煤炭资源安全高效开采技术的发展现状及方向PPT课课件

1、预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义煤炭资源安全高效开采技术的发展煤炭资源安全高效开采技术的发展现状及方向现状及方向二零一二年二月二零一二年二月宋宋 振振 骐骐山东科技大学山东科技大学预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义第一部分第一部分 煤炭在我国能源保障体系建设中的地位煤炭在我国能源保障体系建设中的地位第二部分第二部分 我国煤炭开采理论发展的成就我国煤炭开采理论发展的成就 第四部分第四部分 煤炭开采技术发展的方向煤炭开采技术发展的方向第三部分第三部分 煤炭资源开发中的问题煤炭资源开发中的问题第五部分第五部分 顶板和冲击地压灾害控

2、制的意见顶板和冲击地压灾害控制的意见预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义煤炭在我国能源保障体系煤炭在我国能源保障体系建设中的地位建设中的地位预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义u煤炭资源储量煤炭资源储量20102010年已探明的地质储量为年已探明的地质储量为1.51.5万亿万亿t t预计储量预计储量4 4万亿万亿t t1.1 煤炭资源储量煤炭资源储量及所处地位及所处地位中国煤炭资源按深度分布的储量中国煤炭资源按深度分布的储量预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义年份年份煤炭所占比重煤炭所占比重(%)石

3、油所占比重石油所占比重(%)天然气所占比重天然气所占比重(%)1980年98.41.50.11990年98.41.60.12000年98.01.70.42006年97.71.60.72010年97.91.40.7u煤炭资源储量在化石能源中的地位煤炭资源储量在化石能源中的地位我国化石能源可采储量查明情况我国化石能源可采储量查明情况年份年份煤炭查明资源储量煤炭查明资源储量(亿亿t)石油查明资源储量石油查明资源储量(亿亿t) 天然气查明资源储量天然气查明资源储量(亿亿m3)1980年6424.8 (6424.8亿t标准煤)14.2(72.3亿t标准煤)1881.3(4.1亿t标准煤)1990年954

4、3.9 (7074.9亿t标准煤)21.9(111.6亿t标准煤)2419.0(5.3亿t标准煤)2000年10030.0 (7435.2亿t标准煤)24.6(125.3亿t标准煤)13504.5(29.6亿t标准煤)2006年11597.8(8597.4亿t标准煤)27.6(140.6亿t标准煤)30009.2(65.8亿t标准煤)2010年15000(11119.4亿t标准煤)31.4(160亿t标准煤)33300(73亿t标准煤)我国煤炭储量在化石能源中所占比重我国煤炭储量在化石能源中所占比重预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义u煤炭资源储量在化石能源中的

5、地位煤炭资源储量在化石能源中的地位我国能源储量排名我国能源储量排名能源能源探明储量探明储量居世界位次居世界位次煤炭煤炭1.5万亿万亿t3石油石油70亿亿t6天然气天然气33.3万亿万亿m316水电水电6.8亿亿kw t1预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义我国近十年煤炭产量情况我国近十年煤炭产量情况我国煤炭产量由我国煤炭产量由20012001年的年的13.8113.81亿亿t t增长到增长到20102010年的年的3333亿亿t t，年，年均增加均增加1.91.9亿亿t t，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济发展和国力

6、保障的重要基础。发展和国力保障的重要基础。1.2 煤炭煤炭产量及其在能源生产总量中的比重产量及其在能源生产总量中的比重预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2010年煤炭产量及年煤炭产量及2020年需求量预计年需求量预计国家目前仍然处于基础设施建设、制造业和城市化的高峰期，对矿国家目前仍然处于基础设施建设、制造业和城市化的高峰期，对矿产品的需求仍然以较高的速度增长。产品的需求仍然以较高的速度增长。20102010年煤炭产量年煤炭产量3333亿亿t t（占世（占世界产煤总量的界产煤总量的45%45%），），“十二五十二五”末规划末规划3838亿亿t t，增长，增长2

7、4.6%24.6%。煤炭生产在我国能源结构中的比重煤炭生产在我国能源结构中的比重煤炭在一次能源结构中的比例煤炭在一次能源结构中的比例20082008年中国一次能源消费构成年中国一次能源消费构成预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义u煤炭资源在能源保障体系建设中的地位煤炭资源在能源保障体系建设中的地位煤炭在我国能源结构中的主体地位近煤炭在我国能源结构中的主体地位近5050年内不会改变；年内不会改变；煤炭安全高效生产和高效洁净利用是我国能源保障体系建煤炭安全高效生产和高效洁净利用是我国能源保障体系建设中的重中之重设中的重中之重预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导

