刘庄煤矿1.5Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
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高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术高瓦斯煤层放顶煤安全开采相关技术问题摘要:介绍我国放顶煤开采技术的发展过程,阐明放顶煤采煤法是一种既高产又安全的采煤方法。对于高瓦斯煤层进行放顶煤开采,在硬顶煤和硬顶板特殊的地质条件下,必须采取特殊的措施才能安全开采。关键词:安全开采;放顶煤; 高瓦斯煤层1 概 述近年来在放顶煤工作面发生了数次严重的瓦斯爆炸事故,引起了国内上到国务院、国家煤矿安全生产监督管理局领导,下至煤炭同行的严重关注。例如:2004年11月28日铜川陈家山煤矿综放工作面发生瓦斯事故,死亡166人;2005年10月3日,鹤壁二矿放顶煤工作面发生瓦斯爆炸事故,死亡31人。不少人甚至产生这样的质疑:放顶煤采煤方法是否是本质不安全的采煤方法。有必要在这里澄清对这一问题的看法。普通放顶煤采煤法在国内外应用有悠久的历史,可以追溯到20世纪初。而综合机械化放顶煤采煤法是1964年首先在法国中南煤田布朗齐矿试验成功的。我国从1982年开始试验研究综放开采技术,第一个缓倾斜特厚煤层一次采全高综放工作面于1984年4月在辽宁沈阳矿务局蒲河矿投入试验。第一个急倾斜特厚煤层水平分层综放开采工作面,于1986年3月在窑街矿务局二矿投入试验。这两个工作面均在1986年试验成功,取得了良好的技术经济效果,并于当年进行了鉴定。在随后的年代里放顶煤开采包括综合机械化放顶煤、单体液压支柱放顶煤、滑移支架放顶煤,得到了迅猛发展。我国几乎所有的厚煤层矿区均采用了放顶煤采煤法,传统的分层开采已被放顶煤采煤方法取代。我国综放开采技术已处在世界领先地位,并将这一技术输出到国外。时至今日,我国每年的综放产量接近1亿t。 在综放开采技术发展过程中,科研院所和高校与现场密切结合,在综放开采采煤工艺、技术装备、瓦斯治理、防火、粉尘治理、矿压显现、地表沉陷、顶煤顶板运移规律以及提高煤炭采出率等诸多方面,进行了大量的研究工作,取得一系列研究成果,使综放开采技术得以完善和提高。1994年,为了规范综放开采技术,原煤炭工业部专门组建综放专家组制定了综放开采技术暂行规定。至此,综放开采技术20多年来经过试验、推广完善及提高几个阶段,已经成为高产、高效、安全、经济效益好的采煤方法,并成为我国厚煤层矿区建设高产高效集约化矿井的有效技术途径之一。2 高瓦斯煤层放顶煤开采应具备的条件 高瓦斯煤层的综放开采安全问题最近几年行受国内采矿界关注。多数矿区的实践证明,高瓦斯煤层不但可以进行综放开采,而且同样可以实现高产高效,例如,靖远矿务局魏家地煤矿是一个高瓦斯、易自燃、有突出危险的新建矿井,设计生产能力为150万ta,投产7年,采用分层综采,全矿4个工作面年产量之和仅为20万30万t,矿井在采取措施,降低突出危险性后,采用综放开采,在综放工作面投产的第2年,产量就超过了80万ta,何没有发生瓦斯突出事故;淮南谢桥矿为设计年产量400万t的新建矿井,为高瓦斯矿井,矿井设计时被定为具有煤及瓦斯突出危险,采取安全措施后,在厚度不超过5m的煤层中用综放开采,未发生突出事故, 目前工作面生产能力已达到200万ta以上。我国还有不少矿区的较薄厚煤层均采用放顶煤采煤方法。如徐州、淮北、邯郸、峰峰等煤矿,煤层厚度455 m,矿井的地质条件和经济条件又不允许采用大采高综采,采用放顶煤采煤法开采是最好的选择。 鉴于高瓦斯煤层进行放顶煤开采在安全方面有其特殊性,主要表现在放顶煤工作上隅角发生瓦斯超限,采空区如有空洞易形成瓦斯库,采空区遗煤自燃,易发生瓦斯爆炸事故等。因此,高瓦斯煤层进行放顶煤开采时,对其地质条件应有特殊要求。21 煤层直接顶板及底板岩性与厚度从放顶煤开采提高采出率出发,不但要求顶煤能随采随冒,也要求煤层的直接顶能随采随冒,而且要求直接顶的垮落高度,至少等于煤层的厚度。高瓦斯煤层进行放顶煤开采也必须满足这一要求,主要是出于安全的考虑。如果直接顶不能随采随冒,或虽能随采随冒,但垮落厚度小,不足以充填采空区,则必然在采空区形成空洞,给瓦斯积聚提供了空间(图1)。同时,直接顶垮落充填厚度不足以形成工作面和采空区空洞之间的安全隔离带造成漏风,给空洞提供供氧条件,则空洞里的瓦斯一旦达到爆炸或爆燃浓度遇石英法的基本顶垮落产生的火花或工作面巷道尾部中锚断裂产生的火花,就会发生瓦斯爆燃事故,并波及工作面。特别是在工作面初采期间,直接顶不能充分垮落,极易形成这样的条件(图2) 22 坚硬顶煤和坚硬顶板放顶煤开采 在坚硬顶煤条件下进行放顶煤,国内已有成熟的经验。即通过顶煤的软化处理,改善顶煤的冒放性,主要手段是注水软化和预爆破处理。对于注水特性好的煤层以注水软化为最佳选择。因为这种方法除了软化顶煤外,还可以起到防尘、降温,只能预防自然发火,排放瓦斯的作用。对于注水特性不好的煤层,只能采用预爆破的方法进行顶煤软化处理。