城郊矿1.2Mta新井设计

毕业 中 国 矿 业 大 学本科生毕业论文姓 名： 学 号： 学 院： 矿 业 工 程 学 院 专 业： 采 矿 工 程 论文题目： 城郊矿1.2 Mt/a新井设计 专 题： 煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题 指导教师： 职 称： 教 授 2011年 6 月 徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院 矿业工程学院 专业年级 采矿工程07级 学生姓名 任务下达日期： 年 月 日毕业论文日期： 年 月 日至 年 月 日毕业论文题目： 城郊矿1.2Mt/a新井设计毕业论文专题题目：煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题毕业论文主要内容和要求：按照采矿工程专业毕业设计大纲要求，完成一般部分城郊矿1.2Mt/a新井设计和专题部分煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题，英译汉中文字数3000以上。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要 本设计包括三个部分：一般部分、专题部分和翻译部分。一般部分为城郊矿1.2Mt/a新井设计。主采煤层为3号煤、2号煤，平均倾角为3，煤层平均总厚为5.93m。井田地质条件较为简单。井田工业储量为108.7Mt，矿井可采储量80.176Mt。矿井服务年限为51.39a，涌水量不大，矿井正常涌水量为200m3/h，最大涌水量为360m3/h。井田中各煤层瓦斯含量一般小于0.5cm3/g，属低瓦斯矿井。各煤层均无煤尘爆炸危险。各煤层均属不自燃发火煤层。井田为双立井单水平开拓。大巷采用胶带运输机运煤，辅助运输采用矿车运输。矿井通风方式为混合式通风，前期中央风井回风，后期带区风井回风。矿井年工作日为330d，工作制度为“四六”制。一般部分共包括10章：1.矿区概述及井田地质特征；2.井田境界和储量；3.矿井工作制度及设计生产能力、服务年限；4.井田开拓；5.准备方式-带区巷道布置；6.采煤方法；7.井下运输；8.矿井提升；9.矿井通风与安全技术；10.矿井基本技术经济指标。专题部分题目是煤 与 煤 层 气 共 采 的 研 究 进 展 与 面 临 的 问 题翻译部分主要内容为关于从水力压裂资料反演地应力测定，英文题目为：In situ stress determination from inversion of hydraulic fracturing data .ABSTRACTThis design includes of three parts: the general part, special subject part and translated part. The designed productive capacity is1.2 million tons percent year.The three and two is the main coal seam, and its dip angle is 2 and 3 degree. The thickness of the mine is about 5.93 m in all. The mine Geology quality condition is simple by Comparison.The proved reserves of the minefield are108.7 million tons.The recoverable reserves are 80.176 million tons., and the service life of the mine is 51.39 years. The normal flow of the mine is 200m3 percent hour and the max flow of the mine is 360 m3 percent hour. The mineral well gas gushes less than 0.5cm3/g, for low gas mineral well.All the coal seam do not have the danger of explor, or burn by itself.The mine farmland is a single level in an inclined well to expand. The mine farmland signs the single level of well to expand for the double.The mine lane adopts the tape conveyance luck coal, assistance