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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

煤与瓦斯突出预测及瓦斯高效抽采技术

来源:煤田地质与勘探

编者按:煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产和人民生命健康的一种非常严重的自然灾害,且随着采掘深度和地质条件的变化,瓦斯赋存条件更加复杂。防治煤与瓦斯突出是保障煤矿安全高效开采和国家能源稳定供应的前提条件。随着技术的进步和理念的转变,煤与瓦斯突出事故已得到有效控制,同时,已将瓦斯作为一种资源进行高效抽采利用。本次从煤与瓦斯突出机理与规律总结、预测方法与监测手段、精准防控与高效抽采技术三个方面,整理近年来在《煤田地质与勘探》发表的相关研究成果,以促进同行交流。(注:虚拟专题整理于2022-09-07)

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煤田地质与勘探

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  • 作者(Author): 刘程, 孙东玲, 武文宾, 李良伟, 孙中光

    摘要:为满足煤矿自动化、智能化生产的快速发展及区域防突的迫切需求,推动煤矿大区域瓦斯灾害治理技术体系发展,针对传统煤层钻孔瓦斯抽采技术“钻不深、抽不出、检不了”等技术难题,系统分析近年来定向钻进、地面井、分段水力压裂、深孔取样、随钻探测等技术与装备在各大矿区及各类地质条件的应用效果。结果表明:目前已形成了基于大区域超前随钻地质勘探及预测、大区域地面及井下瓦斯抽采、非接触式连续在线动态预测等关键技术组成的煤矿瓦斯大区域治理技术体系,为推动煤层瓦斯治理技术的升级变革,实现不用或少用专用瓦斯治理巷道综合治理煤矿大区域瓦斯的目的奠定了基础。未来将发展核磁探测、伽马、雷达、深孔光纤等探测技术以实现煤岩及地质异常体识别、瓦斯参数精确测定;发展地面水平井体积压裂高效开发及井上下联合增渗等技术以提升井上下联合预抽效果;发展区域化超大流量压裂泵组或压裂工厂、连续油管压裂等技术与装备以提升煤矿井下区域化增渗效果;发展风险信息融合感知、突出前兆特征智能识别、瓦斯超限预警等技术,以实现区域连续精准预测及智能预报警。 
  • 作者(Author): 张超林, 王奕博, 王恩元, 曾伟, 王培仲

    摘要:煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋。利用自主研制的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展不同瓦斯压力条件下煤与瓦斯突出模拟试验。结果表明,突出启动后,瓦斯气体携带煤粉以射流状喷向巷道。在0.35 MPa低瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能低,突出煤粉初始加速度小,受重力和阻力影响显著,运移形态以沙丘流和分层流为主,并出现多次“加速-减速”过程,最大速度为34.2 m/s;而在2.00 MPa高瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能高,突出煤粉初始加速度大,能有效克服重力和阻力,运移形态以栓流为主,运移速度降低不明显,最大为71.2 m/s。同时,当瓦斯压力从0.35 MPa增加至0.85 MPa和2.00 MPa时,相对突出强度由36.13%增大至52.39%和63.70%,且煤层瓦斯压力越高,突出煤粉运移距离越远,巷道末端集尘袋内煤粉质量占比越高,分别为65.21%、75.05%和87.17%。此外,突出结束后,突出煤粉粉碎率随瓦斯压力增加依次增大,分别为8.1%、21.5%和28.0%,但是粉碎到临界粒径0.075 mm以下的煤粉较少。最后,计算得到不同瓦斯压力条件下突出煤粉破碎指数分别为0.19、0.44和0.56,与相对突出强度具有较好的线性拟合关系。研究结果对揭示突出致灾机制、制定防灾减灾措施具有一定指导意义。
  • 作者(Author): 丛琳

    摘要:当前,煤矿井下钻孔作业时,瓦斯监测系统只能反映钻孔孔口处瓦斯抽采量,无法获得钻孔内某个区段的瓦斯抽采效果, 随着煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔深增加,沿钻孔长度方向瓦斯抽采效果出现明显分区,不同孔深处有效抽采半径出现较大差异,导致煤矿井下瓦斯抽采钻孔布置难度较大,不确定性增加。针对此问题,设计一种煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器,该传感器基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS) 原理,可实现钻孔内多点同时在线监测,保证了孔内无源,实现了本质安全。首先,分析TDLAS 瓦斯测量基本原理,从气体分子吸收光谱原理出发,介绍了激光光源的选择,并根据比尔−朗伯定律推算瓦斯气体浓度解算公式。然后,在此基础上进行瓦斯浓度监测传感器设计,包括光程设计、结构设计、保护工艺设计和孔中操作流程4 方面。最后,从性能和可靠性2 方面出发,进行相对误差测试、稳定性测试、响应时间测试、与非色散红外传感器性能对比和防水防尘测试。设计的瓦斯浓度监测传感器直径40 mm,长度80 mm,传感器本质安全,结构上能够很好地适用于煤矿井下钻孔内应用。性能测试中,传感器全量程最大相对误差2.8%,小于孔内瓦斯浓度±6% 的监测标准;稳定性测试中,传感器数据的波动范围在0.015%,稳定性为0.28%,满足稳定性小于1% 的要求;传感器的响应时间约为8 s,满足响应时间小于10 s 的要求;与非色散红外传感器对比测试中,设计的TDLAS 瓦斯浓度监测传感器的相对误差和响应时间都明显优于非色散红外传感器。可靠性测试中,传感器长时间处于高湿度环境中,其测量精度并未受到影响,保护工艺可有效防水。性能测试和可靠性测试结果表明,瓦斯浓度监测传感器能够很好地满足孔内瓦斯浓度监测需求,在煤矿井下孔中监测方面具有很好的应用前景。
  • 作者(Author): 王蔚, 卫彦昭, 贾天让, 闫江伟

