中国煤矿瓦斯防治理论及技术Theory and technology of coal mine gas control in China

袁 亮Yuan Liang

Sep. 24, 2017

Tianjin · China

安 徽 理 工 大 学

煤 矿 瓦 斯 治 理 国 家 工 程 研 究 中 心

深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e & T e c h n o l o g y

National Engineering Research Center for Coal Mine Gas Control

State Key Laboratory of Deep Coal Mining and Environmental Protection

副 校 长

主 任

主 任Vice President

D i r e c t o r

D i r e c t o r

报 告 提 纲Report Outl ine

一、煤矿瓦斯防治基本情况S e c . 1 . C o a l m i n e g a s c o n t r o l

二、瓦斯防治主要理论成果Sec. 2. Main theoretical achievements in mine gas control

三、瓦斯防治关键技术装备Sec. 3. Key technologies and equipment in mine gas control

四、瓦斯防治推广应用效果Sec. 4. Application effect in mine gas control

煤矿瓦斯防治基本情况Coal mine gas control1

4

一、煤矿瓦斯防治基本情况

煤炭将长期是我国主导能源 Coal is a dominant and long-term energy source in China

2016年中国能源生产结构 2016年中国能源消费结构

煤炭

石油

62%

其它

天然气

19%

6%

13%

原煤

原油

70%

其它

天然气

8%

5%

17%

中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面

发展的能源战略”；中国工程院最新成果预测：2020年、2030

年、2050年，我国煤炭需求量分别为39-44亿吨、45-51亿吨、

38亿吨，煤炭在我国一次能源结构中的比重还将分别保持在

62%、55%、50%左右

5

一、煤矿瓦斯防治基本情况

我国煤炭资源赋存条件复杂 Coal resource deposits in China are quite complicated

煤炭资源分布差异大、地质条件差，极薄与特厚（巨厚）煤

层、近水平与急倾斜煤层广泛分布，特别是瓦斯等灾害威胁

严重，开采难度大

冲击地压

矿井水害煤层自燃顶板事故生态环境破坏

粉尘高温热害煤与瓦斯突出瓦斯爆炸

6

一、煤矿瓦斯防治基本情况

深部复杂条件瓦斯防治是世界性难题 Mine gas control in deep and geologically complex coal

mines is a world-wide problem

依靠科技进步和长期艰苦探索，瓦斯抽采量、利用量显著提

高，瓦斯事故逐年降低

然而，瓦斯事故仍然时有发生，死亡人数占比依然很高

随着浅部资源不断枯竭，深部开采瓦斯灾害威胁更加严峻

瓦斯仍是制约深井煤炭资源安全开采的主要因素

高瓦斯、高地应…

瓦斯防治主要理论成果Main theoretical achievements in mine gas control2

8

二、瓦斯防治主要理论成果

通过现场大数据瞬态获取、大型物理模拟实验和数值模拟

“三位一体”研究手段，揭示煤与瓦斯共采过程“应力场”、

“裂隙场”、“瓦斯场”三场耦合作用机制和演化规律。

“三位一体”瓦斯防治基础研究 Fundamental study of the “three-in-one” mine gas control

煤与瓦斯共采理论 Coal and gas co-extraction

9

二、瓦斯防治主要理论成果

开展了高瓦斯矿井瓦斯压力、煤层透气性系数分别与地应力之间的耦合关系及岩层移动时空演化规律研究

Studied the relationship among gas pressure, coal seam

permeability and strata stress and the temporal and spatial

movement of strata in gassy coal mines

be 0

煤层瓦斯压力与地应力关系

煤层透气性系数与地应力关系

理 论

σ

σ

ey

瓦斯抽采巷道最终下沉量与采高和层间距之间的关系

启 示

地应力(σ)降低煤层卸压

煤层透气性系数(λ)增加

瓦斯压力（p）降低

吸附瓦斯解吸速度加快

巷道下沉量(y)减小

煤层层间距(h)加大

开采层采高(m)减小

m h

cpp 0

10

二、瓦斯防治主要理论成果

开展了低透气性煤体瓦斯吸附解吸的实验研究 Carried out experimental study on gas adsorption and

desorption from coal of low permeability

开展了煤的瓦斯解吸研究：淮南煤为高吸附性(吸附瓦斯

占90%)，发现卸压法能明显增加煤层透气性，且透气性

系数与地应力有强相关性

发现煤层压力从5MPa降低至0.74MPa以下，淮南煤中90%

的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，透气性大大增加

11

二、瓦斯防治主要理论成果

开展了大型煤与瓦斯共采物理模拟实验研究 Undertook large-scale physical simulation of coal and gas co-

