煤与瓦斯突出煤层区域防治技术

1、中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）2012年年10月月25日，贵州安顺日，贵州安顺王凯王凯 教授、博士生导师教授、博士生导师手机：手机Email: 煤与瓦斯突出煤层煤与瓦斯突出煤层区域性防治技术区域性防治技术一、煤与瓦斯突出背景一、煤与瓦斯突出背景二、总体技术思路二、总体技术思路三、区域性瓦斯治理技术三、区域性瓦斯治理技术四、结束语四、结束语一、煤与瓦斯突出背景一、煤与瓦斯突出背景（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例（三）煤与瓦斯突出现状（三）煤与瓦斯突出现状（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性（一）

2、煤与瓦斯突出灾害的严重性 煤与瓦斯突出是煤层中存储的煤与瓦斯突出是煤层中存储的瓦瓦斯能斯能和和应力能应力能的的失稳释放失稳释放，表现为在，表现为在极短的时间内向生产空间抛出大量煤极短的时间内向生产空间抛出大量煤岩和瓦斯。抛出煤岩从几吨到上岩和瓦斯。抛出煤岩从几吨到上万吨万吨瓦斯从几百到上瓦斯从几百到上百万立方米百万立方米，并可能，并可能诱发诱发瓦斯爆炸瓦斯爆炸。 我国煤矿每年以我国煤矿每年以202050m50m 的速度的速度向深部延深，有约向深部延深，有约5050对对矿井开采深度矿井开采深度达到达到8008001200m1200m，地应力及瓦斯压力，地应力及瓦斯压力不断增加，突出灾害日趋严重。

3、不断增加，突出灾害日趋严重。（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性突出矿区分布示意图突出矿区分布示意图共有共有800800多对多对突出矿井（国有煤矿突出矿井（国有煤矿255255对）对）每年由于突出死亡每年由于突出死亡300300人人以上以上（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性（一）煤与瓦斯突出灾害的严重性（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生大型煤与瓦斯突出发生大型煤与瓦斯突出煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出（二

4、）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特

5、大型突出（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例煤层煤层巷道掘进巷道掘进20022002年年4 4月月7 7日，淮北芦岭煤矿日，淮北芦岭煤矿发生发生特大型突出特大型突出（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例突出煤岩量突出煤岩量10500t10500t，死亡，死亡

6、1313人人（二）煤与瓦斯突出案例（二）煤与瓦斯突出案例20042004年年1010月月2020日，郑州大平日，郑州大平煤矿发生煤矿发生特大型突出特大型突出，引发，引发瓦斯爆炸瓦斯爆炸，死亡，死亡148148人。人。（三）煤与瓦斯突出现状（三）煤与瓦斯突出现状2006200620082008年我国煤矿年我国煤矿较大瓦斯事故较大瓦斯事故按类型统计分析按类型统计分析20062006年年20072007年年20082008年年（三）煤与瓦斯突出现状（三）煤与瓦斯突出现状2006200620082008年我国煤矿年我国煤矿重大以上瓦斯事故重大以上瓦斯事故按类型统计分析按类型统计分析20062006年年

7、20072007年年20082008年年二、总体技术思路二、总体技术思路（一）突出煤层开采（一）突出煤层开采（二）传统技术途径（二）传统技术途径（三）区域防突措施先行（三）区域防突措施先行（四）技术难点与技术关键（四）技术难点与技术关键（五）总体目标（五）总体目标（一）突出煤层开采（一）突出煤层开采重大危险源重大危险源我国开采煤层我国开采煤层必须首先消除必须首先消除突出危险突出危险进一步转进一步转变变局部瓦斯治理技术局部瓦斯治理技术（二）传统技术途径（二）传统技术途径突出煤层突出煤层防突工程防突工程煤层巷道煤层巷道重大危险源重大危险源突出突出预测预测防突防突措施措施效果效果检验检验安全安全防护

8、防护问题：问题：工作工作人员需长人员需长期在突出煤层中作业期在突出煤层中作业任一环节出现问题都任一环节出现问题都可能发生突出事故，可能发生突出事故，造成人员伤亡造成人员伤亡。区域综合防突措施区域综合防突措施区域突出危险性预测区域突出危险性预测区域防突措施区域防突措施区域措施效果检验区域措施效果检验区域验证区域验证局部综合防突措施局部综合防突措施工作面危险性预测工作面危险性预测工作面防突措施工作面防突措施工作面措施效果检验工作面措施效果检验安全防护措施安全防护措施（三）区域防突措施先行（三）区域防突措施先行（三）区域防突措施先行（三）区域防突措施先行从安全区域向突出从安全区域向突出煤层施工防突工

