煤矿瓦斯与煤自燃灾害防治理论与工程实践

煤矿瓦斯与煤自燃灾害防治理论与工程实践中国矿业大学安全工程学院煤矿瓦斯治理国家工程研究中心煤炭资源与安全开采国家重点实验室周福宝二○一三年八月一、总体概述二、矿井瓦斯防治三、煤自燃灾害防治四、趋势及展望煤矿瓦斯与煤自燃灾害防治理论与工程实践我国的能源结构煤炭是我国的主体能源，在一次能源的生产和消费结构中的比重分别占76.9%和69.3%我国95%以上的煤炭产量来自井工开采，井下煤炭生产普遍受到瓦斯、自燃等灾害的严重威胁煤炭76.90%石油11.90%天然气3.50%核电、水电7.70%能源生产结构图煤炭69.30%石油20.40%天然气3.10%核电、水电7.20%能源消费结构图一、总体概述我国70%以上的国有煤矿为高瓦斯矿井瓦斯是煤矿最严重的灾害，2012年瓦斯事故的起数和死亡人数分别占煤矿重大事故的40.0%和49.3%瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的根本措施我国高瓦斯矿井分布图全国煤矿重大事故比例图一、总体概述矿井瓦斯我国煤层透气性普遍极低（比美国低2~3个数量级），瓦斯预抽效果差（部分煤矿预抽3年抽出率＜10%）一、总体概述需要利用开采扰动的方式在煤岩层中形成裂隙场来提高渗透性裂隙场分布主要依靠工程经验获得，缺少科学的理论基础和定量化的描述方法，瓦斯抽采效率低难题一：如何实现高效抽采？一、总体概述瓦斯抽采控制不当，易使裂隙场持续供氧，不仅会引起煤自燃，甚至会引起瓦斯燃烧、爆炸等灾害瓦斯抽采的安全性缺乏基础研究，灾害防控效率低难题二：如何实现安全抽采？全国重点煤矿中易自燃煤层占54.9%，因火灾烧毁或封闭的煤量逾100亿t，百万吨发火率是国外先进国家的3～10倍一、总体概述煤层自燃煤自燃引起的瓦斯爆炸自燃引起的煤田火灾煤炭自燃风险预警是煤矿自燃火灾防治的前提，现有的预警方法未综合考虑地质、开采、防灭火管理等实际条件，预警结果缺乏准确性和有效性一、总体概述传统的煤矿防灭火技术（灌浆、注氮气等）水平、装备能力已不能满足集约化生产的需求难题：煤炭自燃风险预警与高效防控灌浆（黄泥、粉煤灰）、注胶滤浆机胶体制备机渣浆泵清水泵黄泥池煤矿用注浆机灌浆注胶地点混凝土泵输泥管路清水挖掘机缓冲池灌浆注胶防灭火系统工艺流程图火源的位置很难判断及受缺土少水限制，灌浆、胶体防灭火技术覆盖范围小，扩散范围有限，不易到达火源位置，灌浆材料流入工作面易造成环境污染。一、总体概述惰气防灭火技术常态氮气作为一种有效的惰性气体用于防灭火技术，具有抑制瓦斯爆炸且扩散范围广等特点，但其比热小、换热能力差、降温效果有限，常需配合其他灭火措施，灭火周期长。一、总体概述一、总体概述二、矿井瓦斯防治三、煤自燃灾害防治四、趋势及展望煤矿瓦斯与煤自燃灾害防治理论与工程实践(A)(E)(B)(C)(D)二、矿井瓦斯防治瓦斯抽采方式井下抽采井下瓦斯抽采模式我国煤矿瓦斯抽采方式：井下抽采、井地联抽和地面抽采采前预抽：顺层钻孔、穿层钻孔采空区抽采：高位钻孔、埋管抽采、顶板巷抽采高位钻孔埋管抽采顶板巷抽采顺层钻孔顺层钻孔穿层钻孔穿层钻孔二、矿井瓦斯防治(A)(E)(B)(C)(D)井地联抽二、矿井瓦斯防治井地联抽瓦斯抽采模式井地联抽是采用地面钻井和井下施工钻孔或巷道联合抽采的瓦斯抽采方式。瓦斯抽采方式(A)(E)(B)(C)(D)地面抽采二、矿井瓦斯防治地面瓦斯抽采模式地面抽采是采用地面钻井预抽原始煤层或者抽采采动卸压煤层瓦斯的抽采方式。