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煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望_袁亮

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煤层气 瓦斯 关键技术 现状 展望 袁亮
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第 41 卷第 9 期煤 炭 科 学 技 术41 92013 年 9 月 2013煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望袁 亮1, 薛俊华1, 张 农2, 卢 平3( 1. 深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室 , 安徽 淮南 232001; 2. 中国矿业大学 矿业工程学院 , 江苏 徐州 221116;3. 安徽建筑大学 土木工程学院 , 安徽 合肥 230601)摘 要 : 介绍了我国井上 、井下煤层气立体抽采和煤与瓦斯共采关键技术体系和发展现状 , 指出根据我国煤炭赋存条件的特点 , 必须坚持井下 、地面综合抽采方针 , 克服煤层气地面抽采技术的不足 , 加大井下卸压抽采和煤与瓦斯共采的力度 。总结概括了当前煤层气井下抽采 、无煤柱沿空留巷墙体构筑 、无煤柱留巷充填材料制备和泵送工艺 、沿空留巷围岩稳定性控制 、沿空留巷瓦斯综合治理等技术的现状和发展趋势 , 得出将地面井抽采和井下抽采相合 , 利用保护层开采卸压效应 , 施工地面钻井穿透被保护层 , 可大幅提高单井抽采效率 , “一井两用 ”或 “一井多用 ”将是未来煤层气开发的必由之路 。关键词 : 煤层气抽采 ; 煤与瓦斯共采 ; 立体抽采 ; 卸压抽采中图分类号 : 献标志码 : A 文章编号 : 0253 -2336( 2013) 09 -0006 -06as 1. 32001, 2. 21116, 3. 30601, of to of of be of be of be of of of of of be in at of be or be of ey 2013 -05 -22; 责任编辑 : 代艳玲基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 ( 973 计划 ) 资助项目 ( 2012 “十二五 ”国家科技支撑计划资助项目 ( 2012者简介 : 袁 亮 ( 1960—), 男 , 安徽金寨人 , 中国工程院院士 , 煤炭开采 、煤矿瓦斯治理专家 , 现任淮南矿业 ( 集团 ) 有限责任公司副总经理 、煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任 、深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室主任 、中国煤炭学会副理事长 、中国岩石力学与工程学会副理事长 。引用格式 : 袁 亮 , 薛俊华 , 张 农 , 等 . 煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望 [ J] . 煤炭科学技术 , 2013, 41( 9): 6 -11, 17.0 引 言根据国家 “十二五 ”煤层气产业发展规划 , 煤层气开发在我国总体上采取井下 、地面抽采 “双管齐下 ”的方针 , 2015 年我国煤层气产量达 300 亿 中地面井原位抽采 160 亿 井抽采 140 亿与发达国家相比 , 我国煤层气储存条件具有“三低一高 ”( 低饱和度 、低渗透性 、低储层压力 , 高6袁 亮等 : 煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望 2013 年第 9 期变质程度 ) 的特点 , 全国大部分矿区煤层渗透率在0. 