能源科学综合

煤矿区瓦斯三区联动立体抽采技术的研究和实践

武华太

摘要：目的：目前，我国煤矿井下多数地面瓦斯抽采项目只注重瓦斯资源抽采，没有考虑未来煤矿开采的安全问题，与煤矿井下生产、井下瓦斯治理严重脱节，给煤矿安全生产带来一定隐患。井下瓦斯抽采影响半径小，抽采效率低，地面预抽采达标时间长，与煤矿采掘接替部署不能协同安排，是当前许多煤矿瓦斯抽采的突出技术难题。需要通过理论研究和工程实践，适时研究井上下瓦斯抽采和煤矿开采协调发展的技术。方法：基于瓦斯抽采、煤炭开采时空接替关系，晋煤集团公司提出高瓦斯矿区的三区联动立体化瓦斯抽采模式，实现在煤矿规划区、煤矿准备区、煤矿生产区抽采和生产有机统筹接续。具体技术内涵是：在空间上体现为地面与井下瓦斯抽采相结合，抽采与煤矿采掘部署相协调，实现采煤采气统筹规划，瓦斯抽采、矿井建设、煤矿生产的有序衔接；在时间上体现为煤矿规划区实施地面预抽、煤矿准备区实施井上下联合抽采、煤矿生产区实施井下瓦斯抽采，实现各区域之间的有序递进；在方式上体现为地面抽采、长钻孔抽采和顺层钻孔抽采方法多种抽采方式相结合，实现高效快速抽采。（1）在煤矿规划区进行地面预抽采，其技术体系主要包括地面预抽可行性评价、井型选择及优化、井网布置及优化、钻孔工艺等方面的技术。（2）在煤矿准备区进行井上下联动抽采，充分利用地面抽采井在煤层中所形成裂隙和井下施工的长钻孔，采用先地面后井下联动抽采或条带式井上下联合抽采方式。其技术体系主要包括钻孔布置和优化、定向长钻孔施工等技术。（3）在煤矿生产区进行井下区域递进式抽采，在本工作面掘进期间提前对下一个工作面区域进行本煤层抽采，保证下一个工作面掘进在已抽采1～3 a的条带内进行，如此递进式向前推进，保证小区域抽、掘、采的正常接替。结果：晋煤集团形成了三区联动立体瓦斯抽采模式，建立了煤体瓦斯含量超过16 m3/t时，提前8～10 a或更长的时间，实施地面钻井预抽采；在8～16 m3/t时，提前3～8 a实施井上下联动抽采；低于8 m3/t时，采取井下区域递进式抽采的技术体系。截至2010年底，晋煤集团已施工地面煤层气井2501口，抽采煤层气量9.08亿m3，占全国的57.94%，利用率达64.4%；井下抽采钻孔总长约1.53×107m、瓦斯集输管道总长度78 km、年抽采能力达7.5亿m3。该技术在阳泉、潞安、西山、华晋焦煤等矿区推广应用后，施工地面抽采井473口，抽采能力1.17亿m3。结论：煤矿区瓦斯三区立体联动抽采模式及技术体系是实现“采煤采气一体化”的科学模式，其关键是进一步突出煤炭开采和煤层气开发统筹规划，瓦斯地面抽采与井下抽采在时间和空间上必须与煤矿生产相结合，通过抽采为煤炭开采创造出安全开采的有利条件，做到“以采气保采煤，以采煤促采气”。

来源出版物：煤炭学报, 2011, 36(8): 1312-1316

入选年份：2015

全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析

王金华

摘要：目的：在中国煤炭资源总储蓄量中，厚煤层占45%以上，目前通常采用综采放顶煤技术开采。综采放顶煤工作面回风/运输巷一般沿煤层底板掘进，顶板为一定厚度的煤层。与岩层相比，顶煤一般强度比较低、松软破碎、稳定性差，加之受到采动强烈影响，巷道支护难度大。本文以同煤大唐塔山煤矿8105工作面5105回风巷全煤巷道为例，采用数值模拟的方法探索全煤巷道围岩变形特征与主要影响因素，分析锚杆与锚索与围岩的相互作用关系，提出全煤巷道锚杆锚索支护形式与参数。方法：结合塔山矿5105回风巷地质条件，采用有限差分数值计算软件FLAC3D，研究巷道沿煤层底板掘进，顶煤厚度分别为0、5、10、15、20 m情况下不同顶煤厚度对围岩应力分布影响规律；研究巷道沿顶板和沿底板2中不同布置方式下围岩应力的分布特征；研究煤柱宽度分别为10、20、30、40 m时，相邻工作面回采后对围岩应力场分布的影响；研究全煤巷道高宽比为1、0.75、0.5时围岩应力分布特征；研究不同地应力大小、不同锚杆锚索预紧力情况下巷道围岩受力特征。基于上述研究结果，提出塔山煤矿5105回风巷锚杆锚索联合支护形式与参数，并进行现场试验与效果评估。结果：通过对数值计算分析，得出以下结果：（1）掘进期间，全煤巷道顶煤厚度在10 m以内时，随着顶煤厚度的增加，顶煤中应力集中区扩大，应力值降低；顶煤厚度超过10 m时，随着顶煤厚度的继续增加，围岩应力分布变化不明显。（2）全煤巷道所在煤层由于厚度较大，巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区与中厚煤层或薄煤层不同，煤柱中的应力不再是标准的“拱型”或“驼峰型”分布，而是呈近似“三角形”的分布特征。（3）相同巷道高度下，巷道越宽，顶煤应力集中程度越高，顶煤中应力集中区分布范围越大，应力集中系数越高；但随着巷道宽度的增加底板岩体中应力值却存在降低的现象。（4）锚杆、锚索预紧力对改善全煤巷道围岩受力状态起关键作用，合理的锚杆、锚索预紧力应在锚固区内形成相互连接、相互叠加的有效压应力区。（5）工作面回采期间，巷道顶底板最大移近量为252 mm，两帮最大移近量为405 mm。两次采动影响后，巷道断面有效面积为初始设计面积的86.7%，高预应力、强力锚杆锚索联合支护有效控制了塔山矿全煤巷道围岩强烈变形，为全煤巷道提供了可靠的支护方式。结论：锚杆锚索支护已经成为目前巷道支护的主要形式。本文针对全煤巷道顶煤较破碎、强度较低的特点，揭示了不同顶煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高宽比、不同地应力大小、不同锚杆锚索预紧力等情况下巷道围岩受力特征，并基于锚杆锚索支护研究得出其预应力在全煤巷道围岩中的分布规律。研究成果可为全煤巷道支护提供理论支撑和方法指导。

