我国煤与瓦斯共采理论技术与工程

　第39卷第8期煤　　炭　　学　　报Vol.39　No.8　　2014年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.　2014　谢和平,周宏伟,薛东杰,等.我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J].煤炭学报,2014,39(8):1391-1397.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.9038XieHeping,ZhouHongwei,XueDongjie,etal.Theory,technologyandengineeringofsimultaneousexploitationofcoalandgasinChina[J].JournalofChinaCoalSociety,2014,39(8):1391-1397.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.9038我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程谢和平1,周宏伟2,薛东杰2,高　峰3(1.四川大学,四川成都　610065;2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京　100083;3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州　221008)摘　要: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。关键词:煤与瓦斯共采;基础理论;工程技术;最新进展中图分类号:TD712　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2014)08-1391-07收稿日期:2014-06-30　　责任编辑:王婉洁　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201201);教育部博士点基金资助项目(20130023110017)　　作者简介:谢和平(1956—),男,湖南双峰人,中国工程院院士。E-maill:[e-mail],technologyandengineeringofsimultaneousexploitationofcoalandgasinChinaXIEHe-ping1,ZHOUHong-wei2,XUEDong-jie2,GAOFeng3(1.SichuanUniversity,Chengdu　610065,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China;3.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnolo-gy,Xuzhou　221008,China)Abstract:ConsideringthelowpermeabilityandenhancedadsorptionofcoalseamsinChina,theauthorsmadeabriefreviewaboutthestatusandlatestprogressonthefundamentaltheoryandkeyengineeringtechnologydevelopmentonthesimultaneousexploitationofcoalandgas.Onthebasisoftheoreticalresearch,theauthorslaidstressoninterpreta-tionofthemining-inducedmechanicsandtheoryofquantitativeevaluationonenhancedpermeabilityofcoal.Thenthelatestscientificresearchinkeytechnologiesisfocusedonthestress-relief-inducedgasextractiontechnologysystem,thespatialdirection-basedgasextractiontechnologysystem,andsomeadvancesofextractiontechnologysystemusedinthethickorthincoalseamindeep.Furthermoretheproblemsandchallengesfacingtheprospectandestablishmentoftheoryonsimultaneousexploitationofcoalandgaswerediscussed.Keywords:simultaneousexploitationofcoalandgas;fundamentaltheory;engineeringtechnology;latestprogress　　煤炭是我国主体能源,瓦斯作为煤的伴生产物,不仅是煤矿重大灾害源和大气污染源,更是一种宝贵的不可再生能源。我国瓦斯总量大,与天然气总量相当,且随着采深的增加,瓦斯含量将显著增大。实现煤与瓦斯共采,是深部煤炭资源开采的必然途径。深部煤与瓦斯共采不仅能保障我国经济持续发展对能源的需求,还将进一步提升我国煤矿安全高效洁净的生产水平,尤其对优化我国能源结构、减少温室气体煤　　炭　　学　　报2014年第39卷排放具有十分重要的意义。我国瓦斯抽采最早始于1938年,但系统的抽采利用起步较晚。20世纪50年代初期,在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预采煤层瓦斯,获得了成功,解决了抚顺矿区生产过程中的瓦斯安全问题,而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料进行利用。20世纪50年代中期,在煤层群的开采中,采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功,解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后,在阳泉又试验成功利用顶板高抽巷技术抽采上邻近层瓦斯,抽采率达60%~70%。