能源科學綜合

煤礦區瓦斯三區聯動立體抽采技術的研究和實踐

武華太

摘要：目的：目前，我國煤礦井下多數地面瓦斯抽采項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、井下瓦斯治理嚴重脫節，給煤礦安全生產帶來一定隱患。井下瓦斯抽采影響半徑小，抽采效率低，地面預抽采達標時間長，與煤礦采掘接替部署不能協同安排，是當前許多煤礦瓦斯抽采的突出技術難題。需要通過理論研究和工程實踐，適時研究井上下瓦斯抽采和煤礦開采協調發展的技術。方法：基于瓦斯抽采、煤炭開采時空接替關系，晉煤集團公司提出高瓦斯礦區的三區聯動立體化瓦斯抽采模式，實現在煤礦規劃區、煤礦準備區、煤礦生產區抽采和生產有機統籌接續。具體技術內涵是：在空間上體現為地面與井下瓦斯抽采相結合，抽采與煤礦采掘部署相協調，實現采煤采氣統籌規劃，瓦斯抽采、礦井建設、煤礦生產的有序銜接；在時間上體現為煤礦規劃區實施地面預抽、煤礦準備區實施井上下聯合抽采、煤礦生產區實施井下瓦斯抽采，實現各區域之間的有序遞進；在方式上體現為地面抽采、長鉆孔抽采和順層鉆孔抽采方法多種抽采方式相結合，實現高效快速抽采。（1）在煤礦規劃區進行地面預抽采，其技術體系主要包括地面預抽可行性評價、井型選擇及優化、井網布置及優化、鉆孔工藝等方面的技術。（2）在煤礦準備區進行井上下聯動抽采，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動抽采或條帶式井上下聯合抽采方式。其技術體系主要包括鉆孔布置和優化、定向長鉆孔施工等技術。（3）在煤礦生產區進行井下區域遞進式抽采，在本工作面掘進期間提前對下一個工作面區域進行本煤層抽采，保證下一個工作面掘進在已抽采1～3 a的條帶內進行，如此遞進式向前推進，保證小區域抽、掘、采的正常接替。結果：晉煤集團形成了三區聯動立體瓦斯抽采模式，建立了煤體瓦斯含量超過16 m3/t時，提前8～10 a或更長的時間，實施地面鉆井預抽采；在8～16 m3/t時，提前3～8 a實施井上下聯動抽采；低于8 m3/t時，采取井下區域遞進式抽采的技術體系。截至2010年底，晉煤集團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7.5億m3。該技術在陽泉、潞安、西山、華晉焦煤等礦區推廣應用后，施工地面抽采井473口，抽采能力1.17億m3。結論：煤礦區瓦斯三區立體聯動抽采模式及技術體系是實現“采煤采氣一體化”的科學模式，其關鍵是進一步突出煤炭開采和煤層氣開發統籌規劃，瓦斯地面抽采與井下抽采在時間和空間上必須與煤礦生產相結合，通過抽采為煤炭開采創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：煤炭學報, 2011, 36(8): 1312-1316

入選年份：2015

全煤巷道錨桿錨索聯合支護機理與效果分析

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開采。綜采放頂煤工作面回風/運輸巷一般沿煤層底板掘進，頂板為一定厚度的煤層。與巖層相比，頂煤一般強度比較低、松軟破碎、穩定性差，加之受到采動強烈影響，巷道支護難度大。本文以同煤大唐塔山煤礦8105工作面5105回風巷全煤巷道為例，采用數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系，提出全煤巷道錨桿錨索支護形式與參數。方法：結合塔山礦5105回風巷地質條件，采用有限差分數值計算軟件FLAC3D，研究巷道沿煤層底板掘進，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力分布影響規律；研究巷道沿頂板和沿底板2中不同布置方式下圍巖應力的分布特征；研究煤柱寬度分別為10、20、30、40 m時，相鄰工作面回采后對圍巖應力場分布的影響；研究全煤巷道高寬比為1、0.75、0.5時圍巖應力分布特征；研究不同地應力大小、不同錨桿錨索預緊力情況下巷道圍巖受力特征。基于上述研究結果，提出塔山煤礦5105回風巷錨桿錨索聯合支護形式與參數，并進行現場試驗與效果評估。結果：通過對數值計算分析，得出以下結果：（1）掘進期間，全煤巷道頂煤厚度在10 m以內時，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中應力集中區擴大，應力值降低；頂煤厚度超過10 m時，隨著頂煤厚度的繼續增加，圍巖應力分布變化不明顯。（2）全煤巷道所在煤層由于厚度較大，巷道掘進與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應力集中區與中厚煤層或薄煤層不同，煤柱中的應力不再是標準的“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，頂煤應力集中程度越高，頂煤中應力集中區分布范圍越大，應力集中系數越高；但隨著巷道寬度的增加底板巖體中應力值卻存在降低的現象。（4）錨桿、錨索預緊力對改善全煤巷道圍巖受力狀態起關鍵作用，合理的錨桿、錨索預緊力應在錨固區內形成相互連接、相互疊加的有效壓應力區。（5）工作面回采期間，巷道頂底板最大移近量為252 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計面積的86.7%，高預應力、強力錨桿錨索聯合支護有效控制了塔山礦全煤巷道圍巖強烈變形，為全煤巷道提供了可靠的支護方式。結論：錨桿錨索支護已經成為目前巷道支護的主要形式。本文針對全煤巷道頂煤較破碎、強度較低的特點，揭示了不同頂煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高寬比、不同地應力大小、不同錨桿錨索預緊力等情況下巷道圍巖受力特征，并基于錨桿錨索支護研究得出其預應力在全煤巷道圍巖中的分布規律。研究成果可為全煤巷道支護提供理論支撐和方法指導。