8、学预习导学课堂讲义课堂讲义我国煤炭开采理论我国煤炭开采理论发展的成就发展的成就预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2.1 理论发展成就理论发展成就上区段工作面上区段工作面 h1h2h3H新开工作面新开工作面h1垮落带高度；垮落带高度；h2裂缝带高度；裂缝带高度；h3连续弯曲带高度；连续弯曲带高度；H埋深埋深采空区采空区推进方向推进方向新开工作面巷道新开工作面巷道介质属性复杂介质属性复杂开采扰动强烈开采扰动强烈应力分布复杂应力分布复杂开采空间范围大开采空间范围大我国我国“”，从研，从研究的系统性、

9、深度、体系的完整性，以究的系统性、深度、体系的完整性，以及用以指导开采实践取得的成就走在世及用以指导开采实践取得的成就走在世界的前列。界的前列。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义1.针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确的阐述了相应的基本概念。主要成果包括：的

10、阐述了相应的基本概念。主要成果包括： (1) 严格的区分和定义了严格的区分和定义了（促使围岩向已采空间运（促使围岩向已采空间运动的力）和动的力）和“”（在矿山压力作用下产生的围岩破坏（在矿山压力作用下产生的围岩破坏及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出“矿山压力矿山压力”存在的存在的绝对性绝对性（采动即有）和（采动即有）和“矿山压力显现矿山压力显现”的的相对性相对性，以及矿山压力，以及矿山压力控制（设计）的目标就是把控制（设计）的目标就是把“矿山压力显现矿山压力显现”控制在安全上可靠、控制在安全上可靠、技术上可能、经济上合理的范围。技术上可能、经济上合

11、理的范围。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 (2) 正确指出由于采场不断推进，无论是正确指出由于采场不断推进，无论是还是还是都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个规律是岩层运动和破坏决定的。明确的提出矿山压力控制研究必须规律是岩层运动和破坏决定的。明确的提出矿山压力控制研究必须以以“岩层运动为中心岩层运动为中心”，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建设和相关结构

12、参数的确定放在首要地位。设和相关结构参数的确定放在首要地位。 (3)正确指出任何开采深度条件下，影响正确指出任何开采深度条件下，影响的岩的岩层范围是层范围是有限的有限的，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层（直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响（直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响的岩层（老顶）两个部分；的岩层（老顶）两个部分；可知的可知的，即通过岩层动态监测可以确，即通过岩层动态监测可以确定；定；可变的可变的，即可通过采动条件的变更加以改变。，即可通过采动条件的变更加以改变。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙

13、航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 (4)对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即“给定载荷给定载荷”的控制方案，对的控制方案，对“老顶老顶”相关岩层的运动，则可以根据安相关岩层的运动，则可以根据安全可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取全可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取“给定变形给定变形”，即将作用力完全转移给四周支承体上，和，即将作用力完全转移给四周支承体上，和“限定变形限定变形”，即将沉降限定到要求状态（位态）两种方案。明确指出对于老顶相关岩即将沉降限定到要求状态（位态

14、）两种方案。明确指出对于老顶相关岩层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。2.根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以“采动覆采动覆岩运动和支承压力分布岩运动和支承压力分布”为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模制决策结构力

15、学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模型的建设。把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从型的建设。把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从统计经统计经验验推进到针对具体煤层条件推进到针对具体煤层条件科学定量科学定量的发展阶段。的发展阶段。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 (1)科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成特征。创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周特征。创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周煤壁上的支承压力分为煤壁已进入

16、破坏，其受力由工作面长度等采动条煤壁上的支承压力分为煤壁已进入破坏，其受力由工作面长度等采动条件确定的件确定的“结构拱结构拱”内岩层运动决定的内岩层运动决定的“内应力场内应力场”和和“结构拱结构拱”内、内、外参与运动的岩层作用力决定的外参与运动的岩层作用力决定的“外应力场外应力场”两个部分。两个部分。工作面工作面预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 (2)正确的指出采场结构模型（包括结构组成合相关结构参数）随正确的指出采场结构模型（包括结构组成合相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出

17、发，界定了“第一第一次来压次来压”和和“正常推进正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。推进方向岩层运动和支承压力发展规律推进方向岩层运动和支承压力发展规律“内应力场内应力场”发展演化规律发展演化规律第一次来压阶段第一次来压阶段正常推进阶段正常推进阶段预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义S S岩梁岩梁S SA AS Si iS SmaxmaxL L0 0I II Ia ab bC C0 01 1C C0 02 2C C0

