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無(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)
國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局辦公室關(guān)于推廣低透氣性 煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)的通知
各產(chǎn)煤省、自治區(qū)、直轄市及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)煤炭行業(yè)管理、煤礦安全監(jiān)管部門(mén)，各省級(jí)煤礦安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)，有關(guān)中央企業(yè)：
為了解決淮南礦區(qū)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(guó)家工程研究中心聯(lián)合有關(guān)煤礦企業(yè)、科研院所開(kāi)展了低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)的研究與試驗(yàn)，取得了重大技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了基于錨桿支護(hù)的留巷圍巖控制、無(wú)煤柱Y型通風(fēng)煤與瓦斯共采，解決了U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，工作面回風(fēng)流瓦斯降至0.8%以下；采用留巷鉆孔法連續(xù)高效抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯，抽采出的瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)60%以上，被卸壓煤層瓦斯預(yù)抽率達(dá)70%以上，并具有采氣周期長(zhǎng)、抽采成本低、利于監(jiān)測(cè)監(jiān)控采空區(qū)自然發(fā)火等特點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)已在淮南、皖北、鐵法等礦區(qū)近20個(gè)工作面推廣應(yīng)用，取得了顯著的安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)提高煤炭資源回收率和實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦區(qū)煤與瓦斯兩種資源的安全高效共采具有重要的意義。
現(xiàn)將淮南礦業(yè)集團(tuán)整理的《低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)》材料印發(fā)給你們，請(qǐng)結(jié)合本地區(qū)、本單位實(shí)際情況加以推廣應(yīng)用，不斷深化煤礦瓦斯治理，強(qiáng)化瓦
斯抽采，從源頭上治理瓦斯災(zāi)害，努力構(gòu)建“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)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(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)
（淮南礦業(yè)集團(tuán) 2009年6月）
一、技術(shù)產(chǎn)生背景、創(chuàng)新成果及推廣應(yīng)用情況
我國(guó)大多數(shù)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤巖松軟，煤層具有高瓦斯、低透氣性、高吸附性的特點(diǎn)，尤其是低滲透率和非均質(zhì)性的特性，難以在采煤前直接從地面抽采煤層氣。近年來(lái)，隨著開(kāi)采規(guī)模擴(kuò)大和開(kāi)采深度的迅速增加，深部開(kāi)采帶來(lái)的高瓦斯、高地壓?jiǎn)栴}，成為淮南等礦區(qū)低透氣性煤層群高效安全開(kāi)采亟待解決的技術(shù)難題。
世界上主要的煤炭生產(chǎn)國(guó)家都致力于深部煤層群開(kāi)采的研究。對(duì)于深部煤層群開(kāi)采面臨的瓦斯問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究表明：低透氣性煤層群瓦斯治理技術(shù)方向是：首采關(guān)鍵層沿空留巷Y型通風(fēng)無(wú)煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)。
由設(shè)在淮南礦業(yè)集團(tuán)的煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心聯(lián)合有關(guān)煤礦企業(yè)、科研院所研發(fā)成功的低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于錨桿支護(hù)的留巷圍巖控制、無(wú)煤柱Y型通風(fēng)煤與瓦斯共采。采用Y型或H型通風(fēng)方式解決了U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，實(shí)現(xiàn)了工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉抵?.8%以下，為煤礦杜絕瓦斯爆炸事故創(chuàng)造了前提條件；利用采空區(qū)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(zhuān)用巖巷，大大降低了瓦斯治理成本；留巷鉆孔法連續(xù)高效抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)抽采卸壓瓦斯，瓦斯抽采率達(dá)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(kāi)采提供了科學(xué)可靠的技術(shù)途徑。