煤与瓦斯共采理论与实践袁亮院士

煤与瓦斯共采理论与实践袁亮中国工程院院士淮南矿业（集团）公司董事、副总经理煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任中国煤炭学会、中国岩石力学与工程学会副理事长提纲一、我国煤矿安全开采概况二、煤与瓦斯共采理论提出三、煤与瓦斯共采关键技术成果四、推广应用及对行业影响23一、我国煤矿安全开采概况国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》中已经确定，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》煤炭年需求达35亿吨，在能源结构中比例仍占50%。显然，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。煤炭76.90%石油11.90%天然气3.50%核电、水电7.70%能源生产结构图煤炭69.30%石油20.40%天然气3.10%核电、水电7.20%能源消费结构图中国的能源结构1、煤炭是我国主体能源4一、我国煤矿安全开采概况我国能源工业体系以煤炭为基础，以电力为主体；85%的发电能力为燃煤发电，年消耗煤炭占煤炭总产量的50%；煤炭比石油、天然气更具有资源优势，长期担当能源基础保障重任；相对石油、天然气、水电、核电、风电等能源的建设投资，煤炭能源投资强度较低、周期较短、效率较高、技术更为成熟，是最为易得的大规模一次能源；立足国内是煤炭能源最为重要的特征，且主要煤炭基地在我国中西部，在国际局势出现动荡时，煤炭能源可以保障国内能源的基本供应。5一、我国煤矿安全开采概况2、煤炭科学产能的制约因素分析深部煤炭开发的资源制约。我国煤炭资源总量5.57万亿t，其中埋深在1000米以下的为2.95亿t,占煤炭资源总量的53%；煤炭开发基地西移中的生态环境及长距离输送制约。由于东部资源的逐渐减少，煤炭开发的战略西移摆在人们面前；安全高效生产能力制约。煤矿安全是党和政府关心的重要问题，也是煤炭工业科技研究的重点。我国煤田地质构造复杂、开采深度大、条件差、难度大。由于多期地质作用的影响，煤层软、透气性差但瓦斯含量高，煤层顶板条件差异大，煤与瓦斯突出、冲击地压危害严重。煤层自然发火期短，煤尘爆炸危险性大，煤岩尘还严重地影响着矿工的健康安全。特别是我国北方煤田下部煤层受底部奥陶系灰岩水的严重威胁等，都先天制约着我国煤炭工业的正常发展；6一、我国煤矿安全开采概况资源回收率制约。煤炭资源回采率低，资源浪费严重。目前国国有大型煤矿的资源回采率低于50%，乡镇煤矿的资源回收率在20%左右；环境容量制约。煤炭的产能、利用受环境容量的限制。煤炭利用导致的环境污染问题日益受到国内外广泛关注。近年来，我国燃煤电站烟尘排放总量基本控制在300万t左右、燃煤C02排放量约50亿t/年，居世界第二位，约是美国的90%。我国于1998年5月29日签署并于2002年8月核准了《京都议定书》，中国虽然没有减排时间表，但将承受越来越大的国际压力。7一、我国煤矿安全开采概况3、我国煤矿安全生产情况我国煤矿地质条件极其复杂，95%以上为井工开采，国有重点煤矿大部分是高瓦斯矿井；我国煤层瓦斯分区、分带和煤与瓦斯突出矿区分布图8一、我国煤矿安全开采概况淮南矿区我国高瓦斯矿区分布图长期以来煤矿安全开采技术问题没有解决，瓦斯爆炸事故多发、生产效率低下，安全高效开采难以实现。淮南矿区是我国高瓦斯复杂地质条件的典型代表；9一、我国煤矿安全开采概况特大型瓦斯事故仍然频发，瓦斯事故由地质条件特别复杂的西南地区（20世纪60～70年代的云贵川）向较为复杂的东部、中部（20世纪80年代～90年代中期的江西、安徽、河南）和相对简单的东北、西北地区（20世纪90年代～21世纪初期的辽宁、黑龙江、陕西、新疆）转移；国有大矿重特大瓦斯事故得不到控制，百人事故时有发生，技术支撑基础薄弱是事故发生的主要原因，如煤矿深部开采理论研究不够，灾害预防技术缺乏，煤矿开采设计安全技术标准低，采场内构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场不清楚，基础研究严重不足已经在很多大事故中反映出来；10一、我国煤矿安全开采概况按目前我国的保证安全生产的科技水平煤炭的产能只能是现有产量的1/3，其水平与美国相当；建设高产高效矿井晋陕蒙宁甘潜力大，而华南困难很大，仅占全国0.49%，华南的地质条件难以科学采矿，在华东要全面建设也存在保证安全和实行全面机械化的难度；我国煤矿百万吨死亡率为1左右，远高于世界主要产煤国家（美国0.028，俄罗斯0.41，波兰0.25，印度0.32），重特大事故频发，安全形势严峻。11一、我国煤矿安全开采概况4、淮南矿区是低透气性高瓦斯煤层开采条件的典型代表低透气性煤层群柱状图淮南煤田地形地质与开发布局图为高瓦斯(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6.4MPa(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；12一、我国煤矿安全开采概况探明煤炭资源量500亿吨，煤层气近7000亿m3，是我国东部最大的整装煤田；邻近江浙沪经济发达区，是华东重要的煤电生产基地；1998年以前由于重大技术难题没有解决，淮南矿区瓦斯爆炸事故频繁发生，曾是煤炭部认定的全国瓦斯事故重灾区。每生产100万吨煤死亡人数高达4.01人！受到瓦斯灾害的制约，矿区几十年煤炭产量一直徘徊在1000万吨左右，资源和区位优势长期得不到发挥，企业生产经营十分困难，几乎到了破产的边缘。上海杭州淮南矿区南京矿区位置图13一、我国煤矿安全开采概况井下煤层打钻加大通风量降低开采中瓦斯浓度；引进美国地面开采煤层气技术；引进大钻机井下煤层抽放瓦斯。1）在瓦斯治理方面：地面开采煤层气2）在巷道围岩控制方面:试用多种传统支护技术；引进欧洲新的支护技术。