18、03 3H Hg gL L0 0L L0 0L Li iL Li i1 1L L0 0剖面剖面I II IL L(T(T) )L LV Vp p岩梁岩梁I I岩梁岩梁预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 (3) 在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩层运动关系的基础上，创造性提出了通过层运动关系的基础上，创造性提出了通过“矿山压力显现矿山压力显现”推断支承压推断支承压力分布（包括分布范围及力分布（包括分布范围及“内应力场内应力场”、“外应力场外应力场”及应力高峰位置）及应力高峰位置）预测采场顶

19、板来压的预测采场顶板来压的“井下岩层动动态观测研究方法井下岩层动动态观测研究方法”，并成功研究相，并成功研究相关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问题。题。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义5.通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场生产现场“采场结构模型采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。制

20、决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。u顶板灾害控制顶板灾害控制直接顶直接顶第一岩梁第一岩梁第二岩梁第二岩梁采场结构模型组成及分类采场结构模型组成及分类预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 有有“内应力场内应力场”的结构力学模型的结构力学模型mE1CE1CE1mE2mZh预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 无无“内应力场内应力场”的结构力学模型的结构力学模型预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义直接顶厚度确定直接顶厚度确定 a.a.理论判定理论判定 b.b.实测推断实测推断1nZiiMM) 1(

21、11AninKMhM) 1(11AninKMhM1AAh SZKM采场结构参数确定采场结构参数确定预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义老顶厚度确定老顶厚度确定a.实测推断实测推断 单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显现如图现如图a a、图、图b b所示所示mERLcbbcahmZ( a )( b )mZhmE 2mE 1RLb1a1b1c1c1b2c2b1a1预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义b.b.理论判定理论判定 挠度法挠度法 相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则

22、：相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则： 相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则：相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则： 裂断步距法裂断步距法242)25. 115. 1 (CCSSMEME242(1.15 1.25)SSCCE ME McskCC ) 1( k预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 支架支护方案确定支架支护方案确定 a.a.工况方案工况方案 直接顶：给定载荷直接顶：给定载荷 老顶：可老顶：可给定变形给定变形也可也可限定变形限定变形 b.b.控制目标和准则控制目标和准则 直接顶：给定载荷直接顶：给定载荷 老顶：对下位岩梁限定变形定载荷，上位岩梁给定变形定缩

23、量老顶：对下位岩梁限定变形定载荷，上位岩梁给定变形定缩量 以防止坚硬岩梁动态冲击要求对下位岩梁限定变形定阻力、对上以防止坚硬岩梁动态冲击要求对下位岩梁限定变形定阻力、对上位岩梁给定变形定缩量位岩梁给定变形定缩量 支架设计参数确定支架设计参数确定预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义支架支护强度和支护阻力支架支护强度和支护阻力ATThPAKhz zzAm r fTTTSPR 支架缩量支架缩量iAThhKTEELKCmK预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义u瓦斯灾害控制瓦斯灾害控制28(1)(1)瓦斯灾害预测和控制的模型及控制准则瓦斯灾

24、害预测和控制的模型及控制准则 事故灾害原因：事故灾害原因：工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度超限是瓦斯事故灾害的根源超限是瓦斯事故灾害的根源 事故灾害实现条件：事故灾害实现条件：采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）是瓦斯爆炸灾害发生足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）是瓦斯爆炸灾害发生的条件。的条件。 事故灾害预测和控制控制准则：事故灾害预测和控制控制准则：)(/4max工作面smVVsf 了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦

25、斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采模式的基础。模式的基础。 )(/8%1(%)max巷道smVVWQQWfamxSufuS预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义29（2）掘进工作面推进过程中瓦斯事故灾害控制）掘进工作面推进过程中瓦斯事故灾害控制 煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件 a.单一重力应力场中掘进回采巷道单一重力应力场中掘进回采巷道 无煤柱护巷开采方案无煤柱护巷开采方案预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课

26、堂讲义2022-3-1730原因：原因：掘进瓦斯浓度超限掘进瓦斯浓度超限来源：来源：掘进落煤涌出的瓦斯（取决于掘进断面大小和工作面推进掘进落煤涌出的瓦斯（取决于掘进断面大小和工作面推进速度）；速度）；巷道煤壁在支承压力作用下压缩破坏释放的瓦斯（取决巷道煤壁在支承压力作用下压缩破坏释放的瓦斯（取决于压缩破坏的煤壁范围，与支承压力大小近乎正比）于压缩破坏的煤壁范围，与支承压力大小近乎正比）巷道掘进瓦斯涌出量计算巷道掘进瓦斯涌出量计算式中式中掘进煤断面面积；掘进煤断面面积； 掘进破坏的煤壁范围面积；掘进破坏的煤壁范围面积； 煤层容重；煤层容重； 落地煤相对瓦斯涌出量；落地煤相对瓦斯涌出量； 支承压力