conveyance adoption mineral car.The well ventilated way of the mineral well is well ventilated for admixture type, expecting the central breeze well to return to breeze before, expecting to take the area breeze well to return to breeze later.The working system “four-six” is used in the ChengJiao mine. It produced 330d/a.This design includes ten chapters: 1.An outline of the mine field geology; 2.Boundary and the reserves of mine; 3.The service life and working system of mine; 4.development engineering of coalfield; 5.The layout of panels; 6. The method used in coal mining; 7. Transportation of the underground; 8.The lifting of the mine; 9. The ventilation and the safety operation of the mine; 10.The basic economic and technical norms. The special subject parts of topics is Coal and coal gas extraction Progress and Problems.Translation part of main contentses is an topic with the name of In situ stress determination from inversion of hydraulic fracturing data .目 录一般设计部分1 矿区概述及井田地质特征11 1.1 矿区概述11 1.2 井田地质特征12 1.3 煤层特征132 井田境界和储量15 2.1 井田境界15 2.2 矿井工业储量16 2.3 矿井可采储量163 矿井工作制度及设计生产能力、服务年限20 3.1 矿井工作制度20 3.2 矿井设计能力及服务年限204 井田开拓22 4.1 井田开拓的基本问题22 4.2 矿井基本巷道325 准备方式-带区巷道布置45 5.1 煤层的地质特征45 5.2 带区巷道布置及生产系统46 5.3 带区车场选型设计496 采煤方法50 6.1 采煤工艺方式50 6.2 回采巷道布置637 井下运输65 7.1 概述65 7.2 带区运输设备选择66 7.3 大巷运输设备选择678 矿井提升71 8.1 概述71 8.2 主副井提升719 矿井通风与安全75 9.1 矿井概况75 9.2 矿井通风系统的确定76 9.3 矿井风量计算79 9.4 矿井阻力计算83 9.5 选择矿井通风设备90 9.6 安全技术措施9210 矿井基本技术经济指标94专题部分 煤与煤层气共采的研究进展与面临的问题 97参考文献111翻译部分英文原文115中文译文128致谢139一般部分第一章 矿区概述及井田地质特征1.1矿区概述1.1.1地理位置与交通城郊煤矿位于河南省永城市境内，覆盖城关乡、城厢乡的全部及侯岭、双桥、十八里、蒋口乡的一部分，交通便利。走向长约3.6km，倾向长约3.8km，井田面积13.094km2。矿井北临陈四楼井田，南接新桥井田，地理坐标为：东经11617301162521，北纬335352340035。井田内地势平坦、交通方便。永城市西北至陇海铁路商丘东站约95km，夏邑东站62km；东北至京沪铁路徐州车站约100km，东南至宿州车站约75km，距京九铁路的亳州车站55km，且均有柏油公路相通。乡村之间公路相通（见图111）。1.1.2地形地貌城郊井田位于淮河冲积平原的东部 ，地势平坦，海拔标高为+30m，向东南倾斜。区内新生界松散沉积物广泛分布，厚度一般为100m左右。工业广场标高+30.0m。1.1.3主要河流城郊井田内地表水系不发育，仅有淮河支流的沱河从本区北中部自西向东流过，沱河源于商丘北侧响河，雨季流量剧增，旱季干涸无水，属季节性河流。实测最高洪水位标高+29.79m，（1963年8月9日），年平均水位标高+26.39m，最大流量384m3/s（1963年8月9日），年平均流量一般为12m3/s。其上游永城市段常年关闸蓄水，致使下游断流无水。河流对开采不构成影响。