科研开发项目立项任务书委外资金预算书

项目编号：科研开发项目立项任务书项目名称：基于彬长矿区低透气性松软单一煤层条件下煤体增透技术研究与应用承担单位：煤炭科学研究总院沈阳研究院开发机构：起止年月：2011.12～2013.12项目负责人：王岩项目编号：科研开发项目立项任务书项目名称：基于彬长矿区低透气性松软单一煤层条件下煤体增透技术研究与应用承担单位：煤炭科学研究总院沈阳研究院开发机构：起止年月：2011.12～2013.12项目负责人：王岩一、立项的目的意义及必要性众所周知,抽采煤层瓦斯是治理矿井瓦斯的治本措施，但由于受煤层自身透气性和煤层自然条件的限制，抽采原始煤层瓦斯效率甚低，特别是低透气性煤层瓦斯抽采技术仍是世界各国在积极攻关解决的技术难题。彬长集团公司目前主采4#煤层,平均煤层厚度为16m左右,煤层的硬度系数在0.8左右,煤层比较松软。彬长矿区4#煤层透气性一般。总之,彬长矿区目前主采4#煤层属低透气性松软单一煤层,具有瓦斯吸附性强、衰减快、难抽放、煤体破落时瓦斯异常涌出的特点。这些煤层的综采面由于透气性低，瓦斯抽放效果差，突出煤层打钻孔的难度大，成孔率低，现有的局部防突措施对生产影响较大，综采工作面的瓦斯预处理技术远远不能满足安全、高产、高效的要求，大大地限制了综机生产能力进一步提高。开展“基于彬长矿区低透气性松软单一煤层条件下煤体增透技术研究与应用”项目研究目的是通过增加低透气性煤层的透气性，进而提高煤层的预抽采瓦斯量，降低煤层开采时的瓦斯含量，减少矿井瓦斯涌出量，全面改善彬长矿区低透气性煤层难抽采的被动局面，为高瓦斯矿井高效工作面瓦斯治理提供示范工程，建立低透气性煤层瓦斯抽采工程样板，实现以点带面的作用，同时也使彬长矿区低透气性煤层强化抽采技术水平上一个新台阶，为工作面实现高产高效创造条件，为建立本质安全型矿井提供强有力的技术支撑。本课题在对“十五”“十一五”研究成果进行完善提高的基础上，针对彬长矿区煤层软、透气性差的特点，以及综采工作面较长等情况，进行综采工作面超深孔预裂爆破强化抽放瓦斯技术研究。主要研究突出煤层成孔工艺、深孔爆破装药问题、低爆速炸药、爆破工艺及控制预裂爆破提高抽放瓦斯技术等综合配套措施，减少执行防突措施对生产的影响，以大幅度提高综采工作面单产、安全与经济效益。深孔控制预裂爆破深度达到80m以上，结合煤层强化预抽瓦斯，煤层瓦斯抽放率达到40%以上，工作面平均日产量提高30%～50%的目的，基本消除综采工作面的瓦斯超限事故。相关技术及装备等研究成果，可在全国相类似煤层矿井推广应用，不仅可以提高安全生产水平，同时可以提高煤层气产量，降低空气污染，具有重大社会及经济效益，具有广泛的应用市场及良好的推广应用前景。二、二、课题主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势，国内现有技术基础，以及与课题有关的技术领域的国内外专利申请和授权情况（附有关专利查新结论目前，世界各主要产煤国均把抽采瓦斯作为防止瓦斯事故及开发新能源的有效技术措施。尤其是在高瓦斯低透气性煤层和突出危险煤层矿井，各国都在研究与开发强化抽采瓦斯技术和相配套的抽采瓦斯装备，通过各种手段人为强制沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的网络，使煤体透气性增加，以此提高地透气性煤层瓦斯的抽采量，防止煤与瓦斯突出灾害的发生。包括：水力割缝、煤的物化处理、水力压裂、密集钻孔、交叉钻孔、松动爆破等方法。松动爆破，过去一般把它作为局部防突措施在生产中应用较多，近年来国内外逐步将其作为解决低透气性高瓦斯煤层强化抽放瓦斯的方法进行研究，尤其在国内，在这种方法的研究上给予了越来越多的关注。在低透气性煤层中进行深孔控制预裂爆破，可以充分合理地利用炸药的爆炸能量及控制孔的导向与补偿作用，使煤体中原生裂隙得以扩展，同时产生新的裂隙，从而提高煤层透气性，达到提高抽放效果的目的。