987 ×10-7~0. 987 ×10-6μ10-4~10-3比美国等低 3 ~4 个数量级 , 此类条件下的煤层气开发是世界性难题 , 直接引进国外煤层气抽采技术难以奏效 , 目前国内地面成井技术稳定性差 , 尚有待发展 , 这是长期以来我国大多数矿区从地面抽采煤层气困难的主要原因 。我国煤炭资源消费量在未来20 年仍将大幅增长 , 到 2030 年将占全球煤炭资源消费总量的 53%, 未来煤与瓦斯共采应成为煤层气井下抽采的重点和优先发展方向 , 笔者针对我国井下煤层气抽采和煤与瓦斯共采的技术体系和关键技术发展方向给出了建议 。1 井下煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术体系随着我国煤炭工业科学技术水平的高速发展 ,针对井下煤层气抽采的技术创新发生了重大改变 ,打破了从上而下的煤层开采顺序 , 选择条件合适的煤层作为首采关键层 , 造成上下煤岩层膨胀变形 , 增加煤层透气性 , 松动卸压 , 同时变传统保护层瓦斯自然排放为主动高强度抽采 , 实现卸压抽采井下煤层气 、煤与瓦斯共采的科学构想 。对于不具备保护层条件开采的单一煤层 , 在卸压煤层顶底板施工专用抽采巷道 、以大范围穿层钻孔实施区域治理 , 实现高瓦斯煤层在低瓦斯条件下的采掘活动 ( 图 1) 。图 1 井下煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术体系在实施井下煤与瓦斯共采的工程实践中 , 围绕沿空留巷和瓦斯综合治理这 2 方面工程 , 开发了沿空留巷墙体构筑技术 、充填材料制备和泵送工艺 、沿空留巷围岩稳定性控制技术 、留巷瓦斯综合治理 4项关键技术 , 从我国目前的情况来看 , 在某些地质条件复杂的矿区 , 随着井田不断延深 , 煤与瓦斯共采将是煤炭和煤层气资源开发利用的必然趋势 , 围绕上述 4 项关键技术的研究和开发应用是井下煤与瓦斯共采的主要发展方向 。2 井下煤层气抽采与煤与瓦斯共采技术的现状和问题2. 1 井下煤层气抽采技术从 1938 年我国抚顺矿务局龙凤矿第 1 次将抽采泵运用于采空区瓦斯抽采以来 , 根据我国各个地区的不同开采条件 , 研究和试验成功了采空区 、邻近层 、本煤层等多种瓦斯抽采方法 。主要包括平行钻孔 、交叉布孔 、穿层网格式钻孔 、穿层钻孔等本煤层瓦斯抽采方法 ; 顶 ( 底 ) 板穿层钻孔 、顶 ( 底 ) 板巷道 、顶板水平长钻孔等邻近层瓦斯抽采 ; 顶板裂隙带钻孔 、埋管抽采 、地面抽采等采空区瓦斯抽采方法 , 并配套研发成功了深孔预裂爆破 、水力割缝 、水力压裂 、水力钻 ( 扩 ) 孔等卸压增透技术 。这些方法在埋深 1 000 m 以上的煤层得到广泛使用 。我国山西晋城地区多为单一煤层 、瓦斯含量大 ,但煤层赋存条件稳定 、裂隙发育 、渗透性较好 , 井上井下均具备良好的煤层气抽采条件 , 因此将井上和井下结合进行联动抽采 , 即煤矿规划区 、开拓准备区 、生产区 “三区 ”联动煤层气立体抽采工艺与配套技术 , 称为 “晋城模式 ”。以淮南矿区为代表的煤层群开采 、透气性差 、地质构造复杂的矿井 , 瓦斯含量高 、煤层突出危险严重 , 产量受瓦斯灾害的影响严重 , 运用上述传统煤层气抽采技术存在瓦斯抽采巷道 、钻孔工程量大 、成本高 、抽采周期长等问题 。而且随着我国矿井加速向深部延深 , 传统巷道煤层气抽采技术无法满足千米深井的瓦斯治理难题 , 迫切需要解决低透气煤层气抽采和深部安全开采面临的技术瓶颈 , 在卸压开采抽采煤层气技术基础上将瓦斯治理 、煤炭开采 、巷道支护 、地温地压治理等安全技术难题统筹考虑 , 从而提出了煤与瓦斯共采的科学构想 。