本項(xiàng)技術(shù)為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，居于國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了理論、技術(shù)的重大突破和工藝裝備、材料的集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采和利用的最大化。目前，已獲得3項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，12項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利， 9項(xiàng)專(zhuān)利已被受理，在淮南、皖北、鐵法等礦區(qū)近20個(gè)工作面得到推廣應(yīng)用，并取得了顯著的安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
二、無(wú)煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)原理
低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)，采用沿空留巷Y型通風(fēng)一體化，解決高瓦斯、高地應(yīng)力、高地溫的煤層群進(jìn)入深部開(kāi)采面臨的瓦斯治理、巷道支護(hù)、煤炭開(kāi)采等重大安全生產(chǎn)技術(shù)難題，即：首采關(guān)鍵卸壓層，沿首采面采空區(qū)邊緣快速機(jī)械化構(gòu)筑高強(qiáng)支撐墻體將回采巷道保留下來(lái)。在留巷內(nèi)布臵鉆孔抽采鄰近層及采空區(qū)卸壓瓦斯；采用無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層全面卸壓；同步推進(jìn)綜采工作面采煤與卸壓瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯安全高效共采；抽采的高、低濃度瓦斯分開(kāi)輸送到地面加以利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益顯著。
圖1 無(wú)煤柱沿空留巷鉆孔法抽采瓦斯原理圖
三、無(wú)煤柱煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)
（一）沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制技術(shù)
理論研究和工程實(shí)踐表明，長(zhǎng)壁工作面自開(kāi)切眼向前推進(jìn)一段距離后，懸露的基本頂關(guān)鍵塊體出現(xiàn)斷裂，斷裂線(xiàn)相互貫通，塊體沿?cái)嗔丫�(xiàn)回轉(zhuǎn)、下沉進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)塊，接觸矸石后形成能夠自穩(wěn)的沿空留巷外層結(jié)構(gòu)，成為外層大結(jié)構(gòu)。沿空留巷內(nèi)層支護(hù)圍巖小結(jié)構(gòu)如果只由巷道周?chē)^桿支護(hù)、巷旁充填墻體構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)將在外層大結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中受到強(qiáng)烈的破壞，有可能不能自穩(wěn)，由此提出階段性輔助加強(qiáng)的
創(chuàng)新思路，形成巷道組合錨桿支護(hù)、巷旁充填墻體、巷內(nèi)輔助加強(qiáng)支架“三位一體”的沿空留巷圍巖整體支護(hù)原理和一套新型“三高”錨桿支護(hù)與自移式強(qiáng)力控頂支架輔助補(bǔ)強(qiáng)的留巷支護(hù)技術(shù)體系。
“三高”錨桿支護(hù)技術(shù)以抗剪切的超高強(qiáng)度桿體、高預(yù)緊力、系統(tǒng)高剛度為核心，選擇超強(qiáng)桿體、高剛度護(hù)網(wǎng)、超大托盤(pán)、超強(qiáng)大扭矩阻尼螺母，實(shí)施大扭矩高預(yù)應(yīng)力，提升主動(dòng)承載能力，并向圍巖擴(kuò)散，形成高強(qiáng)主動(dòng)高阻穩(wěn)定的錨桿支護(hù)圍巖承載結(jié)構(gòu)。
留巷支護(hù)技術(shù)體系中采用的自移式輔助加強(qiáng)支架系自主研發(fā)，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品，可以成功解決不同開(kāi)采條件下的采動(dòng)影響期巷道圍巖穩(wěn)定控制問(wèn)題。該支架采用液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有支護(hù)強(qiáng)度高、護(hù)頂面積大和自移功能。圖2為ZT2×4000/18/35型輔助加強(qiáng)支架在井下工作狀況。
圖2 輔助加強(qiáng)支架
（二）快速巷旁充填技術(shù)
