煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)聯(lián)動立體抽采技術(shù)的研究和實(shí)踐

武華太

摘要：目的：目前，我國煤礦井下多數(shù)地面瓦斯抽采項(xiàng)目只注重瓦斯資源抽采，沒有考慮未來煤礦開采的安全問題，與煤礦井下生產(chǎn)、井下瓦斯治理嚴(yán)重脫節(jié)，給煤礦安全生產(chǎn)帶來一定隱患。井下瓦斯抽采影響半徑小，抽采效率低，地面預(yù)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長，與煤礦采掘接替部署不能協(xié)同安排，是當(dāng)前許多煤礦瓦斯抽采的突出技術(shù)難題。需要通過理論研究和工程實(shí)踐，適時(shí)研究井上下瓦斯抽采和煤礦開采協(xié)調(diào)發(fā)展的技術(shù)。方法：基于瓦斯抽采、煤炭開采時(shí)空接替關(guān)系，晉煤集團(tuán)公司提出高瓦斯礦區(qū)的三區(qū)聯(lián)動立體化瓦斯抽采模式，實(shí)現(xiàn)在煤礦規(guī)劃區(qū)、煤礦準(zhǔn)備區(qū)、煤礦生產(chǎn)區(qū)抽采和生產(chǎn)有機(jī)統(tǒng)籌接續(xù)。具體技術(shù)內(nèi)涵是：在空間上體現(xiàn)為地面與井下瓦斯抽采相結(jié)合，抽采與煤礦采掘部署相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)采煤采氣統(tǒng)籌規(guī)劃，瓦斯抽采、礦井建設(shè)、煤礦生產(chǎn)的有序銜接；在時(shí)間上體現(xiàn)為煤礦規(guī)劃區(qū)實(shí)施地面預(yù)抽、煤礦準(zhǔn)備區(qū)實(shí)施井上下聯(lián)合抽采、煤礦生產(chǎn)區(qū)實(shí)施井下瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域之間的有序遞進(jìn)；在方式上體現(xiàn)為地面抽采、長鉆孔抽采和順層鉆孔抽采方法多種抽采方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效快速抽采。（1）在煤礦規(guī)劃區(qū)進(jìn)行地面預(yù)抽采，其技術(shù)體系主要包括地面預(yù)抽可行性評價(jià)、井型選擇及優(yōu)化、井網(wǎng)布置及優(yōu)化、鉆孔工藝等方面的技術(shù)。（2）在煤礦準(zhǔn)備區(qū)進(jìn)行井上下聯(lián)動抽采，充分利用地面抽采井在煤層中所形成裂隙和井下施工的長鉆孔，采用先地面后井下聯(lián)動抽采或條帶式井上下聯(lián)合抽采方式。其技術(shù)體系主要包括鉆孔布置和優(yōu)化、定向長鉆孔施工等技術(shù)。（3）在煤礦生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行井下區(qū)域遞進(jìn)式抽采，在本工作面掘進(jìn)期間提前對下一個(gè)工作面區(qū)域進(jìn)行本煤層抽采，保證下一個(gè)工作面掘進(jìn)在已抽采1～3 a的條帶內(nèi)進(jìn)行，如此遞進(jìn)式向前推進(jìn)，保證小區(qū)域抽、掘、采的正常接替。結(jié)果：晉煤集團(tuán)形成了三區(qū)聯(lián)動立體瓦斯抽采模式，建立了煤體瓦斯含量超過16 m3/t時(shí)，提前8～10 a或更長的時(shí)間，實(shí)施地面鉆井預(yù)抽采；在8～16 m3/t時(shí)，提前3～8 a實(shí)施井上下聯(lián)動抽采；低于8 m3/t時(shí)，采取井下區(qū)域遞進(jìn)式抽采的技術(shù)體系。截至2010年底，晉煤集團(tuán)已施工地面煤層氣井2501口，抽采煤層氣量9.08億m3，占全國的57.94%，利用率達(dá)64.4%；井下抽采鉆孔總長約1.53×107m、瓦斯集輸管道總長度78 km、年抽采能力達(dá)7.5億m3。該技術(shù)在陽泉、潞安、西山、華晉焦煤等礦區(qū)推廣應(yīng)用后，施工地面抽采井473口，抽采能力1.17億m3。結(jié)論：煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)立體聯(lián)動抽采模式及技術(shù)體系是實(shí)現(xiàn)“采煤采氣一體化”的科學(xué)模式，其關(guān)鍵是進(jìn)一步突出煤炭開采和煤層氣開發(fā)統(tǒng)籌規(guī)劃，瓦斯地面抽采與井下抽采在時(shí)間和空間上必須與煤礦生產(chǎn)相結(jié)合，通過抽采為煤炭開采創(chuàng)造出安全開采的有利條件，做到“以采氣保采煤，以采煤促采氣”。