本区地处中纬34附近，属半干旱、半湿润季风型气候，蒸发量大于降雨量，干湿差大，四季分明。年平均气温14.3 ，日最高气温41.5，日最低气温为-23.4。年平均降水量962.9，年最大降水量1518.6，年最小降水量556.2。大气降水量多集中在78月份，可占全年降水量的50%以上，年蒸发量1808.9。永城地区受地震影响不大，地震烈度小于6度。1.2井田地质特征1.2.1地质构造城郊井田位于北北东向的永城隐伏背斜的西翼中段，北北东向断层构造居主导地位，其次是近东西向构造，局部发育有北西向构造。总体构造特征是以宽缓褶皱为主，伴随一定数量的断裂构造，且多集中在表现明显的背、向斜两侧。见图121城郊井田构造纲要图。1）褶皱构造井田内褶皱构造除柏窑背斜与蒋阁向斜比较紧密外，其余均属褶幅不大的隆起和凹陷。主要有：四里禅向斜、柏窑背斜。2）断裂构造井田地层走向为北北东向，中部、北部由于受小褶曲的影响，呈波状起伏，走向变化较大。地层产状总趋势向南西西方向倾斜，地层倾角一般在06,褶皱和断裂构造呈北北东向和近东西展布。本井田精查勘探时在51km2范围内大小组合断层4条，其中较大的断层有3条，井田东南部即以一大断层为界。总之，整个井田以近北北东向断层构造居主导地位，其次是近东西向构造，局部发育有北西向构造。总体构造特征是以宽缓褶皱为主，伴随一定数量的断裂构造。晚古生代中基性岩浆岩活动比较强烈，并对煤层有一定的破坏作用。1.2.2水文地质条件新生界松散层划分为四个含水层组及四个隔水层组，由于新生界底部砂层少，富水性又弱，与基岩之间有平均厚44.29m的粘土隔水层，对矿床一般无充水影响。煤层顶板砂岩裂隙水是矿床主要直接充水的水源，但由于井田内砂岩富水性很弱，渗透性差，径流滞缓，补给源不足，故对将来的矿床开采一般不会造成太大的威胁。太原组上段灰岩是开采二煤层的间接充水含水层，二煤底板下距K3（L11灰岩，平均厚1.64m）平均距离50m，距L8灰岩（平均厚10.49m）平均距离80m，L8上距L11一般平均在30m左右，其间又有泥岩，砂质泥岩相隔，基本无水力联系，因此，如不受断裂构造影响，正常情况下不会造成突水。本井田断层富水性微弱，具有一定的隔水性能，一般情况下不会发生导水威胁。综上所述，本井田是一个与外部水力联系微弱，补给不足的较完整的独立水文地质单元，开采煤层远离地表水体，无流水影响，间接充水岩层“灰岩”单位涌水量不大，局部在断层处有与煤层对接的可能性，如留好煤柱，远离断层，一般是不会突水的，本矿井水文地质，工程地质条件属中等类型。矿井正常涌水量200m3/h，考虑上段灰岩突水，最大涌水量为360m3/h。1.2.3地温井田内地温仅随深度的增加而增加。井田的平均地温梯度为2.67 /100m，从地温梯度看，浅部地温梯度较高，深部地温梯度较低。从二煤组煤层、三煤组煤层地温等值线图上看出，等温线与煤层底板等高线基本平行，二煤组煤层-500m以浅的地温一般低于30C，-600m以深的地温除井田东南部小面积低温区外，一般为一级高温区。-700m以深地段，地温大于31，为一级高温区，其余地段地温一般低于31。1.3煤层1.3.1煤层埋藏条件煤层走向为东西走向，北高南低，平均倾角为3，其中上部及下部煤层更加平缓，倾角一般为0度，中部煤层倾角较大，有6度左右。本井田的主要含煤地层有下二叠统山西组（P1s）及下石盒子组（P1 x），煤层总厚度平均5.93m。下二叠统山西组（P1s）含二煤组，由1个分层组成，为2号煤，煤层平均总厚度为2.98m，下石盒子组（P1x）含三煤组，由1个分层组成，为3号煤，煤层总厚度为2.95m，井田内二、三煤层为可采煤层。1.3.2煤质三煤层属低灰分，特低硫，特低磷，高发热量，易选的优质无烟煤。而二煤层以富灰分为主，特低硫，特低磷，中等发热量，中等可选性的无烟煤。各可采煤层中贫煤数量较少，除它的发热量量稍高于无烟煤外，其它煤质特征与无烟煤相似。三煤层煤为无烟煤，首先可作为化工用煤，包括气化用煤及发生炉煤气用煤和化肥用煤，其次作为动力用煤及民用燃料等。二煤层煤可用于发电，水泥工业及民用。1.3.3煤层顶底板三煤煤层直接顶板，底板主要为薄层状泥岩，砂质泥岩，局部为粉砂岩，抗压强度一般大于600kg/cm2（极小部分小于600kg/cm2），稳定性好，管理难度小。二煤煤层直接顶，底板多为细中粒砂岩，厚层状泥岩（厚度一般大于5m），局部为砂质泥岩或落层状泥岩，抗压强度一般小于600kg/cm2 ，岩石的完整性差，稳定性较差，顶板不易于管理，底板一般不易发生底鼓。1.3.4瓦斯、煤尘等井田中各煤层瓦斯含量一般小于0.5cm3/g，属低瓦斯矿井。各煤层均无煤尘爆炸危险。各煤层均属不自燃发火煤层。 煤组号煤分层数平均煤厚(m)夹矸层数可采情况煤层稳定性三煤组12.95 0可采稳定二煤组12.98 0可采稳定表131 煤层情况一览表第二章 井田境界和储量2.1井田境界2.1.1井田范围在煤田划分为井田时，要保证各井田有合理的尺寸和境界，使煤田各部分都能得到合理的开发。