煤矿瓦斯防治新技术与新装备

煤矿瓦斯防治新技术与新装备煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程中心河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所1.瓦斯抽采的意义2.瓦斯抽采存在的技术瓶颈3.钻孔封孔新技术4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术5.低透气性煤层强化增透新技术6.瓦斯抽采效果检验新设备7.防局部瓦斯超限新装备8.瓦斯预测煤样定点取样器汇报内容1.瓦斯抽采的意义43444143385333062945242119541616140312017795896995643460095938474637863215263124331973138410495.003.713.102.812.041.491.180.890.750.560.370.290123456010002000300040005000600070008000200220032004200520062007200820092010201120122013百万吨死亡率事故起数/死亡人数年度事故起数死亡人数百万吨死亡率2013年，全国共发生煤矿瓦斯事故59起，死亡348人，分别占煤矿事故总数和死亡人数的10.02%和33.17%，煤矿百万吨死亡率为0.293。2013年，全国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量156×108m3，利用量66×108m3，其中，井下瓦斯抽采量126×108m3、利用量43×108m3，地面煤层气产量30×108m3、利用量23×108m3。1.瓦斯抽采的意义1.瓦斯抽采的意义煤矿瓦斯(CH4)：是一种强温室效应气体温室效应强度CH4＞CO220~60倍我国煤矿风排瓦斯量2004年，132亿m3；2008年，150亿m3，占世界排放总量的1/2～1/3；2011年，160亿m31.瓦斯抽采的意义煤矿瓦斯：是一种优质清洁能源按燃烧热值计算1m3瓦斯相当于1.25㎏标准煤1㎏燃油接近1m3天然气按热效率计算1m3煤层气相当于4㎏标准煤瓦斯是比天然气、燃油、特别是比煤洁净得多的一种优质能源1.瓦斯抽采的意义瓦斯抽采：一箭三雕保障煤矿安全生产保护大气环境开发利用优质清洁能源1.瓦斯抽采的意义实例1美国黑勇士盆地橡树岭煤矿煤层瓦斯含量14.2m3/t抽取4年后6.7m3/t抽取11年后3.8m3/t煤层瓦斯含量降低了73%高瓦斯矿井→低瓦斯矿井，构建了本质安全型矿井。1.瓦斯抽采的意义实例2淮南矿业集团全局瓦斯抽采量1997年前500万m3/a特大瓦斯事故1990~1997年八起1.瓦斯抽采的意义淮南矿业集团方针可保尽保，应抽尽抽效果（1）瓦斯抽采量2001年7000万m3/a2002年1亿m3/a2003年1.4亿m3/a2004年1.5亿m3/a2007年达1.8亿m3/a2011年2.5亿m3/a（2）瓦斯超限次数1997年1300多次2002年200多次2011年少于100次2012年少于40次1.瓦斯抽采的意义我国煤矿开采深度大，平均540m，延深速度10～15m/年，20多对千米深井深度增加，煤层瓦斯压力、瓦斯含量升高；地质构造复杂高瓦斯突出矿井增多（2010年资料：高瓦斯矿2859对，突出矿647对）大部分矿区高瓦斯、突出煤层单一煤层赋存，煤软、透气性低，瓦斯抽采极为困难我国煤矿瓦斯治理难度不断增加2.瓦斯抽采存在的技术瓶颈2.瓦斯抽采存在的技术瓶颈抽采时间短抽采负压低封孔质量差采掘失调瓦斯抽采的瓶颈封孔长度短泵能力不足管网阻力大抽采浓度低钻孔数量少增透方法单一施工难度大钻机能力不足效检手段落后3.钻孔封孔新技术•发泡速度快，封孔达不到既定深度•抽采负压小于13kPa•封孔后的抽采浓度低于30%•长时间抽采后预抽钻孔瓦斯浓度低于10%3.钻孔封孔新技术顺层钻孔瓦斯抽采浓度衰减原因：封孔抽采瓦斯抽出煤体弹性潜能释放煤层变形、位移瓦斯压力、含量下降钻孔周边孔（裂）隙发育、扩张浓度下降穿层钻孔瓦斯抽采浓度衰减原因：瓦斯抽采钻孔地压采掘活动钻孔周边孔（裂）隙发育、扩张浓度下降“囊袋”封孔技术（河南理工大学）3.钻孔封孔新技术3.钻孔封孔新技术1-煤层钻孔，2-抽采管，3-阀门，4-一次封孔段，5-微细膨胀粉料，6-孔（裂）隙群，7-煤体，8-孔口挡板，9-粉料输送管顺层钻孔二次封孔方法（中国矿业大学，2007年）3.钻孔封孔新技术1-穿层钻孔，2-内部控制孔，3-外围控制孔，4-粉料输送管，5-聚氨酯封孔剂，6-微细粉料，7-裂隙漏风通道，8-煤层，9-岩巷穿层钻孔二次封孔方法（中国矿业大学，2010年）3.钻孔封孔新技术粉料输送机手动封孔泵微细膨胀粉料3.钻孔封孔新技术“两堵一注”带压封孔方法1-聚氨酯端堵2-钻孔3-抽采管4-膨胀水泥浆5-注浆管4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术单一低透气突出煤层普遍采用“顺层密集钻孔”预抽瓦斯：钻孔工程量大（孔间距1-2m）“窜孔”现象严重封孔困难钻孔瓦斯抽采量衰减极快抽采浓度小、抽采率低抽放钻孔抽放影响区低透气煤层钻孔瓦斯衰减快瓦斯抽采效果差注氮钻孔煤层注气显著提高了低透气性煤层的瓦斯抽采效果4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术04812160246测定时间（h）流量（L/min）020406080100120瓦斯浓度（%）纯流量混合流量甲烷浓度阳泉矿区掘进工作面迎头“边注边排”考察结果K1max单一排放边注边排排前预测排后效检注前预测注后效检左1.270.480.920.36中1.120.490.690.36右0.940.480.490.33①钻孔平均混合流量增大50~110倍，纯CH4流量平均增加30~80倍;②相同时间下，注气措施可使排采瓦斯效率提高12~50倍。③注气2小时可保证效检指标不超标。4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术阳泉矿区掘进工作面迎头“边注边抽”考察结果051015202505101520253035抽放时间/d抽放流量/m3/min，瓦斯浓度/%012345抽放纯量/m3/min混和量浓度纯流量单一抽放边抽边注单抽19天的纯瓦斯量，边注边抽措施仅需9天；边注边抽瓦斯抽采率是单抽的2倍以上。K1max单一抽放边注边抽抽前预测抽后效检注前预测注后效检左0.960.451.020.39中1.160.461.240.37右1.070.440.980.414.