煤与瓦斯共采理论与关键技术袁亮院士182页PPT

煤与瓦斯共采理论与关键技术袁亮8月31日中国·吉林煤矿瓦斯治理国家工程研究中心深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室煤炭开采国家工程技术研究院主任主任院长报告提纲一、煤矿瓦斯防治基本情况二、煤与瓦斯共采基础研究三、煤与瓦斯共采关键技术四、煤与瓦斯共采科技理念五、煤与瓦斯共采管理创新六、煤与瓦斯共采推广应用煤矿瓦斯防治基本情况14一、煤矿瓦斯防治基本情况煤炭是我国主导能源煤炭在一次能源的生产和消费结构中的比重分别占76%和64%国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》中确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”；中国工程院《国家能源发展战略2030～2050》报告提出2050年煤炭年产量控制在30亿吨，煤炭仍将长期是我国的主导能源2015年中国能源生产结构2015年中国能源消费结构煤炭石油64%其它天然气18%6%12%原煤原油76%其它天然气9%4%11%5一、煤矿瓦斯防治基本情况习近平总书记指出：我们正在压缩煤炭比例，但国情还是以煤为主，在相当长一段时间内，甚至从长远来讲，还是以煤为主的格局，只不过比例会下降，我们对煤的注意力不要分散；我国煤炭资源丰富，在发展新能源、可再生能源的同时，还要做好煤炭这篇文章……我国在着力推动能源革命，加大能源结构调整的进程中，煤炭作为我国主要能源的地位和作用是难以改变的。对此，必须坚定信心。李克强总理指出：煤炭是我国最大能源支撑，如何统筹考虑使之走出困境，需多策并举、合理布局、有效调整结构、增加效益。此外，在2016年政府工作报告中指出：要加强煤炭清洁高效利用……党和国家领导人高度重视煤炭工业发展6一、煤矿瓦斯防治基本情况习近平总书记强调，美国能源发展重点是页岩气，我们则要重视资源丰富的煤炭根据有关机构预测，到2020年、2030年、2050年煤炭在我国一次能源结构中的比重还将保持在62%、55%、50%左右7一、煤矿瓦斯防治基本情况93%为井工开采，70%以上国有煤矿是高瓦斯矿井近10年来，我国煤炭产量年增幅2亿多吨，2015年全国煤炭产量37.5亿吨（国家统计局数据），贡献巨大，难度巨大我国煤层瓦斯分区、分带和煤与瓦斯突出矿区分布图我国煤矿地质条件极其复杂8一、煤矿瓦斯防治基本情况我国高瓦斯矿区分布图随着开采规模和开采深度的变化，我国大部分煤矿将成为低透气性、高瓦斯开采条件，此类条件瓦斯治理是世界性难题，长期以来没有解决，造成煤矿瓦斯事故多发，安全高效开采难以实现我国煤矿安全形势严峻9一、煤矿瓦斯防治基本情况2003-2009年死亡百人以上矿山特别重大事故统计序号事故名称发生时间死亡人数1重庆开县“12.23”天然气井喷事故2003年2432河南大平煤矿“10.20”特别重大瓦斯爆炸事故2004年1483陕西陈家山煤矿“11.28”特别重大瓦斯爆炸事故2004年1664辽宁孙家湾煤矿“2.14”特别重大瓦斯爆炸事故2005年2145广东大兴煤矿“8.7”特别重大透水事故2005年1236黑龙江东风煤矿“11.27”特别重大煤尘爆炸事故2005年1727河北刘官屯煤矿“12.7”特别重大瓦斯爆炸事故2005年1088山西瑞之源煤矿“12.5”特别重大瓦斯爆炸事故2007年1059山西新塔尾矿库“9.8”特别重大溃坝事故2008年27610黑龙江新兴煤矿“11.21”特别重大瓦斯爆炸事故2009年10810一、煤矿瓦斯防治基本情况事故原因表明：80%以上重特大事故均存在地质情况不清、灾害升级、威胁不明、重大技术难题没有解决、安全投入欠账、人才匮乏严重、现场管理不到位等重大问题，却盲目生产甚至扩大能力生产按我国目前保证安全生产的科技水平，达到“科学产能”产量在50%左右，即20亿吨左右，其水平与美国相当2015年，全国煤矿事故死亡人数下降到598人，百万吨死亡率下降到0.162的历史最好水平，但与世界先进水平差距仍然较大（2009年澳大利亚0.01，美国0.018，南非0.07，印度0.176，俄罗斯0.19，波兰0.266）我国煤矿安全生产要实现根本好转任重而道远！