2. 2 煤与瓦斯共采关键技术煤与瓦斯共采就是根据煤层群赋存条件 , 首采关键卸压层 , 采用沿空留巷替代预先布置顶 ( 底 ) 板瓦斯抽采岩巷 , 变传统 U 型为 Y 型通风方式 , 在留巷内布置钻孔连续抽采采动区卸压瓦斯 , 以留巷替代多条岩巷抽采卸压瓦斯 , 实现无煤柱煤与瓦斯安全高效共采 。从 1998 年开始 , 淮南矿业 ( 集团 ) 联72013 年第 9 期煤 炭 科 学 技 术第 41 卷合我国主要产煤企业和科研院所 , 围绕井下煤层气抽采和煤与瓦斯共采的关键技术开展了广泛的合作 , 取得了多项创新性研究成果 , 有力保障了矿井高产高效 , 产能大幅攀升 , 百万吨死亡率降至历史最低水平 , 矿区瓦斯抽采量由 1 000 万 m3/a 提高到 3. 5亿 m3/a, 瓦斯综合利用率由 3% 提高到 70%, 淮南矿区瓦斯治理技术 、管理和理念在行业内产生了重要影响 , 形成了以保护层卸压和高强主动预抽技术为代表的区域性瓦斯治理技术 , 称为 “淮南模式 ”。2. 2. 1 无煤柱沿空留巷墙体构筑技术无煤柱沿空留巷墙体构筑技术经历了煤袋墙人工堆砌 、人工模板 、机械模板 ( 图 2) 、机械框架模板( 图 3) 、吊袋柔模 ( 图 4) 等阶段 , 目前各种墙体构筑技术均有使用 , 各有优点 。多数薄煤层机械开采条件下适用煤袋墙或砌块垒筑 ; 人工模板和吊袋柔模成本低 , 使用灵活方便 , 适用于赋存条件好 、推进速度快 、地应力等灾害程度小的工作面 。图 2 机械模板 图 3 机械框架模板图 4 吊袋柔模机械模板和机械框架模板近年来得到大规模推广使用 , 其主要优点在于模板充填对工作面生产影响较小 , 能够实现采煤 、充填互不干扰 , 可反复回收使用 , 作业人员工作强度低 、安全程度高 , 且该装备机械化程度较高 , 能和综采装备配套 , 与生产装备形成有机整体 , 近年来在两淮矿区 , 铁法 、晋煤等矿区得到了较好的应用 。汾西矿业中兴煤矿厚层复合顶板 、山西华晋焦煤沙曲煤矿 4. 2 m 大采高工作面等采用框架模板构筑充填墙体 , 日产量达到 9 000 t 以上 , 留巷效果良好 , 但该装备一次投入较高 , 且目前在综放工作面尚无法装备使用 。与上述留巷墙体构筑技术相对应的 , 是不同的充填工艺流程 , 机械模板充填和柔模充填的区别主要在于 , 前者需要拆模自移 , 而后者无需拆模 , 但后者需要人工提前支模 。墙体构筑工艺要与工作面回采速度匹配 , 保证沿空留巷巷旁充填墙体紧随工作面及时构筑 , 避免影响工作面推进速度 。2. 2. 2 无煤柱留巷充填材料制备和泵送工艺1) 高水充填材料制备和泵送工艺 。国内目前使用的主要充填材料有高水充填材料和膏体混凝土充填材料 。高水材料在英国试验成功后 , 在我国发展迅速 , 该材料由甲料 、乙料 2 部分组成 , 按 1∶ 1 的比例配合使用 。甲料 、乙料单独与水混合 24 h 不凝结 , 一旦相互混合则快速凝结硬化 , 根据高水充填材料与水灰比的关系 , 调节水灰比改变充填体抗压强度 , 一般为 8 ~12 可满足多种强度要求的工程需要 。高水材料充填体凝固后 , 可切断直接顶及下位部分基本顶岩层 , 减少充填体载荷 , 并且该材料可塑性较好 , 具有较大的可缩量 , 能够满足上位顶板岩层旋转下沉的需要 , 实现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移 , 从而实现沿空留巷的稳定维护 。高水材料泵送工艺分制浆 、泵送 、成型 3 个工序 。施工时 , 在制浆硐室内 , 首先将甲 、乙 2 种固料分别加水搅拌制成含水率 80% ~90% ( 体积比 ) 的 2 种浆液 , 然后采用双液等量进浆泵及 2 条输送管道将 2种浆液按 1∶ 1 的比例输送到充填地点 , 浆液经混合器后注入到已架设好的充填袋内 , 直到充填浆液接顶为止 。