瓦斯抽采方式地面抽采2011年全国煤矿地面瓦斯抽采量13.06亿立方，占煤矿煤层瓦斯抽采量的14.2%，仍属初始阶段，开发潜力大淮北芦岭矿煤层瓦斯地面抽采8+9煤10煤接水管线压力计电缆压裂工程排采工程淮北芦岭煤矿瓦斯地面抽采二、矿井瓦斯防治我国瓦斯抽采发展趋势地面抽采井地联抽井下抽采优点：工艺简单，灵活缺点：干扰正常生产、瓦斯抽采管理困难更符合现阶段我国瓦斯采动卸压抽采的需求优点：不受井下空间限制，充分发挥井下和地面卸压瓦斯抽采优点，抽采效率高缺点：钻井井身结构受采动影响，高效抽采期短优点：区域治理范围大，产气量稳定，抽采周期长，提前降低瓦斯含量缺点：工程量大，工艺相对复杂，单产能力低二、矿井瓦斯防治实际产出投入比：理想产出投入比：瓦斯抽采率=瓦斯抽采总量煤矿区瓦斯总储量瓦斯抽采效率=实际产出投入比理想产出投入比瓦斯抽采率与抽采效率二、矿井瓦斯防治算例分析二、矿井瓦斯防治抽采时间（天）0204060801001201401601800.10.20.30.40.50.60.70.80.9t/d912913-1913-2913-3913-4工作面编号钻孔数量/个钻孔平均深度/m9121225.2913-13642.4913-23646.3913-3946.1913-4942.7某矿抽采工程参数表工作面瓦斯抽采效率随时间变化案例计算表明：并非钻孔数越多、钻孔越长，瓦斯抽采工程就越好，只有科学合理的选择钻孔参数，使抽采效率达到最大，才能建成优秀的抽采工程。定义：增透率为煤体单位体积改变下渗透率的改变量或单位损伤改变下渗透率的改变量卸压煤层增透率vddkpdDdkpk为煤体渗透率，为损伤裂隙煤体的体积应变。v基于达西定律：基于平板流体理论：或二、矿井瓦斯防治运用损伤裂隙体力学在现有渗透模型上推导出四种计算公式：基于多孔流体理论：基于毛细管流体理论：某矿工作面沿走向上覆岩层增透率变化二、矿井瓦斯防治开发了计算程序，基于多孔流体理论模型，定量分析煤与瓦斯共采过程中煤岩体增透率的分布和演化，为科学地布置瓦斯抽采钻孔提供理论依据二、矿井瓦斯防治钻井抽采新模式—乌兰煤矿地面钻井抽采卸压瓦斯乌兰煤矿位于内蒙阿拉善盟左旗宗别立镇，行政隶属于阿拉善左旗矿井始建于1966年7月1日，于1975年6月30日建成投产，矿井原设计能力90万吨是神华宁夏煤业集团公司主力矿井之一是宁夏精焦煤生产基地之一矿井瓦斯概况2#煤层瓦斯含量10.6m3/t3#煤层瓦斯含量9.31m3/t7#煤层瓦斯含量11.57m3/t8#煤层瓦斯含量12.7m3/t矿井瓦斯地质储量154932.75万m3，可抽采储量94344.96万m3绝对瓦斯涌出量121.121m3／min，相对涌出量54.033m3／t柱状柱状结构简单，沉积稳定灰色，坚硬以粉砂岩为主，夹有中细粒砂岩，质地较坚硬含有大量的泥质，质软，易啐岩性以粉砂岩为主，夹有泥岩条带，坚硬结构复杂，夹有3-5层夹矸结构复杂，瓦斯含量高，为突出煤层结构复杂，夹有一层夹矸结构复杂，仅局部可采。沉积不稳定以粉砂岩为主，夹有泥岩条带结构复杂，中间夹有一层泥岩夹矸柱状岩石名称3号煤层中细粒砂岩2号煤层粉砂岩5号煤层粉砂岩6号煤层7号煤层粉砂岩粉砂岩8号煤层13-20.516.818-19.218.60-1.080.848.5-109.30.56-1.170.922.6-3.82.60.25-8.23.280.11-23.529.220.2-3.01.890.58-4.82.773.2820.0829.347.948.7458.0458.9630.9-3231.590.4692.3594.9597.55二、矿井瓦斯防治煤与瓦斯突出情况1987年1月11日在北一采区1350二石门揭2＃煤层时发生煤与瓦斯突出，突出煤90t，瓦斯15000m3，2＃煤层被定为突出煤层，随后在5232机巷、5233机巷掘进中，先后发生倾出，从此2＃煤层一直再未开采8＃煤层在5867风、机巷掘进过程中（二水平三阶段）曾多次出现瓦斯突出预兆，并在2007年8月14日发生动力现象，后鉴定为煤与瓦斯倾出，倾出煤量3－5t，瓦斯1600m3，8＃煤层鉴定为突出煤层2#和8#煤层均为突出煤层，3#和7#煤层为非突出煤层二、矿井瓦斯防治2＃煤层从二水平一阶段弃采，损失主焦煤2000万t矿井瓦斯绝对涌出量121m3/min,相对涌出量54m3/t煤层透气性极差，预抽瓦斯3年，抽采率仅为10.17％采用常规的瓦斯