所谓预处理,就是在顶煤中的工艺巷里或工作面的两个平巷里,超前工作面一定距离进行深孔预爆破。在有些矿区,对工作面局部块段或两端头处顶煤不易垮落的顶煤,也有实施架间爆破的。从安全角度考虑顶煤软化对于高瓦斯煤层,更重要的是避免顶煤垮落不充分,在采空区形成空洞,积聚瓦斯,造成安全隐患。在工作面两端或局部地段进行顶煤松动爆破处理时,应控制钻孔的位置和方向,保证松动爆破不致和采空区连通。要求打眼工作应在工作面煤壁附近进行,钻孔的位置距煤壁的距离不应大于1 m,钻孔向采空区方向的倾角不超过15。在预采顶分层网下进行放顶煤开采时,钻孔的孔底距顶分层底板的距离不应小于05 m。 当煤层顶板坚硬或直接顶很薄时,对放顶煤是不利的。一般情况下即使进行顶煤软化处理,效果也是不理想的。即使不考虑采出率,在高瓦斯情况下,采空区空洞积聚瓦斯是不可避免的。因而对于高瓦斯厚煤层,如果煤厚度在56 m以上,则建议采用预采顶分层放顶煤采煤法(图3)。即先采一个顶分层(铺网或不铺网均 可),将顶板放下来,然后再沿煤层底板进行放顶煤开采。预采顶分层对于高瓦斯煤层还有一个好处,就是在采顶分层时,可以释放煤层的瓦斯,起到开采解放层的作用。如果高瓦斯煤层的厚度在5 m以下,顶板又不易垮落,则最好选用其他采煤法。3 高瓦斯煤层放顶煤开采的巷道布置高瓦斯放顶煤工作面的巷道布置必须保证工作面回风巷和工作面上隅角的瓦斯不超限。工作面通风即要考虑稀释采煤机落煤、放顶煤等工序所释放出的瓦斯,同时也要考虑采空区和上部煤岩体由于采动破坏析放并涌人工作面的瓦斯。因而放顶煤工作面的巷道布置从通风角度考虑有各种形式,有平面多巷布置方式。(1)U形布置。工作面采用一进一回通风方式。这种通风方式易出现工作面回风巷和工作面上隅角瓦斯超限。因而不适宜高产工作面。遇到工作面上隅角瓦斯超限时,多采用风障和局部通风机进行稀释。(2)E形通风系统或称U+L立体通风方式。即在U形通风系统的基础上,在顶煤中另掘一条排瓦斯巷,形成第二条回风巷或在多数情况下作为抽瓦斯巷。这种方式可有效解除工作面上隅角瓦斯超限现象,并能有效地排出顶煤中释放的瓦斯。布置在煤层顶板岩石中高抽巷亦属于此种类型通风系统。(3)U+L平面多巷通风系统。即在U形通风系统的基础上,增加一条巷道,形成一进两回或两进一回的通风格局(图4)。(4)Y形通风系统,在采用无煤柱巷旁充填护巷,进行放顶煤开采时,在采空区保留一条巷道,作为回风巷,而工作面的2个平巷做进风用,形成两进一回的通风格局。如图5所示。(5)Y+L形通风系统。在Y形通风的基础上,另掘一条回风巷,形成两进两回的通风格局,如图6所示。(6)E+L形通风系统。在E形通风系统的基础上,为增加工作面上部的排瓦斯能力,在工作面回风巷外侧另掘一条巷道作为回风巷,形成一进两回一抽的通风格局,如图7所示。4 高瓦斯放顶煤工作面的采煤工艺41 采煤机割煤速度和放顶煤速度回采工作面煤壁瓦斯涌出量的计算公式如下: Qm=Vmh(1exp) (1) 式中 Qm 煤壁瓦斯涌出量,m3 min; Vm 采煤机割煤速度,mmin; h 截割高度,m; 回采工作面煤壁瓦斯的涌出强度,m3(minm2 ); 瓦斯涌出衰减系数,min-1; 工作面长度,m。 回采工作面采(放)落煤块瓦斯涌出量的计算公式如下: Qk=Xcm (2)式中Xc为单位煤块重量在回采工作面停留时间之内涌出的瓦斯量,m3 t;m为采煤机落煤(放煤)效率,tmin,m = HB,其中H为截割高度或放煤高度,m;B为采煤机截深或放煤步距,m;为煤体容重,kNm3 。从式(1)、式(2)看出,煤壁和采落煤块的瓦斯涌出量,都与采煤机的割煤速度或放煤速度成正比。因而在高瓦斯放顶煤工作面,应控制割煤速度和放煤速度,否则会造成工作面局部瓦斯超限。割煤速度和放煤速度应通过实测确定。即在采煤机割煤或放煤时,在采煤机和放煤口下风口处检测瓦斯浓度,改变割煤速度和放煤速度,以瓦斯不超限时的速度为该工作面的合理割(放)煤速度。42 顶煤的软化处理工艺如遇顶煤坚硬不能随采随冒,如不进行顶煤软化处理,改善顶煤的冒放性,必然会丢失大量的顶煤。在高瓦斯坚硬煤层进行顶煤软化处理时必须选择合理的顶煤软化方法。43 高瓦斯放顶煤工作面的初次放顶放顶煤工作面在顶煤和直接顶初次垮落之前采空区未能充填,此时最宜在采空区积聚大量瓦斯,而且在切眼里采用锚杆、锚索支护。一旦顶煤或顶板垮落时,锚杆(索)断裂,摩擦极易产生火花。如不采取防范措施,就会发生瓦斯爆燃事故。在高瓦斯放顶煤工作面初次放顶时必须采取以下措施:(1)在工作面离开切眼前对切眼上方的顶煤和后方煤柱实施爆破处理,使顶煤的初次垮落步距为零。(2)在直接顶垮落之前不得进行放顶煤。如果此时大量放顶煤将采空区放空,必然形成巨大的积聚瓦斯空间。 (3)应采取缩小直接顶的初次垮落步距,有效的方法是在工作面切眼的上方顶煤中,沿顶板掘一辅助切眼,在辅助切眼里,对直接顶进行拉槽预爆破处理,可使直接顶的初次垮落步距缩减为零。5 高瓦斯煤层放顶煤工作面的防火问题高瓦斯煤层进行放顶煤开采时,除采用常规的综合防灭火措施外,必须考虑防治瓦斯和防火之间的关系。