充填袋内的混浆液经 10 ~ 30 可凝固 。随着工作面推进 , 在工作面后方连续充填体构成留巷充填墙体 。2) 膏体混凝土充填材料制备和泵送工艺 。膏体混凝土充填材料在澳大利亚 、加拿大等矿业发达国家使用较为广泛 , 我国在工作面充填开采和埋深800 m 以下的沿空留巷工作面使用较多 。膏体混凝土材料通常采用硅酸盐类水泥为主要胶凝材料 , 粉煤灰等工业废弃物为辅助胶凝材料 , 以复合固体激发剂实现对粉煤灰的激活 , 通过改变活性激发剂和外加剂的种类和掺量 , 制备出早期强度高 , 有良好承载特性和变形性能的充填材料 ; 添加适量的泵送剂( 减水剂 、保水剂 、引气剂 ), 提高膏体充填材料的泵送性能 。通过改变膏体充填材料的外加剂组成和配合比 , 使硅酸盐水泥基膏体充填材料能够快速凝固 ,一般 6 h 即可脱模 , 1 d 强度可达 6 ~10 28 d 终强可达 28 ~35 袁 亮等 : 煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望 2013 年第 9 期膏体混凝土充填材料泵送工艺具体包括 : 由地面专门生产线按设计配合比生产出干混充填材料 ,以袋装或专用集装箱散装运至井下泵站 , 用螺旋输送机或带式输送机将干混料送至充填泵料斗 , 在充填泵中加水搅拌均匀后经充填管路泵送至充填模内 , 新拌混合料在充填模内自流平密实 , 自然养护 ,待硬化产生一定强度后拆模 , 完成一次充填循环 。2. 2. 3 沿空留巷围岩稳定性控制技术根据采煤工作面顶板活动规律 , 沿空留巷的上覆围岩稳定过程可以看作顶板覆岩 “大 - 小结构 ”的相互平衡作用过程 ( 图 5) 。沿空留巷顶板覆岩大结构是指采场上覆岩层周期性垮落形成侧向砌体梁绞式平衡结构 ; 小结构是指由留巷上方下位锚固岩层 、充填墙体 、煤柱及巷内加强支架形成的稳定平衡结构 。在沿空留巷的顶板活动过程中 , 大结构范围内顶板岩层的滑动位移 , 包括基本顶关键块的回转下沉 , 直接影响留巷围岩小结构的稳定性 , 从大结构中围岩应力和变形的调整变化过程中 , 把握小结构围岩稳定性控制的时空机制 , 是沿空留巷围岩稳定性控制的关键技术 。图 5 沿空留巷围岩 “大 - 小结构 ”原理示意大结构稳定是小结构稳定的前提 , 而大结构稳定性控制技术的重点是控制关键块 B 的回转下沉 ,确保大结构中侧向砌体梁断裂位置在实体煤壁的前上方 , 避免大结构内采空区侧向悬臂过长给留巷墙体带来附加载荷 。一般情况下 , 直接顶厚度小 , 垮落矸石不能填充采空区 , 悬臂触矸越滞后 , 悬臂长度越大 , 墙体维护越困难 , 当悬臂长度超过 10 m 时 , 需人工超前强制放顶 , 确保大结构关键块 B 稳定下沉 。小结构对大结构有牵制作用 。除大结构中关键块 B 的断裂位置对小结构稳定至关重要之外 , 小结构稳定还与围岩强度 、围岩结构 、支护构件这三者的强化程度有关 。依据工作面顶板岩层的活动周期 ,应对小结构采取针对性的围岩补强支护措施 。对于围岩强度强化 , 目前一般采取支护承载区注浆加固 ,合理稳定的支护结构能改变围岩的应力分布 , 优化围岩结构 ; 采用高强大预应力锚杆索 , 强化支护构件 , 提升一次支护的强度 。针对小结构围岩 , 目前较为普遍的是采用 “三位一体 ”的技术原理 , 即抗顶板剪切回转锚杆主动支护 、采动应力调整期间巷内自移辅助加强支护 、高承载性能巷旁充填墙体支护 , 最终提升小结构围岩的稳定性 ( 图 6) 。图 6 沿空留巷小结构围岩稳定支护技术原理2. 2. 4 沿空留巷瓦斯综合治理技术1) 工作面上覆煤层群瓦斯高效抽采范围的判别 。瓦斯高效抽采需要持续稳定的高流量和高瓦斯浓度 2 个条件 。