤层上向卸压Bllb煤层,选择开采C15煤层下向卸压C13煤层等都获得了成功。在11-2煤层缺失的区块,开采下部150m的B8煤层上向卸压，均获得了良好的效果,形成了开采间距70150m煤层远距离上向卸压。基于下向卸压的影响范围较小,当层间距较大时,需要多重开采上部煤层循环卸压才能使被卸压的煤层得到充分卸压。选择薄煤层作为首采卸压层能够提高卸压煤层的开采量,淮
5、南矿区凡是厚度达到0.6m的煤层都作为首采卸压层,实现卸压效果最大化。通过首采层卸压开采,对邻近被卸压煤层瓦斯的高效抽采,实现了被卸压突出煤层快速消突,高瓦斯煤层转变为低瓦斯状态下开采。三、矿井开拓布局调整为实现首采卸压层开采对高瓦斯突出煤层的充分卸压,满足矿井卸压开采的需要,矿井井筒及开采水平必须布置在首采煤层的底板,规避和减少强突出煤层的揭煤次数和时间,缩短矿井建设工期,迅速打开首采层采区,首先开采卸压层,对邻近高瓦斯突出煤层卸压,形成卸压层与卸压后的被保护主采煤层的配采,实现矿井的长期均衡生产。井筒是矿井安全生产系统的重要通道,井筒距离采掘作业地点超过某一极限距离,会造成矿井安全生产系统
6、不稳定,系统能力降低,这一距离可称为井筒安全开采半径。大量现场实践表明，淮南矿区采矿地质条件下的井筒安全开采半径小于4km。采用“分区开拓、分区建设、分区通风”。如张集矿井分中央区、北区和东区三个分区,顾桥矿井分中央区、南区,潘北矿井分东区、西区,望峰岗矿井分中央区、南区和北区等,每个分区各自建立相对独立的安全生产系统。四、卸压开采抽采、煤与瓦斯共采技术采取卸压开采增加煤层透气性、“抽采”瓦斯的原理,变传统瓦斯自然排放为集中“抽采”，实现卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的科学构想;提出了在煤层群中选择安全层首先开采,形成岩层移动、煤层膨胀卸压,使邻近煤层中80%以上的瓦斯由吸附状态解吸为游离状态
7、,在被卸压煤层顶底板预先布置巷道、钻孔抽采卸压瓦斯,在百余个工作面的现场工业性试验取得成功首采层开采。在卸压开采抽采瓦斯技术成功的基础上,在深部矿井开采过程中存在瓦斯抽采巷道、钻孔工程量大等带来的突出问题。2004年又开展了低透气性煤与瓦斯突出煤层群开采走无煤柱沿空留巷Y型通风煤与瓦斯共采无煤柱煤与瓦斯共采关键技术研究,在首采煤层采煤工作面采用无煤柱沿空留巷,替代顶底板瓦斯抽采岩巷、变传统U型为Y型通风方式、在留巷内设计钻孔连续抽采采空区瓦斯。实现了无煤柱煤与瓦斯共采技术的重大突破。卸压开采煤与瓦斯共采在淮南矿区取得成功,实现了卸压层间距达50倍采高，突破了30倍采高的传统理论。五、煤与瓦斯共
8、采工程技术体系（一）开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔或巷道抽采瓦斯技术首采煤层开采工作面的瓦斯主要来源于本煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。由于煤层松软,透气性低,顺层钻孔施工困难,抽采效果极差。根据矿山岩层移动理论,煤层在开采过程中，顶底板岩层冒落、移动,产生裂隙,开采煤层和卸压煤层内的瓦斯卸压、解吸。由于瓦斯具有升浮移动和渗流特性,来自于大面积的卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到裂隙充分发育区，即汇集到环形裂隙圈内，在环形裂隙圈内形成瓦斯积存库。把抽采钻孔和巷道布置在环形裂隙圈内，能够获得理想的抽采效果。从而避免采空区瓦斯大量涌入到回采空间。根据矿区39个采用顶板环形裂圈内走向长钻孔或巷道抽采工
9、作面的瓦斯抽采量考察结果,工作面瓦斯抽采率均在50%以上。(二)开采远距离煤层上向卸压瓦斯抽采技术针对淮南矿区主采煤层(C13)有近50%的区域具有远程开采卸压的条件,研究与掌握区域性大幅度提高主采煤层透气性与卸压瓦斯流动规律并有效地抽采其卸压瓦斯的方法与参数是实现主采煤层根治瓦斯灾害并实现安全、高效集约化生产的技术关键。距主采煤层近70m的下部煤层(BII)瓦斯含量较小。首先对其进行开采煤层的回采,利用远程采动卸压和煤岩层弯曲下沉变形破裂使透气性成千倍增加的作用，使主采煤层瓦斯大量解吸。但由于层间距较远,层间岩性致密,主采煤层及其下部30In范围内的煤岩层处在开采煤层回采形成的弯曲下沉带内。
