煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用

提出了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、无突出危险的首采煤层,利用其采动影响使处在其上部和下部的煤层卸压,煤层透气性成百倍地增加,从而形成高效的瓦斯抽采条件,同时进行的卸压瓦斯高效抽采既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,为在卸压煤层内实施快速掘进与高效采煤方法提供了安全保障,从而实现了瓦斯与煤炭两种资源的安全高效共采,文中介绍了针对不同卸压瓦斯流动特点的近程、中程和远程卸压瓦斯抽采方法及工程应用实践,最后对高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系的应用前景进行了分析。

利用覆岩移动特性实现煤与瓦斯安全高效共采

为了实现高瓦斯煤层群条件下煤与瓦斯的安全高效共采,运用数值模拟和现场试验相结合的方法,对远距离下保护层开采的采动效应进行了分析与研究。结果表明:下保护层开采使覆岩产生不同程度的卸压,煤体产生膨胀变形,生成大量的次生裂隙,从而导致煤体的透气性增加,为远程卸压瓦斯的抽放创造了有利条件;同时,覆岩的水平应力分布也发生了改变,由原始的水平压应力变为拉应力,从而导致了水平位移的产生,在该位置形成丰富的竖向裂隙,为瓦斯的运移提供了通道。在高瓦斯煤层群条件下,可以通过合理的开采顺序和有效的瓦斯抽放方法,实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。

掘进工作面煤与瓦斯共采优化

针对掘进工作面煤与瓦斯资源利用的不协调等实际问题,通过构建掘进工作面煤与瓦斯协调开采优化模型,确定合理的掘进速度和瓦斯抽采量,实现掘进工作面煤与瓦斯共采在社会与经济效益方面的最优化。

煤与瓦斯突出煤层群安全高效开采技术体系与展望

为了解决淮南矿区煤与瓦斯突出煤层群条件下复杂煤层赋存、多源瓦斯涌出、重复开采扰动、多头面生产准备等制约安全高效开采难题,通过分析煤与瓦斯共采技术原理,结合不同的煤与瓦斯赋存特点,对常规的开采上、下保护层瓦斯治理模式进行优化,提出重复开采下保护层远程泄压、开采近距离上保护层抽采瓦斯和顺序向上(下)开采依次保护3种煤与瓦斯共采改进模式,形成"采前、采中、采后"、"本煤层、邻近层、采空区"、"井下、井上"立体抽采瓦斯技术,以及无煤柱开采、突出危险保护层消突、岩巷快速施工、钻孔防喷及增透抽采、地面钻井施工、薄煤层开采装备等配套关键技术。统筹掘进、打钻、抽采、开采等安全生产工作,总结出准备区、治理区、开采区"三区"生产组织方式,从时间、空间上部署多煤层多头面多工序合理有序施工。应用结果表明:突出煤层群可以在低瓦斯状态下安全高效开采,能够建成特大型煤与瓦斯突出井工矿井。最后,针对深部开采面临的灾害治理工程量大、周期长、用工多、成本高等问题,给出了地面钻井治理瓦斯与水害技术思路、高瓦斯自燃煤层无煤柱无巷采煤攻关方向和智能矿山建设设想,并指出探索地面钻井治理灾害新技术、推广无煤柱无巷采煤新工法、研发智能化无人开采新装备是未来的创新方向。

基于Citespace的煤与瓦斯共采研究知识图谱分析

为进一步了解我国煤与瓦斯共采领域的整体研究进展,以中国知网(CNKI)数据库作为样本来源,借助Citespace软件绘制出发文量、研究机构以及关键词聚类等知识图谱,对我国煤与瓦斯共采研究状况进行可视化分析。研究表明:在时间分布上,经历了缓慢萌芽期−快速成长期−平稳成熟期3个发展阶段,尤其是在2000—2014年之间开启了该领域快速发展的黄金时代,核心期刊和全部期刊的发文量均得到快速增长,反映出该阶段处于我国煤与瓦斯共采研究的高潮期;在合作网络方面,主要研究机构包括中国煤炭科工集团、中国矿业大学、河南理工大学等机构,均是国内从事煤炭领域研究的重要科研机构;结合关键词聚类和相关文献进行梳理分析,发现我国煤与瓦斯共采研究主要包括数值模拟、瓦斯、采空区和水力压裂等高频关键词,通过提取突现强度较高的前20位关键词,并按照突现年份重新排序,得到突现词随时间推进的演化情况;形成了以煤层增透、水力冲孔、以孔代巷以及碎软煤层等为主要突现关键词成为近年来研究人员高度关注的对象,表征了其是当前的研究热点,并有成为未来发展和关注的研究趋势。在此基础上,利用可视化知识图谱,挖掘研究领域的前沿热点和发展趋势,以期为我国煤与瓦斯共采研究提供科学参考。