11一、煤矿瓦斯防治基本情况2005年以来，国家先后两次在淮南召开煤矿瓦斯防治工作现场会，推广“煤与瓦斯共采”技术，并出台一系列适合我国煤矿安全生产实际的政策法规和文件，各省（市、自治区）及煤矿企业认真落实，取得显著成效党中央国务院高度重视煤矿安全和瓦斯防治工作2005年全国煤矿瓦斯防治工作现场会2011年全国煤矿瓦斯防治工作现场会12一、煤矿瓦斯防治基本情况国家发改委、国家能源局、国家安全生产总局、国家煤监局等部门高度肯定并多次发文推广“煤与瓦斯共采”技术2007年以来，无煤柱煤与瓦斯共采技术在全国煤矿几百个工作面推广应用，取得了显著的社会经济效益13一、煤矿瓦斯防治基本情况国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局再次联合下文（安监总煤装函[2011]86号）推广“煤与瓦斯共采”技术自主创新了卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采、煤层群开采条件下井上下立体抽采、深井低透气性煤层揭煤防突等关键技术，为复杂地质条件下高瓦斯、突出矿井安全高效开采奠定了坚实的基础14一、煤矿瓦斯防治基本情况2005年以来，我国煤炭产量持续增加，年均增幅约2亿吨，煤矿事故总量、死亡人数持续下降，2015年全国煤矿事故352起，死亡598人，与2005年相比，事故减少2617起、少死亡4876人，分别下降了88.1%、89.1%全国历年煤炭产量与百万吨死亡率统计21.523.325.227.530.532.535.236.63738.737.52.762.041.4851.1820.8920.7490.5640.3790.2930.2570.16200.511.522.53010203040502005200620072008200920102011201220132014201515一、煤矿瓦斯防治基本情况全国历年煤矿瓦斯事故起数与死亡人数煤矿瓦斯事故基本得到有效控制2015年全国煤矿瓦斯事故45起，死亡171人，与200。5年相比，事故减少369起、少死亡2000人，分别下降了89.1%和92.1%16一、煤矿瓦斯防治基本情况全国煤矿瓦斯（煤层气）抽采量大幅上升，从2005年23亿m3提高到2015年的180亿m3（其中井下瓦斯抽采量136亿m3，地面煤层气产量44亿m3），为降低瓦斯事故、促进煤矿安全生产提供了保障2005年以来全国煤矿瓦斯抽采与利用量统计2332.4445371.988115141156170180911.513.61826365358.3667786030609012015018021020052006200720082009201020112012201320142015瓦斯抽采量（亿m3）瓦斯利用量（亿m3）17一、煤矿瓦斯防治基本情况民用瓦斯气站瓦斯发电热电冷联供煤矿瓦斯（煤层气）利用量大幅上升，从2005年的6亿m3提高到2015年的86亿m3（其中井下瓦斯利用量48亿m3，地面煤层气利用量38亿m3）瓦斯锅炉18一、煤矿瓦斯防治基本情况煤炭开采面临科学问题、存在重大工程技术难题，瓦斯治理任务艰巨，科学开采势在必行大部分资源将转入深部开采，我国探明的5.9万亿t煤炭资源1000m以下占53%。深部开采基础研究不够，不同开采条件的构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场不清楚，煤矿技术措施存在盲目性，缺乏针对性我国煤矿瓦斯地质赋存条件复杂，仅靠地面煤层气开采技术不能解决大部分矿区瓦斯治理难题，遏制不了瓦斯事故的发生，必须坚持“两条腿走路”，即煤矿区井下瓦斯抽采与地面煤层气开发相结合、采煤采气一体化的技术路线煤矿瓦斯治理理论创新迫在眉睫，必须走科学开采、煤与瓦斯共采、安全绿色开采的新路子！