來源出版物：煤炭學(xué)報(bào), 2011, 36(8): 1312-1316

入選年份：2015

全煤巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理與效果分析

王金華

摘要：目的：在中國煤炭資源總儲蓄量中，厚煤層占45%以上，目前通常采用綜采放頂煤技術(shù)開采。綜采放頂煤工作面回風(fēng)/運(yùn)輸巷一般沿煤層底板掘進(jìn)，頂板為一定厚度的煤層。與巖層相比，頂煤一般強(qiáng)度比較低、松軟破碎、穩(wěn)定性差，加之受到采動強(qiáng)烈影響，巷道支護(hù)難度大。本文以同煤大唐塔山煤礦8105工作面5105回風(fēng)巷全煤巷道為例，采用數(shù)值模擬的方法探索全煤巷道圍巖變形特征與主要影響因素，分析錨桿與錨索與圍巖的相互作用關(guān)系，提出全煤巷道錨桿錨索支護(hù)形式與參數(shù)。方法：結(jié)合塔山礦5105回風(fēng)巷地質(zhì)條件，采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，研究巷道沿煤層底板掘進(jìn)，頂煤厚度分別為0、5、10、15、20 m情況下不同頂煤厚度對圍巖應(yīng)力分布影響規(guī)律；研究巷道沿頂板和沿底板2中不同布置方式下圍巖應(yīng)力的分布特征；研究煤柱寬度分別為10、20、30、40 m時(shí)，相鄰工作面回采后對圍巖應(yīng)力場分布的影響；研究全煤巷道高寬比為1、0.75、0.5時(shí)圍巖應(yīng)力分布特征；研究不同地應(yīng)力大小、不同錨桿錨索預(yù)緊力情況下巷道圍巖受力特征?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，提出塔山煤礦5105回風(fēng)巷錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)形式與參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)與效果評估。結(jié)果：通過對數(shù)值計(jì)算分析，得出以下結(jié)果：（1）掘進(jìn)期間，全煤巷道頂煤厚度在10 m以內(nèi)時(shí)，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)大，應(yīng)力值降低；頂煤厚度超過10 m時(shí)，隨著頂煤厚度的繼續(xù)增加，圍巖應(yīng)力分布變化不明顯。（2）全煤巷道所在煤層由于厚度較大，巷道掘進(jìn)與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應(yīng)力集中區(qū)與中厚煤層或薄煤層不同，煤柱中的應(yīng)力不再是標(biāo)準(zhǔn)的“拱型”或“駝峰型”分布，而是呈近似“三角形”的分布特征。（3）相同巷道高度下，巷道越寬，頂煤應(yīng)力集中程度越高，頂煤中應(yīng)力集中區(qū)分布范圍越大，應(yīng)力集中系數(shù)越高；但隨著巷道寬度的增加底板巖體中應(yīng)力值卻存在降低的現(xiàn)象。（4）錨桿、錨索預(yù)緊力對改善全煤巷道圍巖受力狀態(tài)起關(guān)鍵作用，合理的錨桿、錨索預(yù)緊力應(yīng)在錨固區(qū)內(nèi)形成相互連接、相互疊加的有效壓應(yīng)力區(qū)。（5）工作面回采期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?52 mm，兩幫最大移近量為405 mm。兩次采動影響后，巷道斷面有效面積為初始設(shè)計(jì)面積的86.7%，高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)有效控制了塔山礦全煤巷道圍巖強(qiáng)烈變形，為全煤巷道提供了可靠的支護(hù)方式。結(jié)論：錨桿錨索支護(hù)已經(jīng)成為目前巷道支護(hù)的主要形式。本文針對全煤巷道頂煤較破碎、強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，揭示了不同頂煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高寬比、不同地應(yīng)力大小、不同錨桿錨索預(yù)緊力等情況下巷道圍巖受力特征，并基于錨桿錨索支護(hù)研究得出其預(yù)應(yīng)力在全煤巷道圍巖中的分布規(guī)律。研究成果可為全煤巷道支護(hù)提供理論支撐和方法指導(dǎo)。