近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究——以山西吕梁沙曲矿区为例

为掌握近距离煤层群叠加开采的应力-裂隙-瓦斯渗流规律,构建近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系及动态评价模型,以山西吕梁沙曲矿区为研究对象,采用物理相似模拟、超声波试验及SF6示踪气体现场监测相结合的研究方法,分析了沙曲矿区近距离煤层群煤层气资源的赋存特点,探究了沙曲矿区近距离煤层群多次扰动下煤岩损伤变量随应力的变化规律,建立了Boltzmann煤岩损伤方程,得出了沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条件下采动应力演化-裂隙发育-瓦斯运移规律。研究结果表明:沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯运移,在近距离煤层群叠加开采条件下二次采动对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单的效果叠加,而是“1+1>2”的影响效果,下伏煤层在叠加开采下产生了贯穿型裂隙,并在其周围衍生了大量的次生裂隙,为煤层瓦斯运移提供了优势通道;根据沙曲矿区煤-气共采不同阶段的时空条件和消突要求,分区分级优选并集成了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系,即在规划区采用多种地面井规模化多煤层长时间预抽煤层气,在准备区采用多分支水平井井孔定向对接共采和保护层开采+底抽巷定向钻孔群抽采,在生产区采用大采高沿空留巷共采及大直径定向钻孔群共采技术;通过分析煤与瓦斯共采的影响因素,提出了近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系,建立了贝叶斯煤与瓦斯共采评价模型,实现了对沙曲矿区煤与瓦斯共采效果及矿井部署合理性的评价,得出沙曲一矿煤与瓦斯共采动态合理性概率为0.65、共采合理性等级为“较为合理”;最后阐述了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术存在的关键问题,展望了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术未来发展方向。

单一厚煤层煤与瓦斯共采技术体系研究

为了解决晋城地区单一厚煤层矿井高效“抽-掘-采-用”问题,以山西能源革命综合试点为机遇,按照山西省煤与瓦斯绿色共采试点文件精神,结合国家、行业要求,晋能控股煤业集团成庄矿在瓦斯地质探测、瓦斯高效精准抽采、煤炭高效开采、瓦斯治理过程信息化管控、瓦斯利用等方面大刀阔斧技术革新,实施了开拓区、准备区、回采区、采空区“四区联动”精准抽采,形成了成庄矿单一厚煤层煤与瓦斯共采绿色开采技术体系及工程示范,在全国煤矿行业率先开辟了一条单一厚煤层绿色开采之路,极具推广应用价值。

千米深井煤与瓦斯协调安全高效开采技术

以平煤股份千米深井十二矿己15-31010工作面的煤与瓦斯协调安全高效开采为例,提出并实施了极薄煤层上保护层开采技术,分别进行了上覆极薄煤层己14煤层卸压瓦斯、采空区瓦斯及己15煤层本煤层瓦斯抽采。实践结果表明:将己14、己15煤层合并计算,抽采瓦斯平均纯量8.5 m3/min,风排瓦斯平均纯量4.03 m3/min,累计风排瓦斯纯量269.5万m3,累计抽采瓦斯纯量553.44万m3,瓦斯涌出量822.94万m3,瓦斯抽采率平均达到65.94%,己15-31010工作面回风流平均瓦斯体积分数0.167%。实现了千米深井突出煤层煤与瓦斯协调安全高效开采。研究成果对类似条件矿井的瓦斯治理和煤与瓦斯协调安全高效开采有借鉴意义。

深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法

瓦斯抽采钻孔围岩的破坏形态和范围对于瓦斯通道区域的联通具有重要影响。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论模型为基础,对深部煤与瓦斯共采中钻孔瓦斯导向通道进行了研究,结果表明:深部环境和采矿活动引起的"加载"与"卸荷"效应,会使钻孔围岩出现有利于瓦斯导通的"蝶形塑性区",蝶叶长度可达钻孔直径的几十倍以上。以"蝶形塑性区"理论为基础,提出了优质瓦斯通道的概念:通过协调采矿工程活动与瓦斯抽采钻孔布局,形成有利于瓦斯抽采的瓦斯导通和流动网络;并确定了以构建优质瓦斯通道的应力环境,确定钻孔布置岩层层位及协调采矿活动与钻孔时空关系为主要内容的优质瓦斯通道构建方法,以实现优质瓦斯通道的高效性、稳定性、长期性,提高瓦斯抽采效率。

煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究

地下开采中瓦斯抽采的针对性与有效性是煤与瓦斯共采的关键问题,其核心是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。在综合考虑煤体在不同开采方式形成的支承压力、孔隙压力和瓦斯吸附膨胀耦合作用对损伤裂隙煤体体积改变的影响的基础上,定义了一个新力学量——增透率,来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,推导了4种增透率的理论表达式,并对工程实例进行数值分析,定量描述了开采过程中覆岩和煤层中增透率的分布和演化,结果表明增透率能够反映开采扰动对煤岩体裂隙网络渗透性的影响,为煤与瓦斯共采工程中的煤层增透效果评价提供定量指标和科学方法。

我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程

针对我国煤层低渗透、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。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、全方位立体式抽采瓦斯技术体系、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。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。

煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用

针对我国尚未形成系统性的煤与瓦斯共采基础理论体系的现状,提出经济预评价、安全评价、共采效果3部分建立煤与瓦斯共采评价系统,并建立多层次评价指标体系,构建煤与瓦斯共采模糊综合评判模型。将模糊层次法(FAHP)与层次分析法(AHP)组合赋权,将专家的主观经验与目标区指标客观反映相结合,建立模糊综合评判模型对沙曲矿煤与瓦斯共采进行综合评价。在共采系统各部分的模糊综合评价的基础上,利用协调度函数量化煤炭开采与瓦斯抽采系统之间的协同程度。评价结果表明,沙曲矿24207工作面煤炭开采子系统和瓦斯抽采子系统初级协调有序,煤与瓦斯共采技术是合理可行的。

高瓦斯煤层群“煤与瓦斯共采”技术研究

为了解决沙曲矿近距离高瓦斯煤层群开采过程中综采面上隅角和回风流中浓度超限这一难题,结合从德国引进的千米定向钻机设备,提出了高抽钻孔组和顶板裂隙钻孔组联合抽采瓦斯技术,构建了沙曲矿＂煤与瓦斯共采＂技术体系.本文在顶板千米钻孔抽采技术原理分析的基础上,采用UDEC4.0数值模拟软件计算得出采空区冒落带和裂隙带高度为9 m和30 m,采动裂隙＂O＂形圈的范围为距工作面顶板垂高10-25 m,距采空区两侧水平距离为10-35 m.研究表明,顶板千米大直径钻孔抽采技术治理瓦斯效果明显,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.8%以下,且钻孔抽采瓦斯体积分数达55%以上,抽采量达50 m^3/min以上,实现煤与瓦斯安全高效共采.

煤与瓦斯共采覆岩应力及渗透耦合特性实验研究

为探索煤层开采过程中上覆岩体应力与其渗透性相互耦合特性,开展了煤与瓦斯共采相似模拟实验研究。采用柔性加载方式以及平面应变模型,模拟随工作面推进上覆围岩应力及渗透性的变化规律。结果表明:受采动影响,上覆围岩应力与渗透率变化呈现一定的分区特征。具体表现为,随采面推进,煤柱后方应力集中区域向远离采空区转移,应力集中系数降低,渗透率与压应力分布呈正相关关系;远离采空区向高位延伸方向,应力降低幅度有递减趋势,有明显应力拱向高位及广度扩展特征,当达到充分采动时,此特征趋于减弱;提出覆岩渗透规律具有"拱上梁"的假设特征,即在拱顶位置,渗透率有不升反降趋势。

实现安全生产应“煤与瓦斯共采”

2011年8月13日至14日在山西太原,北京大学、山西省委、省政府办公厅联合主办了山西省转型跨越发展暨世界新能源战略高峰论坛。论坛上,就如何解决中国低透气性煤层的煤矿瓦斯治理难题,实现煤炭的安全高效开采问题进行了研讨。专家指出,煤炭与瓦斯(煤层气)共采是必经之路。论坛上,中国工程院院士。

