防治煤与瓦斯突出新技术

1. 中国煤炭学会2013工作会学术报告 防治煤与瓦斯突出新技术 胡千庭 中煤科工集团重庆研究院 2013.03.31

2. 一、我国突出事故特点 突出矿井数量持续增加，突出事故次数和死亡人数没有显著变化。

3. 一、我国突出事故特点 67.8%的突出矿井为乡镇煤矿，72% 的突出矿井为30万吨以下的小矿井。 30万吨以下小突出矿井产量5920万吨，占比15.5% ,乡镇突出矿井产量6398.1万吨，占比16.7%。

4. 统计的各省矿井开采深度情况 一、我国突出事故特点 突出矿井小煤矿主要分布在南方川黔滇湘鄂渝地区，这些地区和皖赣豫辽等地区国有重点煤矿也多为突出矿井

5. 统计的各省矿井开采深度情况 一、我国突出事故特点 各省 突出矿井开采深度情况

6. 统计的各省矿井开采深度情况 一、我国突出事故特点 统计的各省瓦斯压力情况 东部突出矿井平均采深多在600m以上，皖豫赣渝川瓦斯压力6MPa。

7. 统计的各省矿井开采深度情况 一、我国突出事故特点 突出事故和死亡人数主要集中在贵州湖南河南重庆四川黑龙江云南安徽江西等省市 我国各省区 2005～2010年间突出事故次数和死亡人数 分布情况

8. 统计的各省矿井开采深度情况 一、我国突出事故特点 2005～2010年间不同属性矿井突出及重特大突出事故次数及死亡人数 乡镇煤矿突出次数和死亡人数分别占 72.7% 、56.4%，国有重点煤矿占20.5%、31.3%；重特大突出事故中乡镇煤矿分别占51.3%、38.9%，国有重点煤矿分别占33.3%、42.9%。乡镇煤矿是重点，但国有重点煤矿也不容忽视，尤其是重特大突出事故。

9. 统计的各省矿井开采深度情况 一、我国突出事故特点 2005～2010年间突出类型和突出低点分布 次大型以上突出事故造成80.6%的突出死亡人数，掘进面突出事故占68%，应成为突出防治的重点。约7%的事故发生在机械化施工的工作面。基建改扩建整合矿井突出事故时有发生。

10. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 直接原因分析 不采取防突措施：低瓦斯矿井等未鉴定，多次发生动力现象不鉴定，基建矿井、资源整合矿井不及时鉴定，不执行措施违法组织生产等。 大多数是爆破时突出 防突措施不到位：无区域措施、抽采不达标、钻孔施工未达要求、重点地点未加强防突、执行措施不严、未采取安全防护措施、未进行效果检验、通风设施不完善等等。 管理不到位：制度缺失、程序紊乱、无监督机制、弄虚作假等、违章指挥、违章作业等。

11. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 直接原因分析

12. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 直接原因分析

13. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 1、突出矿井地质条件复杂，防突难度大，技术和管理水平要求高，防突投入大，产量规模小，经济效益差。 • 统计防突成本平均约为51元/t，一些严重突出矿井，需要施工专用顶底板岩石巷道和大量穿层钻孔，吨煤防突成本超过150元。全国突出矿井的平均产量规模为36.64 万吨/年;72%的突出矿井煤炭产量规模小于30万吨/年,平均为7.47万吨/年;国有重点突出矿井平均产量规模124.3万吨/年；产量规模越小，吨煤防突成本越高；煤炭赋存条件越差，吨煤防突成本越高；突出危险程度越严重，吨煤防突成本越高。

14. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 • 如果资方没有充分认识到突出矿井的这些特点，盲目追求经济效益和产量规模，没有配备足够的具有较高水平的技术管理队伍和高素质的员工队伍，没有从设计、建设和生产各环节对防突工作予以高度重视、没有重视先进技术和设备对防突工作的重要性，没有建立先进的预防突出法制化管理理念，极易引发突出事故。

15. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 • 投资多元化带来许多不了解防突难度大、安全风险高的投资方，使得对投资回报的预期虚高，对安全风险的预期虚低，导致系统设计、成本预算、建设工期的错误决策。实际生产时却不能满足预期而急躁，因而出现降成本、赶进度、改设计、偷工减料、应付检查等现象，使得安全生产条件和技术管理水平不能得到有效保障。

16. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 2、政府和社会对突出矿井的监管也需要科学化、合理化，对突出矿井的评价需要公正。 • 法规和政策有时缺乏科学性和可操作性，有时极易出现过左的现象，好像规定越严越好。然而实际操作时不违规违法又很难，因而出现视而不见、不出事不追究、一出事必追究的现象，法规政策的严肃性受到挑战，尤其是标准。

17. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 • 技术水平不能满足要求，技术门槛不高，先进技术推广引导性不足。有的突出矿井开采深度甚至达到1400m，目前技术水平难以有效保障安全生产。有的矿井应付检查和办证，应付投资设备设施，有的监管文件只规定设备设施的有无，而不规定功能性能和使用效果，使得设备设施成摆设,采用落后的技术和设备。 • 规划冒进，攀比心强。许多矿区不具备条件，却要规划大型矿区和矿井，规划出大能源基地，赶时髦。有的急于脱贫致富、急于高GDP增长，加大引资力度，盲目建设，良莠不齐，经济质量不高，事故多发。

18. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 • 突出矿井尽管产量不高，经济效益不好。但突出矿井为未来煤炭可持续发展进行了探索，为缓解缺煤地区发展经济面临的能源短缺矛盾做出了贡献，为解决山区贫困地区人员就业、弥补财政短缺等做出了贡献，也为提高资源利用率做出了贡献。但社会对这些贡献的认可度极低，体现出了社会的不公正性。

19. 统计的各省矿井开采深度情况 二 、原因分析 • 深层次原因分析 • 社会主要注意到突出矿井的事故，没有深入了解突出矿井的困难，也没有了解突出矿井的贡献。使得对突出矿井支持的少、惩罚的多，褒奖的少、限制的多。譬如南方煤矿企业几乎没有获奖项目、几乎没有行业话语权、几乎没有先进和靠前排名。政府对突出矿井没有制定相应的扶持政策，政府支持资金对突出矿井的倾斜不足、税费政策优惠少。

20. 统计的各省矿井开采深度情况 二、原因分析 • 深层次原因分析 3、对突出机理认识不足，对突出危险区、突出危险工作面、构造影响区、软煤区、高应力区的超前探测技术准确性还有待提高；对无保护层开采条件的突出煤层消除突出危险的措施单一，主要采用区域预抽煤层瓦斯措施和超前卸压排瓦斯措施，但预抽煤层瓦斯措施抽采效果差、钻孔施工难度大、工程成本高，对高应力消除缺乏有效手段，措施有效性的验证手段落后。机械化、自动化作业水平低，用人多，危险预警智能化水平低，机械化作业时缺乏有效的安全防护措施。先进技术和装备的推广力度不足。

21. 依托突出监控预警系统，形成“区域四位一体为主、局部四位一体为辅”的防治煤与瓦斯突出技术体系。依托突出监控预警系统，形成“区域四位一体为主、局部四位一体为辅”的防治煤与瓦斯突出技术体系。 “区域四位一体”为主 “局部四位一体”为辅 N 预测区域 突出危险性？ 预测采掘工作面 局部突出危险性？ N Y Y 合理采掘部署 执行消除采掘工作面 局部突出危险措施 N 执行消除区域 突出危险措施 检验采掘工作面 局部措施是否有效？ N Y Y 执行安全防护措施 前提下采掘作业 检验区域措施 是否有效？ N Y 煤与瓦斯突出监控预警系统 三、新技术的思路 • 两个四位一体

22. 三、新技术的思路 • 研究三个量化模型 • 发生突出的能量模型-判断发生突出的力学条件; • 突出瓦斯涌出量模型-判断突出瓦斯涌出量和涌出速度; • 突出瓦斯-煤的动力学模型-判断突出的动力效应。

23. 三、新技术的思路 1、发生突出的力学条件 发生突出的量化力学条件： 高瓦斯、高应力、软煤、构造，彼此满足左图关系，即可能发生突出

24. 三、新技术的思路 1、发生突出的力学条件 单位体积煤体内的瓦斯内能与弹性应变能 瓦斯内能比弹性能高几个数量级以上

25. 三、新技术的思路 抛出单位体积煤消耗的抛出功变化较大，突出强度越大，抛出功越大： 1、发生突出的力学条件 煤越软、破碎程度越低，破碎功越小。 突出单位体积煤消耗的破碎功 煤与瓦斯喷出破碎程度高、抛出距离远，必须具备较高瓦斯量；煤与瓦斯压出破碎程度低、抛出距离近，较低瓦斯量的煤体也可能发生。

26. 三、新技术的思路 • 突出瓦斯涌出量模型

27. 三、新技术的思路 • 突出动力效应模型

28. 气水雾渣 煤芯 气水雾 水雾 气水雾 压风 四、突出危险性预测 对较硬煤层，取芯完整性较好，采用 双管结构取芯工艺 1、瓦斯含量直接测定 Text 切齿 气雾按比例混合成气水雾，气水雾冷却取芯管，降低煤芯瓦斯解吸速度，减小损失量。