根据覆岩卸压 、渗透率分布 、抽采瓦斯动态运移规律 , 抽采钻孔的终孔位置应在高度卸压 ( 解吸 ) 、高渗透率 、高浓度区域内 , 由此得出煤层群高效瓦斯抽采范围的基本判别原则 。高瓦斯解吸程度 : 一般认为非饱和瓦斯吸附状态下 , 瓦斯解吸需要达到一定的卸压程度 , 饱和程度越低 , 卸压程度要求越高 , 该程度是反映煤体卸压程度变化规律的参数 , 以有效卸压系数 r 体现 。r = 1 - σz/σ σ σ根据覆岩卸压基本模型 , 可以判定高瓦斯解吸程度的范围 。高渗透率 : 确定采动裂隙发育和开始压实的区域 , 判定贯通渗透区和水平渗透区的范围 , 高效瓦斯抽采范围的上边界高度不超过水平渗透区上界 。根据覆岩渗透率的分布规律及其与覆岩卸压 、采动裂隙之间的关联关系 , 可以建立工作面覆岩渗透率分布的基本模型 。高瓦斯抽采浓度是确定抽采瓦斯浓度的最低要求 , 根据抽采瓦斯动态运移规律 , 判定高抽采瓦斯浓度的范围 。基于上述判别结果 , 可综合判定该煤层群瓦斯92013 年第 9 期煤 炭 科 学 技 术第 41 卷高效抽采范围 。从其结构特征上看 , 它在形状上表现为采空区一定高度之上 , 具有一定宽度 , 按一定角度往上延展的一个环形裂隙体结构 , 因而可称之为瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体 。该环形裂隙体在工作面上方贯穿整个工作面顶板 , 后方贯穿整个开切眼 , 从倾向上看位于煤壁支撑影响区上方 , 从走向上看不断在工作面两巷的顶板上方一定高度内延展 。高位环形裂隙体明确界定了瓦斯高效抽采的边界范围 , 具有十分重要的理论意义 。2) 留巷钻孔卸压瓦斯抽采时空效应 。①采动顶板断裂特征 。模拟试验表明 : 工作面推进过程中 ,覆岩呈梯形破坏演化特征 , 向前和向上渐进式演进 ,上覆岩层的重力通过压力拱结构不同向前后两处拱脚传递 , 在工作面侧向方向形成一个楔形裂隙区 , 该裂隙区随着工作面向前推进 , 不断向上方扩展 , 并与层内的横向裂隙互相沟通 , 因而成为采空区升浮瓦斯积聚的通道 , 在该处布置瓦斯抽采钻孔将有利于瓦斯的高效高浓度抽采 。②裂隙发育特征 。留巷采空侧顶板裂隙迅速发展期为工作面后方 0 ~ 50 m;裂隙稳定发展期位于 50 ~200 m; 裂隙愈合期为 200m 以后 。分别对应 0 ~50 m 瓦斯流量上升期 , 50 ~200 m 瓦斯流量稳定期 , 200 m 以后瓦斯流量衰减期 。③裂隙场与瓦斯场演化关系 。采空区上覆岩层受采动影响所产生的裂隙与采空区贯通 , 这些裂隙不仅是卸压瓦斯的良好暂存空间还是其运移至工作面的良好通道 。依据上覆岩层移动规律 、卸压瓦斯运移规律以及风压分布情况 , 可以得出靠近回风巷侧一定范围内的裂隙较为发育 , 该区域为顶板高位扇形环状裂隙体的环形部分 , 为裂隙带钻孔以及高抽巷内错布置在靠近回风巷侧提供了科学依据 , 因此将瓦斯抽采工程布置在靠近回风巷侧扇形环状裂隙体内 , 不仅可以保证有效抽采时间 , 同时也能大幅减少钻孔工程 , 大幅提高了瓦斯抽采率 。单孔抽采瓦斯影响因素分析 。①钻孔直径 : 在保证抽采负压条件下 , 增大抽采钻孔的孔径可显著提高钻孔的抽采混合量 。但随着工作面距离抽采钻孔越来越远 , 卸压产生的裂隙逐渐闭合 , 钻孔抽采瓦斯量将呈降低趋势 。②抽采负压 : 采用负压抽采时 ,瓦斯流量衰减缓慢 , 在较长的时间内有较高的瓦斯流量 , 能有效延长抽采时间 , 采用负压抽采的效果明显好于自然排放 。但进一步提高负压 , 短时间内有影响 , 其后作用就会逐渐消失 , 有时负压在一定范围内变化 , 抽采量却无明显变化 。③钻孔终孔位置 : 在采空区的走向或倾向上存在明显的裂隙分区现象 。自工作面向后至开切眼位置 , 采空区顶板裂隙依次分布有扩展区 、压实区和稳定发育区 。