9、程煤层施工防突工程区域性消除突出危险区域性消除突出危险实现安全开采实现安全开采区域性瓦斯治理技术区域性瓦斯治理技术底板岩巷底板岩巷安全区域安全区域抽采钻孔抽采钻孔重大危险源重大危险源Yes单一突出煤层单一突出煤层区域性瓦斯治理技术区域性瓦斯治理技术抽采被保护层抽采被保护层卸压瓦斯卸压瓦斯煤层群煤层群开采保护层开采保护层区域性增透区域性增透强化抽采瓦斯强化抽采瓦斯低瓦斯低瓦斯煤层煤层保护层保护层突出否突出否No（四）难点与技术关键（四）难点与技术关键地应力高地应力高瓦斯压力大瓦斯压力大煤层透气性低煤层透气性低瓦斯抽采困难瓦斯抽采困难突出灾害严重突出灾害严重大面积增加大面积增加煤层透气性煤层透气性

10、提高抽采效果提高抽采效果降低突出能量降低突出能量区域性消除区域性消除突出危险突出危险 将将突出煤层突出煤层转变为转变为低瓦斯煤层，低瓦斯煤层，实现突出煤层安全高效开采。实现突出煤层安全高效开采。（五）总体目标（五）总体目标三、区域性瓦斯治理技术三、区域性瓦斯治理技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术（三）区域措施效果检验（三）区域措施效果检验（四）瓦斯治理时空保障及管理技术（四）瓦斯治理时空保障及管理技术 复杂地质条件下，被保护层卸压复杂地质条件下，被保护层卸压程度低，增透效果有限；卸压瓦斯解程度

11、低，增透效果有限；卸压瓦斯解吸流动特性及汇聚规律不清楚；瓦斯吸流动特性及汇聚规律不清楚；瓦斯抽采方法和技术参数难于确定。抽采方法和技术参数难于确定。 （一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术上被保护层上被保护层下被保护层下被保护层保护层保护层原始煤体原始煤体卸压煤体卸压煤体m+m地应力地应力m保护层开采后，顶底板内煤体移动保护层开采后，顶底板内煤体移动被保护层地应力降低、发生膨胀变形被保护层地应力降低、发生膨胀变形（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术被保护层相对膨胀变形被保护层相对膨胀变形被保护层透气性增加被保护层透气性增加mmm被保

12、护层被保护层透气性增加透气性增加几百几千倍几百几千倍相对变形相对变形相对变形相对变形340（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术被保护层钻孔瓦斯抽采量被保护层钻孔瓦斯抽采量被保护层瓦斯压力被保护层瓦斯压力瓦斯抽采量显著增加瓦斯抽采量显著增加单孔流量达单孔流量达1m1m3 3/min/min瓦斯压力降低瓦斯压力降低到到0.5MPa0.5MPa以下以下（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术断裂带垮落带弯曲带底鼓变形带底鼓裂隙带卸压区卸压区应力集中区应力集中区应力集中区应力

13、集中区保护层远距离被保护层超远距离被保护层下被保护层穿层钻孔高抽巷地面钻井地面钻井配套的卸压瓦斯抽采方法和技术参数配套的卸压瓦斯抽采方法和技术参数（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术工工作作面面回采区段煤柱回采区段煤柱上隅角上隅角采采空空区区上区段采空区上区段采空区采空区空气流场进风进风回风回风上区段采空区上区段采空区沿空护巷工工作作面面采空区空气流场采空区采空区进风进风进风进风回回风风传统留煤柱U型通风无煤柱沿空护巷Y型通风l 鉴于首采保护层工作面的瓦斯只能采用风排为主的方法，随着开采深度增加和保护层瓦斯升级，面临瓦斯抽采工程量大、成本高，U型通风上隅角瓦斯难

14、治理等问题，必须优化煤与瓦斯共采技术，确保首采保护层工作面安全开采是关键；l 采用Y型通风可以消除上隅角瓦斯的安全威胁。（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术l 首采层采场内应力场、裂隙场及瓦斯场分布和演化规律；l Y型通风流场规律及安全保障技术；l 采空区护巷围岩控制技术；l 留巷钻孔连续抽采采空区瓦斯技术。关键技术关键技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术 淮南矿业集团研究了高承载性能机械化施工的巷旁充填支护技术，实现综采工作面日进10m、日产2万吨； 实现900m深井护巷断面810m2，长度达2900m的世界纪录，是国外的2