29. 四、突出危险性预测 对较软煤层，取芯完整性差，采用负压引射取芯工艺，极限取样深度：上向孔120m，水平孔60m，下向孔30m。 Text 取样风 流方向 压风 钻孔风 流方向 煤样罐 引射器 二级钻头

30. 四、突出危险性预测 对较软煤层，取芯完整性差，采用正压压风+螺旋钻头+负压引射取芯工艺，取样深度：水平孔突破了100m，下向孔取样孔深94m，取样时间2min内。 Text

31. 四、突出危险性预测 采用Qt=ati模型测算损失量 i值与煤样的粒径具有显著相关性

32. 四、突出危险性预测 该技术已大面积推广，但不同矿井在推广应用中还在不断完善。 对比试验表明：误差＜7% 形成瓦斯含量等值线图

33. 透视 钻孔 四、突出危险性预测 2、软煤区和构造超前探测 无线电透视

34. 振幅V/mv 煤层 直达波 介质界面回波 介质分界面 接收 接 巷 道 掘进头 掘进头雷达超前探测平面示意图 发射 双向走时t/ns 异常体 巷 道 掘进头 异常体 煤层 煤层 雷达超前探测异常体理想单波示意图 四、突出危险性预测 防爆探地雷达 • 探地雷达 利用电性差异（介电常数差异）产生电磁反射波，达到对目标探测和定位（波速与时间）的目的。

35. H=0.8∠60° H=2∠63° 第二次探测雷达回波成果图 异常回波 煤巷掘进方向(m) 煤巷掘进方向(m) 20 20 30 30 50 50 0 0 10 10 40 40 煤层 煤层 F1 F2 异常回波1 异常回波2 第一次探测 第一次探测 第二次探测 第二次探测 四、突出危险性预测 新庄孜矿掘进头超前探测试验 • 探地雷达 煤巷连续超前探测布置平面图 第二次探测前方6米左右（全长25米）和前方25至30米处（全长44至49米），为另一新的异常回波。 第一次探测雷达回波成果图 第一次探测在27米附近出现明显的异常 反射回波，反映可能存在异常。 揭露对比情况

36. 150m DTC防爆探测 四、突出危险性预测 • 地震超前探测 遥控爆破、自动测定数据，可同时测定6道、12道、36道2个、3个、12个爆破孔的三分量数据。 023-65239305 13808319343

37. 四、突出危险性预测 • 地震探测 峰峰新三矿探测：掘进面 正前方约61~68m处存在较 强反射界面，推断为断层 影响；正前方约129~131m 处存在反射界面，推断为 小构造或物性变化影响。 西山矿区东曲矿：2006年9月25日18109切眼。探测结果，在82~87m（掘进面前方30~35m）、112m（掘进面前方60m）和138m（掘进面前方86m）处都存在震波反射界面，判断为断层构造影响。 023-65239305 13808319343

38. 四、突出危险性预测 • 钻探 钻孔探测构造、高瓦斯和突出危险区 通过抽瓦斯钻孔施工过程中的见顶、见底、见构造、见软煤、 见高瓦斯区等动力显现以及钻孔轨迹测量，判定钻孔穿越地 点的构造、瓦斯及突出危险情况。目前孔底马达钻机能够实 现这一功能，旋转钻机的轨迹测定技术正在研究。

39. 四、突出危险性预测 • 井下集中应力测定 • 通过选择不同采深、不同构造部位的典型测点现场实测自重应力、采矿应力、构造应力、主应力方向、煤岩力学性质；利用数值模拟分析应力分布规律，以实测值确定数值，建立应力数据库；依据采掘工作面布置关系采用应力叠加方式确定应力分布。 • 通过构造演化和动力区划原理确定构造应力场。

40. 五、突出危险性预测 • 突出危险预测指标 • f≤0.2、H ≤500m，P≥0.5MPa; H ＞500m、构造带、应力集中区，P≥0.3MPa • f =0.2～0.3、H ≤500m，P≥0.6MPa; H ＞500m、构造带、应力集中区，P≥0.4MPa • f =0.3～0.5、H ≤500m，P≥0.74MPa， H ＞ 500m、构造带、应力集中区，P≥0.5MPa • f ＞0.5 、H ≤500m ， P≥1.0MPa， H＞500m、构造带、应力集中带， P≥0.74MPa • H＞1000m， P≥0.3MPa 以上指标可依据兰格缪尔方程换算瓦斯含量临界值