extraction

研制完成国内外首台煤与瓦斯共采大型物理模拟试验装置

真三维无煤柱煤与瓦斯共采物理模拟研究 首采层采场应力场形成及分布规律研究 采场上方裂隙场形成、演化及分布特征研究 瓦斯运移及富集规律研究

模型体尺寸(长×宽×高)：5264×4880×4000mm质量：170t边界最大载荷集度：1.2MPa，可模拟采深1500m

真三维、大尺度、高载荷集度、均布加载、机器人自动开挖

12

二、瓦斯防治主要理论成果

开展了大型物理模拟研究，揭示了深井厚硬顶板跨冒特征、

围岩应力分布演化规律及“扇形” 瓦斯富集区，提出沿空留

巷顶板覆岩“拱中拱”结构平衡理论

大拱平衡结构

小拱平衡结构拱角A 拱角B

13

二、瓦斯防治主要理论成果

煤与瓦斯共采理论模型 Theoretical model of coal and gas co-extraction

提出走煤与瓦斯共采、先抽瓦斯后采煤的路子——变传统瓦斯

治理“风排”为主为高效“抽采”瓦斯的新构想，关键技术是

让煤体松动卸压，增加透气性，实现卸压抽采瓦斯

煤与瓦斯共采理论

模型：利用淮南矿

区煤层群赋存的有

利条件，打破传统

自上而下的煤层开

采程序，设计了制

造煤体松动卸压的

开采方案

14

二、瓦斯防治主要理论成果

基于矿井大尺度（1:1）现场实测，实现了采动应力场、裂隙场

及瓦斯场“三场”井上下立体式实时动态监测

“高位环形体”理论 The "high ring-shaped body" theory

开展矿井大尺度现场实测及数值模拟研究 Carried out mine-scale field tests and numerical simulations

15

二、瓦斯防治主要理论成果

在淮南矿区4对不同开采条件矿井开展了试验，实测揭示了

采动覆岩应力场、裂隙场发育及演化规律

-400

-300

-200

-100

0

100

200

-450 -350 -250 -150 -50 50 150 250 350 450 550 650 750

工作面过测点距离/m

水压/mH20

BH#4 269m 顶板466m

-400

-300

-200

-100

0

100

200

-450 -350 -250 -150 -50 50 150 250 350 450 550 650 750

工作面过测点距离/m

水压/mH20

BH#3 498m 顶板237m

水压计

地表水压测试孔

可压实导水裂隙带，水压变化趋势一致

离层带，水压下降时间与下部覆岩相似，但趋势不同

底板裂隙带，水压变化趋势与冒落区相似，但下降速度较慢

454m

555m

657m

流体非扰动带，水压基本无变化

变形带，水压有所降低，但下降趋势缓慢

表土层

砂岩层

泥、砂岩

泥岩组

持久导水裂隙带，水压变化与冒落区有所相似

砂岩组

11-2煤735m

13-1煤

17-2煤

砂岩

顶板237m

顶板466m

顶板145m

顶板88m

顶板43m

顶板15m

顶板7m

底板18m

砂岩组

泥岩组

泥、砂岩

-400

-300

-200

-100

0

100

200

-450 -350 -250 -150 -50 50 150 250 350 450 550 650 750

工作面过测点距离/m

水压/mH20

BH#3 756m 底板18m

BH#3 728m 顶板7m

BH#3 720m 顶板15m

BH#3 692m 顶板43m

BH#3 647m 顶板88m

BH#3 590m 顶板145m

大范围围岩孔隙水压影响范围和动态变化与采动应力—裂隙对应关系