煤田范围划分为井田的原则有：1）井田范围内的储量，煤层赋存情况及开采条件要与矿井生产能力相适应；2）保证井田有合理尺寸；3）充分利用自然条件进行划分，如地质构造（断层）等；4）合理规划矿井开采范围，处理好相邻矿井间的关系。根据以上原则，矿西北以F3断层为界，F3断层中间与煤层露头相连，煤层露头为环状，东部以F6断层为界，南部以F14断层为界，西部为人为边界，按矿区内统一划分的井田边界。 2.1.2开采界限本井田的主要含煤地层有下二叠统山西组（P1s）及下石盒子组（P1 x）。下二叠统山西组（P1s）含二煤组，由1个分层组成，为2号煤，煤层平均总厚度为2.98m，下石盒子组（P1x）含三煤组，由1个分层组成，为3号煤，煤层总厚度为2.95m，井田内二、三煤层为可采煤层，开采范围为井田范围内的2、3号煤层，作为后期储备资源开采。下部边界：人为划分的下部井田边界。2.1.3井田尺寸井田走向平均长约3.6km，倾向平均长约3.8km，本次储量计算是在精查地质报告提供的1：5000煤层底板等高线图上计算的，储量计算可靠，井田面积13.094km2。图211 城郊井田煤层赋存状况示意图2.2矿井工业储量2.2.1储量计算基础1.根据城郊井田地质勘探报告提供的煤层储量计算图计算；2.依据煤炭资源地质勘探规范关于化工、动力用煤的标准：计算能利用储量的煤层最低可采厚度为0.8m，原煤灰分不大于40%。计算暂不能利用储量的煤层厚度为0.70.8m；3.依据国务院过函（1998）5号文关于酸雨控制区及二氧化硫污染控制区有关问题的批复内容要求：禁止新建煤层含硫份大于3%的矿井。硫份大于3%的煤层储量列入平衡表外的储量；4.储量计算厚度：夹石厚度不大于0.05m时，与煤分层合并计算，复杂结构煤层的夹石总厚度不超过每分层厚度的50%时，以各煤分层总厚度作为储量计算厚度；5.井田内主要煤层稳定，厚度变化不大，煤层产状平缓，勘探工程分布比较均匀，采用地质块段的算术平均法。6.煤层容重：3号煤层容重为1.4t/m3，2号煤层容重为1.4t/m32.2.2井田地质勘探井田地质勘探类型为精查，属详细勘探。井田范围内钻孔分布，井田内北部边界附近和西部及东部边界附近，钻孔布置较少；其它区域钻孔分布比较均匀，勘探详细。井田内北部边界附近、西部边界附近以及东部边界附近属B级储量，断层附近属C级储量，其它区域为A级储量。高级储量占99.6%，符合煤炭工业设计规范要求。2.2.3工业储量计算井田范围内的煤炭储量是矿井设计的基本依据，矿井主采煤层为3号煤层以及2号煤采用算术平均法。即煤炭工业储量是由煤层面积、容重及厚度相乘所得，其公式一般为：Zg=SMR （211）其中：Zg矿井的工业储量，t； S 井田的倾斜面积，km2； M煤层的厚度，m； R 煤的容重，t/m3，取R=1.4 t/m3。则：Zg=13.09410003/cos30（2.98+2.95）1.4 =108700000t =108.7Mt2.3矿井可采储量2.3.1安全煤柱留设原则1.工业场地、井筒留设保护煤柱，对较大的村庄留设保护煤柱，对零星分布的村庄不留设保护煤柱，本井田内地表没有村庄。2.各类保护煤柱按垂直断面法或垂线法确定。用岩层移动角确定工业场地、村庄煤柱。岩层移动角为70，表土层移动角为41；3.维护带宽度：风井场地20m，其他15m；4.断层煤柱宽度30m，井田境界煤柱宽度为20m；5.工业场地占地面积，根据煤矿设计规范中若干条文件修改决定的说明中第十五条，工业场地占地面积指标见表2.1。表221 工业场地占地面积指标井 型（万t/a）占地面积指标（公顷/10万t）240及以上1.0120-1801.245-901.59-301.8以指标规定城郊矿工业场地计算为：1、 占地面积指标取：1.0公顷/10万t2、 面积计算：120万t 1.0公顷/10万t = 12公顷2.3.2矿井永久保护煤柱损失量1.井田边界保护煤柱井田边界保护煤柱留设20m宽，则井田边界保护煤柱损失量为180万t。2.断层保护煤柱断层煤柱留设30m宽，则断层保护煤柱损失量为：182.81万t。3.工业广场保护煤柱工业广场按级保护留围护带宽度15m，工业广场面积由表221确定，取12公顷。工业广场保护煤柱如图2.3。面积为58.5公顷，则工业广场保护煤柱压煤量为：58.5（2.98+2.95）1.4 = 485.67万t。4.大巷保护煤柱大巷中心距离为50m，煤层大巷两侧的保护煤柱宽度各为40m，岩石大巷两侧的保护煤柱宽度各为30m，则大巷保护煤柱损失量为1278.85万t。4.井筒保护煤柱主、副井井筒和前期风井保护煤柱在工业广场保护煤柱范围内，后期风井井筒保护煤柱在边界煤柱范围内，故井筒保护煤柱损失量为0。各种保护煤柱损失量见表2.2。