27、作用下破坏支承压力作用下破坏的煤体相对瓦斯涌出量。的煤体相对瓦斯涌出量。不同护巷煤柱方案，掘进瓦斯涌出量的差异不同护巷煤柱方案，掘进瓦斯涌出量的差异 小煤柱（内应力场范围内掘进）方案小煤柱（内应力场范围内掘进）方案 在内应力场形成和稳定前相对回采工作面推进（图中在内应力场形成和稳定前相对回采工作面推进（图中1位置）位置）BBBTTTBTmrqSQrqSQQQQ1mS2mS1mq2mqmaxBTmQQQm预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义31 在内应力场稳定后滞后回采工作面推进（图中在内应力场稳定后滞后回采工作面推进（图中2位置）位置） 大煤柱护巷方案大煤柱护巷

28、方案 在高应力区掘进（在高应力区掘进（图中图中3位置）位置） 在低应力区掘进在低应力区掘进 b.在构造破坏的复合应力场中掘进回采巷道在构造破坏的复合应力场中掘进回采巷道 0,BTmQQQmaxBTmQQQminBTmQQQ预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义32瓦斯来源：瓦斯来源：构造破坏部分聚集的瓦斯构造破坏部分聚集的瓦斯瓦斯涌出量大小：瓦斯涌出量大小：回采巷道掘进通过构造应力场煤层挤压破坏回采巷道掘进通过构造应力场煤层挤压破坏变厚部位将遭遇瓦斯突出事故灾害的危险。变厚部位将遭遇瓦斯突出事故灾害的危险。c 小结小结 （煤柱护巷开采模式掘进瓦斯事故灾害研究）（煤

29、柱护巷开采模式掘进瓦斯事故灾害研究）在采场支承压力分布的高应力部位掘进引发的瓦斯涌出是掘进在采场支承压力分布的高应力部位掘进引发的瓦斯涌出是掘进回采巷道瓦斯事故灾害的根源。回采巷道瓦斯事故灾害的根源。掘进瓦斯事故灾害的可能性与掘进工作面推进速度和由开采深掘进瓦斯事故灾害的可能性与掘进工作面推进速度和由开采深度、工作面长度决定的支承压力大小成正比。度、工作面长度决定的支承压力大小成正比。在复合应力场的高应力区掘进回采巷道极易引发瓦斯突出爆炸在复合应力场的高应力区掘进回采巷道极易引发瓦斯突出爆炸等重大事故灾害等重大事故灾害无煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件无煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发

30、生原因及条件 a.无煤柱充填开采模式的两种回风巷道布置形式无煤柱充填开采模式的两种回风巷道布置形式预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1733沿空送巷沿空送巷U型通风方案型通风方案 即在滞后距离大于回采工作面长度的稳定内应力场部位掘进回即在滞后距离大于回采工作面长度的稳定内应力场部位掘进回风巷道采用充填护巷隔绝采空区风巷道采用充填护巷隔绝采空区预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义34沿空留巷沿空留巷Y型通风方案型通风方案即保留原运输巷用于接续工作面回风的充填即保留原运输巷用于接续工作面回风的充填护巷方案护巷方案b 无

31、煤柱护巷掘进瓦斯事故灾害控制的优势无煤柱护巷掘进瓦斯事故灾害控制的优势沿空掘巷方案沿空掘巷方案坏和裂断拱稳定）（内应力场煤壁压缩破大部分释放原煤层中瓦斯掘进前已0)(0BBBTTTBTmrqSQrqSQQQQ预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义35 在保证充填体结构密实隔断采空区的前提下，可以完全杜绝掘进在保证充填体结构密实隔断采空区的前提下，可以完全杜绝掘进瓦斯事故灾害的发生瓦斯事故灾害的发生沿空留巷方案沿空留巷方案 本方案避免了在煤层中掘进瓦斯涌出，巷道煤壁释放的瓦斯随本方案避免了在煤层中掘进瓦斯涌出，巷道煤壁释放的瓦斯随回采风流带走从而排出了掘进瓦斯事故的

32、可能性。回采风流带走从而排出了掘进瓦斯事故的可能性。 避免了在构造破坏的复合应力场中掘进巷道的可能性，从而排除避免了在构造破坏的复合应力场中掘进巷道的可能性，从而排除了瓦斯突出等重大事故的威胁。了瓦斯突出等重大事故的威胁。(3)回采工作面推进瓦斯事故灾害控制研究回采工作面推进瓦斯事故灾害控制研究煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害分析煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害分析 a 事故地点及瓦斯来源事故地点及瓦斯来源放的瓦斯）（内应力场压缩破坏释避免了在煤层中掘进0)(0BBBTBTmrqSQQQQQ预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义采煤通道采煤通道 采煤过程释放的瓦斯（与采煤