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术获中国煤炭工业协会2010年科技进步一等奖4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术煤层注氮强化瓦斯预抽机理：（1）驱替效应4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术煤层注氮强化瓦斯预抽机理：（2）稀释扩散效应吸附瓦斯游离瓦斯nXDj4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术煤层注氮强化瓦斯预抽机理：（3）压力梯度抬升效应pdxdpugrad4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术煤层注氮强化瓦斯预抽机理：（4）置换效应1122124375612389多组分气体置换吸附试验装置结构图4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术01020304000.511.522.53平衡压力/MPa吸附量/cm3/g.r置换竞争置换竞争置换竞争总量吸附CH4吸附量CO2吸附量煤对多组分气体的吸附只与平衡时的组分分压、平衡压力等有关，竞争吸附与置换吸附的本质与结果是一致的。弱吸附气体N2也能置换煤中CH4。置换吸附竞争吸附22111pbpbpbaViiipi多元气体的分压作用4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术煤层注氮强化瓦斯预抽机理：（5）膨胀增透效应4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术①低透气性煤层强化增透技术现状②液态CO2相变致裂装备简介③液态CO2相变致裂增透原理④液态CO2相变致裂技术优势⑤液态CO2相变致裂实施工艺⑥液态CO2相变致裂现场应用⑦液态CO2相变致裂前景展望⑧若干疑问解答5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术我国煤层开采条件先天不足开采深度大，平均540m，延深速度10～15m/年地质构造复杂瓦斯含量高、瓦斯压力大绝大多数高瓦斯（突出）煤层属于低透气性松软煤层瓦斯抽采困难低透气性煤层取得良好抽采效果的关键----强化增透现行的强化增透技术保护层开采密集钻孔深孔预裂爆破水力冲孔（割缝）水力压裂5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术局限性：必须是煤层群有效保护垂距内有厚度超过0.5m及以上的煤层保护层是无突出煤层或弱突出煤层保护层离突出煤层距离不能太近要求保护层开采不破坏被保护层开采5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术局限性：工程量大（孔间距1-2m）“窜孔”现象严重封孔困难钻孔瓦斯抽采量衰减极快抽采浓度小、抽采率低密集钻孔预抽5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术预裂爆破—利用炸药的预裂爆破是一种非常有效的增透措施，但如下原因限制了它的推广应用：局限性：◆装药困难◆“哑炮”处理极为困难◆有引燃引爆瓦斯危险◆炸药管制5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术局限性：适合自喷煤层喷孔严重瓦斯超限频繁作业环境恶劣冲出煤量难以掌控水力冲孔5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术(1)低透气性煤层强化增透技术现状水力压裂局限性：设备复杂高压作业封孔困难裂缝扩展不可控5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术(1)低透气性煤层强化增透技术现状湖南汉寿中煤科技公司河南理工大学和湖南汉寿中煤科技公司合作开发了用于煤层瓦斯强化抽采的液态CO2相变致裂技术装备。5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术(2)装备简介排气管ElongateDischargeHead联接管TubeConnector二氧化碳液体LiquidCO2加热器Heater套管AnnularTube钻杆DrillPipe接线柱BindingPost5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（3）增透原理区域1区域2区域3技术优势：1.爆破过程无火花外露；2.低压起爆（9V），相比传统起爆（1800V）更安全；3.不产生具有破坏性的震荡或震波，减少了诱发瓦斯突出的几率；4.不需进行验炮，爆破后便可进人，可连续作业。排气管ElongateDischargeHead联接管TubeConnector二氧化碳液体LiquidCO2加热器Heater套管AnnularTube钻杆DrillPipe接线柱BindingPost5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（4）技术优势液态CO2相变致裂实施工艺演示5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（5）实施工艺液态CO2相变致裂地面演示5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用采煤工作面浅孔预裂5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采现场工业性试验2号孔4号孔6号孔8号孔10号孔12号孔14号孔16号孔18号孔20号孔22号孔16051底抽巷钻孔剖面图16051底抽巷钻孔煤段孔底图5m5m预裂孔孔号岩段煤段过煤深度全长坡度冲出煤量21970.526.51390.5t417.5110.5291300.5t613.78.10.722.5120081290.521.51071.0t10117.20.8199301210.57.5119770.5t141190.520.56301611.5100.522500.5t18139.50.52336020189.50.528250.5t222913.50.543160.5t96组第二列钻孔参数根据九里山矿的区域瓦斯治理技术措施，在16051底抽巷，每隔2米在顶板布置一组钻场，每组钻场有7~11个钻孔，预抽煤层瓦斯。为提高抽采效果，矿井采用高压水射流进行扩孔，每个钻孔冲出煤量0.5~1t。试验钻场未进行扩孔。5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用焦作九里山矿底板