無(wú)煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)體系中巷旁充填墻體是由適宜工作面采高變化，具有早強(qiáng)、高增阻、可縮性且實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)距離泵送施工的大流態(tài)、自密實(shí)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(xì)骨料，復(fù)合泵送劑，復(fù)合早強(qiáng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離泵送，最長(zhǎng)水平泵送距離達(dá)1200m，泵送入模后自密實(shí)；充填結(jié)束后2~3h可脫模；1d、2d、3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)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(qiáng)度可達(dá)極限抗壓強(qiáng)度的35~60%。該材料實(shí)現(xiàn)了多套組合配方，能根據(jù)不同的礦壓顯現(xiàn)規(guī)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(yuǎn)距離泵送施工，已形成了多種不同產(chǎn)能的工業(yè)化生產(chǎn)模式。
快速留巷巷旁充填工藝系統(tǒng)包括：地面干混充填料制備系統(tǒng)、地面至井下干混充填料泵站運(yùn)輸系統(tǒng)、充填泵料斗干混充填料上料系統(tǒng)、充填料漿的制備與泵送系統(tǒng)和充填支架模板系統(tǒng)。
主要充填工藝過(guò)程為：由地面專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)線(xiàn)按設(shè)計(jì)配比生產(chǎn)出干混充填材料，以袋裝或?qū)Ｓ眉b箱散裝運(yùn)至井下泵
站；用螺旋輸送機(jī)或皮帶輸送機(jī)將干混料送至充填泵料斗；在充填泵中加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)充填管路泵送至充填模內(nèi)；充填料漿在充填模內(nèi)自流平密實(shí)，自然養(yǎng)護(hù)，待硬化產(chǎn)生一定強(qiáng)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(shù)
1. 首采關(guān)鍵層頂板采空區(qū)富集瓦斯抽采技術(shù)
在沿空留巷內(nèi)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(qū)上方的卸壓豎向帶狀裂隙區(qū)，抽采采空區(qū)解吸游離瓦斯，包括來(lái)自開(kāi)采層和卸壓層通過(guò)采動(dòng)影響形成的裂隙通道匯集到采空區(qū)上部豎向帶狀裂隙區(qū)內(nèi)的解吸游離瓦斯，卸壓豎向帶狀裂隙區(qū)位于采空區(qū)頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內(nèi)。在留巷內(nèi)保持6~8個(gè)采空區(qū)抽采瓦斯管道與留巷內(nèi)的抽采主管道連通，抽采Y型通風(fēng)壓力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在留巷后部20~80m內(nèi)的采空區(qū)內(nèi)部富集的大量高濃度瓦斯，該項(xiàng)技術(shù)利用首采關(guān)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(jié)省了首采關(guān)鍵層巖石抽采巷，工程
量大大減少。
2．大間距上部遠(yuǎn)程煤層膨脹卸壓瓦斯抽采技術(shù)
如礦區(qū)煤層賦存為煤層群條件，首采關(guān)鍵卸壓煤層后，卸壓層傾向卸壓范圍向頂板方向發(fā)展的高度達(dá)到130~150m，在卸壓保護(hù)區(qū)上部卸壓煤層透氣性系數(shù)增加數(shù)千倍；但遠(yuǎn)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(yuǎn)程卸壓煤層中的富含高壓解吸瓦斯仍?xún)?chǔ)集在煤層中。傳統(tǒng)的卸壓開(kāi)采抽采瓦斯技術(shù)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(yuǎn)程卸壓煤層中的解吸瓦斯。而本項(xiàng)技術(shù)則是在留巷內(nèi)直接向大間距頂板遠(yuǎn)程煤層卸壓區(qū)內(nèi)htTp://http://www.ishadingyu.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(guò)上部遠(yuǎn)程卸壓煤層，傾向穿層抽采瓦斯鉆孔的傾角小于采動(dòng)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(xiàng)技術(shù)通過(guò)留巷內(nèi)向上穿層鉆孔替代遠(yuǎn)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(fēng)巷 2-上風(fēng)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(fēng)巷 9-采空區(qū) 10-向下鉆孔 圖4 沿空留巷Y型通風(fēng)低位鉆孔抽采卸壓瓦斯布臵圖
3．煤層群多層開(kāi)采底板卸壓瓦斯抽采技術(shù)
首采關(guān)鍵卸壓煤層，傾向卸壓范圍向底板方向發(fā)展的深度為80~100m，在卸壓保護(hù)區(qū)下部卸壓煤層透氣性系數(shù)增加數(shù)百倍，底板裂隙發(fā)育區(qū)的卸壓瓦斯通過(guò)豎向裂隙與采空區(qū)貫通，上浮運(yùn)移至采空區(qū)，沒(méi)有顯著的瓦斯富集區(qū)。但在底板致密隔氣性較好的泥巖之下的遠(yuǎn)程卸壓煤層中存在高壓富瓦斯煤層，在留巷內(nèi)布臵向下抽采瓦斯鉆孔直接穿過(guò)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(xù)高效抽采高濃度瓦斯。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)留巷內(nèi)向下穿層鉆孔替代遠(yuǎn)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(jié)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(qū)埋管抽采瓦斯技術(shù)
