深部煤炭连续卸压开采与关键技术中国矿业大学张农教授

1汇报人：张农中国矿业大学深部煤炭开采环境下的挑战与思考连续卸压开采与沿空留巷技术2一、深部开采工程环境二、深部开采技术挑战三、连续卸压开采方法四、沿空留巷控制技术汇报提纲3深部开采工程环境14高强度开采导致我国煤炭开采快速进入深部1.1中国与世界的煤炭产量（BP世界能源统计，2012年）2002年以来世界煤炭产量净增长贡献率中国（70%）其他（30%）-20%0%20%40%60%0204060801982199220022012中国占世界比例产量/亿t年份世界中国中国/世界近10年来，我国煤炭一直处于高强度开采状态，2012年煤炭产量36.5亿吨，占世界的47%；对世界煤炭产量净增长的贡献率达70%。5高强度开采导致我国煤炭开采快速进入深部1.12012年度，我国平均采深500余米，采深超千米的矿井有47个，总产量9456万吨，平均采深1086m，平均产能207万吨/年，最深的孙村矿采深达1501m。井深（m）个数比例（%）990~100024.261000~11002859.571100~1200714.891200~1300817.021300~140012.131500~160012.136高强度开采导致我国煤炭开采快速进入深部1.1省份数量山东21江苏7安徽6河南4河北4黑龙江2吉林2辽宁1千米深井各省分布图7五高高地应力高瓦斯高湿高温工作环境高冲击倾向性高渗透压两扰动开采的强烈应力扰动巷道群开挖的工程扰动深部开采工程环境1.28采深温度2.5~3.0℃/100m我国47对千米深井工作面温度:30～40℃，实测巷道围岩表面最高岩石温度超过50℃。危害：岩体热胀冷缩破碎，温度变化1℃可产生0.4～0.5MPa的地应力变化高湿高温与围岩裂隙扩展的交互作用工人工作效率下降，易引发事故深部开采工程环境1.21)高湿高温工作环境9岩石全应力-应变过程的渗透曲线在破坏前的弹性阶段乃至屈服阶段，渗透性较弱且随变形的变化不明显;岩样受载至应变软化阶段，渗透性快速增强;在残余强度阶段达到渗透峰值;塑性压密变形阶段没有明显地降低，随变形扩展而逐步趋于稳定。泥岩破坏、渗透性与强度弱化深部开采工程环境1.21)高湿高温工作环境10各试块典型应力阶段遇水弱化全应力应变曲线0应变/ε01020304050应力/MPa600.010.020.030.040.057080901#试块2#试块3#试块4#试块5#试块6#试块无水的影响：3号试块①弹性阶段5号试块22.93MPa遇水②塑性屈服阶段4号试块45.92MPa遇水③应变软化阶段1号试块72.80MPa遇水④残余强度阶段2号试块32.30MPa遇水⑤残余强度阶段6号试块37.54MPa遇水不同应力阶段遇水岩块的弱化程度不同，以残余强度阶段遇水对岩块稳定残余强度的弱化程度最高，其次是塑性阶段与弹性阶段，对于应变软化阶段由于泥质岩体渗流通道的自封闭作用，该阶段遇水对残余强度弱化程度最小。深部开采工程环境1.2泥岩破坏、渗透性与强度弱化1)高湿高温工作环境11巷道围岩径向渗透性：沿径向可分成：完全渗流区、定向渗流区、渗流屏蔽区、原岩渗流区。巷道围岩空间不同深度渗透性变化刷帮揭露帮部实际浆液扩散情况1400mm3000mm3500mm3890mm深部开采工程环境1.2泥岩破坏、渗透性与强度弱化1)高湿高温工作环境12巷道围岩径向渗透性裂隙开度和径向深度的拟合关系为：0.62912.824yx裂隙张开度随径向深度的变化裂隙间距和裂隙迹长随径向深度的变化该规律对注浆钻孔深度设计具有明确的指导意义。深部开采工程环境1.2泥岩破坏、渗透性与强度弱化1)高湿高温工作环境13巷道围岩轴向渗透性巷道围岩的裂隙张开度随围岩变形呈现逐渐增加达到极值，又进一步趋向减少的规律。渗透系数与裂隙张开度和裂隙密度有关，发展规律与裂隙张开度相似。