在前苏联，1956～1958年及1988年在卡拉干煤田进行了这方面的试验，其目的是增加瓦斯流量、缩短抽放时间；方法是向钻孔内装入爆破筒（装硝铵炸药8.5kg），并注入0.5～0.6MPa的水。第一次试验于1956年进行，爆破后，19天总流量比爆破前增加了33%；1958年扩大到工业性试验，并改进了爆破筒结构、爆破技术。爆破前百米钻孔瓦斯流量为21.7L/min，爆破后为46.7L/min，增加了一倍多。在1988年12月进行的试验中，将爆破筒改为每节1.5～2m，并用联结器连接。单孔装药20m长，药量23.1kg。这次试验表明，在爆破段内每米钻孔的瓦斯流量增加了70%；裂隙形成带与爆破段长度相同，其直径达到6m。试验表明：这种钻孔爆破方法可以大大地增加钻孔平均瓦斯流量。在国内，“十五”期间，在平顶山矿业集团公司五矿进行了深孔控制预裂爆破试验，煤层透气性系数提高了5倍，百米钻孔流量平均提高了3.35倍，煤层瓦斯抽放率三个月时达到26.6%。淮南矿业集团公司潘三矿进行了深孔控制预裂爆破试验研究，试验证明，深孔控制预裂爆破使煤层透气性系数提高了7.1倍；在四个月抽放期内，百米钻孔瓦斯流量平均提高了4.08倍；使煤层瓦斯抽放率三个月时达到32.4%。取得了显著的经济效益和社会效益。三、主要研究、试验内容、目标、技术关键及主要技术经济指标1．主要研发内容本论文基于国家“十五”科技攻关延续项目“松软低透气性煤层深孔控制预裂爆破提高抽放瓦斯效果的成套技术”，从提高煤层透气性难题入手，采用“深孔预裂爆破技术”对煤层进行破碎或致裂，改变原始煤层的物理性质（煤体破碎、压力降低、收缩、孔隙增大等）。利用冲击波对低透气性松软、遇水膨胀煤层进行重复式冲击和震动，并在煤体深部“造穴”，使原始煤体卸压而产生裂隙，使低透气性煤层达到增透的目的。为准确考察出低透气性煤层增透措施的效果，拟在增透措施前后对低透气性煤层瓦斯流动进行系统研究，并建立数学模型，进行数值模拟，掌握低透气性煤层瓦斯流动规律。具体的内容包括：1）含瓦斯煤体深孔控制预裂爆破机理研究，建立控制爆破爆能导向预裂理论，利用深孔控制爆破固流耦合试验装置，进行深孔控制预裂爆破相似模拟试验，研究在煤与瓦斯耦合条件下影响爆炸裂隙形成和扩展的主要因素，对理论进行验证；2）深孔控制预裂爆破装药结构、装药工艺的深化研究，研究深孔控制预裂爆破提高抽放瓦斯效果的配套设备，使工艺过程更加简单实用。3）通过现场实验，在井下进行深孔控制预裂爆破强化抽放瓦斯的中间试验和工业试验，进一步考察深孔控制预裂爆破强化抽放瓦斯的机理，确定深孔控制预裂爆破的合理布孔参数和布孔方式，并考察应用效果及配套设备使用情况，进一步完善煤层深孔控制爆破理论及工艺。2.总体目标形成一套适合于彬长矿区高瓦斯低透气性松软单一煤层深孔控制预裂爆破强化抽放瓦斯技术及装备。使控制预裂爆破深度达到80m以上，爆破工艺简单实用；煤层瓦斯抽放率达到40%以上。3．主要关键技术①成孔工艺、压注式装药器、起爆工艺的研究，装药设备的研制和合理布孔参数的选择；②煤体变形、破裂和对应的瓦斯流动相互作用的耦合数学模型的建立；③煤体瓦斯流动现场监测4．主要技术指标本项目针对彬长矿区高瓦斯低透气性松软单一煤层开采矿井的瓦斯灾害，以高瓦斯低透气性煤层强化抽放瓦斯为研究内容，提出一套适合我国煤矿低透气性煤层和突出危险煤层特点的强化抽放瓦斯技术及装备器材，使煤层透气性系数增大，瓦斯抽放量增加，起到大面积区域性防止煤与瓦斯突出灾害的作用。5.主要经济技术指标①煤层瓦斯抽放率达到40%；②缩短抽放时间30%以上。③实现低透气性煤层工作面瓦斯抽采率比普通钻孔提高40%～50％。④矿用低爆速含水炸药和相关器材可以实现商品化，并可在全国高瓦斯矿井低透气性煤层和突出危险煤层推广使用。四、达到的技术水平，经济、社会效益及推广应用前景1．项目预期成果的经济、社会、环境效益分析项目研究完成后可以形成一整套适合彬长矿区高瓦斯低透气性松软单一煤层特点的强化抽放瓦斯技术及装备器材，能大幅度提高低透气性煤层的抽采率，降低矿井的瓦斯涌出量，控制开采煤层的瓦斯涌出，提高矿井生产能力，遏制瓦斯事故发生，减少人员伤亡，其经济效益客观。