来源出版物：煤炭学报, 2012, 37(1): 1-7

入选年份：2015

煤矿地下水库理论框架和技术体系

顾大钊

摘要：目的：西部（晋陕蒙宁甘）煤炭产量占我国煤炭总量的70%以上，已成为煤炭主产区。但是，西部水资源匮乏，仅占全国3.9%，且地表蒸发量大。煤炭可持续开发与水资源短缺矛盾凸显。煤炭开采导通上部含水层，形成矿井水，传统方法是将矿井水外排，但很快蒸发损失，难以有效利用。以往以“堵截法”为代表的矿井水保护技术，如充填开采、限高开采等，降低了煤炭开采效率与回收率，在工程实践中难以有效实施，为此必须研发针对西部矿区煤炭规模化高效开采的矿井水资源保护利用技术，并开展工程实践。方法：首次提出了煤矿地下水库储用矿井水的技术理念，即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储水，构筑地下水库坝体，建设矿井水入库与取水设施，利用冒落岩体对矿井水的净化作用，形成地下构筑物。应用系统工程理论，采用理论分析、相似模拟、数值模拟、物探钻探及现场工程试验等多种技术手段，研发了水源预测、水库选址、库容设计、坝体构筑、安全保障、水质控制六大关键技术。包括：（1）水源预测。构建了物探、钻探和实验室物理数值模拟的全周期、多参数和多层次的观测方法体系，以神东矿区为例，初步掌握了煤炭开采对地下水运移的影响规律，建立了矿井涌水量预测模型。（2）水库选址。采用观测研究和水流场动态模拟方法，掌握了煤炭开采地下水流汇聚流场规律，开发了煤矿地下水选址技术。（3）库容设计。首次提出了煤矿地下水库储水系数概念，研发了全球规模最大的多层煤开采地下水运移过程模拟试验平台，建立了水库库容计算模型。（4）坝体构筑。针对煤矿地下水库坝体结构特殊和受力复杂特征，采用物理模拟、数值模拟等方法，建立了煤柱和人工坝体结构及参数计算模型、人工坝体掏槽工艺，确定了神东矿区坝体参数。（5）安全保障。提出了煤矿地下水库三重防控的技术理念，即控制地下水库水位、监控坝体薄弱环节和应急泄水系统3个方面。（6）水质控制。采用相似模拟、试验测试、现场测试等方法，掌握了岩体对矿井水的净化机理，研发了入库前沉淀、库内岩体净化和井下矿井水专门处理的“三位一体”水质控制技术。结果：初步形成了煤矿地下水库理论框架与技术体系形成了理论框架与技术体系。应用该技术，在神东矿区累计建成32座煤矿地下水库，储水量3100万方，形成了世界惟一的煤矿地下水库群，供应了矿区95%以上的用水，保障了世界惟一2亿吨级矿区的水资源供应。建成了世界首座多煤层分布式煤矿地下水库—大柳塔煤矿分布式地下水库，储水量710万方，实现了矿井水不外排。以该技术为核心，申报了“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室，研究成果相继获中国专利金奖、国家科技进步二等奖以及内蒙古自治区科学技术奖一等奖。该技术被国家发改委、国土资源部在全国范围内推广应用。结论：煤矿地下水库作为采矿工程、工程地质、水文地质、水利工程和环境工程等多学科交叉的首创交叉技术领域，面临着采动应力场、裂隙场和渗流场“三场”演化、坝体安全、水质净化机理等基础研究、坝体参数优化设计与构筑工艺、水库群调度优化技术等诸多基础理论和技术难题，将形成新的学科领域。同时，该技术在神东矿区的成功应用，证实了该技术的可行性，实现了煤炭资源与水资源的协调开发利用，为西部煤炭开采地下水保护利用开辟了一条有效的技术途径，也为保护利用我国每年煤炭开采损失的60亿t矿井水提供了技术条件。

来源出版物：煤炭学报, 2015, 40(2): 239-246

入选年份：2015