表222 保护煤柱损失量煤 柱 类 型储 量（万t）井田边界保护煤柱180断层保护煤柱182.81工业广场保护煤柱485.67井筒保护煤柱0合 计848.482.3.3 矿井可采储量矿井可采储量是矿井设计的可以采出的储量，可按下式计算：Zk = （Zg-P）C （2.5）式中： Zk矿井可采储量，万t；P保护工业场地、井筒、井田境界、河流、湖泊、建筑物、大断层等留设的永久保护煤柱损失量，万t；C采区采出率，厚煤层不小于0.75；中厚煤层不小于0.8；薄煤层不小于0.85；地方小煤矿不小于0.7。则，矿井设计可采储量：Zk =（108.7-8.48）0.8=80.176 Mt第三章 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限3.1矿井工作制度根据煤炭工业矿井设计规范相关规定，确定矿井设计年工作日为330天，工作制度采用“三八制”，每天三班作业，两班生产，一班准备，每班工作8小时。矿井每昼夜净提升时间为16小时。3.2矿井设计生产能力及服务年限3.2.1确定依据煤炭工业矿井设计规范第2.2.1条规定：矿井设计生产能力应根据资源条件、开采条件、技术装备、经济效益及国家对煤炭的需求等因素，经多方案比较或系统优化后确定。矿区规模可依据以下条件确定：1.资源情况：煤田地质条件简单，储量丰富，应加大矿区规模，建设大型矿井。煤田地质条件复杂，储量有限，则不能将矿区规模定得太大；2.开发条件：包括矿区所处地理位置（是否靠近老矿区及大城市），交通（铁路、公路、水运），用户，供电，供水，建筑材料及劳动力来源等。条件好者，应加大开发强度和矿区规模;否则应缩小规模；3.国家需求：对国家煤炭需求量（包括煤中煤质、产量等）的预测是确定矿区规模的一个重要依据；4.投资效果：投资少、工期短、生产成本低、效率高、投资回收期短的应加大矿区规模，反之则缩小规模。3.2.2矿井设计生产能力城郊井田储量丰富，煤层赋存稳定，顶底板条件好，断层褶曲少，倾角小，厚度变化不大，开采条件较简单，技术装备先进，经济效益好，煤质为优质无烟煤，交通运输便利，市场需求量大，宜建大型矿井。确定城郊矿井设计生产能力为1.2Mt/a。矿井生产能力主要根据矿井地质条件、煤层赋存情况、开采条件、设备供应及国家需煤等因素确定。3.2.3矿井服务年限矿井服务年限必须与井型相适应。矿井可采储量Zk、设计生产能力A矿井服务年限T三者之间的关系为：ZkAKT= （321）式中: T矿井服务年限，a；Zk矿井可采储量，Mt；A设计生产能力,Mt；K矿井储量备用系数，取1.3；则，矿井服务年限为：T =80.176/(1.21.3) = 51.39a符合煤炭工业矿井设计规范要求。3.2.4井型校核按矿井的实际煤层开采能力，辅助生产能力，储量条件及安全条件因素对井型进行校核：1.煤层开采能力井田内2煤层平均2.95m，为中厚煤层，赋存稳定，厚度变化不大。根据现代化矿井“一矿一井一面”的发展模式，可以布置一个放顶煤工作面保产。2.辅助生产环节的能力校核矿井设计为特大型矿井，开拓方式为双立井单水平开拓，主立井采用箕斗提升运煤，副立井采用轨道辅助运输，运煤能力和大型设备的下放可以达到设计井型的要求。工作面生产的原煤经斜巷胶带输送机到大巷胶带输送机运到井底煤仓，再经主立井胶带运输机提升至地面，运输能力大，自动化程度高。副井运输采用罐笼提升、下放物料，能满足大型设备的下放与提升。大巷辅助运输采用900mm轨距矿车运输，运输能力大，调度方便灵活。3.通风安全条件的校核本矿井煤尘无爆炸危险性，瓦斯涌出量为0.5m3/t，属于低瓦斯矿井。水文地质条件简单，涌水量较小（200 m3/h）。瓦斯涌出量小，矿井采用混合式通风，后期设一条专用回风大巷，东区布置一个风井，可以轻松满足通风需要。4.矿井的设计生产能力与整个矿井的工业储量相适应，保证有足够的服务年限，满足煤炭工业矿井设计规范要求，见表321。表321 我国各类井型的矿井和第一水平设计服务年限矿井设计生产能力（万t/a）矿井设计服务年限（a）第一开采水平服务年限（a）煤层倾角45600及以上7035300500603012024050252015459040201515第四章 井田开拓4.1井田开拓的基本问题井田开拓是指在井田范围内，为了采煤，从地面向地下开拓一系列巷道进入煤体，建立矿井提升、运输、通风、排水和动力供应等生产系统。这些用于开拓的井下巷道的形式、数量、位置及其相互联系和配合称为开拓方式。合理的开拓方式，需要对技术可行的几种开拓方式进行技术经济比较，才能确定。21 1 安全与生产的矛盾可以统一于先进生产力 实践证明 , 煤矿的安全与生产并不是一对不可调和的矛盾 , 在先进生产力面前 , 保护生命和提高产量目的其实是可以同时达到的 。事实上 , 治理瓦 斯的目的之一也就是要提高生产力水平。淮南建设 新型能源基地的特征就是 “一先进三保护”, 即发 展先进生产力 , 保护生命 , 保护资源 , 保护环境 ,并实现“三个转变”, 即从劳动密集型转到技术密 集型 , 从粗壮劳动力转到高素质员工队伍 , 从粗放 管理转到科学管理 。