由于瓦斯地质的特殊性，引进技术不能解决矿区难题，遏制不了瓦斯爆炸事故的发生！必须走自主创新、科学开采的路子！长期探索研究及工程实践发现，煤炭开采存在重大科学问题，瓦斯治理和巷道围岩控制是困扰淮南安全开采的两大技术难题！为此，几十年来开展了大量探索研究：二、煤与瓦斯共采理论提出14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，严重违反国家《煤矿安全规程》，造成本煤层和邻近煤层的瓦斯大量涌入首采工作面，瓦斯超限难以控制；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。1、传统技术存在的主要问题淮南突破传统技术的关键是增加煤层透气性、开采前把瓦斯抽出来！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。二、煤与瓦斯共采理论提出152、淮南矿区地应力与瓦斯压力、煤层透气性系数之间的关系、岩层移动时空规律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二、煤与瓦斯共采理论提出163、开展低透气性煤层增透的实验室研究PPPPPP0.002248106(MPa)(mD)00.0040.0060.00830201012453(MPa)(mL/g)040500.744、根据试验研究结果，提出了瓦斯治理的新构想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。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。二、煤与瓦斯共采理论提出175、根据新构想，提出了“煤与瓦斯共采”的技术路线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，提出了“煤与瓦斯共采”的技术路线：二、煤与瓦斯共采理论提出18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；二、煤与瓦斯共采理论提出19采气采煤瓦斯抽采泵站把瓦斯作为资源，在开采煤炭的同时建立井上下瓦斯抽采系统，把瓦斯集中“抽采”至地面，变害为宝加以利用。淮南矿区形成了井上下立体的缷压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的工程技术新格局！淮南矿区已实施的煤与瓦斯共采示意图布置巷道和钻孔对瓦斯富集区进行充分抽采；实现被卸压煤层瓦斯含量、瓦斯压力分别抽采降低到国家规定的8m3/t和0.74MPa以下。采气二、煤与瓦斯共采理论提出20（一）低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术（二）优化完善煤与瓦斯共采技术（三）松软煤岩巷道围岩控制技术淮南矿区为此开展了大量研究：实施了调整开采程序及巷道布置、近百万米的系统工程，取得了煤与瓦斯共采重大进展，成功地解决了矿区瓦斯治理和安全开采技术难题。淮南矿区应用研究成果：连续12年避免了瓦斯爆炸事故，百万吨死亡率从4.01降低到近5年0.1左右的国际先进水平；安全有了保障，企业得到发展，年产量从1000万吨增加到近7000万吨。其中，煤与瓦斯共采关键技术包括以下3个方面：21首次提出：预先在首采保护层工作面形成的应力降低区和裂隙发育区内布置瓦斯抽采工程，待首采层卸压开采后抽采采空区卸压解吸瓦斯的工程技术方法。工程技术方法需要突破的关键技术研究首采保护层工作面开采后应力及裂隙分布和演化规律；确定不同瓦斯地质条件下煤层的卸压范围、卸压瓦斯富集区和瓦斯抽采巷道工程的合理层位，研究抽采缷压瓦斯技术。上向瓦斯抽采工程50倍采高50倍采高卸压范围开采关键保护层被卸压层被卸压层被卸压层被卸压层首采卸压层下向瓦斯抽采工程裂隙发育卸压区增压区增压区裂隙发育卸压区50m50m三、煤与瓦斯共采关键技术成果（一）低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术研发成功低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术，优化完善并研究成功无煤柱(护巷)煤与瓦斯共采技术。22研究发现了首采层瓦斯富集区位于两巷顶板采空侧上方宽0～30m，高8～25m的环形裂隙区、顶板破碎角50º对应向上40～58.7m的竖向裂隙区。1、开发了首采煤层顶板抽采富集区瓦斯技术(国家发明专利：ZL2003113094.1)（一）低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术开采层进风巷回风巷23研究发现了首采层瓦斯富集区位于两巷顶板采空侧上方宽0～30m，高8～25m的环形裂隙区、顶板破碎角50º对应向上40～58.7m的竖向裂隙区。1、开发了首采煤层顶板抽采富集区瓦斯技术(国家发明专利：ZL2003113094.1)（一）低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术开采层回风巷进风巷24研究发现了首采层瓦斯富集区位于两巷顶板采空侧上方宽0～30m，高8～25m的环形裂隙区、顶板破碎角50º对应向上40～58.7m的竖向裂隙区。1、开发了首采煤层顶板抽采富集区瓦斯技术(国家发明专利：ZL2003113094.1)（一）低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术开采层回风巷进风巷25研究发现了首采层瓦斯富集区位于两巷顶板采空侧上方宽0～30m，高8～25m的环形裂隙区、顶板破碎角50º对应向上40～58.7m的竖向裂隙区。1、开发了首采煤层顶板抽采富集区瓦斯技术(国家发明专利：ZL200