应力场：增压区位于首采层工作面前方0～30m，应力集中系数为

2～3倍，采空区300～500m以外为卸压稳定区

裂隙场：发展期为首采保护层工作面后方0～50m，活跃期位于50

～500m，衰减期为500m以后且呈楔形偏向采空区发展

16

二、瓦斯防治主要理论成果

现场实测发现了首采层开采瓦斯场形成机制及分布规律，

采空区顶板向上5～40m，后方50m瓦斯浓度超过10%、后

100m瓦斯浓度超过20%、后300m瓦斯浓度达到40%

17

二、瓦斯防治主要理论成果

基于“三位一体”研究，提出了卸压系数新概念 ，

建立了煤与瓦斯共采“高位环形体”理论体系，实现了深井

采动煤岩体“三场”定量描述和瓦斯高效抽采

瓦斯高效抽采范围的“高位环形体”采动覆岩卸压系数分布基本模型

0

1z

zr

“高位环形体”理论模型 A model of the "high ring-shaped body" theory

瓦斯防治关键技术装备Key technologies and equipment in mine gas control3

19

三、瓦斯防治关键技术装备

低透气性煤层群井上下立体式煤与瓦斯共采技术及装备 Technologies and equipment of surface and underground combined

co-extraction of coal and gas in multiple seams of low permeability

采气

采煤

瓦斯抽采泵站

首采层瓦斯抽采

消突技术及装备

大间距上部煤层

抽采被卸压煤层

解吸瓦斯技术

多重开采下向卸

压增透瓦斯抽采

技术

采气

关键技术及装备 Key technologies and

equipment

地面布置钻孔抽采被卸压煤层解吸瓦斯技术及装备

20

三、瓦斯防治关键技术装备

瓦斯抽采泵

瓦斯抽采母巷

瓦斯抽采母巷穿层钻孔抽采瓦斯技术

首采关键层

钻孔见煤间距10~15m

首采层卸压消突抽采瓦斯是瓦斯治理的重中之重：布置顶、底

板瓦斯抽采母巷，开发出成套穿层钻孔卸压增透专门技术，实

现有效防突和高效预抽瓦斯

瓦斯抽采母巷穿层钻孔抽采瓦斯技术 Cross-measure gas drainage technology with boreholes drilled from a

gas drainage tunnel

7#煤

底板专用瓦斯抽采母巷

开拓区 准备区

保护层回采区

被保护区

8#煤

首采层瓦斯抽采消突技术及装备 Technologies and equipment for elimination of outburst risk in first

extraction coal seam in multiple-seam mining through gas drainage

21

三、瓦斯防治关键技术装备

瓦斯抽采泵

煤层巷道

瓦斯抽采母巷

瓦斯抽采钻孔煤层走向

煤层倾向

瓦斯抽采母巷钻孔法本煤层区域消突技术 Technologies for elimination of outburst risk in a coal seam with

boreholes drilled from a gas drainage tunnel

首采关键层开采前，还要进行多次抽采卸压、实现瓦斯抽采

最大化后方能开采

22

三、瓦斯防治关键技术装备

高压水射流割缝增透瓦斯抽采技术 Gas drainage enhancement technology with high pressure water jet slotting