來源出版物：煤炭學(xué)報(bào), 2012, 37(1): 1-7

入選年份：2015

煤礦地下水庫理論框架和技術(shù)體系

顧大釗

摘要：目的：西部（晉陜蒙寧甘）煤炭產(chǎn)量占我國煤炭總量的70%以上，已成為煤炭主產(chǎn)區(qū)。但是，西部水資源匱乏，僅占全國3.9%，且地表蒸發(fā)量大。煤炭可持續(xù)開發(fā)與水資源短缺矛盾凸顯。煤炭開采導(dǎo)通上部含水層，形成礦井水，傳統(tǒng)方法是將礦井水外排，但很快蒸發(fā)損失，難以有效利用。以往以“堵截法”為代表的礦井水保護(hù)技術(shù)，如充填開采、限高開采等，降低了煤炭開采效率與回收率，在工程實(shí)踐中難以有效實(shí)施，為此必須研發(fā)針對西部礦區(qū)煤炭規(guī)?；咝ч_采的礦井水資源保護(hù)利用技術(shù)，并開展工程實(shí)踐。方法：首次提出了煤礦地下水庫儲用礦井水的技術(shù)理念，即利用煤炭開采形成的采空區(qū)巖體空隙儲水，構(gòu)筑地下水庫壩體，建設(shè)礦井水入庫與取水設(shè)施，利用冒落巖體對礦井水的凈化作用，形成地下構(gòu)筑物。應(yīng)用系統(tǒng)工程理論，采用理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、物探鉆探及現(xiàn)場工程試驗(yàn)等多種技術(shù)手段，研發(fā)了水源預(yù)測、水庫選址、庫容設(shè)計(jì)、壩體構(gòu)筑、安全保障、水質(zhì)控制六大關(guān)鍵技術(shù)。包括：（1）水源預(yù)測。構(gòu)建了物探、鉆探和實(shí)驗(yàn)室物理數(shù)值模擬的全周期、多參數(shù)和多層次的觀測方法體系，以神東礦區(qū)為例，初步掌握了煤炭開采對地下水運(yùn)移的影響規(guī)律，建立了礦井涌水量預(yù)測模型。（2）水庫選址。采用觀測研究和水流場動態(tài)模擬方法，掌握了煤炭開采地下水流匯聚流場規(guī)律，開發(fā)了煤礦地下水選址技術(shù)。（3）庫容設(shè)計(jì)。首次提出了煤礦地下水庫儲水系數(shù)概念，研發(fā)了全球規(guī)模最大的多層煤開采地下水運(yùn)移過程模擬試驗(yàn)平臺，建立了水庫庫容計(jì)算模型。（4）壩體構(gòu)筑。針對煤礦地下水庫壩體結(jié)構(gòu)特殊和受力復(fù)雜特征，采用物理模擬、數(shù)值模擬等方法，建立了煤柱和人工壩體結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算模型、人工壩體掏槽工藝，確定了神東礦區(qū)壩體參數(shù)。（5）安全保障。提出了煤礦地下水庫三重防控的技術(shù)理念，即控制地下水庫水位、監(jiān)控壩體薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)急泄水系統(tǒng)3個(gè)方面。（6）水質(zhì)控制。采用相似模擬、試驗(yàn)測試、現(xiàn)場測試等方法，掌握了巖體對礦井水的凈化機(jī)理，研發(fā)了入庫前沉淀、庫內(nèi)巖體凈化和井下礦井水專門處理的“三位一體”水質(zhì)控制技術(shù)。結(jié)果：初步形成了煤礦地下水庫理論框架與技術(shù)體系形成了理論框架與技術(shù)體系。應(yīng)用該技術(shù)，在神東礦區(qū)累計(jì)建成32座煤礦地下水庫，儲水量3100萬方，形成了世界惟一的煤礦地下水庫群，供應(yīng)了礦區(qū)95%以上的用水，保障了世界惟一2億噸級礦區(qū)的水資源供應(yīng)。建成了世界首座多煤層分布式煤礦地下水庫—大柳塔煤礦分布式地下水庫，儲水量710萬方，實(shí)現(xiàn)了礦井水不外排。以該技術(shù)為核心，申報(bào)了“煤炭開采水資源保護(hù)與利用”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究成果相繼獲中國專利金獎、國家科技進(jìn)步二等獎以及內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)獎一等獎。該技術(shù)被國家發(fā)改委、國土資源部在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。結(jié)論：煤礦地下水庫作為采礦工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、水利工程和環(huán)境工程等多學(xué)科交叉的首創(chuàng)交叉技術(shù)領(lǐng)域，面臨著采動應(yīng)力場、裂隙場和滲流場“三場”演化、壩體安全、水質(zhì)凈化機(jī)理等基礎(chǔ)研究、壩體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與構(gòu)筑工藝、水庫群調(diào)度優(yōu)化技術(shù)等諸多基礎(chǔ)理論和技術(shù)難題，將形成新的學(xué)科領(lǐng)域。同時(shí)，該技術(shù)在神東礦區(qū)的成功應(yīng)用，證實(shí)了該技術(shù)的可行性，實(shí)現(xiàn)了煤炭資源與水資源的協(xié)調(diào)開發(fā)利用，為西部煤炭開采地下水保護(hù)利用開辟了一條有效的技術(shù)途徑，也為保護(hù)利用我國每年煤炭開采損失的60億t礦井水提供了技術(shù)條件。

來源出版物：煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(2): 239-246

入選年份：2015