应从以下几方面着手解决这一问题。(1)从某种意义上讲,采空区积聚瓦斯,必然减少采空区的供氧量,因而对防火是有利的,但采空区瓦斯如果大量涌人工作面,则必对工作面安全带来威胁。为避免采空区瓦斯涌人工作面,可以改变工作面的推进方向,即使工作面沿煤层伪俯斜布置,使工作面的推进方向变为伪俯斜向下推进,这样采空区的瓦斯向上运动,不致涌人工作面内。(2)在采用u+L形通风系统时,应尽量缩短回风流经过采空区的路线或避免回风流经过采空区,以防止采空区漏风。(3)在u形或E形通风条件下,应加强工作面两端头尾巷的密闭,防止采空区漏风。在E形通风条件下,应尽可能通过高抽巷或排瓦斯巷排放采空区瓦斯,以减少采空区的瓦斯含量。(4)在Y形通风条件下,应对巷旁充填带进行喷浆或泡沫塑料喷涂,防止充填带漏风。(5)在任何通风条件下,都应加强工作面的推进速度,以尽快使采空区厌氧带的出现时间小于煤炭自然发火期。煤与瓦斯共采1 概 述2010年11月18日,由中国工程院、国家能源局举办的首届中国能源论坛明确提出:我国将“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”,20302050年煤炭年需求达35亿吨,在能源结构中的比例仍占50%。可见,在相当长的时期内,煤炭作为我国主导能源和基础能源的地位无法替代。然而,我国煤炭开采难度大,-1000米以下煤炭资源量占总资源量的53%,全国95%以上的煤矿为井工开采,瓦斯、水、火、地压、地温等自然灾害严重,特别是瓦斯问题尤为突出,国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井,且大部分为低透气性煤层。长期以来,我国在低透气性煤层中开展的地面煤层气开采一直未能取得突破,国家曾引进美国技术在两淮矿区实施数口地面钻井开采煤层气,试验均告失败。同时,在煤矿井下引进德国、澳大利亚钻机直接在煤层中抽采瓦斯的尝试也没有成功。上述研究至今仍未取得进展,因此,自上世纪80年代以来,随着煤矿开采深度增加,瓦斯灾害升级,此类煤矿瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故频繁发生。淮南矿区是瓦斯危害最典型的矿区之一,历史上是全国煤矿瓦斯事故重灾区。近十多年来,我们针对低透气性煤层瓦斯治理状况,即地面煤层气开采和地下直接抽采瓦斯均走不通的客观事实,大胆从煤矿井下开采源头来解决低透气性高瓦斯煤层瓦斯治理难题,依靠井下采场卸压开采来增加煤层透气性,并抽采卸压瓦斯的煤与瓦斯共采理论。解决了低透气性煤层煤矿瓦斯治理这一世界性、历史性的难题,杜绝了瓦斯爆炸事故,大大解放了矿区生产力。十多年淮南矿区及全国类似条件安全开采瓦斯治理实践已证明,煤与瓦斯共采是实现煤炭科学开采的必由之路。2理论的提出与初步成效淮南矿区资源丰富,探明资源量500亿吨,其中-1200米以浅国家批准的总体资源量285亿吨,煤层气资源近7000亿立方米,是我国东部和南部最大的一块整装煤田,占我国东部煤炭储量的50%,占安徽省煤炭储量的74%。然而,淮南煤炭赋存条件差,为低透气性煤层群开采条件,渗透率极低地质条件极为复杂,煤层瓦斯含量高,每分钟瓦斯涌出量达1100立方米,居全国前列,是我国开采难度最大的煤田之一,瓦斯事故多发。几十年来,被瓦斯这只“猛虎”所束缚,矿区煤炭产量一直徘徊在1000万吨左右,丰富的煤炭资源和良好的区位优势难以发挥。众所周知,低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题,传统的治理办法是“拼刺刀”,即直接在低透气性高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层进行治理措施和采掘活动,对瓦斯是“堵”而不是“疏”。这个路子已经证明是行不通的,大量瓦斯仍然存留在煤层之中,治理效果差。要想降伏瓦斯这只“拦路虎”,消除瓦斯威胁,实现安全生产,就必须走出一条新路子。1996年4月,通过大量试验研究和理论论证,袁亮院士提出了“卸压开采煤与瓦斯共采”的技术原理:打破传统自上而下的开采顺序,首先开采瓦斯含量相对较低的薄煤层,造成上下岩层移动,膨胀卸压,从而增加煤层透气性,使得相邻煤层的瓦斯被解析为游离瓦斯,再通过预先布置的巷道和钻孔“抽采”到地面。这样,实现了煤与瓦斯共采,煤层得以在低瓦斯状态下安全开采,抽采到地面的瓦斯通过地面永久抽采系统进行综合利用,实现低碳经济。这一理论提出之后,当时在推广实施的过程中却遇到了很大的阻力,因为煤矿技术创新不像其他行业的技术创新,如果失败风险很大,不但耗费人力、物力、财力,还极有可能威胁到安全生产。因此,需要大胆设想,小心求证。1996年10月,淮南煤矿举行了“卸压开采煤与瓦斯共采技术”专家论证会。当与会人员听懂这个方案后,一片哗然,不约而同地提出了质疑。有的人认为这是异想天开,其中一位专家说:“对于卸压开采,我们在50年代就已经搞过,都没有成功。”另外一位专家担心:“卸压瓦斯不进入钻孔,在巷道里四处乱窜,从而给安全造成巨大的威胁。”