33、速度成正比）；煤壁在支承压力和采煤过程释放的瓦斯（与采煤速度成正比）；煤壁在支承压力和顶板来压作用下释放的瓦斯（与工作面长度和内应力场范围、顶板顶板来压作用下释放的瓦斯（与工作面长度和内应力场范围、顶板来压强度成正比）来压强度成正比）,最大瓦斯涌出量发生在周期来压期间的采煤过程最大瓦斯涌出量发生在周期来压期间的采煤过程中。中。工作面上隅角工作面上隅角 采煤通道未被风流带走的瓦斯；采煤通道未被风流带走的瓦斯；预留煤柱在两侧支承压力作预留煤柱在两侧支承压力作用下释放的瓦斯。（在采场支承压力高峰作用范围内，与预留煤柱用下释放的瓦斯。（在采场支承压力高峰作用范围内，与预留煤柱宽度成正比，其最大值如图宽

34、度成正比，其最大值如图2.6所示）所示）空气压差和顶板来压作用下，空气压差和顶板来压作用下，由采空区压入的瓦斯，既定压差下，随周期来压波动变化。由采空区压入的瓦斯，既定压差下，随周期来压波动变化。36预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1737预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义采空区（采空区（C位置）位置） 回风道溢出（未被风流带走）的瓦斯；回风道溢出（未被风流带走）的瓦斯； 回风道预留煤柱在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放回风道预留煤柱在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯（与预留煤柱宽度成正比）；的瓦

35、斯（与预留煤柱宽度成正比）； 运输巷煤壁在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦运输巷煤壁在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯（与内应力场范围成正比）斯（与内应力场范围成正比） 工作面推进到任意位置（工作面推进到任意位置（Li）时采空区聚集的瓦斯总量）时采空区聚集的瓦斯总量QLi38imLmLQdLQQi0002预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义回风巷道（包括排瓦斯的尾巷，位置回风巷道（包括排瓦斯的尾巷，位置B） 回风通道瓦斯；回风通道瓦斯； 两侧采空区瓦斯；两侧采空区瓦斯； 预留煤柱在在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的预留煤柱在在支承压力和顶

36、板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯。瓦斯。b 事故地点及瓦斯来源事故地点及瓦斯来源事故地点瓦斯浓度超限事故地点瓦斯浓度超限煤柱压缩破坏，导致采空区漏风，为瓦斯、氧气、高温空气串煤柱压缩破坏，导致采空区漏风，为瓦斯、氧气、高温空气串流，以及煤柱自燃、采空区浮煤自燃等明火引爆瓦斯创造了条件。流，以及煤柱自燃、采空区浮煤自燃等明火引爆瓦斯创造了条件。2022-3-1739预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义c 小结（煤柱护巷开采模式回采瓦斯事故灾害研究）小结（煤柱护巷开采模式回采瓦斯事故灾害研究）风巷预留煤壁在支承压力和顶板沉降作用下压缩破坏是回采工风巷预留煤壁在支承压力

37、和顶板沉降作用下压缩破坏是回采工作面瓦斯事故的根源，也是事故灾害实现的条件。作面瓦斯事故的根源，也是事故灾害实现的条件。煤柱护巷开采模式回采工作面瓦斯事故灾害发生的可能性及危煤柱护巷开采模式回采工作面瓦斯事故灾害发生的可能性及危害程度与回采工作面推进速度以及由开采深度和工作面长度决定害程度与回采工作面推进速度以及由开采深度和工作面长度决定的支承压力和顶板沉降压力成正比。的支承压力和顶板沉降压力成正比。无煤柱充填护巷开采模式的优势及实现前提无煤柱充填护巷开采模式的优势及实现前提a 开采方案开采方案40沿空送巷沿空送巷U型通风型通风预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲

38、义2022-3-1741沿空留巷沿空留巷Y型通风型通风b 瓦斯灾害控制优势瓦斯灾害控制优势避免了预留煤柱造成的瓦斯聚集超限的可能性；避免了预留煤柱造成的瓦斯聚集超限的可能性；避免了煤柱压缩破坏造成的老塘透风引发火灾及瓦斯事故避免了煤柱压缩破坏造成的老塘透风引发火灾及瓦斯事故灾害的可能性。灾害的可能性。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义c 实现的前提和关键实现的前提和关键 充填护巷墙体结构设计要保证在采场支承压力向煤壁转充填护巷墙体结构设计要保证在采场支承压力向煤壁转移和裂断拱内岩层沉降全过程中实现严密封堵老塘，防止老移和裂断拱内岩层沉降全过程中实现严密封堵老塘