首采層沿空留巷工作面的上、下鄰近煤層距首采關(guān)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(qū)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(guò)程中，每間隔10m預(yù)留一直徑不小于150mm抽采管道，通過(guò)三通和連接管接入采空區(qū)抽采管道上，在每一分支管道上設(shè)臵一個(gè)閘閥，通過(guò)
閘閥控制同時(shí)埋管抽放的數(shù)量，在留巷內(nèi)保持6-8個(gè)采空區(qū)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(qū)抽采管道的閘閥關(guān)閉，當(dāng)工作面瓦斯涌出量大或瓦斯涌出異常時(shí)，通過(guò)控制采空區(qū)埋管抽采管道口的數(shù)量和開(kāi)啟程度控制采空區(qū)瓦斯抽采量和抽采瓦斯?jié)舛�。沿空留巷Y型通風(fēng)工作面，可通過(guò)工作面上、下進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量和留巷段埋管抽采量的調(diào)節(jié)，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(fēng)對(duì)瓦斯管理具有很大的靈活性。
四、主要技術(shù)特點(diǎn)
本項(xiàng)技術(shù)在新型充填材料和充填工藝、強(qiáng)采動(dòng)影響條件下的留巷支護(hù)和快速構(gòu)筑充填體關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破，在充填材料遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)新設(shè)備研發(fā)和機(jī)械化快速構(gòu)筑充填墻體工藝系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了集成創(chuàng)新，有效地解決了高瓦斯低透氣性煤層安全高效開(kāi)采技術(shù)難題。其主要特點(diǎn)有：
一是實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯安全高效共采，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采濃度、抽采效率最大化；
二是采用Y型通風(fēng)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(qū)留巷巷道，施工頂、底板穿層鉆孔，抽采臨近層或被保護(hù)層卸壓瓦斯，可以節(jié)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(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)
煤與瓦斯共采；
四是沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采，可以多回收區(qū)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(jié)省至少兩條巖巷，降低了掘進(jìn)成本和矸石排放量，留巷繼續(xù)服務(wù)下一個(gè)鄰近工作面，少掘一條煤巷，簡(jiǎn)化開(kāi)采布局和采區(qū)巷道系統(tǒng)；
六是Y型通風(fēng)條件下，工作面可以降溫3～5℃且作業(yè)人員均在進(jìn)風(fēng)流中工作，大大改善作業(yè)環(huán)境，有效解決深井開(kāi)采的熱害問(wèn)題；
七是抽采的瓦斯?jié)舛雀�，可直接高效利用，�?shí)現(xiàn)節(jié)能減排，瓦斯利用成本大大降低，實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展。
五、無(wú)煤柱煤與瓦斯共采技術(shù)適用條件
（一）開(kāi)采煤層適用條件
薄及中厚煤層；傾角0～25°；頂板為中等穩(wěn)定以上；單一或煤層群開(kāi)采；頂板穩(wěn)定性較差的工作面走向長(zhǎng)度小于或等于1500m，頂板穩(wěn)定工作面采用加固措施后，工作面走向長(zhǎng)度可適當(dāng)延長(zhǎng)至3000m左右。
（二）采區(qū)巷道布臵方式
Y型通風(fēng)系統(tǒng)巷道布臵要求在采煤工作面開(kāi)切眼側(cè)構(gòu)成回風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)采區(qū)巷道布臵條件的，歸納起來(lái)主要有以下兩種：
1．利用邊界回風(fēng)巷道構(gòu)筑Y型通風(fēng)。在采區(qū)邊界布臵一條回風(fēng)上山，采區(qū)各工作面在切眼位臵施工回風(fēng)聯(lián)巷與邊界回風(fēng)上山連通，形成Y型通風(fēng)道，見(jiàn)圖5。
圖5 Y型通風(fēng)系統(tǒng)
2．改造現(xiàn)有的巷道系統(tǒng)，利用相鄰工作面提前開(kāi)掘的巷道和聯(lián)絡(luò)巷與擬采用沿空留巷Y型通風(fēng)開(kāi)采的工作面形成二進(jìn)一回的通風(fēng)系統(tǒng)。
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