煤与瓦斯共采基础研究220二、煤与瓦斯共采基础研究低透气性煤层群柱状图淮南煤田地形地质与开发布局图高瓦斯(10～36m3/t)、低透气性(0.0011mD，标准规定1mD为低渗透率)煤层群(8～15层)开采条件，瓦斯压力高达7.0MPa(浅部为2～3MPa)地质构造复杂、煤层埋藏深(-800～-1500m)、煤岩松软，原煤炭部专家组评价：淮南是我国煤矿瓦斯治理等开采条件最复杂的矿区之一煤与瓦斯共采研究背景淮南煤矿瓦斯地质及开采条件21二、煤与瓦斯共采基础研究瓦斯治理以风排为主，瓦斯含量大于5m3/t时，配风量大、风流不稳定、风速超限传统理论存在的问题传统保护层开采只卸压不抽取瓦斯大于30倍采高的保护煤层，被保护层中90%的瓦斯仍然存留在煤层中没有被释放，瓦斯问题没有解决小于30倍采高的保护层，被保护煤层中的瓦斯大量涌入保护层工作面，构成了重大安全威胁22二、煤与瓦斯共采基础研究传统巷道围岩控制以被动支护为主，支护强度和结构不适应，巷道变形通风困难，瓦斯经常达到爆炸浓度突破传统理论的关键是研究增加煤层透气性、开采前把瓦斯抽出来的理论模型！煤体是原生裂隙体，在地应力作用下煤体裂隙处于压实状态，必须找出松动煤体、解除应力和增加透气性方法。23二、煤与瓦斯共采基础研究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ey瓦斯抽采巷道最终下沉量与采高和层间距之间的关系启示地应力(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巷道下沉量(y)减小煤层层间距(h)加大开采层采高(m)减小mh基础理论研究24二、煤与瓦斯共采基础研究开展了低透气性煤层增透的实验室研究首先开展了煤的瓦斯解吸研究:淮南煤为高吸附性(吸附瓦斯占90%),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有强相关性发现煤层压力从5MPa降低至0.74MPa以下，淮南煤中90%的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，透气性大大增加25二、煤与瓦斯共采基础研究1996年根据实践及试验研究结果，首次提出了“煤与瓦斯共采”理论及工程技术路线图提出走煤与瓦斯共采、先抽瓦斯后采煤的路子——变传统瓦斯治理“风排”为主为高效“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煤与瓦斯共采工程技术路线图：利用淮南矿区煤层群赋存的有利条件，打破传统自上而下的煤层开采程序，设计了制造煤体松动卸压的开采方案26二、煤与瓦斯共采基础研究不规则煤柱双侧采动应力分布“〇”形圈裂隙分布及瓦斯流动通道重新压实区O形圈O形圈O形圈O形圈38131383181818181800150120906030050100150200250采空区沿倾向长度(m)采空区沿走向长度(m)在煤层群中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；研究清楚并调动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，为构建卸压解吸瓦斯流动通道、形成瓦斯富集区创造条件；27二、煤与瓦斯共采基础研究深部无煤柱开采卸压瓦斯抽采二维物理模拟研究基于“973”项目，采用二维物理模拟方法，针对无煤柱开采条件下走（倾）向方向“拱中拱”结构时空演化规律开展研究。深部高瓦斯煤层群无煤柱开采卸压作用机制研究2006年首次开展大尺度（1：1）煤与瓦斯共采基础研究28二、煤与瓦斯共采基础研究沿空留巷顶板覆岩“拱中拱”结构理论开采工作面留巷侧和实体煤侧两侧上方存在压剪区，采场顶板岩层横向裂隙区上方弯曲下沉带存在岩梁结构，岩梁结构和压剪区形成“大拱”结构。沿空留巷侧向顶板岩层回转、下沉，顶板渐次垮落形成铰接的三角形结构，上方垮落岩层有序重叠排列，在采场冒落拱内侧形成“小拱”结构。大拱平衡结构小拱平衡结构拱角A拱角B29二、煤与瓦斯共采基础研究无煤柱开采留巷采动裂隙分区特征裂隙拱初始塌落拱周期塌落拱留巷采动裂隙分为三个区：裂隙发育区：工作面上方应力重新分布，拉剪破坏，裂隙产生扩展裂隙闭合区：采空区顶板