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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

突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

2023-10-17


创新点

论文基于井上与井下联合抽采瓦斯技术优势,阐明了井上下联合防突“时空转换、优势互利”的内涵;针对近距离煤层群层特征,提出了近距离煤层群“孔群覆盖、协同抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。针对远距离煤层群特征,提出了远距离煤层群“强化增透、递进抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的强化卸压、递进消突。研发的近远距离煤层群井上下联合防突关键技术在沙曲一矿及朱集西矿成功应用。

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突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

作者:张永将1, 2 , 邹全乐3, 4 , 杨慧明1, 2 , 陈子涵3, 4 , 曹建军1, 2 , 程志恒5
单位:1. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室;2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司;3. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室;4. 重庆大学 资源与安全学院;5. 华北科技学院 安全工程学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
煤炭是我国兜底能源2011年以来煤炭占我国能源生产和消费总量比例始终保持第12021年全国能源消费总量为52.40 亿 标准煤其中原煤消费 占比达 56.00%。煤炭作为兜底保障能源的主体地位短时间难以改变。同时随着我国煤炭开采向深部延伸埋深 800 m以上的煤层地应力瓦斯压力和瓦斯含量相较于浅部煤层都呈现出不同程度的增加急 需创新煤矿生产过程中的煤与瓦斯突出危险性综合治理方法。为了解决煤与瓦斯动力灾害诸多研究人员在实验室与煤矿现场开展了一系列深入的研究, 提出了以地面井为核心的井上抽采防突措施与以钻 孔为核心的井下抽采防突措施。在实验室研究方面, 邹全乐等采用木质素磺酸钙优化地面井水泥材料力 学性质为维持卸压瓦斯地面井稳定性提供理论支撑。 原德胜基于低价煤结构特征及其和瓦斯之间的相互耦合作用机理提出了适用于彬长矿区地面井瓦斯产能预测理论模型获得地面井瓦斯抽采与井下瓦斯预 抽优化控制方法。张朋从煤岩体双重孔隙结构出发, 构建煤体形变场瓦斯扩散场和渗流场的气固耦合瓦 斯抽采物理模型进一步采用 COMSOL 数值模拟方法模拟垂直井与 型井瓦斯预抽效果并以此优化地面井布孔间距。胡君建立了采动区瓦斯地面井群抽 采效果评估方法体系并实现对地面井瓦斯抽采效果评估。汪漫等通过实验室试验研究了煤样基质孔隙度不同压力条件下煤样渗透率和不同温度下煤样的 Langmuir 等温吸附解吸特性并采用双孔隙度单 渗透率模型对现场试验井瓦斯抽采历史产量进行拟 合分析揭示了不同井距抽采时抽采井瓦斯产气速率、 累计产量储层压降以及储层瓦斯体积分数随时间的 变化规律确定了瓦斯矩形井网抽采时的最优井距。
在现场试验中井上瓦斯抽采防突取得了较好的效果, 胡千庭等对地面井的类型及特点进行了深入分析, 将采动区地面井抽采技术细分为邻近层采动发展区 地面井抽采本煤层采动发展区地面井抽采和采动稳定区地面井抽采3种类型并提出了不同类型采动区地面井的逐级优化设计方法。刘应科等采用远距离下保护层开采及钻井抽采消突技术在神华集团乌 兰煤矿进行了工程试验结果表明地面钻井抽采卸压 瓦斯的消突效果十分显著。张江华等提出了瓦斯地面钻井过采空区成套技术体系并在山西晋城寺河 矿井取得了较好的应用效果。在井下瓦斯抽采防突 方面赵旭生等基于岩石水平长钻孔抽采邻近层瓦斯和顺层长钻孔抽采本煤层瓦斯的现场试验情况提出了长钻孔综合抽采瓦斯新方法为瓦斯灾害治理提 供了新的技术途径。周建伟等通过现场试验发现 煤层顶底板羽状梳状分支钻孔能够解决松软煤层长 距离钻进过程中的塌孔抱钻等问题并进一步总结 了煤层顶底板分支长钻孔区域预抽工艺在俯孔施工条件下的钻孔施工工艺流程。李泉新等研发了中硬煤层超长孔定向钻进技术碎软煤层气动定向钻进 技术和复杂顶板岩层大直径定向钻进技术利用定向钻孔轨迹精确可控可沿目标地层长距离延伸的优势, 在现场煤矿井下大区域范围内实现了中硬煤层碎 软煤层顶板岩层全区域精准覆盖采前采中采 后全时段连续抽采。
随着煤与瓦斯突出等瓦斯动力灾害发生频率增 加单一的井上或井下抽采防突措施难以保障煤层群的消突效果。在诸多科研人员长时间的探索之后我 国已初步形成了先区域后局部的 四位一体” 综合防突技术体系在一定程度上有效控制了煤 层群煤与瓦斯突出事故。此外各大矿区也依据不同 的煤层地质条件分别构建了与之相适应的工程实践 模式。淮南矿业集团提出了卸压开采岩巷先行立 体抽采的突出防控模式并总结了顶板抽采瓦斯技术、 保护层开采综合治理瓦斯技术突出煤层边抽边掘技术穿层钻孔预抽瓦斯技术等一套适合淮南矿区的瓦 斯治理技术煤与煤层气共采国家重点实验室在
十一五十二五研发的煤层气三区联动立体 抽采模式基础上创新研发了全矿区全层位全时段 的煤矿区煤层气四区 (规划区准备区生产区采 空区联动井上下联合抽采模式 (新晋城模式和系 列技术体系在山西重点煤矿区得到广泛应用并取得了良好效果。平煤神马集团提出了保护层开采水力增透等多措并举应抽尽抽的战略松藻煤电公司结合松藻矿区煤层地质条件提出了三区配套三超前增透抽采模式。然而煤层间距不同会导致采动影响范围瓦斯富集区域等发生较大变化因此对于近远距离煤层群瓦斯抽采模式也会存在显著 差异。华阳集团基于工程实践提出了中远距离煤层群煤与瓦斯协调开采模式并在阳煤五矿成功进行示范应用。华晋焦煤公司则通过建立瓦斯治理的时 空坐标系系统地分析了井上井下抽采技术的时空 分布特征及其约束条件最终针对近距离煤层群提出 了沙曲瓦斯综合治理模式与配套技术体系并通过现 场实践验证了推行沙曲模式可实现采掘工作面瓦斯零超限保证矿井安全高效生产。然而受限于传统井上抽采与井下抽采 项独立技术的局限性少 有研究针对井上下抽采时空转换机制及其关键技术 进行深入系统的研究。同时煤层间距也是决定井上 下联合防突措施的关键之一然而少有研究针对近、 远距离煤层群各自的特点提出相应的典型防突模式。 总体来看我国在井上下联合抽采防突典型模式及其三区衔接方面仍存在一定的不足并未完全实现井上措施与井下措施时空上的无缝对接。
基于此笔者针对井上与井下瓦斯抽采技术作业特点阐明了井上下联合防突时空转换优势互利” 的内涵基于近远距离煤层群特点提出了近距离煤层群孔群覆盖协同抽采井上下联合防突典型模式与远距离煤层群强化增透递进抽采井上下联合防突典型模式同时研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术相关理论与技术成果已在多个煤矿现场进行了推广应用并取得了显著的效果。
摘要
 ABSTRACT
我国煤层具有地应力大、渗透率低、瓦斯压力大、瓦斯含量高等特点,煤与瓦斯突出灾害严重。因此,需采取有效瓦斯治理措施,而单一井上瓦斯抽采技术容易出现抽采盲区,导致抽采效果不佳;单一井下瓦斯抽采技术工程量大、周期长,难以在短时间实现煤层消突。通过将井上与井下瓦斯抽采技术相互联合,实现井上下联合防突,是保障煤炭安全开采的关键技术之一。而在煤层群矿井中,需针对煤层间距离的远近采用不同的井上下联合防突模式,实现煤层群快速消突。对此,基于井上与井下联合抽采瓦斯技术优势,阐明了井上下联合防突时空转换优势互利” 的内涵。井上地面井长时间、广覆盖抽采瓦斯实现煤层降突,换取井下作业空间,实现时间换空间;井下钻孔在井下作业空间内,精准抽采目标区域瓦斯实现目标区域快速消突,缩短目标区域 消突时间,实现空间换时间,提升煤层瓦斯治理效果。
针对近距离煤层群层间采动影响大等特点,提出了近距离煤层群孔群覆盖协同抽采井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。针对远距离煤层群采动卸压范围小等特点,提出了远距离煤 层群强化增透递进抽采井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的强化卸压、递进消突。自主研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术,并以沙曲一矿与朱集西矿作为近远距 离煤层群矿井典型案例进行应用效果分析。应用效果表明:在近距离煤层群沙曲一矿中释放抽采达标煤量约 80 万 t,高效抽采瓦斯量约420m3。远距离煤层群朱集西矿中井下钻孔工程量减少约 60%,抽采达标时间缩短约 40%
部分图片