淮南煤矿已经别无选择,我们还是决定开展实验室研究和现场验证试验,并力推该项新技术,在新区的潘一矿和老区的新庄孜矿各选择一个工作面进行试验。1998年9月,令人惊喜的消息传来。“卸压开采抽采瓦斯煤与瓦斯共采技术”取得了巨大的成功,仅潘一矿一条巷道就抽出了1000多万立方米的瓦斯,煤层透气性增加了2880倍,低透气性煤层卸压增透后,煤层中60%以上瓦斯被抽采出来,瓦斯威胁得到了解除,实现了高瓦斯煤层在低瓦斯状态下的安全开采。2000年之后,该技术逐步成熟并在淮南矿区全面铺开,形成了井上下立体的卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采和先抽瓦斯后采煤的工程技术体系。瓦斯,这只昔日吞噬多少矿工生命的“老虎”终于被温顺地关进了笼子里。“卸压开采煤与瓦斯共采技术”实现了瓦斯“治得住”,但它存在着巷道工程量大、瓦斯治理成本高等弊端。如何找到技术经济最佳结合点,有没有一种既能治理瓦斯保证安全,又能降低成本的技术呢?为此,2004年袁亮院士提出了“无煤柱煤与瓦斯共采”理论,并开展了系统的研究工作。首先在通风方式上进行变革。2004年之前,我国煤矿均采用U型通风方式。它的好处是系统简单,一条进风巷道,一条回风巷道,但是存在着工作面上隅角瓦斯积聚的重大安全隐患。据统计,我国煤矿采煤工作面80%以上瓦斯事故发生在上隅角,且都是因为瓦斯积聚。而当时德国、波兰等世界先进采煤国家在20多年前就淘汰了U型通风方式,采用Y型通风方式。即采煤工作面采用两条进风巷道、一条回风巷道的通风方式,能有效地解决上隅角瓦斯积聚的问题,消除安全隐患。要实现Y型通风,最关键的就是回采工作面留巷,沿着采空区构筑一道密不透风、铜墙铁壁般的墙体,上能支撑顶板的压力,下能阻断采空区的瓦斯外溢,并利用这条巷道对煤层群开采条件下的上下煤层进行瓦斯抽采和综合治理。其实,我国老一代采矿界对Y型通风并不陌生,上世纪90年代初,煤炭部为了解决无煤柱开采问题,组织研究了一次沿空留巷工艺,采用一种高水充填材料,但是试验失败。从此,沿空留巷Y型通风在中国再无人问津。德国煤矿采用重型U型钢支护,壁后充填,实现Y型通风。在德国,开采一吨煤,政府补贴80欧元,吨煤成本高达1600元人民币,而淮南商品煤市场价只达到500多元,显然,如果走德国的技术路线既不经济,更不现实。好在我们已经从“卸压开采煤与瓦斯共采技术”的自主研发中尝到了创新的甜头,因此对Y型通风试验有了更大的热情。在淮南矿区要研究成功Y型通风,关键是研制出一种强度高、易于井下长距离泵送的充填材料和机械化护巷工艺系统。企业是创新的主体,2004年提出课题并立项研究,次年完成实验室模拟、相关材料、系统设计研究,在过去技术积淀的基础上,经过近四年理论研究和3000多次试验后,充填材料终于研制成功。2007年2月,膏体材料和远距离复杂条件下的泵送试验一举成功。同年7月,“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”这项具有中国自主知识产权的煤矿工程技术与理论,在瓦斯绝对涌出量为我国第二位的新庄孜矿正式应用。几个月后,工作面安全顺利回采完毕,回采期间瓦斯抽采率最高达85%,平均为75%,工作面瓦斯威胁彻底消除,实现了安全开采。当年底,这项技术在我国高瓦斯、高地温、高地压复杂地质条件的顾桥煤矿1115(1)综采工作面再次成功应用,实现了“无煤柱煤与瓦斯共采”,最高日产安全煤量18681吨,月产36万吨,年产高达486万吨,充填留巷长度达2900米,是德国的2倍,成本仅为欧洲的1/3,抽采瓦斯气30946立方米,抽采率达72%,抽出的高浓瓦斯直接利用,实现了绿色开采、节能减排,创造了世界纪录。这项技术,一是解决了高瓦斯、高地应力、低透气性煤层等复杂地质条件煤矿煤与瓦斯共采技术难题,保证了安全高效开采;二是实现了无煤柱开采,煤炭资源回收率提高了58个百分点;三是简化系统,少掘34条巷道,降低了生产成本和瓦斯治理成本,实现连续开采;四是完善了通风流场,有利于防止煤层的自然发火;五是“两进一回”通风方式,工作面感觉温度降低35,大大改善了职工井下作业条件;六是经济效益、社会效益和环境效益显著,新区顾桥矿应用这项技术,一个工作面节省费用1亿元,老区矿井节省5000万元,并把煤矿井下有害温室气体瓦斯高效利用,变害为利,变废为宝。2007年12月,中国煤炭学会组织专家对“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”进行了鉴定,由中国工程院钱鸣高、周世宁等院士和专家组成的鉴定委员会一致认为:无煤柱煤与瓦斯共采技术集成、创新了所涉及的理论、技术、材料、装备和工艺系统,形成了整套创新技术体系,达到国际领先水平,很有推广价值!钱鸣高院士评价说,这是我国第一个完整地在一个矿区实现煤与瓦斯共采、将瓦斯变害为宝的重大创新项目,使矿井开采向本质安全型迈进了一大步,取得了显著的经济和社会效益,开创了该类条件下国内外煤层安全高效开采先例。