10、该带内形成的裂隙多为顺层张裂隙,瓦斯穿层流动困难。为此在主采煤层底板10-20m的花斑粘土岩和砂岩中布置了一条底板抽采巷,在抽采巷内向主采煤层打网格式上向穿层钻孔,使解吸瓦斯沿顺层张裂隙向抽采钻孔流动,即“卸压煤层底板岩巷和网格式上向穿层钻孔远程卸压法”抽采瓦斯。与未采取卸压瓦斯抽采的综采开采工作面相比,工作面平均产量由原来的1700td提高到5100td,达到了原来的3倍;相对瓦斯涌出量由原来的25m3t降低到5.0m3t,降低了4/5。按试验工作面的瓦斯抽采能力和通风能力计算,工作面平均生产能力可达7000tdo（三）开采近距离煤层下向多重卸压瓦斯抽采技术淮南矿区各煤组、各煤层之间距离、岩
11、性差别较大,除了对开采层上部的上卸压层进行瓦斯抽采以外，下部还有近、中、远距离的46层可采煤层。这些煤层的瓦斯含量大、透气性低,直接预抽的难度非常大,因而,在对瓦斯涌出量较小的B8煤层（称开采层或上保护层）进行开采的同时,利用对下部煤层的卸压、增透作用，提高下部煤层（称下卸压层）的瓦斯抽采效果。为实现这一技术途径,一是要开采对下部有卸压影响的煤层,二是应根据各卸压层的不同卸压效果设计不同的抽采方式、参数和抽采时机，以便使抽采工程既能满足瓦斯治理的要求,又经济合理。利用B6和B4煤层之间的岩石运输巷道向上打钻孔,穿过B6到达B7煤层；同时,在补充的一条抽采巷道内同时向上部的B6、B7煤层和下部的
12、B4煤层打钻;而利用B4煤层底板的岩石巷道向B4煤层打少量钻孔，以控制下部范围的B4煤层,见图6。对几个上部煤层多重开采的分析,发现当多重开采上部煤层时,下部的煤层经过多次卸压（尽管卸压并不一定充分），瓦斯得到多次释放,煤层的残余瓦斯压力将比开采单一上部煤层时的常规情况要低,多重开采上部煤层比开采单一煤层卸压效果更好。（四）地面钻孔抽采采动影响区域及采空区瓦斯技术地面采空区钻孔的设计目的在于在得到一个高效的地面采空区钻孔抽采系统，该系统能更多地抽采高浓度的瓦斯,并使采空区自燃的风险最小。这需要依据设计规范对地面钻孔进行优化设计,并对钻孔进行精心施工和优化处理。现场考察结果表明，地面钻孔单孔抽采
13、瓦斯量最高达22190m3d,平均14943m3do抽采瓦斯浓度达到95%,单孔年抽采瓦斯量300万m3。在采动影响区域,地面钻孔单孔抽采半径500mo（五）无煤柱煤与瓦斯共采技术1、无煤柱煤与瓦斯共采技术原理首采关键卸压层,沿采空区边缘沿空留巷实施无煤柱连续开采,通过快速机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来,沿空留巷与综采工作面推进同步进行,在留巷内布置上（下）向高（低）位钻孔,抽采顶（底）板卸压瓦斯和采空区富集瓦斯,工作面埋管抽采防止采空区瓦斯大量向工作面涌出，以留巷替代多条岩巷抽采卸压瓦斯,大大减少岩巷和钻孔工程量,实现煤与瓦斯安全高效共采。2、工作面通风系统Y型通风系统巷道布置要求在
14、采煤工作面开切眼侧构成回风系统,根据采区巷道布置条件,矿井设计和采区设计要做到早谋划早统筹。在做采区设计时,在采区边界同时布置一条回风上山，采区各工作面在切眼位置施工回风联巷与边界回风上山连通,形成Y型通风道。3、工程实践效果淮南矿区新庄孜矿、顾桥矿、谢桥矿等8对矿井及皖北、铁法等矿区采用无煤柱煤与瓦斯共采技术安全回采24个工作面,瓦斯抽采率48%95%.解决了深井高瓦斯、低渗透率、高地应力等复杂地质条件矿区煤与瓦斯共采的技术难题。顾桥煤矿1115（1）综采面采用无煤柱沿空留巷Y型通风卸压开采,创造了深井复杂地质条件下沿空留巷综采月产36万吨,采区瓦斯抽采率70%以上的纪录。六、结束语淮南矿区
15、应用采动卸压抽采瓦斯技术成果,针对矿区煤层群及瓦斯赋存特点，提出了改变采场布置和煤层群开采程序,施行卸压开采增加煤层透气性和提高治理瓦斯效果的技术路线,在我国高瓦斯低透气性矿区,进行了系统的卸压开采“抽采”瓦斯理论研究,建立了卸压开采“抽采”瓦斯、煤与瓦斯共采的安全高效开采工程技术体系,实现了低透高瓦斯煤层群突出煤层的安全高效开采。淮南矿区应用上述成果,实现了安全高效开采。2008年与1998年以前相比，采煤机械化程度由30%提高到85%,采煤工作面个数由70个减少为35个,煤炭产量由1000万吨增加到近6000万吨;综采工作面最高年产由60万吨增加到500万吨；矿井、采区、工作面资源回收率分别达到70%、85%、95%,创行业领先水平。瓦斯抽采量由1000万m3增加到2.5亿m3,抽采率由5%提高到48%,百万吨死亡率由4.01降低到0.1左右,达到世界先进水平。随着矿井开采深度的增加,煤层和岩层的性质都会发生变化,我们将会继续关注埋深TOOOm及以下煤层开采过程中的高瓦斯、高地温、高地压科学技术问题,继续研究、探索煤矿深井开采面临的许多新的技术难题。