在工作面倾向方向同样存在留巷采空侧和支承煤柱侧的稳定发育区和中部压实区 , 根据采空区风压等值线分布特征及瓦斯浓度场特征 , 稳定发育区的瓦斯最为富集 ,将抽采钻孔的终孔位置布置在稳定发育区内 , 可有效提高瓦斯抽采效率 。留巷钻孔法抽采卸压瓦斯时空因素影响分析 。留巷侧向钻孔宜选择在工作面回采完成后 , 在留巷内顶板中部偏向实体煤帮处开钻布置 , 该布置方式有利于钻孔的施工及维护 , 有利于降低采动造成的应力集中及岩层旋转 、下沉 、位移对钻孔的破坏 , 避免钻孔穿过冒落区和顶板的旋转下沉区 , 从而有效维持钻孔稳定 , 延长钻孔的抽采时间 , 提高单孔瓦斯抽采量及抽采利用率 。3) 沿空留巷顶板煤层气抽采钻孔的分区破坏特征 。煤层开采后上覆岩层各区域应力也将重新分布 , 不同区域发生应力增加 、变形移动的程度不同 ,因而在不同区域内钻孔套管的破坏形式也就自然存在差异 , 如图 7 所示 , 沿钻孔轴向长度根据岩层卸压开采后的破断线及卸压线可以分为 3 个区域 : 压剪破坏区 、压剪 - 剪拉过渡区 、剪切拉伸破坏区 。为增强钻孔套管抗变形能力 , 应根据不同区域的破坏特征 , 采取针对性措施 , 对于压剪破坏区 , 可采用钻孔扩孔方式 , 利用钻孔自身稳定性 , 在岩层与套管之间预留空间 , 隔离高应力对套管的挤压变形作用 ; 对于剪拉破坏区则通过加强套管的强度及材质的韧性 ,以避免套管在剪切拉伸作用下发生屈服破坏 。1—挤压剪切破坏区 ; 2—压剪 - 剪拉过渡区 ; 3—剪切拉伸破坏区图 7 煤层气顶板抽采钻孔分区域破坏示意4) 基于卸压瓦斯抽采时空效应和抽采钻孔分区破坏特征的煤层气抽采技术 。通过物理模拟发现 , 沿空留巷采场侧向顶板楔形裂隙区和顶板裂隙01袁 亮等 : 煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望 2013 年第 9 期带离层上部边界构成的高浓度瓦斯富集区称为顶板高位扇形环状裂隙区 , 利用留巷尾部空间施工瓦斯抽采工程 、安装瓦斯抽采装置 , 将抽采钻孔的终孔位置布置在该区域内 , 同时注意抽采的时空衔接 , 可有效提高瓦斯抽采效率 。在加强留巷墙体漏风控制的前提下 , 以采空区埋管和地面钻井抽采为主 , 以穿层钻孔 、顶板走向钻孔 、倾向高位裂隙孔以及通风方式相结合的辅助瓦斯治理措施作用下 , 能实现井下煤层气安全高效抽采 。淮南矿业 ( 集团 ) 朱集矿千米深井 1111( 1) 工作面实施阶段性沿空留巷 Y 型通风方式 , 将底板巷回风转化为顶板巷回风的方式 , 辅以地面钻井 、埋管及地面钻井接替期间的穿层钻孔和裂隙带钻孔相结合的瓦斯综合治理技术 , 实现深井工作面 “一面三巷 、一巷多用 、联合治理 、连续开采 ”的煤与瓦斯共采模式 。3 发展方向3. 1 井下煤层气抽采发展方向地面井抽采和井下抽采两者相互融合 , 取长补短将是未来煤层气开发的必由之路 。一方面 , 井下煤层群卸压区域内煤层气抽采仅依靠井下工程将难以满足生产需要 , 迫切需要引入地面钻井抽采 , 将抽采钻井布置在工作面中部靠近回风巷的位置 , 可同时抽采卸压瓦斯和采空区瓦斯 , 实现 “一井两用 ”;另一方面 , 将保护层开采和地面钻井抽采相结合 , 可扩大被保护范围 , 提升保护层开采效益 。如淮南矿区 13 -1 主采煤层具有很强的突出危险性 , 透气性系数低 , 预抽困难 , 因而开采前先开采保护层 11 -2煤层 , 作为区域性防突措施 。回采前预先由地面向上覆各卸压煤层打穿层地面钻井 , 通过抽采管道对各卸压煤层气实施全层同时抽采 。因此 , 将 “淮南模式 ”和 “晋城模式 ”有机结合将是未来我国井下煤层气抽采 , 乃至整个煤层气开发的主要发展方向 。3. 2 煤与瓦斯共采发展方向1) 无煤柱沿空留巷墙体构筑技术 。未来无煤柱沿空留巷墙体构筑技术将逐渐淘汰安全性差 、劳动强度高 、效率低的构筑方式 , 机械化是未来留巷墙体构筑技术的主要方向 。