21 2 可保必保 、应抽尽抽 淮南矿区经过长期探索研究及工程实践 , 得出首采卸压层卸压开采 、煤与瓦斯共采是对突出煤层 进行消突最有效、最可靠 , 也是最经济的方法的结 论 , 认为可保必保 (具备条件的必须开采首采卸压 层) , 应抽尽抽 (给足卸压抽采时间和空间) , 实现 瓦斯抽采最大化。在此前提下 , 基本上解决了低透气性高瓦斯煤层 (群) 瓦斯高效开采难题 。21 3 治理瓦斯 , 岩巷先行事实证明 , 瓦斯治标治本都离不开打钻 。打钻 和岩巷作为安全生产技术的第一要务 , 为实现瓦斯 治本 , 必须着力建设一流的打钻和岩巷队伍 、一流的打钻和岩巷装备 、一流的打钻和岩巷管理 。淮南 矿区现立足打大钻 、打长钻、打高技术钻 , 用准军 事化、专业化、精细化手段管理打钻队伍 。淮南矿 区现有 8 支专业化打钻队伍 , 共计 1700 人 , 实现 了专业化打钻队伍“全覆盖”。21 4 瓦斯利用 瓦斯是我国煤矿生产过程中的主要灾害源 , 同时也是一种新型的洁净能源和优质化工原料 。开发 利用瓦斯 ( 煤层气) , 既可以充分利用地下资源 , 又可以改善矿井安全条件和提高经济效益 , 对缓解常规油气供应紧张状况 , 实施国民经济可持续发展 战略 , 减少温室气体排放 , 保护环境等均具有十分 重要的意义。因此 , 煤矿瓦斯治理必须走“变抽放 为抽采 , 煤与瓦斯共采 , 治理与利用并重”的路 子。3 技术创新是实现煤与瓦斯共采的关键煤与瓦斯共采必须依靠技术创新。淮南矿区开 展了大量研究 , 成功地解决了矿区瓦斯治理和安全开采技术难题。应用这些成果 , 连续 12 年避免了 瓦斯爆炸事故 , 百万吨死亡率从 41 01 降低到近 5 年 01 1 左右的国际先进水平 ; 安全有了保障 , 企业 得到发展 , 年产量从 1000 万 t 增加到 6700 万 t 。 淮南矿区的煤与瓦斯共采主要创新技术包括如下几个方面。31 1 地质保障技术是煤与瓦斯共采的基础 目前淮南地质保障技术的创新重点主要包括三维地震精细解释 ( 地面地质 “C T”) 、井下综合物探 (井下地质 “C T”) 、地测、防治水信息化及预 警、地球化学识别 ( 地质 “DN A ”) 、出水水源快 速判别、瓦斯地质等关键性技术 。31 2 低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术31 21 1 卸压开采抽采瓦斯理论 淮南在解决低透气性高瓦斯煤层安全开采技术难题的过程中 , 打破传统自上而下的煤层开采程序 , 设计了制造煤体松动卸压的开采方案 , 提出采 取卸压开采增加煤层透气性、抽采瓦斯的原理 , 变 传统瓦斯自然排放为集中抽采 , 实现卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的科学构想 ; 图 1 为首采层开 采后 , 大量解吸瓦斯在抽采负压作用下沿卸压张裂 隙径向流动的卸压开采抽采瓦斯原理图 。基于此 , 根据实验室模拟研究 , 提出了在煤层群中选择安全 可靠的煤层首先开采 , 造成上下煤岩层膨胀变形 、松动卸压 , 增加煤层透气性 ; 同时在被卸压煤层顶底板设计巷道、钻孔抽采卸压瓦斯的技术路线 。 同时利用数值模拟研究手段对淮南矿区卸压开采采场内应力场分布规律进行了系统深入研究 , 并发现 了首采层开采后顶板存在环形裂隙区、顶底板被卸 压煤层膨胀变形区的裂隙场分布及演化规律 , 以及瓦斯富集区分布及运移规律。研究成果在百余个工 作面进行现场工业性试验 , 取得了巨大成功 。31 21 2 卸压开采抽采瓦斯 、煤与瓦斯共采工程技 术体系尽管卸压开采抽采瓦斯技术在淮南矿区取得了 成功 , 但该技术存在瓦斯抽采巷道、钻孔工程量大等缺点 , 因此 , 在此基础上又进行了深入研究 ,2004 年又提出了无煤柱煤与瓦斯共采的科学构想 : 走采煤工作面无煤柱沿空留巷替代顶底板瓦斯抽采 岩巷、变传统 U 型通风方式为 Y 型通风方式、在 留巷内设计钻孔连续抽采采空区瓦斯的技术路线 ,(1) 首采煤层顶板瓦斯抽采技术。 首采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯 。根椐矿山岩层移动 理论 , 煤层在开采过程中 , 顶底板岩层冒落 、移动 产生裂隙 。由于瓦斯具有升浮移动和渗流特性 , 来 自于大面积的卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到裂隙充分 发育区 , 在环形裂隙圈内形成瓦斯积存库 。数值模拟研究表明首采层瓦斯富集区位于两 巷采空侧上方 (宽 030 m , 高 825 m) 的环形 裂隙区 、顶板破碎角 50对应向上 40581 7 m 的竖向裂隙区 。因此 , 把抽采钻孔和巷道 布置在环形裂隙圈内 , 能够获得理想的抽采效果 ,从而避免采空区瓦斯大量涌入到回采空间 。淮南矿 区工程实践表明 , 在裂隙区内预先布置顶板巷道或 钻孔抽采卸压瓦斯 , 抽采率可达 60 % 。 