41. 五、合理采掘部署 • 合理采掘部署的内涵 依据采区、水平、煤层突出危险性进行开采程序、开拓开采系统、煤炭产量计划与工程接替关系的合理设计。 • 开采程序：包含选择首采层、首采面及接替关系 • 合理选择首采层的依据： （1）与其它可采煤层的距离，避免破坏邻近可采煤层或引发邻近煤层突出； （2）煤层突出危险程度，尽可能选择突出危险小的煤层； （3）瓦斯治理的难易程度，尽可能选择易治理瓦斯的煤层； （4）卸压保护效果，尽可能选择有利于对其它煤层具有大范围卸压保护作用的煤层； （5）调整开采程序的代价。

42. 五、合理采掘部署 • 合理选择首采面，合理设计采面接替关系： 对首采层，依据煤层赋存条件尽可能选择有利于避免应力集中、便于抽采首采层瓦斯的首采面和接替关系。 • 合理布局开拓开采系统 • 合理布置巷道：主要巷道不应布置在突出煤层中，尽可能减少揭煤次数，井巷揭煤地点应避开构造破坏带，突出煤层巷道应优先布置在卸压区， 突出煤层巷道应避开邻近煤层采煤工作面应力集中范围布置。 • 合理布置设施:必须有独立可靠的回风系统，回风侧不得设置调风设施，掘进工作面采用压入式通风，严禁架线运输；有专用采区回风巷。 • 合理布置采面：一个采区同一煤层的一翼最多只能布置一个采面和2个掘进面同时作业。

43. 五、合理采掘部署 • 建议:分区通风方式；每个矿井应布置两个采区生产，其中一个采区生产，另一个采区准备，尽可能减少同时生产的采掘工作面数量,尽可能采用边界上山，合理设计工作面尺寸。 • 合理安排煤炭产量与工程接替计划 • 依据开拓开采部署和煤炭资源条件合理设计产能； • 依据产能合理安排开拓工程、准备工程、瓦斯和突出防治工程、采掘工程的进度计划和接替关系，严格依据接替关系布局防突、掘进、采煤工作，避免接替失调。

44. 顶板抽瓦斯巷 卸压线 首采层 底板抽瓦斯巷道 开采保护层抽卸压瓦斯方式 六、区域消除突出危险措施 • 开采保护层

45. 六、区域消除突出危险措施 • 预抽煤层瓦斯 • 顺层钻孔预抽煤层条带瓦斯的优缺点分析 优点：工程量少、成本低、钻孔有效率高 缺点；长钻孔施工难度大，往往不能满足60m以上的要求； 预抽和掘进频繁交替，往往不能满足抽采达标要求； 顺层孔施工易发生钻孔喷孔突出，安全保障性差； 遇构造将被迫取消区域措施； 不能实现轨迹测定，监督手段不能满足要求； 区域预抽效果检验难度大，易出现误判。

46. 六、区域消除突出危险措施 • 穿层钻孔预抽煤巷条带，顺层钻孔预抽采煤工作面瓦斯 高瓦斯突出煤层上保护层或单一突出煤层模式

47. 顶板抽瓦斯巷 卸压线 六、区域消除突出危险措施 • 穿层钻孔预抽煤巷条带，顺层钻孔预抽采煤工作面瓦斯 高瓦斯突出煤层下保护层模式

48. 六、区域消除突出危险措施 • 晋城中硬以上煤层递进式预抽煤层瓦斯模式

49. 七、区域措施效果检验 • 保护层效果检验 • 直接测定煤层残余瓦斯含量方法 • 穿层钻孔测定瓦斯压力、流量、顶底板位移等方法 • 保护边界采掘工作面突出危险预测指标法 • 预抽煤层瓦斯效果检验 • 瓦斯抽采计量监测方法 • 直接测定煤层瓦斯含量方法 • 关键问题 • 钻孔深度是否符合设计要求——孔深测定技术 • 钻孔间距与均匀度是否符合设计要求——轨迹测定技术 • 抽瓦斯时间和抽瓦斯量是否符合规程要求——抽采监测

50. 八、采掘工作面局部四位一体措施 • 瓦斯浓度变化指标监测方法 • 对掘进工作面，通过监控系统监测瓦斯浓度变化曲线，依据风量可计算分析反映小范围区域瓦斯涌出量指标A、B、C，时间范围一般为1-2天，空间范围一般为5-10m，其数学模型如下： 监测无危险时，直接采取安全防护措施掘进，监测有危险时每个循环均应增加工作面突出危险常规预测方法预测，其中任何一种方法预测有危险都应采取局部防突措施并经局部措施效果检验有效后方可采取安全防护措施进行掘进。