無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術

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無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術

國家煤礦安全監察局辦公室關于推廣低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術的通知

各產煤省、自治區、直轄市及新疆生產建設兵團煤炭行業管理、煤礦安全監管部門，各省級煤礦安全監察機構，有關中央企業：

為了解決淮南礦區高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井低透氣性煤層群瓦斯防治難題，煤礦瓦斯治理國家工程研究中心聯合有關煤礦企業、科研院所開展了低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采技術的研究與試驗，取得了重大技術突破，實現了基于錨桿支護的留巷圍巖控制、無煤柱Y型通風煤與瓦斯共采，解決了U型通風工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，工作面回風流瓦斯降至0.8%以下；采用留巷鉆孔法連續高效抽采采空區和鄰近層瓦斯，抽采出的瓦斯濃度高達60%以上，被卸壓煤層瓦斯預抽率達70%以上，并具有采氣周期長、抽采成本低、利于監測監控采空區自然發火等特點。這項技術已在淮南、皖北、鐵法等礦區近20個工作面推廣應用，取得了顯著的安全技術經濟效益，對提高煤炭資源回收率和實現高瓦斯礦區煤與瓦斯兩種資源的安全高效共采具有重要的意義。

現將淮南礦業集團整理的《低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術》材料印發給你們，請結合本地區、本單位實際情況加以推廣應用，不斷深化煤礦瓦斯治理，強化瓦

斯抽采，從源頭上治理瓦斯災害，努力構建“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位”的煤礦瓦斯治理工作體系。

二○○九年六月日

低透氣性煤層群

無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術

（淮南礦業集團 2009年6月）

一、技術產生背景、創新成果及推廣應用情況

我國大多數礦區地質構造復雜，煤巖松軟，煤層具有高瓦斯、低透氣性、高吸附性的特點，尤其是低滲透率和非均質性的特性，難以在采煤前直接從地面抽采煤層氣。近年來，隨著開采規模擴大和開采深度的迅速增加，深部開采帶來的高瓦斯、高地壓問題，成為淮南等礦區低透氣性煤層群高效安全開采亟待解決的技術難題。

世界上主要的煤炭生產國家都致力于深部煤層群開采的研究。對于深部煤層群開采面臨的瓦斯問題，國內外研究表明：低透氣性煤層群瓦斯治理技術方向是：首采關鍵層沿空留巷Y型通風無煤柱煤與瓦斯共采技術。

由設在淮南礦業集團的煤礦瓦斯治理國家工程研究中心聯合有關煤礦企業、科研院所研發成功的低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術實現了基于錨桿支護的留巷圍巖控制、無煤柱Y型通風煤與瓦斯共采。采用Y型或H型通風方式解決了U型通風工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，實現了工作面回風流瓦斯濃度降至0.8%以下，為煤礦杜絕瓦斯爆炸事故創造了前提條件；利用采空區所留巷道，施

工頂、底板穿層鉆孔，采用留巷替代了抽采瓦斯專用巖巷，大大降低了瓦斯治理成本；留巷鉆孔法連續高效抽采采空區和鄰近層瓦斯，實現了連續抽采卸壓瓦斯，瓦斯抽采率達70%以上，抽采出的高濃度瓦斯可直接利用，大大降低了瓦斯利用成本，為煤礦安全高效開采提供了科學可靠的技術途徑。本項技術為國內外首創，具有完全自主知識產權，居于國際領先水平，實現了理論、技術的重大突破和工藝裝備、材料的集成創新，實現了瓦斯抽采和利用的最大化。目前，已獲得3項發明專利，12項實用新型專利， 9項專利已被受理，在淮南、皖北、鐵法等礦區近20個工作面得到推廣應用，并取得了顯著的安全技術經濟效益。

二、無煤柱煤與瓦斯共采技術原理

低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術，采用沿空留巷Y型通風一體化，解決高瓦斯、高地應力、高地溫的煤層群進入深部開采面臨的瓦斯治理、巷道支護、煤炭開采等重大安全生產技術難題，即：首采關鍵卸壓層，沿首采面采空區邊緣快速機械化構筑高強支撐墻體將回采巷道保留下來。在留巷內布臵鉆孔抽采鄰近層及采空區卸壓瓦斯；采用無煤柱連續開采，實現被保護層全面卸壓；同步推進綜采工作面采煤與卸壓瓦斯抽采，實現了煤與瓦斯安全高效共采；抽采的高、低濃度瓦斯分開輸送到地面加以利用，實現節能減排，經濟、社會、環境效益顯著。

圖1 無煤柱沿空留巷鉆孔法抽采瓦斯原理圖

三、無煤柱煤與瓦斯共采關鍵技術

（一）沿空留巷圍巖結構穩定性控制技術

理論研究和工程實踐表明，長壁工作面自開切眼向前推進一段距離后，懸露的基本頂關鍵塊體出現斷裂，斷裂線相互貫通，塊體沿斷裂線回轉、下沉進而形成結構塊，接觸矸石后形成能夠自穩的沿空留巷外層結構，成為外層大結構。沿空留巷內層支護圍巖小結構如果只由巷道周圍錨桿支護、巷旁充填墻體構成，該結構將在外層大結構形成過程中受到強烈的破壞，有可能不能自穩，由此提出階段性輔助加強的