到了20世纪60年代以后,邻近层卸压瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。20世纪70—90年代初,针对平顶山等矿区存在的单一低渗透高瓦斯煤层及有突出危险的煤层,首先采用通常的布孔方式预抽采瓦斯,而后陆续试验了强化抽采开采煤层瓦斯的方法,如煤层注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径(扩孔)钻孔、网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布孔等,但效果不理想,难以解除煤层开采时的瓦斯威胁。同时,我国先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等矿区施工地面钻孔40余个,并且进行了水力压裂试验和研究,但是,均未取得预期效果。从20世纪90年代后期至今,全面开展瓦斯(即煤层气)勘探、地面抽采试验和井下规模抽采利用,这一阶段开始引进国外瓦斯开发技术,开展了瓦斯的勘探、抽采工程,但是效果不理想,未能有效解决煤矿生产中的瓦斯安全问题,导致煤矿瓦斯事故时有发生。但由于我国煤田地质条件类型多,构造复杂,仍存在诸多难题,因此如何形成我国深部煤与瓦斯共采基础理论体系、促进我国煤与瓦斯共采技术的健康发展,已成为我国煤矿安全生产和科学开采研究的一个重大科研课题。1　煤与瓦斯共采基础理论与关键技术进展1．1　基础理论研究进展(1)提出了“O”型圈理论。该理论为采空区周边空间裂隙的认识奠定了基础,并认为采空区瓦斯是沿着采动裂隙发育路径流动[1],形成了“煤矿绿色开采”的概念。绿色开采技术的主要内容包括:保水开采、“三下”采煤、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分矸石的井下处理、煤炭地下气化等。由此可见,煤与瓦斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一[2-3]。煤与瓦斯共采是煤矿绿色开采的重要分支,在开采高瓦斯煤层的同时,利用岩层运动的特点将瓦斯开采出来将是煤与瓦斯共采的一条重要途径[3]。(2)建立了“煤层瓦斯流动理论”。基于煤矿瓦斯地质的8项基本因素,明确了“煤层瓦斯应力场”的概念;创造性地提出了“煤和瓦斯突出的流变假说”[4]。创建的煤层瓦斯流动理论体系,从本质上阐明了煤矿中的瓦斯来源及赋存条件,将瓦斯流动理论推进到了固、气耦合的新阶段[5]。(3)揭示了卸压开采抽采瓦斯技术的原理。开展了高瓦斯矿井地应力与瓦斯压力、煤层透气性系数之间的关系及岩层移动时空规律研究,煤层瓦斯压力与地应力呈线性关系;煤层透气性系数与地应力呈负指数关系[6-7]。开展了低透气性煤层增透的实验室研究,发现卸压法能明显增加煤层透气性,且透气性系数与地应力相关[8];提出变传统瓦斯治理“风排”为主变为高效“抽采”瓦斯的新构想,关键技术是让煤体松动卸压,增加透气性,实现卸压开采抽采瓦斯。打破传统自上而下的煤层开采设计,在淮南顾桥开展了无煤柱沿空留巷、Y型通风煤与瓦斯共采实验研究,提出煤层群瓦斯高效抽采的“高位环形体”理论,根据COSFLOW提出采动覆岩卸压系数新概念,给出了“高位环形体”的定量描述[9]。在煤层群选择安全可靠的煤层首先开采,造成上下煤岩层膨胀变形、松动卸压,增加煤层透气性;研究清楚首采层开采后应力场、裂隙场及其形成的应力降低区和裂隙发育区,为构建卸压解析瓦斯流动通道、形成瓦斯富集区创造条件[10]。(4)完善了煤层群煤与瓦斯安全高效工程体系。提出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,同时进行卸压瓦斯高效抽采,这样不仅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,为卸压煤层内实施快速掘进与高效采煤提供了安全保障[11-13]。针对上部卸压区域存在3种抽采方法:近程、中程与远程抽采。近程抽采主要采用顶板走向穿层钻孔、走向顺层长钻孔、走向高抽巷与采空区埋管抽采来自首采煤层未开采分层、采空区遗煤、处在垮落带的煤层、底板变形较大区域内煤层、断裂带内煤层及少部分来自弯曲带内煤层的瓦斯。中程抽采主要采用顶板走向高抽巷法与地面钻井法抽采来自断裂带内煤层及部分来自弯曲带内煤层的瓦斯。远程抽采主要采用底板巷道网格式上向穿层钻孔法与地面钻井法抽采来自弯曲带内煤层的瓦斯。针对下部卸压区域主要采用底板巷道网格式下向穿层钻孔抽采来自下部卸压区域内煤层的瓦斯[14]。(5)建立了采动力学及瓦斯增透理论的定量评2931第8期谢和平等:我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程价体系。分析了典型开采条件下工作面支承压力分布规律,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件[15]。采取3种不同开采方式作用下的采动力学行为特征来模拟研究不同开采方式对煤岩变形及其强度特征的影响规律,进一步揭示开采方式对煤岩断裂机理的影响。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,首次提出一个新力学量:增透率,来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化,可定量描述开采过程中覆岩和煤层中增透率的分布和演化[16]。在理论上建立卸压开采采场卸压增透的定量评价模型[17-19]。(6)揭示了采动裂隙时空演化规律。开采导致上覆岩层变形和大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,时空演化规律极其复杂,实现对采动诱发煤岩体破断及演化更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义[19]。采用分形几何理论进行了采动裂隙分形特性及演化规律研究[20-23];运用逾渗理论建立了以单元裂隙块体为基本格点的逾渗模型,分析了采动裂隙演化的逾渗特征;建立了采动裂隙演化的重正化群格子模型。研究成果表明:深部开采上覆岩层采动裂隙分布及演化具有分形特征,并受断层构造、煤层厚度等因素影响;采动裂隙演化过程具有逾渗特性,可通过重正化