39、，防止老塘透风的功能。为此：塘透风的功能。为此： 墙体充填材料凝固后的强度及破坏前的支承压力（即阻墙体充填材料凝固后的强度及破坏前的支承压力（即阻抗力）足以控制平衡直接顶作用力的需要；抗力）足以控制平衡直接顶作用力的需要； 墙体结构压缩变形能力（即允许的压缩量）适应墙体结构压缩变形能力（即允许的压缩量）适应“裂断裂断拱拱”内岩层沉降稳定的要求。内岩层沉降稳定的要求。2022-3-1742预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1743(1)煤柱护巷开采模式冲击地压原因及实现条件煤柱护巷开采模式冲击地压原因及实现条件冲击地压概念：冲击地压概念：冲击地压是

40、采动空间周边煤岩在矿山压冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压力作用下以煤岩突出为特征的矿山压力动力显现，是煤矿力作用下以煤岩突出为特征的矿山压力动力显现，是煤矿重大事故灾害。重大事故灾害。 冲击地压发生原因：冲击地压发生原因：在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发弹性能的释放。弹性能的释放。 冲击地压的动力源及其影响因素：冲击地压的动力源及其影响因素： u冲击地压（煤与瓦斯突出）灾害控制冲击地压（煤与瓦斯突出）灾害控制预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课

41、堂讲义课堂讲义44 a 煤煤层压缩弹层压缩弹性能性能 开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大。愈大。 b 顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能本质性的重要差别开采程序开采方法量级影响正比非线性开采参数覆岩强度（悬露面积）开采深度煤层压缩弹性能)(开采深度顶底板岩性强度及厚度构造弯曲度随动岩层厚度及开采深度支托岩层岩性强度及厚重力弯曲）弹性能顶底板岩层弯曲（压缩预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义

42、课堂讲义2022-3-1745 重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正比；比； 构造弯曲弹性能受采深和顶底板岩层强度所决定的应力构造弯曲弹性能受采深和顶底板岩层强度所决定的应力保持和释放条件控制。岩层强度愈高，埋深愈大，可能聚集保持和释放条件控制。岩层强度愈高，埋深愈大，可能聚集和保持的弹性能的量级将愈高。和保持的弹性能的量级将愈高。冲击地压的动力源及其影响因素：冲击地压的动力源及其影响因素： a 已采空间周围煤岩中聚集的压缩弹性能达到了足以产已采空间周围煤岩中聚集的压缩弹性能达到了足以产生煤岩冲击破坏的量级；生煤岩冲击破坏的量级； b

43、 采动，包括采掘工作面推进、爆破、顶板断裂等震动采动，包括采掘工作面推进、爆破、顶板断裂等震动性破坏，改变了相关部位煤岩的受力条件和极限平衡状态。性破坏，改变了相关部位煤岩的受力条件和极限平衡状态。 c 采动空间周围没有足够的缓冲体（包括已破坏的煤岩采动空间周围没有足够的缓冲体（包括已破坏的煤岩和柔性支护等构筑物等），把煤岩弹性能释放可能动力显现和柔性支护等构筑物等），把煤岩弹性能释放可能动力显现控制到安全的范围内。控制到安全的范围内。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1746掘进工作面推进冲击地压原因及条件：掘进工作面推进冲击地压原因及条件：

44、在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道，冲击地压在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道，冲击地压发生和实现的条件如图所示。发生和实现的条件如图所示。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义47 a 留小煤柱（留小煤柱（“内应力场内应力场”范围内）掘进范围内）掘进 在在“内应力场内应力场”形成和稳定之前开掘巷道（图中形成和稳定之前开掘巷道（图中1位置），位置），存在冲击地压危险（采深大于存在冲击地压危险（采深大于300m）；）； 在在“内应力场内应力场”形成稳定后（图中形成稳定后（图中2位置），开掘巷道可位置），开掘巷道可以避免冲击地压发生；以避免冲击地压发生； 在未经采

45、动释放的构造应力场中掘进巷道，将有瓦斯和在未经采动释放的构造应力场中掘进巷道，将有瓦斯和煤层同时突出的危险。煤层同时突出的危险。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义 b 大煤柱护巷方案大煤柱护巷方案 高应力区开掘巷道（采深大于高应力区开掘巷道（采深大于300400m）时，存在冲击）时，存在冲击地压危险；地压危险； 在低应力区开掘巷道，在采深小于在低应力区开掘巷道，在采深小于600800m时，将避免时，将避免冲击地压的发生。冲击地压的发生。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1749回采工作面推进过程中冲击地压发生原因