來源出版物：煤炭學報, 2012, 37(1): 1-7

入選年份：2015

煤礦地下水庫理論框架和技術體系

顧大釗

摘要：目的：西部（晉陜蒙寧甘）煤炭產量占我國煤炭總量的70%以上，已成為煤炭主產區。但是，西部水資源匱乏，僅占全國3.9%，且地表蒸發量大。煤炭可持續開發與水資源短缺矛盾凸顯。煤炭開采導通上部含水層，形成礦井水，傳統方法是將礦井水外排，但很快蒸發損失，難以有效利用。以往以“堵截法”為代表的礦井水保護技術，如充填開采、限高開采等，降低了煤炭開采效率與回收率，在工程實踐中難以有效實施，為此必須研發針對西部礦區煤炭規模化高效開采的礦井水資源保護利用技術，并開展工程實踐。方法：首次提出了煤礦地下水庫儲用礦井水的技術理念，即利用煤炭開采形成的采空區巖體空隙儲水，構筑地下水庫壩體，建設礦井水入庫與取水設施，利用冒落巖體對礦井水的凈化作用，形成地下構筑物。應用系統工程理論，采用理論分析、相似模擬、數值模擬、物探鉆探及現場工程試驗等多種技術手段，研發了水源預測、水庫選址、庫容設計、壩體構筑、安全保障、水質控制六大關鍵技術。包括：（1）水源預測。構建了物探、鉆探和實驗室物理數值模擬的全周期、多參數和多層次的觀測方法體系，以神東礦區為例，初步掌握了煤炭開采對地下水運移的影響規律，建立了礦井涌水量預測模型。（2）水庫選址。采用觀測研究和水流場動態模擬方法，掌握了煤炭開采地下水流匯聚流場規律，開發了煤礦地下水選址技術。（3）庫容設計。首次提出了煤礦地下水庫儲水系數概念，研發了全球規模最大的多層煤開采地下水運移過程模擬試驗平臺，建立了水庫庫容計算模型。（4）壩體構筑。針對煤礦地下水庫壩體結構特殊和受力復雜特征，采用物理模擬、數值模擬等方法，建立了煤柱和人工壩體結構及參數計算模型、人工壩體掏槽工藝，確定了神東礦區壩體參數。（5）安全保障。提出了煤礦地下水庫三重防控的技術理念，即控制地下水庫水位、監控壩體薄弱環節和應急泄水系統3個方面。（6）水質控制。采用相似模擬、試驗測試、現場測試等方法，掌握了巖體對礦井水的凈化機理，研發了入庫前沉淀、庫內巖體凈化和井下礦井水專門處理的“三位一體”水質控制技術。結果：初步形成了煤礦地下水庫理論框架與技術體系形成了理論框架與技術體系。應用該技術，在神東礦區累計建成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，供應了礦區95%以上的用水，保障了世界惟一2億噸級礦區的水資源供應。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，實現了礦井水不外排。以該技術為核心，申報了“煤炭開采水資源保護與利用”國家重點實驗室，研究成果相繼獲中國專利金獎、國家科技進步二等獎以及內蒙古自治區科學技術獎一等獎。該技術被國家發改委、國土資源部在全國范圍內推廣應用。結論：煤礦地下水庫作為采礦工程、工程地質、水文地質、水利工程和環境工程等多學科交叉的首創交叉技術領域，面臨著采動應力場、裂隙場和滲流場“三場”演化、壩體安全、水質凈化機理等基礎研究、壩體參數優化設計與構筑工藝、水庫群調度優化技術等諸多基礎理論和技術難題，將形成新的學科領域。同時，該技術在神東礦區的成功應用，證實了該技術的可行性，實現了煤炭資源與水資源的協調開發利用，為西部煤炭開采地下水保護利用開辟了一條有效的技術途徑，也為保護利用我國每年煤炭開采損失的60億t礦井水提供了技術條件。

來源出版物：煤炭學報, 2015, 40(2): 239-246

入選年份：2015