建立了一套水力割缝系统,实现了“点”、“线”、“面”、

“体”耦合的整体卸压增透抽采

压力表

溢渣阀

钻机操作台

煤矸石层

割缝前普通孔单孔平均纯流量为4.9L/min，割缝后割缝孔单孔

平均纯流量为49.7L/min，提高了9.2倍

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三、瓦斯防治关键技术装备

脉动压裂孔的平均抽采纯量提高10~17倍；抽采浓度为30~86%

（普通孔29%)，钻孔抽采有效影响范围提高4倍。

脉动水力压裂增透瓦斯抽采技术

Gas drainage enhancement technology with pulse hydro fracturing

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三、瓦斯防治关键技术装备

单孔平均瓦斯浓度较爆破前增大3~4倍，单孔平均抽采纯量较

爆破前增大4~6倍，取得了很好的增透效果。

深孔预裂爆破增透瓦斯抽采技术

Gas drainage enhancement technology with deep borehole pre-

splitting blasting

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三、瓦斯防治关键技术装备

二氧化碳致裂增透瓦斯抽采技术

Gas drainage enhancement technology through fracturing with

carbon dioxide

二氧化碳变相致裂后煤层透气性提高5~8倍，抽采影响半径增

大3~5倍，钻孔瓦斯流量提高6~10倍，大大缩短了抽采时间，

提高了抽采效率。

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三、瓦斯防治关键技术装备

两巷顶板采空侧上方宽0～30m，高8～25m的环形裂隙区、顶

板破碎角50º对应向上40～58.7m的竖向裂隙区瓦斯富集

首采煤层顶板抽采富集区瓦斯技术

Gas drainage technology targeting roof gas-rich zones in first

extraction coal seam in multiple-seam mining

裂隙圈

开采层

进风巷回风巷

抽采巷道

抽采钻孔

27

三、瓦斯防治关键技术装备

上向卸压范围为走向卸压角80.8～84.7º，倾向卸压角83～85º，

上向卸压层间距达10～150m，该区域内瓦斯抽采率达90%以上

大间距上部煤层抽采被卸压煤层解吸瓦斯技术

Technology to drain desorbed gas from a de-stressed upper seam in

large-spaced multiple-seam mining

卸压煤层

弯曲下沉带

裂隙带

冒落带

开采煤层

20~150m

卸压范围

抽采钻孔

底板瓦斯抽采巷

28

三、瓦斯防治关键技术装备

进风巷

下卸压层B7

下卸压层B6

底板卸压区域

抽采钻孔底板岩石巷

开采层B8

回风巷

下向卸压范围为走向卸压角99.3～100.1º，倾向卸压角为102～

110.0º，下向卸压距离达15～100m，瓦斯压力由3.6MPa降至

0.2MPa，透气性系数增大了570倍，抽采率达80%以上

多重开采下向卸压增透瓦斯抽采技术

Gas drainage enhancement technology through de-stressing under

multiple mining activities

29

三、瓦斯防治关键技术装备

首采层

回风巷 进风巷

卸压距离20～150m

被卸压煤层瓦斯

瓦斯

钻孔抽采半径500～800米

成功实现了地面井下联合抽采，深井 (800~1000m)大直径

(Φ250mm)地面钻井瓦斯抽采技术取得重大突破

地面布置钻孔抽采被卸压煤层解吸瓦斯技术及装备

Technology and equipment for drainage of desorbed gas from de-

stressed seams with surface wells

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三、瓦斯防治关键技术装备

无煤柱沿空留巷煤与瓦斯共采技术及装备 Technology and equipment for coal and gas co-extraction without

pillar through retained goaf-edge roadways

无煤柱护巷围岩控制技术及

装备

无煤柱Y型通风留巷钻孔法

抽采瓦斯技术

关键技术及装备

Key technologies and equipment

工作面

回采区段煤柱

上隅角

采空区

上区段采空区

采空区空气流场

进风

回风

上区段采空区

沿空护巷工

作面

采空区空气流场

采空区

进风

进风

回风

传统留煤柱U型通风 无煤柱沿空护巷Y型通风

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三、瓦斯防治关键技术装备

无煤柱Y型通风留巷钻孔法抽采瓦斯关键技术 Key gas drainage technologies with boreholes drilled from a retained