这项技术获中国煤炭工业协会科学技术奖特等奖、国家科技进步奖二等奖。2008年1月26日,时任国家安全生产监督管理总局局长的李毅中同志在顾桥煤矿1115(1)工作面考察时,感慨地说:“Y型通风沿空留巷很了不起,解决了煤与瓦斯共采问题,代表了中国煤炭工业发展的方向。”并用粉笔在井下写了“沿空留巷,Y型通风好”9个字,以表达自己对应用煤矿新技术的喜悦之情。3煤与瓦斯共采的成效淮南矿区创新的以煤与瓦斯共采关键技术为核心的瓦斯综合治理技术不仅得到了国内的充分肯定,也受到了国际采矿界的关注和认可。自2007年以来,淮南矿业集团每年承办一次煤矿瓦斯治理技术国际会议,来自世界十多个产煤大国的煤矿瓦斯防治顶尖级专家以及科研机构的学者共同研讨煤矿瓦斯治理技术。2008年10月,世界采矿大会国际组委会主席杜宾斯基先生应邀参加了当年度的中国(淮南)煤矿瓦斯治理技术国际会议。会议期间,他认真听取了有关“煤与瓦斯共采关键技术”的介绍,并深入顾桥煤矿700多米深的井下实地考察后,激动地评价说:“我多次到中国,这次给了我很大的冲击。我没想到中国的瓦斯治理效果这样好,没想到淮南煤矿的瓦斯治理技术这样先进,没想到已经超过了我的祖国波兰,也超过了德国和欧洲。中国无疑是采煤大国,也是技术强国,袁亮在煤炭开采的技术理论研究上大胆创新,领跑了世界煤炭开采技术!”德国煤矿技术研究院首席科学家维利卡莫是世界顶级的围岩控制和地压治理专家,曾经多次劝说淮南引进德国的“煤与瓦斯共采技术”,并断言在顾桥煤矿这样的地质情况下,不走德国路线是行不通的。2008年5月,他第三次来到淮南顾桥煤矿,当得知中国人自主创新的“煤与瓦斯共采技术”在顾桥煤矿成功应用,并且工作效率和经济性远远超过德国后,不禁翘起了大拇指。煤与瓦斯共采技术创新带动了企业理念、管理的全面创新,同时借助国家和安徽省重大科技支撑项目和政策支持,淮南煤矿基本找到了瓦斯治理的方法与途径,淮南矿区连续13年杜绝了瓦斯爆炸事故,百万吨死亡率降至0.1左右,比历史平均百万吨死亡率下降30倍以上,淮南煤矿实现了科学发展、绿色发展,发生了脱胎换骨的变化。这些年,淮南煤矿建设和改造升级了顾桥、张集、谢桥三个千万吨级的特大型矿井,以及一批井型在400万吨以上的现代化煤矿,并用先进技术改造了一批老矿井,生产能力得到了充分发挥。原煤产量过去50多年一直徘徊在1000万吨,通过8年多的努力,提升到6000多万吨,2009年达到6715万吨。2010年在中国500强企业排名中列第183位。瓦斯抽采量由1997年的1000万立方米增加到3.5亿立方米,抽采率由5%提高到65%。抽出的瓦斯作为洁净能源直接利用,建成了世界第一座低浓度瓦斯发电站,共建成瓦斯发电站8座,装机容量24232kW,实施了亚太地区首例热电冷联供项目,同时实施瓦斯民用工程,能满足10万户居民需求。淮南煤矿被国家列为13个亿吨级煤炭基地和6个大型煤电基地之一,国家发改委于2008年12月在顾桥煤矿举行了两淮亿吨级煤电基地竣工投产仪式,也是全国第一个建成的大型煤电基地。企业被授予“国家第四批创新型试点企业”、“中华环境友好型企业”和“国家首批循环经济试点企业”。近10年来,淮南煤矿在瓦斯综合治理与利用方面由经验治理上升到科学治理,形成了瓦斯治理20种理念、50项技术和50条经验。获得国家授权有效发明专利11项,实用新型专利29项。主持(或参与)制定国际标准1项、国家标准2项、行业标准13项,获国家科技进步奖6项,获省部级科技进步奖55项。国家批准在淮南矿业集团组建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、煤矿生态环境保护国家工程实验室,顾桥矿为国家“高瓦斯、高地压、高地温示范矿井”、谢一矿为国家“深井开采试验矿井”。目前,淮南煤矿已成为安徽省、华东地区乃至黄河以南最大的煤电基地。现在,平均每天有2000多节满载“淮南煤”的火车皮从这里驶向浙江、江苏、江西、福建、上海等华东省市,发挥了能源对区域经济社会发展的重要作用。瓦斯治理技术实现重大突破后,淮南煤矿主业的实力逐步增强,目前电力权益总规模达1192万千瓦,成为安徽省最大的电力企业。淮南矿业集团在行业内首创煤电一体化,与合作方均股建成了田集电厂、凤台电厂,把一部分煤炭资源就地转化为电力,直送上海、浙江两地。世博会期间,淮南矿业集团累计向世博输送电量79.73亿千瓦时,上海每天所用的7度电中就有1度是“淮南电”。2010年11月,淮南矿业集团收到来自上海市人民政府的一封感谢信,来信真诚地说:“贵集团为保障上海能源供应、城市正常运行特别是上海世博会的成功举办作出了很大的贡献。”4. “淮南经验”惠及全行业2003年,吴邦国委员长视察淮南煤矿,对矿区在瓦斯治理上取得的成功经验给予了充分肯定。我国70%以上煤矿的开采条件和淮南矿区基本相似,淮南的瓦斯问题具有典型性和代表性。国家发改委有关领导指出,淮南瓦斯问题解决了,对全国高瓦斯煤矿的瓦斯治理能够起到很好的示范作用。2004年、2005年两年,我国煤矿共发生了6起死亡百人以上的瓦斯事故,党中央、国务院对此高度重视。