46、及实现条件：回采工作面推进过程中冲击地压发生原因及实现条件： a.回采工作面内冲击地压发生和实现的条件回采工作面内冲击地压发生和实现的条件 单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次裂断开始到采场第一次来压阶段完成，推进距离接近工作裂断开始到采场第一次来压阶段完成，推进距离接近工作面长度的时的范围内。面长度的时的范围内。“内应力场内应力场”形成之后的采场推进形成之后的采场推进全过程中，出现冲击地压的可能性将很小。全过程中，出现冲击地压的可能性将很小。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1750 .临近构

47、造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层临近构造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层裂断来压完成期间时，始终存在冲击地压的威胁，进入出裂断来压完成期间时，始终存在冲击地压的威胁，进入出现现“内应力场内应力场”的正常推进阶段后，冲击地压事故灾害出的正常推进阶段后，冲击地压事故灾害出现的可能性同样将很小。现的可能性同样将很小。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1751 b.回采巷道冲击地压实现的条件回采巷道冲击地压实现的条件 在采场推进全过程中，伴随坚硬顶板裂断，始终存在在采场推进全过程中，伴随坚硬顶板裂断，始终存在诱发冲击地压的威胁；诱发冲击地压的威

48、胁；1S1S0S032S10S1S0预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-17521S1S0S032S10S1S0随采场推进和坚硬顶板跨落，以及支承压力的增加，伴随采场推进和坚硬顶板跨落，以及支承压力的增加，伴随坚硬顶板裂断，回采巷道破坏的范围将进一步加大，进随坚硬顶板裂断，回采巷道破坏的范围将进一步加大，进入正常阶段将达到最大化入正常阶段将达到最大化预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-17531S1S0S032S10S1S0受两侧坚硬顶板悬露，支承压力叠加的影响，回风巷道受两侧坚硬顶板悬露，支承压力叠加

49、的影响，回风巷道冲击地压破坏的范围远比运输巷道大得多。冲击地压破坏的范围远比运输巷道大得多。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1754(2)无煤柱充填护巷控制冲击地压的优势无煤柱充填护巷控制冲击地压的优势沿空掘巷沿空掘巷“U”型通风方案型通风方案 a.实现了在稳定内应力场掘进，从而避免了掘进中冲击实现了在稳定内应力场掘进，从而避免了掘进中冲击地压和瓦斯煤层突出事故的可能性。地压和瓦斯煤层突出事故的可能性。 b.排出了护巷煤柱聚集高强度压缩弹性能的条件，使回排出了护巷煤柱聚集高强度压缩弹性能的条件，使回风巷道始终处于已破坏的煤壁缓冲保护之下。风巷道

50、始终处于已破坏的煤壁缓冲保护之下。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1755沿空留巷沿空留巷“Y”型通风方案型通风方案 a.避免了在应力高峰区，高强度压缩弹性能的部位开掘回风避免了在应力高峰区，高强度压缩弹性能的部位开掘回风巷道引发冲击地压的可能性。巷道引发冲击地压的可能性。 b.避免了回采工作面推进回风巷道发生冲击地压灾害的可能避免了回采工作面推进回风巷道发生冲击地压灾害的可能性。性。mEmzKAmzhhchrmEmzhcKminmzhd预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义56u无煤柱充填开采模式应用的水害控制无

51、煤柱充填开采模式应用的水害控制 (1)顶板透水事故的预测和控制相关信息基础顶板透水事故的预测和控制相关信息基础HBLiL0LBLhhHhL0d1d1e1d2d2e2d3e3d3BLh预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1757(2)底板突水事故的预测和控制相关信息基础底板突水事故的预测和控制相关信息基础破保护煤柱留设示意图保护煤柱留设示意图 预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1758留煤柱与不留煤柱与突水的关系图留煤柱与不留煤柱与突水的关系图(a)(b)预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习

52、导学课堂讲义课堂讲义59u 沉陷控制研究的相关理论成果沉陷控制研究的相关理论成果 通过不同工作面长度和开采深度条件下地表沉陷实测通过不同工作面长度和开采深度条件下地表沉陷实测分析研究抽象建立的采动沉陷预测控制结构力学模型如图分析研究抽象建立的采动沉陷预测控制结构力学模型如图7 7所示。所示。0y0 m ax采动沉陷预测控制结构力学模型采动沉陷预测控制结构力学模型预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义60其中其中 裂断拱两侧煤壁压缩量裂断拱两侧煤壁压缩量 裂断拱上部岩层最大挠曲沉陷值裂断拱上部岩层最大挠曲沉陷值 表土含水层水位下降后压缩沉陷值表土含水层水位下降后压缩