渗透系数：2200()()()[()]1212btntgegKtbtfbtcVdV巷道围岩裂隙分布特征深部开采工程环境1.2泥岩破坏、渗透性与强度弱化1)高湿高温工作环境14围岩变形特点分析支护思想支护实现手段围岩与支护的共同作用中实现，变形与约束的一体化，荷载的均匀化巷道施工效果监测反馈设计工程地质条件研究岩体物理力学性质分析原岩应力、构造应力研究富水条件围岩结构分析正常掘进变形阶段（不受水影响）释放变形能量，调动围岩承载能力高强预应力锚带网索支护体系围岩变形劣化阶段（裂隙水侵入）保护与强化围岩承载能力注浆、关键部位局部强化支护设计深部开采工程环境1.2泥岩破坏、渗透性与强度弱化1)高湿高温工作环境泥岩渗水巷道的过程控制技术15巷道群掘进先掘巷道后掘巷道强扰动影响底臌、两帮急剧收敛高地应力深部开采工程环境1.22)巷道群开挖的工程扰动16示例：淮南顾桥南大巷巷道所处的地层结构剖面深部开采工程环境1.22)巷道群开挖的工程扰动17修复前巷道破坏情况（修复前，巷道断面S=0～4m2）深部开采工程环境1.22)巷道群开挖的工程扰动整体受压四周变形严重顶板来压U型钢呈M型折断顶板剧烈下沉巷道整体受压顶底板闭合181.2地面注浆井下实照地面注浆８天后南翼胶带机巷北侧迎头井下实照胶带机巷修复期间井下揭露地面注浆浆液扩散情况深部开采工程环境2)巷道群开挖的工程扰动19深部开采技术挑战220三个方面七大问题环境热害冲击地压煤与瓦斯突出矿井突水深井矿压五高两扰动煤层自燃高运行成本效率安全成本2.1深部开采技术挑战21本煤层留煤柱跳采煤层间下行顺序开采煤柱煤柱常规的开拓开采方式在深部开采的适应性显著降低！2.1深部开采技术挑战22•13煤•11煤•8煤•7煤•6煤•4煤•3煤•1煤70m70m70m60m煤层群柱状图•14煤突出煤层高瓦斯煤层安全煤层问题1：下行顺序开采实施困难瓦斯预抽困难：煤层透气性低(0.0011mD，小于1mD即为低透气性)，地面钻井和井下钻孔瓦斯抽采率极低。突出、高瓦斯煤层不能先采：极易发生重、特大事故。国家19号令要求：“不掘突出头，不采突出面”。地面开采煤层气2.1深部开采技术挑战23同一煤层内跳采卸压区上下煤层内形成应力集中应力集中区应力集中区第一工作面第三工作面第二工作面煤柱第一工作面第二工作面第三工作面2.1深部开采技术挑战问题2：留设大煤柱和不连续开采加剧应力集中24（13.3%）我国煤炭资源储量少，储产比低，节约资源势在必行！取消煤柱的开采方式值得提倡和推广。2.1深部开采技术挑战25问题3：传统U型通风方式适应性显著降低2.1深部开采技术挑战传统U型通风上隅角采空区空气流场进风回风沿空留巷采空区空气流场进风回风进风沿空留巷Y型通风上隅角瓦斯积聚：80%的工作面瓦斯爆炸事故发生于此。工作面温度聚集：高达40℃以上，加剧热害。26问题4：瓦斯治理专用工程量大，准备工期长，维护难顺层、穿层、顶底板立体抽采等瓦斯治理技术需要2~4条专用岩巷和大量深长钻孔；吨煤瓦斯治理费用50~100元。2.1深部开采技术挑战27巷道顶板垮冒之一：巷道工程作业困难，变形剧烈，顶板稳定性差煤矿各类事故起数分布（2012）巷道支护困难：90%以上为井工开采，采深大，围岩松软。顶板事故成为煤矿第一大事故源，严重影响煤矿的安全。2.2深部开采的突出矛盾2870%以上的高瓦斯矿井，煤层渗透率低，瓦斯多处于吸附状态。因本煤层抽不出瓦斯，采用风排为主的治理方法，造成开采时邻近煤层的瓦斯大量涌入工作面，无法控制瓦斯超限。井下煤层打钻困难之二：瓦斯治理难度大2.2深部开采的突出矛盾29冲击矿压：频率和强度明显增加煤与瓦斯突出：高瓦斯压力，易突出矿井突水：裂隙发育，高承压水威胁大突水煤与瓦斯突出冲击矿压之三：动力灾害频发，危害性极大2.2深部开采的突出矛盾30深井连续卸压开采方法331深部问题主要是由高应力水平产生的，不够科学合理的开采活动加剧了上述问题，由此提出两条技术路线：静态开采：尽可能小的应力扰动技术途径：充填置换开采适用条件：地面环境要求、承压水害防治连续卸压开采：形成大范围的低应力区技术途径：安全层的沿空留巷和无煤柱连续开采适用条件：无水害煤层群、可以疏干水的煤层群3.1卸压开采与共采原理32发现上下向卸压范围：上向10～150m，下向15～100m。