煤与瓦斯共采钻孔增透半径理论分析与应用

在煤与瓦斯共采时,受采动加、卸载应力影响,瓦斯抽采钻孔围岩塑性区内煤体会产生大量裂隙,增大了瓦斯的渗透率,形成瓦斯增透圈,增透圈半径的大小直接影响瓦斯的抽采效果。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论为基础,建立了钻孔塑性区与瓦斯增透圈模型,首次推导出了钻孔增透圈半径解析式。深入分析了钻孔增透半径影响因素发现:增透半径与钻孔半径成线性正比例关系,与最小围压和围压比值呈类指数增长关系,与岩石黏聚力和内摩擦角呈负指数变化关系;其中最小围压与围压比值是影响增透半径的关键因素,深部开采与高围压比值是形成大尺寸有效增透圈的必要和充分条件。这一理论为煤与瓦斯共采中瓦斯抽采钻孔间距设计、位置选择、方向确定、采场与钻孔布置在时间和空间上关系协调提供了科学依据。

低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体

以顾桥煤矿1115(1)工作面为试验点,运用国际先进的岩层应力、位移、孔隙流压等实时监测手段,围岩变形与水、气耦合的COSFLOW数值模拟技术以及研究采动区流场特征的CFD模拟技术,系统研究并基本掌握了11号煤层深部煤层开采过程中的围岩应力场、裂隙场以及瓦斯流动场之间的动态变化规律。研究表明,采动支承压力影响范围可达300 m,覆岩运动和采动裂隙发育范围在工作面后方170 m以内,170 m以后采动裂隙基本压实,采动裂隙发育高度以及孔隙流压明显降低的高度可达145 m。在此基础上判别了1115(1)工作面上覆煤层群瓦斯高效抽采范围,并初步建立了低透气性煤层群瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体及其判别方法,为煤与瓦斯共采理论发展以及工程实践提供了一套新的科学研究方法和工程设计手段。

厚煤层煤与瓦斯共采的关键问题

瓦斯是煤炭伴生的清洁能源,同时也是煤矿重大灾害的隐患。瓦斯单独开采的价值远远低于煤炭本身。但是作为煤炭伴生能源进行开采既可提高矿井开采效益,又可一定程度上消除其灾害隐患。根据我国煤层透气性低、埋深大等特点,利用采动卸压场与裂隙场实现煤与瓦斯共同开采是我国瓦斯能源开采的正确模式,进一步研究采动裂隙场的解吸性、透气性、瓦斯与裂隙场的耦合作用关系、提高瓦斯抽放浓度与完善低浓度瓦斯的利用技术等是实现瓦斯开采和利用的关键问题。

煤与瓦斯共采在错层位巷道布置中的机理研究及应用构想

为了完善现有煤与瓦斯共采技术,创新煤与瓦斯共采方法,对错层位巷道布置下的煤与瓦斯共采系统展开研究,利用相似模拟试验,分析错层位巷道布置覆岩运动情况,预测其开采围岩裂隙发育和瓦斯运移形式,提出了创新煤与瓦斯共采技术构想。研究结果表明:采空区覆岩三带高度随接续工作面的增加而增大,相邻采空区垮落矸石压实区呈现"O-L-O"形变化,多个相邻采空区覆岩出现大"O"形圈裂隙带;相邻采空区内瓦斯可实现相互运移,大"O"形圈裂隙带内赋存大量瓦斯气体;研究提出了地面钻井抽采瓦斯、走向高位瓦斯抽采巷和外错尾巷穿层钻孔3种煤与瓦斯共采技术,比传统巷道布置情况下的煤与瓦斯共采技术在安全、经济等方面更具优势。

深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策

深井留巷钻孔法煤与瓦斯共采中留巷围岩变形大,留巷钻孔易破坏、抽采效果差。结合淮南矿区煤与瓦斯共采实践,通过力学分析构建了钻孔在采动作用下的破坏模型,对各参数的影响规律进行了分析,通过套管-水泥环-围岩三维数值模拟计算,探讨了水泥环与围岩性质对钻孔稳定性的影响,得出:采动应力集中易导致钻孔发生挤压型失稳,而岩层层间滑移易导致钻孔发生剪切型失稳,采用厚壁套管、柔性充填、危险层位扩孔让压等措施可以有效提高钻孔稳定性。进而提出了深井超前留巷强化钻孔与高位回风巷强化钻孔的瓦斯抽采技术,并在朱集矿1111(1)工作面与1112(1)工作面进行了试验。试验结果表明:强化钻孔的抽采效果及钻孔稳定性显著优于普通抽采钻孔,单孔最大瓦斯抽采流量达8.1 m3/min,有效抽采距离达150 m以上,实现了深井无煤柱煤与瓦斯的高效共采。