但是目前我国机械模板构筑墙体还不能达到规模化 、标准化 、成套装备的应用阶段 , 而且 , 针对薄煤层 、大倾角煤层 、综放工作面的机械模板充填装备还存在着很大的技术障碍亟需突破 , 因此 , 坚持走机械化充填 , 争取在规模化 、标准化 、成套化方面取得突破是未来墙体构筑技术的主要发展方向 。2) 无煤柱沿空留巷充填材料制备和泵送工艺 。随着我国矿井的延伸 , 高水充填材料强度低 、易风化破坏的缺点将日益明显 , 膏体混凝土充填材料将逐渐扩大使用范围 , 其高强的特点在深井巷道内的优势将逐渐显现 。膏体混凝土充填材料的选取原则之一就是因地制宜 、就地取材 , 传统的细骨料膏体充填材料成本高 、强度低 , 使用率将逐渐下降 , 而以碎矸石 、机制砂 、粉煤灰等废弃矿物材料为主的粗骨料将成为充填材料制备的主要发展方向 。同时泵送装备也随之发生改变 , 现在的泵送过程受井下通风的影响 , 扬尘很大 , 污染井下作业环境 ; 工人在井下完成混料转运时劳动强度大 ; 受泵送距离和材料和易性的双重影响 , 堵管现象时有发生 , 经常影响生产 , 因此 , 实现干混材料井下机械化运输 、搅拌 、泵送的无缝对接是未来泵送装备的发展方向 , 现在出现了很多诸如拆包机 、筒式带式输送机 、清洁柱等装备的出现就是这种发展趋势的代表 。3) 沿空留巷围岩稳定性控制 。沿空留巷围岩稳定性控制技术应遵循科学 、量化设计的思路 , 在设计阶段先对巷道围岩进行科学和动态分类 , 引进支护设计专家系统和参数设计程序参与设计过程 , 坚持采用高强 、高阻 、高预拉力和高系统刚度锚杆( 索 ) 等支护材料 , 提升一次支护的质量和强度 ; 在施工阶段应引入巷道围岩变形动态监测系统 , 实施动态设计 , 并采用科学方法不断优化参数设计 , 及时补强或视围岩条件动态变化 , 适时调整支护强度 , 提升技术经济效益 。4) 沿空留巷瓦斯综合治理 。目前我国受装备制造技术水平的制约 , 大直径 、长钻孔煤层气抽采尚未得到大规模应用 , 该方法可大幅减少钻孔施工工程量 , 实现成本最小化和抽采效益最大化 , 该技术的推广运用是沿空留巷瓦斯综合治理技术的发展方向 。另外 , 充分发挥沿空留巷在抽采时空方面的独特优势 , 加大留巷内煤层气抽采力度 , 在创新抽采方法的同时 , 将地面井抽采和井下抽采相互融合 , 取长补短 , 利用保护层开采的卸压效应 , 施工地面钻井穿透被保护层 , 可大幅提高单井抽采效率 , “一井两用 ”或 “一井多用 ”将是未来煤层气开发的必由之路 。( 下转第 17 页 )11康红普 : 深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术 2013 年第 9 期是首先应该考虑的围岩控制方法 。4) 基于煤岩体地质力学测试 、以锚固与注浆为核心的巷道支护技术 , 是有效 、经济的深部巷道围岩控制技术 , 已在多个深部矿区得到推广应用 , 取得较好的技术效果 。参考文献 :[ 1] 康红普 . 煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用[ M] . 北京 : 科学出版社 , 2013: 127 -173.[ 2] C] / /Rof n - 2010:149 -154.[ 3] 袁 亮 . 深井巷道围岩控制理论及淮南矿区工程实践 [ M] . 北京 : 煤炭工业出版社 , 2006: 50 -116.[ 4] u - et n - C] / /Rof n -2010: 375 -380.[ 5] 康红普 , 林 健 , 张 晓 . 深部矿井地应力测量方法研究与应用 [ J] . 岩石力学与工程学报 , 2007, 26( 5): 929 -933.[ 6] 付东波 , 齐庆新 , 秦海涛 , 等 . 采动应力监测系统的设计 [ J] . 