卸压开采抽采瓦斯 、无煤柱煤与瓦斯共采理论研究 和工程实践在淮南矿区取得成功 , 实现了卸压层间距达 50 倍采高 , 突破了 30 倍采高的传统理论 , 实 现了无煤柱煤与瓦斯共采技术的重大突破 。 (2) 大间距上部煤层膨胀卸压开采顶板瓦斯 抽采技术 。淮南矿区利用首采煤层的远程采动卸压和使顶 板卸压煤岩层下沉变形破裂 , 使透气性成千倍增 加 , 在首采层开采过程中 , 在顶板破裂弯曲下沉带 , 首创“卸压煤层底板岩巷和网格式上向穿层钻 孔瓦斯抽采方法”, 将顶板弯曲下沉带卸压煤层和底板臌起卸压膨胀带内的解吸瓦斯 , 通过顺层张裂 隙汇集到网格式抽采钻孔 , 进行及时有效的抽采 。研究发现 : 首采层卸压开采后 , 上向卸压范围为走向卸压角 801 8841 7, 倾向卸压角 8385, 上向卸压层间距达 10 150 m , 采用在被卸压煤层底板弯曲下沉带预先布置巷道钻孔抽采卸 压瓦斯的技术方法 , 抽采率达 65 %以上。 (3) 煤层群多层开采底板卸压瓦斯抽采技术 。淮南矿区 B8 B4 煤层属于煤层群开采 , B8 、 B7 b 、B7a 不是突出危险煤层 , B6 和 B4 为突出危 险煤层 。因此 , 首先以非突出煤层 B8 作为首采保 护层 , 然后依次开采非突的 B7 b 、B7a 煤层 , 最后开采受到上保护层采动卸压保护的 B6 、B4 突出危 险煤层 。当 B8 采动后 , B7 、B6 煤层处在膨胀裂 隙带内 , 在此裂隙带的底板岩层内布置巷道和网格 式穿层钻孔实现多重高效瓦斯抽采 。研究发现多重卸压开采后 , 下向卸压范围为走向卸 压角 991 31001 1, 倾向卸压角 102 110, 下向 卸压层间距达 10150 m , 采用预先布置巷道和穿 层钻孔抽采卸压瓦斯 , 瓦斯压力由 31 6 M Pa 降至01 2 M Pa , 透气性系数增大了 570 倍 , 抽采率达50 %以上 。(4) 多重开采上部煤层对下部煤层的卸压效随之增加 , 回风流及顶板钻孔或巷道内的瓦斯浓度 也开始下降 , 典型情况下降低 01 201 3 个百分点。无煤柱煤与瓦斯共采技术 根据煤层群赋存条件 , 首采关键卸压层 , 沿采空区边缘沿空留巷实施无煤柱连续开采 , 通过快速 机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来 , 沿空 留巷与综采工作面推进同步进行 , 在留巷内布置上 (下) 向高 (低) 位钻孔 , 抽采顶 ( 底) 板卸压瓦 斯和采空区富集瓦斯 , 工作面埋管抽采防止采空区瓦斯向工作面大量涌出 , 以留巷替代多条岩巷抽采 卸压瓦斯 , 可大大减少岩巷和钻孔工程量 , 实现煤 与瓦斯安全高效共采 。(5) 卸压开采裂隙发育区地面钻孔管抽采瓦斯 技术。地面采空区钻孔的设计目的在于在得到一个高 效的地面采空区钻孔抽采系统 , 该系统能更多地抽 采高浓度的瓦斯 , 并使采空区自燃的风险最小。地 面钻孔结构。采空区瓦斯抽采对减小回风流及其它抽采方法(如顶板钻孔、上隅角抽采管道) 的瓦斯浓度有很大 影响。尽管在钻孔工作的早期阶段并不明显 , 但随 着工作面离开钻孔位置 , 钻孔的瓦斯流量和浓度都31 31 1 首采保护层采场内应力场、裂隙场分布及 演化规律。淮南矿区无煤柱留巷卸压开采煤与瓦斯共采试验发现 , 首采层沿空留巷采场内增压区位于首采保 护层工作面前方 0 30 m , 应力集中系数为 2 3 倍 , ; 采空区 300500 m 以外为卸压稳定 区 ; 裂隙发展期为首采保护层工作面后方 0 50m ; 活跃期位于 50500 m ; 衰减期为 500 m 以后 且呈楔形偏向采空区发展 。钻孔验证发现采面后50300 m 、顶板向上 540 m 环形竖向裂隙场内瓦斯浓度为 10 %40 % 。采空区顶板 540 m , 首采保护层工作面开采后50 m 瓦斯浓度超过 10 %、100 m 超过 20 %、300 m 达 到 40 %。这为布置抽采瓦斯钻孔提供了依据。31 31 2 首采层开采后顶底板瓦斯富集区 研究发现首采层开采后顶底板不同层位存在着4 个瓦斯富集区即上向被卸压煤层解吸瓦斯富集区、竖向楔形瓦斯富集区、顶板环形瓦斯富集区和 下向被卸压煤层解吸瓦斯富集区 。经过现场试验考察得到 , 1 # 钻孔抽采瓦斯浓 度 10 %30 % , 单孔抽采流量 01 211 3 m3 / mi n , 钻孔有效抽采区域为垂直煤层顶板向上 41 0121 2 倍采高 (81 0361 6 m) , 倾斜方向 040 m , 留巷 内钻孔有效抽采长度 500 600 m ; 远程上向卸压 煤层有效抽采瓦斯区 , 2 # 、3 # 钻孔抽采瓦斯浓度60 %95 % , 单孔抽采流量 01 25 11 50 m3 / mi n ;钻场有效抽采卸压瓦斯的走向长度超过 200 m ( 约40 d) , 相当于 3 倍的层间距 , 钻孔有效抽采区域 为左边角小于 75, 顶板方向发展高度超过 130 m 。