15、3倍，成本仅为欧洲的1/3。P P1 1巷旁充填侧模板支架（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术现场试验效果：抽采瓦斯浓度1040%，首采层采空区瓦斯抽采率70%以上，连续抽采最高达90%。13-1煤煤11-2煤煤-800m -869m表土层表土层砂岩组砂岩组泥岩组泥岩组泥岩组泥岩组砂岩组砂岩组砂岩组砂岩组砂岩组砂岩组-718m 瓦斯富集区瓦斯富集区瓦斯富集区瓦斯富集区首采层首采层首采层首采层1#1#钻孔钻孔填充墙体填充墙体 首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术首采层采空区留巷钻孔法抽采瓦斯技术高抽巷高抽巷被保护层被保护层保护层保护层136 m底板岩巷底板岩巷穿层钻

16、孔穿层钻孔层间距层间距 136m 136m 超远距离超远距离保护层开采保护层开采底板岩巷网格式穿层钻孔和高抽巷抽采法底板岩巷网格式穿层钻孔和高抽巷抽采法（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术穿层钻孔穿层钻孔底板岩巷底板岩巷被保护层被保护层保护层保护层100100110m110m层间距层间距 100100110m 110m 远距离远距离保护层开采保护层开采底板岩巷网格式穿层钻孔抽采法底板岩巷网格式穿层钻孔抽采法（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术被保护层组被保护层组保护层保护层地面钻井地面钻井钻井位置钻井位置100100110m110

17、m远距离保护层开采（远距离保护层开采（100100110m110m）地面钻井抽采法地面钻井抽采法（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术下被保护层下被保护层16m16m50m50m上被保护层上被保护层保护层保护层（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术厚度厚度 0.4m 0.4m 极薄关键极薄关键保护层开采保护层开采上下底板岩巷网格式穿层钻孔抽采法上下底板岩巷网格式穿层钻孔抽采法穿层钻孔穿层钻孔底板岩巷底板岩巷穿层钻孔穿层钻孔底板岩巷底板岩巷组合上保护层组合上保护层被保护层被保护层303050m50m穿层钻孔穿层钻孔底板岩巷底板岩巷保护层

18、保护层 1 1保护层保护层 2 2不稳定薄煤层组合不稳定薄煤层组合保护层开采及保护层开采及卸压瓦斯抽采卸压瓦斯抽采（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术各种倾角各种倾角保护层开采及卸压瓦斯抽采保护层开采及卸压瓦斯抽采近水平煤层近水平煤层倾斜煤层倾斜煤层急倾斜煤层急倾斜煤层（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术1 1、被保护层透气性增加、被保护层透气性增加45045037003700倍倍 瓦斯抽采率达瓦斯抽采率达 65%65% 以上；以上；2 2、瓦斯压力降到、瓦斯压力降到0.5MPa0.5MPa以下，瓦斯以下，瓦斯 含量降到含量降到

19、6m6m3 3/t/t 以下；以下；3 3、煤巷月掘进、煤巷月掘进 300m 300m 以上，工作面以上，工作面 日产量达到日产量达到5000500010000t10000t。 （一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（一）保护层开采及卸压瓦斯抽采技术（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术1 1、区域性增透及安全施工、区域性增透及安全施工2 2、突出煤层竖井及石门安全揭煤、突出煤层竖井及石门安全揭煤3 3、有效的瓦斯抽采方法和技术参数、有效的瓦斯抽采方法和技术参数 对于无保护层开采的单一突出煤层对于无保护层开采的单一突出煤层防突难度大，要实现区域性消除突出危防突难度大，要实

20、现区域性消除突出危险，存在以下技术难点：险，存在以下技术难点： 原始煤层瓦斯径向流动模型原始煤层瓦斯径向流动模型穿层孔单孔瓦斯抽采流量随时间的变化穿层孔单孔瓦斯抽采流量随时间的变化穿层钻孔瓦斯穿层钻孔瓦斯流动模型可简流动模型可简化为径向流动；化为径向流动；由于突出煤层由于突出煤层透气性低，瓦透气性低，瓦斯抽采周期长斯抽采周期长（二）（二）单一煤层的增透及瓦斯抽采技术单一煤层的增透及瓦斯抽采技术水力诱导孔群增透瓦斯混合流动模型水力诱导孔群增透瓦斯混合流动模型煤层煤层裂隙裂隙 增透后瓦斯抽采量随时间的变化关系图增透后瓦斯抽采量随时间的变化关系图孔洞孔洞钻孔钻孔水力诱导提高水力诱导提高喷孔效果喷孔效

21、果由由径向流动转变径向流动转变为煤体流向裂为煤体流向裂隙、裂隙流向隙、裂隙流向钻孔混合流动钻孔混合流动（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术透气性增加透气性增加100100300300倍倍抽采流量增加抽采流量增加4 4倍倍相对喷出煤量相对喷出煤量GGG相对喷出煤量相对喷出煤量13%（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术安全导喷钻进装置安全导喷钻进装置, , 实现诱导喷孔实现诱导喷孔过程中煤、水、瓦斯分离过程中煤、水、瓦斯分离（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术底板岩巷孔群增透穿层钻孔与底板岩巷孔群增透穿层钻孔与顺层