煤矿开采 , 2009, 14( 6): 13 -16.[ 7] 倪兴华 . 地应力研究与应用 [ M] . 北京 : 煤炭工业出版社 ,2007, 52 -129.[ 8] 刘超儒 . 深部煤矿井地应力分布特征及对巷道围岩应力场的影响研究 [ D] . 北京 : 煤炭科学研究总院 , 2012.[ 9] 周 钢 , 李玉寿 , 吴振业 . 大屯矿区地应力测量与特征分析[ J] . 煤炭学报 , 2005, 30( 3): 314 -318.[ 10] 康红普 , 林 健 , 颜立新 , 等 . 山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究 [ J] . 地球物理学报 , 2009, 52( 7): 1782 -1792.[ 11] et J] . 2010( 116): 333 -345.[ 12] 康红普 , 王金华 , 高富强 . 掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系 [ J] . 煤炭学报 , 2009, 34( 12): 1585 -1593.[ 13] 康红普 , 颜立新 , 郭相平 , 等 . 回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术 [ J] . 岩石力学与工程学报 , 2012, 31( 10): 2022 -2036.[ 14] 康红普 , 姜铁明 , 张 晓 , 等 . 晋城矿区地应力场研究及应用[ J] . 岩石力学与工程学报 , 2009, 28( 1): 1 -8.[ 15] 康红普 , 王金华 , 林 健 . 高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用 [ J] . 煤炭学报 , 2007, 32( 12): 1233 -1238.[ 16] 康红普 , 林 健 , 杨景贺 , 等 . 松软破碎硐室群围岩应力分布及综合加固技术 [ J] . 岩土工程学报 , 2011, 33( 5):檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶808 -814.( 上接第 11 页 )4 结 语井下煤层气抽采和煤与瓦斯共采技术是我国煤层气开发研究中的重要一环 , 也是我国非常规天然气开发工作的重要组成部分 , 是一套复杂的理论技术体系 , 虽经过 10 余年的发展完善 , 但仍然面临着工程领先于技术 、技术领先于理论的尴尬局面 。我国井下煤层气开发技术前期取得的突破所产生的经济和社会效益已经显现 , 但面对未来矿井不断延深 ,煤层气储存条件 “三低一高 ”的特点将更为突出 , 因此 , 加大井下煤层气抽采和煤与瓦斯共采技术的理论科学研究 , 尤其是卸压增透技术的相关理论问题研究将是当前乃至今后一个时期的主要工作 。参考文献 :[ 1] 武华太 . 煤矿区瓦斯三区联动立体抽采技术的研究和实践[ J] . 煤炭学报 , 2011, 36( 8): 1312 -1316.[ 2] 袁 亮 . 低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[ J] . 中国工程科学 , 2009, 11( 5): 72 -80.[ 3] 袁 亮 . 复杂地质条件矿区瓦斯综合治理技术体系研究 [ J] .煤炭科学技术 , 2006, 34( 1): 1 -3.[ 4] 程远平 , 俞启香 . 中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展 [ J] .采矿与安全工程学报 , 2007,
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