为了有效控制煤矿瓦斯事故,温家宝总理在听取有关专家关于淮南矿区瓦斯治理情况的汇报后,决定在全国推广淮南瓦斯治理经验。2005年3月,由时任国务院副总理的黄菊同志主持,在淮南召开了全国煤矿瓦斯防治工作现场会,推广了淮南矿业集团瓦斯治理20种理念、50项技术和50条经验。企业还受国家发改委委托,编写了全国煤矿瓦斯治理与利用总体方案。5个月后,温家宝总理视察安徽,在听取淮南矿业集团汇报后说:淮南煤矿这几年在瓦斯治理和安全生产上是全国学习的一个榜样。同年12月,按照国务院第81次常务会议的精神,国家发改委批准,由淮南矿业集团联合中国矿业大学组建煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,在淮南落户。这个中心是我国第一个煤矿瓦斯治理领域的国家级研究中心,也是我国第一个设在企业的国家工程研究中心。国家要求,这个中心要以企业为产业化基地,加快煤矿瓦斯治理与利用技术研发,辐射全行业,为行业提供技术培训和技术服务。2006年以来,受国家发改委委托,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心共举办了全行业瓦斯治理技术和管理培训班30多期,培训6000多人次,其中包括45户全国煤矿安全重点监控企业的董事长、总经理、总工程师及所属矿井的矿长、总工程师等500多名企业高管。同时,根据国家发改委和国家煤监局授权,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心以技术咨询服务为主要发展方向,面向全行业开展技术服务。华晋焦煤公司沙曲矿是全国单井口瓦斯涌出量最大的煤矿之一,每分钟瓦斯涌出量高达479立方米。20062008年三年该矿的瓦斯超限次数分别为3635次、2605次、1648次。由于瓦斯的威胁,设计产量为300万吨的矿井,实际产量却只能达到120万吨。接受淮南瓦斯治理技术服务以后,2009年瓦斯超限次数下降到93次,同比下降90%以上,控制了瓦斯超限事故,实现了安全生产。2010年沙曲矿被山西焦煤集团公司授予“瓦斯治理先进矿”称号。而在整个山西焦煤集团,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心对该集团12对高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井和汾西矿业6对低瓦斯矿井进行安全技术会诊后,从根本上改变了山西焦煤集团瓦斯治理观念。皖北煤电公司的卧龙湖煤矿是在淮南矿业集团以外第一家成功实施“煤与瓦斯共采技术”的煤矿,该技术已成为皖北煤电公司保护层开采的主要模式。松藻煤矿是与淮南矿区瓦斯地质条件复杂程度相似的煤矿,在应用无煤柱煤与瓦斯共采技术后,生产效率提高了4倍,瓦斯从没超限过,瓦斯从根本上得到了治理。近几年来,国家发改委、煤矿瓦斯防治部际协调领导小组,国家煤矿安全生产监察局办公室先后下文,向全国推广低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术。截至目前,以“煤与瓦斯共采技术”为代表的淮南瓦斯治理技术创新成果在全国类似条件的40多个矿区100多个矿井推广应用,占全国高瓦斯突出矿井60以上。2006年以来,全国煤矿瓦斯事故死亡人数减少二分之一以上,这是各方面工作的结果,但其中重要的一条就是国家从2005年开始推广淮南瓦斯治理的技术与经验。今年11月份,中澳煤矿安全技术国际研讨会在澳大利亚港口城市纽卡斯尔举行,我应邀参会并作主旨报告,系统介绍了我国淮南等高瓦斯矿区在低透气性煤层群瓦斯治理方面所取得的成绩。会后,澳大利亚采矿界同仁对“无煤柱煤与瓦斯共采技术”给予了高度评价,并发来信件,希望有机会实地考察淮南矿区煤与瓦斯共采技术,也有意将其引进到澳大利亚的高瓦斯煤矿区。全国众多高瓦斯矿区的实践已经证明,煤与瓦斯共采技术与理论能够有效解决此类矿区瓦斯治理的难题。5.科学开采面临的问题与思考 我国煤矿95%以上是井工开采,平均开采深度近500米,且每年以2030米的速度增加,将有一批矿井陆续进入深部开采。在我国煤炭资源储量中,近一半埋深在-1000米以上。据最新一轮的全国煤田预测结果,我国-2000米以浅的煤炭资源总量为5.57万亿吨,其中埋深在-1000米以下的为2.95万亿吨,占煤炭资源总量的53%。随着开采深度的增加,开采所遇到的难度并不是线性增加,而是几何级增加,超过浅部开采的几倍,甚至数十倍、上百倍,高瓦斯、高地温、高地压、高承压水“四高”等急难技术问题日益突出,成为世界性难题。瓦斯压力、含量快速升级,煤与瓦斯突出灾害日趋严重,瓦斯治理的难度越来越大;在高承压水作用下,突水危险趋于严重;随着开采深度的增加,热害威胁增加;深部地应力大,冲击地压现象急剧增加,破坏性很大;矿井生产规模逐步扩大,开采强度增大,生产系统日趋复杂,危险性不断增大,一旦发生事故,其灾难性、破坏性更大,且增大了事故应急救援的难度。应清醒地看到,我国煤炭行业还存在着一系列管理上的严重问题。