創新思路，形成巷道組合錨桿支護、巷旁充填墻體、巷內輔助加強支架“三位一體”的沿空留巷圍巖整體支護原理和一套新型“三高”錨桿支護與自移式強力控頂支架輔助補強的留巷支護技術體系。

“三高”錨桿支護技術以抗剪切的超高強度桿體、高預緊力、系統高剛度為核心，選擇超強桿體、高剛度護網、超大托盤、超強大扭矩阻尼螺母，實施大扭矩高預應力，提升主動承載能力，并向圍巖擴散，形成高強主動高阻穩定的錨桿支護圍巖承載結構。

留巷支護技術體系中采用的自移式輔助加強支架系自主研發，現已形成系列產品，可以成功解決不同開采條件下的采動影響期巷道圍巖穩定控制問題。該支架采用液壓支架結構設計，具有支護強度高、護頂面積大和自移功能。圖2為ZT2×4000/18/35型輔助加強支架在井下工作狀況。

圖2 輔助加強支架

（二）快速巷旁充填技術

無煤柱煤與瓦斯共采技術體系中巷旁充填墻體是由適宜工作面采高變化，具有早強、高增阻、可縮性且實現可遠距離泵送施工的大流態、自密實的新型CHCT型充填材料形成的，其基本組分為水泥，粉煤灰，粗、細骨料，復合泵送劑，復合早強劑和水等。配比范圍：水泥為10~30%、粉煤灰為7~40%、石子為15~40%、砂為15~30%、水為10~30%；材料性能：充填料漿塌落度120～260mm，可實現遠距離泵送，最長水平泵送距離達1200m，泵送入模后自密實；充填結束后2~3h可脫模；1d、2d、3d、7d、28d抗壓強度分別可達5MPa、10MPa、12MPa、15MPa和28MPa；具有良好的壓縮變形性能，壓縮率5~10%，殘余強度可達極限抗壓強度的35~60%。該材料實現了多套組合配方，能根據不同的礦壓顯現規律和巷道變形特性要求配制，具有良好的承載特性和壓縮變形性能且適宜遠距離泵送施工，已形成了多種不同產能的工業化生產模式。

快速留巷巷旁充填工藝系統包括：地面干混充填料制備系統、地面至井下干混充填料泵站運輸系統、充填泵料斗干混充填料上料系統、充填料漿的制備與泵送系統和充填支架模板系統。

主要充填工藝過程為：由地面專門生產線按設計配比生產出干混充填材料，以袋裝或專用集裝箱散裝運至井下泵

站；用螺旋輸送機或皮帶輸送機將干混料送至充填泵料斗；在充填泵中加水攪拌均勻后經充填管路泵送至充填模內；充填料漿在充填模內自流平密實，自然養護，待硬化產生一定強度后拆模。工藝流程如圖3所示。

圖3 快速留巷巷旁充填工藝流程

（三）留巷鉆孔法瓦斯抽采技術

1. 首采關鍵層頂板采空區富集瓦斯抽采技術

在沿空留巷內布臵傾向抽采瓦斯鉆孔，如圖1中的1#鉆孔，鉆孔布臵在采空區上方的卸壓豎向帶狀裂隙區，抽采采空區解吸游離瓦斯，包括來自開采層和卸壓層通過采動影響形成的裂隙通道匯集到采空區上部豎向帶狀裂隙區內的解吸游離瓦斯，卸壓豎向帶狀裂隙區位于采空區頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內。在留巷內保持6~8個采空區抽采瓦斯管道與留巷內的抽采主管道連通，抽采Y型通風壓力場驅動下在留巷后部20~80m內的采空區內部富集的大量高濃度瓦斯，該項技術利用首采關鍵層留巷抽采瓦斯鉆孔替代了首采層頂板高位抽采巷道，節省了首采關鍵層巖石抽采巷，工程