goaf-edge roadway in a pillar-less panel with a Y-type ventilation system

首采层采空区留巷钻孔

法抽采瓦斯技术

留巷钻孔法上向钻孔抽

采卸压煤层瓦斯技术

留巷钻孔法下向钻孔抽

采卸压煤层瓦斯技术

Y型通风进风巷

填充墙体

1#钻孔

2#钻孔

3#钻孔

4#钻孔5#钻孔

首采层

上覆煤层

下覆煤层

Y型通风首采工作面剖面图

瓦斯防治推广应用效果Application effect in mine gas control

4

33

四、瓦斯防治推广应用效果

研究成果在淮南矿区应用效果显著：瓦斯抽采量由2009年

的3.2亿m3增加到2016年的6.0亿m3，抽采率由50%提高到

80%，杜绝了瓦斯事故

淮南矿区推广应用效果

Application effect in Huainan mining district

淮南矿区2009年以来产量、百万吨死亡率及瓦斯抽采量状况

0年份

1

瓦斯抽采量

2

3

4

5

6

2

百万吨死亡率

4

6

8

10

12

10

年产量

20

30

40

60

70

50

瓦斯抽采量(亿m3)

百万吨死亡率(人/Mt)

年产量(Mt)14 80

1996 1998 2000 2002 2004 2008 2010 2012 2014 2016

7500万吨

6.0亿m3

0.03

34

四、瓦斯防治推广应用效果

2009年以来，研究成果在焦煤集团、晋煤集团、陕煤化、

平煤集团、龙煤集团、澳大利亚、俄罗斯等国内外广泛应

用，效果良好。

试验和推广工作面85%

实现瓦斯零超限，杜绝

了瓦斯事故

帮助建成全国瓦斯治理

示范矿井12对，全国瓦

斯治理先进单位7家

成果以“采空区水平抽采设计”项目在全澳大利亚推广，该

项目被全球甲烷倡议组织（GMI）列为最佳瓦斯抽采案例。

国内外推广应用效果

Domestic and international application effect

35

四、瓦斯防治推广应用效果

中国历年煤矿瓦斯事故起数与死亡人数

煤矿瓦斯事故基本得到有效控制，2015年中国煤矿瓦斯事故

45起，死亡171人，与2005年相比，事故减少369起、少死亡

2000人，分别下降了89.1%和92.1%

36

四、瓦斯防治推广应用效果

获第22届世界采矿大会“突出贡献奖” Won the “award for outstanding contributions” in the

22nd World Mining Congress

第22届世界采矿大会作主旨报告 获世界采矿大会“突出贡献奖”

2011年，应邀出席第22届世界采矿大会并作《煤与瓦

斯共采理论与技术》主旨报告，获世界采矿大会“突出贡

献奖”，是世界华人首次获此殊荣。

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四、瓦斯防治推广应用效果

在国内外期刊上发表学术论文100余篇，SCI/EI检索60余篇

发表学术论文100余篇

Published more than 100 research papers

《卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系》入选“2013年中国百篇最具影

响国内学术论文”

《大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术》入选中国科协首次发布的“

中国科技期刊2016年度优秀论文”

《CO-Extraction of Coal and Methane》荣获第23届世界采矿 大会“最佳论文”奖

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四、瓦斯防治推广应用效果

授权国家专利90余项，其中发明专利60余项，软件著作

权7项，先后获国家科技进步二等奖6项

其中，“沿空留巷Y型通风采空区顶板卸压瓦斯抽采的

方法”获2013年度“中国专利金奖”，行业首次获此殊荣。

获第15届中国专利金奖

Won the “gold award” in the 15th Chinese Patents Award

39

四、瓦斯防治推广应用效果

出版《煤与瓦斯共采》教材及专著

Published “coal and gas extraction” textbook and monograph