    摘要:瓦斯既是煤矿灾害的致灾因素之一,又是重要的清洁能源,厘清煤系变形瓦斯赋存规律是煤矿瓦斯灾害预防和煤层气高效开发的基础。以华北煤系为研究对象,以构造演化及控制为主线,运用板块构造、构造演化和瓦斯赋存构造逐级控制等理论,系统研究华北煤系变形特征与煤矿瓦斯赋存规律。结果表明,华北板块处于三大构造域相互作用交接的中心,控制着华北板块的形成与演化,华北板块与周缘板块之间的相互作用制约煤系的形成、赋存和变形,控制构造煤的形成与分布,同时控制着煤矿瓦斯的生成、运移和保存;华北煤系变形强度具有由板缘向板内、由挤压型造山带向远离造山带减弱的趋势;构造煤的形成与分布和构造演化过程中煤系变形有较好的一致性,构造煤的发育程度也具有由板缘向板内以及由靠近挤压型造山带向远离造山带减弱的趋势,伸展构造带构造煤不发育,但伸展背景下形成的大型滑脱构造容易形成成层发育的构造煤;华北煤矿瓦斯分布具有明显的区带特征,可划分为7个高突瓦斯区和6个低瓦斯区,进一步划分为15个高(突)瓦斯带和13个低瓦斯带。研究成果对国家有的放矢的瓦斯治理和煤层气开发具有重要的指导意义。
  • 作者(Author): 张春华, 张子健, 年军, 焦登铭

    摘要:为探讨大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应,以山西石泉煤矿30110回采工作面为对象,利用RFPA2D-Gas建立不同直径单孔和双 ø350 mm钻孔的数值模型,分析了钻孔周围煤体的应力分布、损伤破裂、透气性演化及瓦斯运移规律,并对双ø350 mm钻孔抽采效果进行了考察验证。模拟结果表明:ø100、ø250、ø350和双ø350 mm钻孔卸压半径分别为0.25、0.9、1.2、2.2 m;ø250、ø350和双ø350 mm钻孔周边煤体损伤破坏以蝴蝶展翅形态向钻孔上方两侧延展;双 ø350 mm钻孔上方1.5 m处煤体透气性系数可由0.25 m2/(MPa2·d)增至240 m2/(MPa2·d);瓦斯运移速率随钻孔直径增加而增大,在抽采过程中逐渐降低,当煤体破裂时会有一定幅度增加。现场考察结果显示双ø350 mm钻孔可利用钻孔塌裂强化抽采效果,抽采半径为2 m,流量可达ø100 mm钻孔的21倍,抽采总量为ø100 mm钻孔的10倍以上,甚至可达到40倍。
  • 作者(Author): 杨百舸, 曹运兴, 张军胜

    摘要:我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO2气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K1值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K1值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO2气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。
  • 作者(Author): 张超林, 王恩元, 王奕博, 周西方

    摘要:防治煤与瓦斯突出是保障煤矿安全高效开采和国家能源稳定供应的前提条件。近期频发的煤矿瓦斯突出事故(2021年3月25日左权煤矿突出事故、4月9日东风煤矿突出事故)造成12人死亡,再次表明实现“零突出”的目标还有非常艰巨的路程要走。针对当前突出机理不清、突出事故频发现状,开展我国2001—2020 年突出事故统计分析,数据显示,20年共发生突出事故484 起、死亡3 195 人,尽管近年来突出事故得到有效控制,然而在煤矿事故中仍处于相对较高水平且愈加突显。在此基础上,进一步从突出事故等级、发生地点、发生时间等方面分析2011—2020年突出事故时空分布规律,结果表明:12个省(直辖市)近10年共发生突出事故93起、死亡645人,其中较大突出事故持续占据主导地位、特别重大突出事故死亡人数常年居高不下、一般突出事故占比逐渐上升;突出事故具有“分布范围广、分布较为集中、南多北少、南重北轻”的地域分布特点,其中贵州省、湖南省、云南省、河南省4省最为严重,累计占总事故起数和死亡人数的68%和79%;突出事故集中发生在每年的5—7月和11—12月,每月的4—6日、15—17日和28—29日,每日的1—2 时、5—6 时、10—12 时和17—20 时等时段。针对突出事故呈现出高低交替的周期性发展规律,从安全管理的角度指出,必须将防突措施落实到每一天、每一班的生产中,越是突出事故低发期,越要加强安全管理,长期保持“安全意识增强—事故低发期—安全意识增强”的良性循环是突出防控的核心思路。
  • 作者(Author): 贾秉义, 陈冬冬, 吴杰, 孙四清, 王建利, 赵继展, 张杰

    摘要:为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。
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