4 # 、5 # 钻孔抽采瓦斯浓度 85 %100 % , 单孔抽 采流量 01 1201 98 m3 / mi n ; 留巷下向钻孔有效抽 采卸压瓦斯的走向长度 120 150 m ( 约 40 50 d) , 钻孔有效抽采区域为左边角小于 85, 底板方向发展深度达到 100 m 。上向被卸压煤层通过 1 # 、2 # 、3 # 钻孔连续抽采 ( 采煤工作面后方 0 300 m) , 顾桥矿 13 - 1 煤层 , 实现单面日产气 30946 m3 , 日产煤 16426 t , 抽采率达 72 % ; 新庄孜矿 B11 b 煤层瓦斯预抽率达 721 4 % , 下向被卸压煤层 通过 4 # 、5 # 钻孔连续抽采 , 新庄孜矿 B8 煤层瓦 斯预抽率达 56 % 。31 31 3 无煤柱护巷围岩控制关键技术 基于无煤柱留巷围岩内外层结构稳定性规律的研究 , 提出无煤柱留巷顶板抗剪切破坏的强化锚杆 控制技术和辅助加强支护技术 , 构建了所 示的“三位一体”的留巷支护技术体系 , 即抗顶板剪切回转的锚杆 ( 注) 主动支护 P1 、强采动应力 影响期间的巷内自移辅助加强支护 P2 和高承载性 能的巷旁充填墙体支护 P3 。研制出了高承载性能机械化施工的巷旁充填支护技术 , 能保证充填墙体紧随工作面及时快速构筑 , 满足了综采工作面日进10 m 、日产 2 万 t 的快速开采要求 ; 同时 , 实现900 m 深井护巷断面 810 m2 , 长度达 2900 m 的 世界纪录 , 是国外的 2 3 倍 , 成本仅为欧洲的1/ 3 , 兼顾了采煤生产和充填平行作业 , 实现了矿井的安全高效生产。现场试验效果为上 向被卸压煤层瓦斯抽采率 72 %以上 , 瓦斯压力降 至 01 201 4 M Pa 以下 , 瓦斯抽采浓度达 60 %95 % 。(3) 留巷钻孔法下向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技1 31 4 无煤柱 ( 护巷) Y 型通风留巷钻孔法抽采 瓦斯关键技术(1) 首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术。 现场试验效果为抽采瓦斯浓度 10 %40 % , 首采层采空区瓦斯抽采 率 70 %以上 , 连续抽采最高达 90 % 。(2) 留巷钻孔法上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技 术。现场试验效果为瓦 斯抽采浓度 85 %100 % , 采一层被卸压煤层 , 瓦 斯抽采率 46 %以上 , 多层开采后可达 70 %以上 。 (3) 淮南矿区应用效果显著 。 首采保护层工作面瓦斯抽采浓度由 60 %提高到 70 %90 % , 抽采率由 60 %提高到 70 %以上 ;上下邻近的被卸压高瓦斯煤层瓦斯压力降至 01 201 4 M Pa 以下 , 瓦斯含量抽采至 3 5 m3 / t 以下 ,首次达到了上向 150 m , 下向 100 m 的有效卸压范 围 ; 高浓度瓦斯作为资源抽采至地面直接利用 , 治 理和利用成本降低了 50 %以上。31 31 5 井上下立体瓦斯抽采体系目前 , 淮南矿区已形成了井上下立体的卸压开 采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采的工程技术新格局 , 实现了被卸压煤层瓦斯含量、瓦斯压力分别降低到国家规定的 8 m3 / t 和 01 74 M Pa 以下 。(1) 顶板走向钻孔抽采技术 。在采煤工作面上 风巷每隔 80 100 m 向顶板施工一个钻场 , 在钻场内施工 610 个钻孔 , 终孔高度位于煤层顶板向 上 1015 m , 距工作面回风巷的水平距离为 5 20 m , 扇形布置。顶板走向钻孔抽采浓度一般在15 %45 %之间 , 纯量在 518 m3 / mi n 范围 。(2) 穿层钻孔预抽技术。在煤层底板开拓或分 组集中岩巷内 , 沿走向每隔 2530 m 施工一个钻场 , 布置一组穿层钻孔 , 钻孔穿透煤层 , 孔底间距1020 m , 预抽 23 年。抽采浓度一般为 30 %70 % , 单孔纯量为 01 21 m3 / mi n 。该技术主要用 于无保护层开采的突出煤层消突 。(3) 穿层钻孔抽采卸压瓦斯技术。一般配合卸 压层开采 , 施工穿层钻孔拦截抽采被卸压层卸压瓦 斯 , 终孔位置为进入临近被卸压煤层顶板 01 5 m , 钻孔间距为 20 40 m 。抽采浓度一般为 40 % 80 % , 纯量为 2030 m3 / mi n , 最佳抽采范围为随卸压层开采推进走向 200300 m 。(4) 采空区埋管抽采技术 。在工作面上风巷单 独敷设抽采管路进行上隅角埋管抽采 , 埋管分为浅 埋 (35 m) 和深埋 ( 20 40 m) 两种。上隅角充填垛采用编织袋装填煤矸进行