一是部分煤矿企业对瓦斯、水、火等井下灾害认识不够,管理标准低,在安全没有保证的情况下盲目组织生产,为煤矿安全埋下重大隐患。二是技术落后、基础薄弱。煤矿深部开采理论研究不够,实时动态的灾害预防技术缺乏,煤矿开采设计、安全技术标准低,高瓦斯复杂地质条件矿区采场内构造场、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。三是安全投入存在历史欠账。由于过去煤矿企业经济困难,安全投入不够,装备得不到及时更新,许多矿区仍然使用落后的装备,达不到深部开采的安全标准。四是煤炭行业办矿门槛低,煤矿员工队伍整体素质与高危行业的灾害威胁和严格的作业要求差距较大,相当一批企业人才匮乏,煤炭行业高等教育距离培养高素质人才的要求有较大差距。今后相当长的时期内,煤炭作为我国主导和基础能源的地位不会改变,煤矿实现科学产能是保障煤炭能源安全和煤炭工业全面协调可持续发展的关键所在。建议国家和地方政府加大煤炭行业的科技攻关力度,开展煤矿瓦斯治理、水害防治、地压治理、深井开采、生态环保等重大技术难题的攻关研究。尤其是煤与瓦斯共采技术与理论要在全国煤矿进一步推广,需要对不同矿区、不同煤层地质条件等技术问题进行深入研究,使煤与瓦斯共采技术能够适用于我国各类条件的煤矿。淮南矿区依靠技术创新尝到了甜头,但是煤炭深部开采的许多重大科学和技术难题没有解决。因此,国家和地方政府要重点引导和支持创新要素向企业集聚,加快建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。企业是技术创新的主体,煤炭行业面临的技术难题在企业,企业要有解决安全发展急难课题的迫切需求与动力,要开创资金、人才等国家级研究平台,组织科研院校和企业开展行业技术创新工作。特别提出,投入是煤炭实现安全高效开采和瓦斯治理的物质基础。没有高投入,不发展先进生产力,就没有瓦斯等重大事故的有效控制。高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安全费用提取标准应不低于50元/吨煤,其中瓦斯治理费用应不低于35元/吨煤。煤炭行业科研和技术装备投入应不少于销售收入的2%3%,资金保障是提高企业技术创新能力和装备水平的关键。最后,建议国家和地方政府应高度重视煤炭科学产能,加快实现煤炭科学开采。瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术瓦斯煤尘爆炸一直是困扰煤矿安全生产的重大灾害之一。近年来,我国在煤尘着火机理及瓦斯煤尘爆炸机理研究方面,建立了粉尘云着火及燃烧过程简化模型,得出了粉尘空气混合物点火过程中慢速导热燃料模式到快速辐射燃烧模式的转变具有爆炸特征,试验系统中点火诱导期与高温固体颗粒燃料产物的质量分数和燃烧阵面中的热辐射有关,在爆炸极限范围内颗粒相浓度与颗粒点立温度越低火焰加速效果越明显,辐射热损失可能导致燃烧区域的重构,粉尘空气混合物火焰稳态结构发生明显变化等重要结论;通过研究得出了瓦斯煤尘共存条件下煤尘云着火特征参数计算方法,揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波和火焰的变化特征。在取得上述成果的基础上,建立了矿井瓦斯煤尘爆炸危险性评价模型,用事故树方法分析了掘进、采煤工作面瓦斯煤尘爆炸发生的影响因素扩权重、可能发生事故的模式和避免爆炸事故发生所要采取的途径。确立了矿井采煤工作面、掘进工作面瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价指标体系,并将指标分为爆炸易发性指标和爆炸后果严重性指标。前者包括自然因素、技术因素、管理因素和经济因素四方面指标,后者包括煤尘爆炸指数、沉积煤状况、隔抑爆方式、隔抑爆用水量、井下作业人员、以往事故损失及矿山救护能力等。开发出了瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术和专家系统软件,并建立了瓦斯煤尘爆炸的危险性评价和防治专家系统。煤与瓦斯突出区域预测技术采用瓦斯地质理论与物探技术相结合的方法进行突出区域预测,一直是国内外的研究方向。“十五”计划以来,我国煤与瓦斯突出区域预测技术取得重要成果:(1)我国采用瓦斯地质方法,建立了瓦斯地质理论与物探技术相结合的多技术(数字地震勘探、无线电波透视和构造软煤测井曲线识别)集成的多尺度(矿井突出区和工作面突出带)瓦斯突出区域预测瓦斯地质新方法;提出了以瓦斯地质单元基础的由构造软煤厚度(H)和煤层瓦斯压力(P)相配套的突出区域预测瓦斯地质指标,初步确定构造软煤厚度的突出临界值为090m;(2)开发了具有信息输入、动态管理和空间分析功能的瓦斯突出区域预测WebGIS信息平台,实现了瓦斯突出区域瓦斯地质方法的自动化和可视化;采用地球物理探测技术,形成了一套矿井瓦斯富集部位地震探测技术与方法,建立了由3D3C地震技术、AVO技术、地震反演技术、地震属性分析技术、地震波形分类技术、瓦斯地质技术等构成的瓦斯富集部位地质地震预测模式,形成了瓦斯富集部位探测的核心技术;(3)采用地质动力区划的方法,确定了活动构造和岩体应力状态对突出的影响,并划分出应力升高区、应力降低区和应力梯度。