治理措施难以从根本上消除威胁提出了“高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术”瓦斯治理难题二、矿井瓦斯防治二、矿井瓦斯防治总体思路：开采顺序由2#→3#→7#→8#调整为7#→8#→2#→3#煤层，分别开采7#和8#煤层，对2#、3#煤层进行二次保护，被保护层的卸压瓦斯完全由地面钻井抽采抽采管与井壁之间留有“容移缓冲间距”，防止剪切破坏瓦斯抽采管采用整管，稳定性强套管及抽采管选用抗剪强度高冷拔钢管筛管采用“套管强化技术”，增强了抗压、抗剪强度“泥浆护井技术”可使抽采管顺利穿越松软煤层井底位于保护层的裂隙带，实现了“上抽气，下排水”h1h2h3h4h5273mm一开段（开口）表层套管244mm套管193.7mm二开段219.5mm177mm139.7mm实管筛管139.7mm8#煤层7#煤层6#煤层5#煤层3#煤层2#煤层三开段φφφφφφ二、矿井瓦斯防治发明了新型井身结构专利号：ZL200910066132.3采用非均匀布孔法，沿煤层走向布置14个抽采钻井钻井分两排布置：风巷侧钻井和机巷侧钻井P4P5P6P7P8P3P2P1南四一二一五回风上山南四一二一五运输石门南翼一二八零四石门南翼一二一五集中巷5757机巷5757运输下山5757改造机巷2#加2#4#6#8#9#10#加3#1#加1#3#5#7#11#5757切眼泵房5757风巷地面钻井的布置风巷侧钻井机巷侧钻井二、矿井瓦斯防治抽采泵站：两台移动水环真空泵（流量分别为60m3/min和85m3/min）及地面固定抽采系统抽采管路：φ200mm（连接移动泵）和φ450mm（连接地面固定抽采系统），包裹棉套防止积水结冰堵塞管路瓦斯抽采设备二、矿井瓦斯防治地面钻井瓦斯抽采统计数据矿井保护层开采试验区域累计抽出纯瓦斯1512.96×104m3单井最大瓦斯抽采量达到24826m3/d，处于国内领先水平抽采半径达到200m，大于其它矿区的同类指标首次实现了被保护层卸压瓦斯完全由地面钻井抽采各钻井瓦斯抽采总量各月份瓦斯抽采总量0501001502002503003504001＃2＃加1＃加2＃3＃4＃5＃6＃7＃8＃9＃10＃11＃加3#标况纯瓦斯（×104m3）01020304050607080901002007-82007-92007-102007-112007-122008-12008-22008-32008-42008-52008-62008-72008-82008-92008-102008-112008-122009-12009-22009-32009-42009-52009-62009-72009-82009-92009-102009-112009-122010-12010-22010-32010-42010-5标况纯瓦斯（×104m3）消除了煤层突出危险性项目3#煤层２#煤层规定原始卸压原始卸压瓦斯含量（m3/t）9.813.1410.63.63＜8瓦斯抽采率（％）10.1768.0/65.8＞30瓦斯压力（MPa）1.30.21.10.23＜0.74透气性系数m2/﹙MPa2·d﹚0.0120.460.0118.72大于10为容易抽采煤层坚固性系数f0.380.750.410.8＞0.5二、矿井瓦斯防治效果验证掘进过程中无动力现象实现了松软煤层巷道的锚网支护，取代了高成本的架棚支护瓦斯涌出量降低约90％掘进工作面回采工作面1002606.50.70.70.3掘进速度（m/月）瓦斯涌出量（m3/min）回风瓦斯浓度(%)未卸压区工作面卸压区工作面252.40.60.33瓦斯涌出量（m3/min）回风瓦斯浓度(%)未卸压区工作面卸压区工作面（m/月）（m3/min）（％）（m3/min）（％）经济效益社会效益试验区已增收煤炭43万t，新增产值约为2.15亿元矿井后期可增收煤炭2000万t，经济收益约为100亿元采用500GF1-3RW发电机组建立8×500