再者，瓦斯从煤矿安全的角度来看是一种灾害类型，从环境保护的角度来看，瓦斯又是一种温室气体，温室效应是CO2的20倍，但是瓦斯又是一种清洁高效的能源，加强瓦斯抽采与利用既可解决安全问题，又解决环境问题。2．与国内外同类产品或技术的竞争力分析与国外先进采煤国家相比，我国煤层赋存条件结构复杂，煤层的瓦斯透气性低，灾害治理难度大。一方面，项目研发密切与国外的研究机构合作，积极引进、消化、吸收国外先进的煤矿灾害治理技术与装备。这些合作成果在国内煤矿安全具有很强的竞争力。另一方面，根据我国煤矿的灾害特点，自主创新开发的先进适用技术，在解决我国煤矿安全问题的同时，可以实现技术与设备出口。从某种意义上说，能够较好地解决我国煤矿安全问题的技术装备，就能够达到国际领先或先进水平。因此，项目研究开发的技术与产品与国内外同类技术相比，在国内乃至国际市场上都具有很强的市场竞争力。3．成果应用和前景分析项目通过对关键性技术难题突破及技术完善提高，将对煤矿安全产业的发展起到较大的推动作用。目前，我国有2万多个煤矿，2千余个国有煤矿，国有煤矿中高瓦斯矿井、突出危险矿井约占50%，提高低透气性煤层抽采瓦斯效果问题是全国煤矿普遍存在的共性和关键性技术难题，是执行“先抽后采”安全生产方针的关键性技术障碍之一，也是全面提高煤矿瓦斯灾害治理水平的技术瓶颈，严重制约煤矿企业的健康发展。针对低透气性煤层瓦斯抽采难题，研发强化抽采技术与装备，为国家安全生产政策法规的有效实行提供有力的技术支撑，为煤矿企业提高安全生产水平提供有效的技术保障，为煤矿企业的经济发展解开羁绊。因此，松软低透气性煤层的深孔控制预裂爆破成套技术研究成功后，可在全国范围内上千个煤矿企业得到推广应用，具有广阔的应用与产业化前景。本项目通过建立技术示范点，逐渐向全国同类煤矿辐射扩展，可加快项目成果的转化和应用。五、采用的研究、试验方法和技术路线（包括工艺流程）“低透气性煤层瓦斯抽采增透技术”在技术路线上，遵循调研、取样分析、理论计算、模拟试验、现场条件试验和示范点的验证等方法，系统地研究解决各项关键技术，实现多个技术层面的创新与突破。首先进行煤体瓦斯流动规律、破坏冲量与煤体强度关系的研究，在此基础上开发出试验所需的设备和辅属装置，并根据试验设备的技术指标，设计出增透技术工艺、试验方案，同时对试验结果进行考察和分析，在其试验总结基础上，提出低透气性煤层瓦斯抽采增透技术体系。整个试验研究工作以现场为主。通过单一低透气性煤层强化抽放瓦斯技术的试验研究和实际防突效果的考察分析，实现本专题的计划目标。深孔控制预裂爆破前煤体瓦斯流动监测深孔控制预裂爆破前煤体瓦斯流动规律深孔控制预裂爆破技术与工艺适合于深孔控制预裂爆破的装置煤体瓦斯流动监测煤体瓦斯流动规律项目鉴定、验收提交研发报告合理参数确定低透气性煤层瓦斯抽采增透效果考察井下工业性试验合理的爆破参数定向聚能系列炸药被筒的加工工艺深孔控制预裂爆破增透技术项目研发路线框图六、现有技术基础及条件1．知识储备方面煤炭科学研究总院沈阳研究院现有职工1000余人，其中专业技术人员500余名，研究员15名、高级工程师150余名，硕士研究生45名、博士研究生9名，博士生导师5名、硕士生导师50余名；同时还拥有一批结构合理、工种齐全、水平较高的知识技能人才。是列入国家计划内招生的硕士研究生培养单位、安全工程博士研究生培养单位，是国家人事部批准的博士后科研工作站。雄厚知识储备条件为本项目的研究与开发提供人力资源保障。2．研发技术方面煤炭科学研究总院沈阳研究院是我国成立最早的专业从事矿井瓦斯防治科研机构。在瓦斯抽采领域，分别于1953年、1958年在抚顺矿务局、阳泉矿务局第一次试验成功开采层瓦斯抽采和邻近层瓦斯抽采，在低透气性煤层增透方面，先后开展了水力压裂、水力割缝、松动爆破、交叉布孔、深孔预裂爆破等提高煤层低透气性的强化措施，几十项科研成果在大部分矿区推广应用，同时也积累了丰富的研究经验和先进技术手段。这些技术研发条件为本项目顺利实施奠定了坚实的技术基