量大大減少。

2．大間距上部遠程煤層膨脹卸壓瓦斯抽采技術

如礦區煤層賦存為煤層群條件，首采關鍵卸壓煤層后，卸壓層傾向卸壓范圍向頂板方向發展的高度達到130~150m，在卸壓保護區上部卸壓煤層透氣性系數增加數千倍；但遠程卸壓煤層與首采卸壓層中間具有致密隔氣性較好的泥巖，上部大間距遠程卸壓煤層中的富含高壓解吸瓦斯仍儲集在煤層中。傳統的卸壓開采抽采瓦斯技術是在被卸壓煤層的底板布臵一條巖石巷道和抽采鉆孔，抽采上部大間距遠程卸壓煤層中的解吸瓦斯。而本項技術則是在留巷內直接向大間距頂板遠程煤層卸壓區內htTp://http://salifelink.com/news/55A09A2415267BFA.html施工穿層抽采瓦斯鉆孔，如圖4中的6#孔、圖1中的4#、5#孔，抽采鉆孔直接穿過上部遠程卸壓煤層，傾向穿層抽采瓦斯鉆孔的傾角小于采動卸壓角。由沿空留巷中施工的向上傾向穿層抽采瓦斯鉆孔能夠獲得理想的抽采高濃度大流量瓦斯效果，抽采的瓦斯可直接利用。該項技術通過留巷內向上穿層鉆孔替代遠程卸壓煤層底板巖石巷及在該巷中布臵的大量向上穿層鉆孔，工程量大大減少。

1-下風巷 2-上風巷 3-沿空留巷墻體 4-工作面 5-抽采管路 6-向上鉆孔 7-留巷 8-回風巷 9-采空區 10-向下鉆孔圖4 沿空留巷Y型通風低位鉆孔抽采卸壓瓦斯布臵圖

3．煤層群多層開采底板卸壓瓦斯抽采技術

首采關鍵卸壓煤層，傾向卸壓范圍向底板方向發展的深度為80~100m，在卸壓保護區下部卸壓煤層透氣性系數增加數百倍，底板裂隙發育區的卸壓瓦斯通過豎向裂隙與采空區貫通，上浮運移至采空區，沒有顯著的瓦斯富集區。但在底板致密隔氣性較好的泥巖之下的遠程卸壓煤層中存在高壓富瓦斯煤層，在留巷內布臵向下抽采瓦斯鉆孔直接穿過下部卸壓煤層，如圖4中的10#孔、圖1中的2#、3#孔，抽采底部卸壓煤層的解吸瓦斯，可連續高效抽采高濃度瓦斯。該項技術通過留巷內向下穿層鉆孔替代遠程卸壓煤層底板巖石巷及在該巷中布臵的向上穿層鉆孔，節省底板卸壓煤層抽采瓦斯巖石巷和大量的抽采鉆孔，工程量大大減少。

4．采空區埋管抽采瓦斯技術

首采層沿空留巷工作面的上、下鄰近煤層距首采關鍵卸壓層很近，由于近距離鄰近卸壓煤層涌出的瓦斯量大，工作面采用埋管抽采作為防止采空區瓦斯大量向工作面涌出的輔助措施。工作面在巷旁充填體施工過程中，每間隔10m預留一直徑不小于150mm抽采管道，通過三通和連接管接入采空區抽采管道上，在每一分支管道上設臵一個閘閥，通過

閘閥控制同時埋管抽放的數量，在留巷內保持6-8個采空區抽采管道與埋管抽采主管道連通，抽放口與工作面的距離20~80m之間；其它的采空區抽采管道的閘閥關閉，當工作面瓦斯涌出量大或瓦斯涌出異常時，通過控制采空區埋管抽采管道口的數量和開啟程度控制采空區瓦斯抽采量和抽采瓦斯濃度。沿空留巷Y型通風工作面，可通過工作面上、下進風巷風量和留巷段埋管抽采量的調節，將留巷排放瓦斯的濃度合理控制在安全值以下。因此，Y形通風對瓦斯管理具有很大的靈活性。

四、主要技術特點

本項技術在新型充填材料和充填工藝、強采動影響條件下的留巷支護和快速構筑充填體關鍵技術上實現了突破，在充填材料遠距離輸送系統新設備研發和機械化快速構筑充填墻體工藝系統上實現了集成創新，有效地解決了高瓦斯低透氣性煤層安全高效開采技術難題。其主要特點有：

一是實現了煤與瓦斯安全高效共采，實現了瓦斯抽采濃度、抽采效率最大化；

二是采用Y型通風方式，消除了采煤工作面上隅角瓦斯超限隱患；

三是利用沿采空區留巷巷道，施工頂、底板穿層鉆孔，抽采臨近層或被保護層卸壓瓦斯，可以節省大量瓦斯抽采鉆孔工程，解決低透氣性煤層群瓦斯先抽后采問題，真正實現

煤與瓦斯共采；

四是沿空留巷無煤柱開采，可以多回收區段煤柱8～20m，提高回采率5%～8%；

五是充填留巷作為瓦斯治理巷道，節省至少兩條巖巷，降低了掘進成本和矸石排放量，留巷繼續服務下一個鄰近工作面，少掘一條煤巷，簡化開采布局和采區巷道系統；

六是Y型通風條件下，工作面可以降溫3～5℃且作業人員均在進風流中工作，大大改善作業環境，有效解決深井開采的熱害問題；

七是抽采的瓦斯濃度高，可直接高效利用，實現節能減排，瓦斯利用成本大大降低，實現煤礦安全高效生產和環境保護的和諧發展。

五、無煤柱煤與瓦斯共采技術適用條件

（一）開采煤層適用條件