得到透气性与瓦斯应力关系：瓦斯压力由3.6MPa降至0.2MPa，透气性系数增大了570倍。be0cpp0煤层瓦斯压力与地应力关系煤层透气性系数与地应力关系理论σσ启示地应力(σ)降低煤层卸压煤层透气性系数(λ)增加瓦斯压力（p）降低吸附瓦斯解吸速度加快理论依据3.1卸压开采与共采原理33首采层卸开采后，在回采工作面四周煤体或煤柱上出现应力集中现象，在采空区内出现应力降低现象，必将进一步影响到其他煤层开采和井巷工程施工与稳定。采场周边支承应力三维空间的分布采场围岩应力3.1卸压开采与共采原理34工作面支承压力超前剧烈影响范围25～50m，工作面侧向支承压力剧烈影响范围5～15m，应力集中系数K均为2～3倍。采空区300～500m以外为卸压稳定区，应力恢复系数K趋向1。沿工作面走向卸压区分布图顶板卸压区呈楔形分布，范围：左、右两侧顶板断裂角为50°和45°，左右两侧采动边界影响角为110°和106°。底板卸压区范围：左、右侧以55°和60°偏向采空区。采场围岩应力3.1卸压开采与共采原理35某矿首采11槽煤层后顶板增卸压区分布图开采2个相邻工作面后的增卸压区分布3.1卸压开采与共采原理36050100250500800工作面推进方向裂隙活跃期裂隙活跃期裂隙发展期裂隙衰减期随工作面推进，裂隙发育经历发展期、活跃期和衰减期，构成环形通道。钻孔布置到环向通道内，可以在裂隙发展及活跃期间高效抽采卸压瓦斯。3.1卸压开采与共采原理采场围岩裂隙37留巷钻孔法3.1卸压开采与共采原理沿首采面采空区边缘快速机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来，形成无煤柱连续开采，实现全面卸压开采；在留巷内布置上下向高低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域，实现煤与瓦斯共采。38从开拓开采源头出发，统筹考虑深井开采面临的安全技术难题，利用矿区煤系地层的差异化赋存特点，通过首采煤（岩）层的系统大面积连续开采，形成邻近含煤地层的有效卸压范围，消除煤与瓦斯突出和冲击矿压等动力灾害、减弱围岩矿压、解析低透气性瓦斯，优化巷道布置，实现深部煤层及其伴生资源（瓦斯）在低应力状态下的协调开采。3.1卸压开采与共采原理39评估资源及开采条件，选择安全有保障、可供直接开采的煤层（煤线、软弱岩层）首先开采：顶底板条件好，巷道容易维护瓦斯含量小，突出危险性低冲击倾向性低，无冲击矿压承压水威胁小，水量可控高效薄煤层（煤线、软弱岩层）机械化开采技术！连续卸压开采的步骤3.240在卸压区布置和维护巷道选择合适的时机在首采层开采形成的采动卸压区布置巷道，实现巷道在低压区维护。在低应力状态下统筹协调开采（煤与瓦斯共采）利用卸压效应和已布置的巷道选择合适方式抽采游离瓦斯；开采抽采达标、充分卸压的邻近安全煤层。连续卸压开采的步骤3.241连续卸压开采的模式：高瓦斯煤层群的无煤柱煤与瓦斯共采Y型通风方式，降低工作面温度消除上隅角瓦斯超限问题抽采邻近卸压层瓦斯取消煤柱，连续开采充分卸压，消除高应力减少工程量，低成本开采区域煤与瓦斯共采连续卸压开采的步骤3.242薄煤层（煤线、软弱岩层）开采的系统投入400~500元/吨*含矸率开采抽采达标、充分卸压的邻近煤层的安全煤量安全煤量：5~10倍的薄煤层开采量治理成本：50~100元/吨技术经济可行性分析3.343沿空留巷控制技术4441950年代1960年代1970－80年代自发应用巷内架木棚砌矸石墙初期试验巷内架棚跨大巷、上山和石门发展阶段巷内架U型棚石膏、速成水泥墙体可缩性2004－至今淮南.留巷钻孔法“煤与瓦斯”共采试验成功，全国推广，各类复杂条件下留巷试验1990年代相对低谷巷内锚、架高水材料充填墙体沿空