为此开发了突出多因素模式识别概率预测计算机软件,确定了活动断裂、最大主应力、应力梯度等8个主要影响因素,并可方便地划分突出的危险区、威胁区和安全区,开发出了突出区域预测决策分析系统软件,实现了图、文、声和像的可视化;(4)采用电磁波透视技术,成功研制出了探测煤层瓦斯灾害易发区的技术和装备,建立了电磁波反射和吸收特征数据库和地质异常体的识别系统,得出了瓦斯灾害易发区分布规律,提出了判定瓦斯灾害易发区的敏感指标和临界值,形成一套适于瓦斯灾害易发区的判识方法。这些技术成果的研究和应用,完善并发展了我国煤矿瓦斯突出区域预测技术体系,提高了突出预测的准确性,非突出危险区预测准确性达到100,突出危险区预测准确性超过70,最大限度地降低了掘进和回采过程中的瓦斯影响,显著提高掘进速度和提高回采工作面产量。 煤与瓦斯突出动态预测技术煤与瓦斯突出的非接触式预测是通过对瓦斯或煤体本身的信号的实时监测而进行的连续动态预测技术。这种方法具有测试简单、不与生产发生冲突、实时连续监测等优点。因此,非接触式连续预测是目前突出预测的主要研究方向。在“九五”攻关成果的基础上,针对掘进工作面煤与瓦斯突出非接触动态预测预报的需要,分别研究出了基于动态瓦斯涌出规律原理、AE声发射原理和电磁辐射原理的工作面突出危险性连续监测技术与装备。通过分析瓦斯涌出动态变化规律与突出危险性的关系、实时监测瓦斯动态涌出特征波形、提取与突出危险性相关的特征指标,建立了煤巷掘进炮后30分钟的吨煤瓦斯动态涌出量指标、瓦斯涌出变异系数指标、炮后瓦斯涌出最大速率指标等连续预测指标,研究确定了这几种指标与炮掘工作面突出危险性的关系及指标临界值,以此综合判断工作面所处地点的安全状况以及前方的潜在危险性,实现了炮掘工作面瓦斯动态涌出预测,为我国煤矿提供了一种新的瓦斯涌出量预测方法和煤与瓦斯突出预测工艺技术;开发出了一套AE声发射监测煤与瓦斯突出的技术装备,提出了AE声发射滤噪综合处理技术和方法,通过阻噪、隔噪、抑噪、滤噪和有效AE信号提取等途径,实现了有效滤噪的目的,取得了历年来滤噪研究中最有突破性进展的研究成果,研究出了包括传感器在内的AE声发射预测工艺技术,分析和总结了煤岩破坏AE声发射规律、AE声发射与瓦斯动力灾害的关系;通过连续监测含瓦斯煤岩流变破坏过程中产生的电磁辐射信号强度和脉冲数及其变化的研究,实现了对煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象的预测预报,研究并揭示了电磁辐射与煤与瓦斯突出影响因素间的关系,提出了临界值法与动态趋势法相结合的煤岩动力灾害预警方法,开发成功了煤岩动力灾害非接触电磁辐射连续监测仪,实现了煤岩动力灾害的非接触、连续动态监测及煤与瓦斯突出预警。 结论瓦斯灾害治理新技术在淮南矿区进行了试验和应用,取得了经济、社会、安全环境的多重效益。这些研究成果对我国煤矿生产条件和瓦斯灾害特点具有很强的针对性和适应性,具体成果表现为:(1)瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术在淮南潘三矿、张集矿应用表明,评价结果准确可靠,具有很强的操作性和实用性,为预防煤矿瓦斯煤尘爆炸提供了重要技术支撑。(2)瓦斯地质、动力区划和地球物理探测方法的煤与瓦斯突出预测技术是经实践证明是有效的,是减小防突工程量、提高防突效果的保障技术措施。(3)AE声发射、电磁辐射等非接触连续监测技术取得了突破性进展,并进入实用化和产业化阶段。(4)保护开采、顾煤层瓦斯强化抽放技术在联合攻关,取得了理论、技术和试验研究的重大进展,是淮南矿区治理瓦斯的有效技术途径。(5)通风系统的监测、可靠性评价技术随着矿井集约化水平的提高会越来越突现其基础作用,而虚拟现实技术要达到应用阶段仍需开展大量工作。参考文献1 樊运策综合机械化放顶煤开采技术M北京:煤炭工业出版社,20032 于不凡煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册M北京:煤炭工业出版社,20003 尚海涛高瓦斯煤与瓦斯突出危险煤层的综放开采探讨J煤炭科学技术,2003(12)4 徐家林、郑爱华,阳泉矿区煤与瓦斯共采成本研究J中国煤炭,2010,36(8):23-26.5 袁亮,煤与瓦斯共采,中国煤矿安全网.6 中国煤矿安全网,高瓦斯煤层放顶煤安全开采相关技术问题7 邹喜正,刘长友.安全高效矿井开采技术. 徐州:中国矿业大学出版社,20078 张宝明,陈炎光.中国煤炭高产高效技术. 徐州:中国矿业大学出版社,20019 钱鸣高,石平五.矿山压力及岩层控制. 徐州:中国矿业大学出版社,200310 王省身.矿井灾害防治理论与技术. 徐州:中国矿业大学出版社,1989
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