 1    水平煤层群井上下联合抽采防突模式构建思路


 2    地面井瓦斯抽采


 3    井下钻孔瓦斯抽采


 4    近距离煤层群井上下联合防突典型模式、方法及其衔接模式


 5    远距离煤层群井上下联合防突典型模式、方法及其衔接模式


 6    多种地面井组合分区联抽防突


 7    设计参数对多分支水平井抽采效果的影响


 8    煤巷条带分段卸压防突技术示意


 9    井上下联合防突衔接合理性评价指标体系及模型


 10    贝叶斯网络和专家打分方法相结合框架


 11    沙曲一矿井上下联合抽采防突模式


 12    沙曲一矿防突接替合理性贝叶斯网络


 13    构建的 种井群布井方式优化技术


 14    井上下联合抽采防突及其井孔空间布置技术


 15    2 种水力切缝、压裂联合工艺技术模式


 16    朱集西矿井上下联合抽采防突模式


 17    朱集西矿防突接替合理性贝叶斯网络


作者简介


张永将,男,19814月出生,安徽宿州人,中国煤炭科工集团有限公司首席科学家、重庆研究院瓦斯研究分院副院长,博士、研究员、硕士生导师;煤炭工业技术委员会第四届委员会委员,山西省、吉林省、陕西省特聘安全生产专家。获省部级科技进步奖25项,其中一等奖6项、二等奖15项。获孙越崎青年科技奖、全国煤炭青年五四奖章等荣誉称号;曾任“十三五”重点研发计划课题长,主持纵向科研30余项、重大横向科研80余项,授权发明专利30项、国际专利8项;发表论文100余篇,其中SCI收录15篇、EI收录25篇,出版专著3部,编写行业标准8项。


研究方向

煤矿瓦斯灾害防治


主要成果

致力于煤矿瓦斯灾害防治技术及装备研究,研制了超高压水力割缝装置,实现了煤层钻---抽一体化快速卸压增渗,可用于解决煤巷条带、石门揭煤、工作面回采区域等卸压增渗难题;针对深井突出煤层群提出井上下联合防控方法与技术,研究形成了深井煤与瓦斯动力灾害评估、鉴定、区域预测及防治措施为一体技术体系为煤矿瓦斯灾害防治提供理论依据和实践指导


来源:

张永将邹全乐杨慧明突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术[J]. 煤炭学报202348(10):

3713−3730.


责编:王晓珍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


  责任编辑:宫在芹
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