22、钻孔相结合瓦斯抽采方法顺层钻孔相结合瓦斯抽采方法（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术双底板岩巷孔群增透穿层钻孔双底板岩巷孔群增透穿层钻孔瓦斯抽采方法瓦斯抽采方法7m（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术下向顺层长钻孔递进掩护下向顺层长钻孔递进掩护区域性瓦斯抽采方法区域性瓦斯抽采方法（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术特厚突出煤层石门揭煤特厚突出煤层石门揭煤8m8m5m2 0 x煤 层井 筒深井突出煤层竖井揭煤深井突出煤层竖井揭煤（二）（二）单一煤层增

23、透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术1 1、突出煤层透气性增加、突出煤层透气性增加100100300300倍倍2 2、瓦斯压力降到、瓦斯压力降到0.74MPa0.74MPa以下，瓦斯以下，瓦斯 含量降到含量降到8m8m3 3/t/t以下以下3 3、月掘进、月掘进200m200m以上，日产量以上，日产量3000t3000t以上以上4 4、竖井和石门揭煤工期降为、竖井和石门揭煤工期降为1.51.52 2个月个月（二）（二）单一煤层增透及瓦斯抽采技术单一煤层增透及瓦斯抽采技术（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验残余压力残余压力0.74MPa0.74MPa，残余含量，残余含量8m8m3

24、3/t/t需要实测需要实测P和和W第五十一条第五十一条 开采保护层的保护效果检验开采保护层的保护效果检验第五十二条第五十二条 穿层钻孔、顺层钻孔预抽穿层钻孔、顺层钻孔预抽煤煤巷条带煤层瓦斯和穿层钻孔预抽石门（立、巷条带煤层瓦斯和穿层钻孔预抽石门（立、斜井）揭煤区域斜井）揭煤区域瓦斯的效果检验瓦斯的效果检验（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验瓦斯压力测定时间长，瓦斯压力测定时间长，效果检验时预抽钻孔数效果检验时预抽钻孔数量多，间距小，测定难量多，间距小，测定难度非常大。度非常大。瓦斯含量瓦斯含量快速测定快速测定技术。技术。（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验实验室实验实验室实验煤

25、的解吸特性曲线图煤的解吸特性曲线图现场测试解吸现场测试解吸煤的实际解吸曲线煤的实际解吸曲线完善解吸曲线完善解吸曲线推算损失量推算损失量与煤的解吸特性曲线对与煤的解吸特性曲线对比，选择对应的解吸曲比，选择对应的解吸曲线，反推瓦斯压力线，反推瓦斯压力解吸瓦斯量解吸瓦斯量损失瓦斯量损失瓦斯量游离瓦斯量游离瓦斯量残存瓦斯量残存瓦斯量煤的瓦斯含量煤的瓦斯含量（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验在实验室测定不同瓦斯压力下的瓦斯解吸曲线，在实验室测定不同瓦斯压力下的瓦斯解吸曲线，获得煤层瓦斯解吸模型获得煤层瓦斯解吸模型（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验实验获得不同瓦斯压力下的残存瓦斯量实验

26、获得不同瓦斯压力下的残存瓦斯量23分钟后的分钟后的实测解吸值实测解吸值（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验通过实际瓦斯解吸曲线推算损失瓦斯量，通过实际瓦斯解吸曲线推算损失瓦斯量，获得完整的实际瓦斯解吸曲线。获得完整的实际瓦斯解吸曲线。推算的推算的解吸量解吸量（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验通过实际瓦斯解吸曲线与实验室解吸模型对比通过实际瓦斯解吸曲线与实验室解吸模型对比确定煤层的瓦斯压力确定煤层的瓦斯压力实测及推算实测及推算的曲线的曲线实验室测定的实验室测定的1.68MPa曲线曲线（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验根据瓦斯压力按上式计算游离瓦斯量根据瓦斯压力按上式计算游离瓦斯量00/ TpVpTXy（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验根据瓦斯压力按上图确定残存瓦斯量根据瓦斯压力按上图确定残存瓦斯量（三）（三）区域措施效果检验区域措施效果检验游离量游离量煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量损失量损失量解吸量解吸量残存量残存量推算推算推算推算实测实测推算推算 为了保证瓦斯治理效果，需要完善为了保证瓦斯治理效果，需要完善的瓦斯治理规划、管理制度和智能化跟的瓦斯治理规划、管理制度和智能化跟踪预警与控制系统相配套，构成完整的踪预警与控制系统相配套，构成完整的技术体系，