53、沉陷值00maxy0y0其中其中 沉陷岩层面积沉陷岩层面积 开采深度开采深度 沉陷岩层边界移动角沉陷岩层边界移动角 采场支承压力分布范围采场支承压力分布范围 煤层抗压刚度煤层抗压刚度SGQySTS302)22(0pTSHctgHSLQTSQHSSG上述公式近似计算可表示为：上述公式近似计算可表示为：在既定工作面长度（在既定工作面长度（L L0）条件下的地表最大沉陷值）条件下的地表最大沉陷值max为为预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1761采场支承压力三维结构力学模型采场支承压力三维结构力学模型 既定工作面长度下，支承压力范围既定工作面长度下，支

54、承压力范围S分布如图分布如图8所示模型由所示模型由下列平衡方程表示：下列平衡方程表示：预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2022-3-1762裂断拱上岩层挠曲沉陷值可用下式近似计算：裂断拱上岩层挠曲沉陷值可用下式近似计算： 其中其中 E-岩层弹性模量岩层弹性模量 p-岩层容重岩层容重Eapp 既定采深既定采深H H和工作面和工作面L L0 0条件下的沉陷范围条件下的沉陷范围S Sb b可由下式表示：可由下式表示：)22(0ctgHSLSb302024002)(2)(132LHHHLHHanCbb预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲

55、义1.煤炭安全高效开采技术发展成就煤炭安全高效开采技术发展成就(1)(1)机采高度突破机采高度突破6m6m成功的制造和使用了世界最高的液压支架成功的制造和使用了世界最高的液压支架 （6.2m6.2m支架成功支架成功的在神东、晋城等矿区使用，年产量超过的在神东、晋城等矿区使用，年产量超过10001000万万t t）神东矿区工作面最大长度达到神东矿区工作面最大长度达到400m400m，年产超过，年产超过12001200万万t t，全，全员效率达到员效率达到140t140t是美国、澳大利亚等发达采煤国家的是美国、澳大利亚等发达采煤国家的1.51.5到到2 2倍倍百万吨死亡率百万吨死亡率0 0到到0.

56、010.01是世界上最低的是世界上最低的2.2 开采技术发展成就开采技术发展成就预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义(2)(2)山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破20m20m（机采高度（机采高度已达已达6m6m，可以满足，可以满足1 1：3 3的采放比的控制目标）。的采放比的控制目标）。采用了每小时采用了每小时3000t3000t的放煤运输机，实现了工作面高速推的放煤运输机，实现了工作面高速推 进，年产突破进，年产突破10001000万万t t的水平。的水平。随着放煤运输机能力的提高和新型放顶煤支架研制和使用的随着放煤运

57、输机能力的提高和新型放顶煤支架研制和使用的成功，使工作面长成功，使工作面长300m300m，年产突破，年产突破15001500万万t t的目标已经实现。的目标已经实现。保证防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开采的理论和保证防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开采的理论和技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排技术装备、工作面技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排技术装备、工作面和巷道顶板控制技术和装备等）和巷道顶板控制技术和装备等）预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义回采工作面高效综采综放开采技术；回采工作面高效综采综放开采技术；机械化巷旁充填锚网支护高效无煤柱留巷

58、技术；机械化巷旁充填锚网支护高效无煤柱留巷技术；回采工作面前、后方瓦斯同时抽排和通风系统一体化技术。回采工作面前、后方瓦斯同时抽排和通风系统一体化技术。(4)(4)“三软煤层三软煤层”高效综放开采技术；高效综放开采技术；“三软煤层三软煤层” ” 煤岩巷道支护技术；煤岩巷道支护技术； 海下透水等重大事故预测和控制技术；海下透水等重大事故预测和控制技术；海下安全和生产装备地面集中遥测、遥控自动化技术。海下安全和生产装备地面集中遥测、遥控自动化技术。预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义2.煤化工技术取得重大的突破煤化工技术取得重大的突破3.煤炭开采的环境控制技术取得了

59、重要成就煤炭开采的环境控制技术取得了重要成就4.循环经济的示范区在各大矿区取得了实践成果循环经济的示范区在各大矿区取得了实践成果预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义煤炭资源开发中的问题煤炭资源开发中的问题预习导学预习导学5 宇宙航行宇宙航行预习导学预习导学课堂讲义课堂讲义（1）安全生产情况不够好，重大事故灾害还没有从根本上得）安全生产情况不够好，重大事故灾害还没有从根本上得到控制到控制近五年事故灾害工亡情况近五年事故灾害工亡情况20032004200520062007事故事故起数起数比例比例死亡死亡人数人数比例比例事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数

60、死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数事故事故起数起数死亡死亡人数人数顶板顶板214024551985230918052058163319021299151854.0 38.3 瓦斯瓦斯5842061492190041421713271319272108413.6 32.3 机电机电1371289789105105949390863.2 1.9 运输运输53157058260553657846751740945314.5 9.6 放炮放炮929910512289101789069772.5 1.7 水害水害13755111835710960510041