煤矿瓦斯治理及动力灾害防控创新实践-袁亮
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1、1袁 亮2024 年 08 月 26 日中国 昌吉21 研究背景2 创新成果3 最新进展 3研究背 景11 研 究 背 景4 习近平总书记高度重视国家能源安全“能源 的 饭 碗 必 须 端 在 自 己 手 里”“富 煤 贫 油 少 气 是 我 国 的国情,以 煤为 主 的能 源结 构 短期 内难 以根本改变”一次能源消费占比达56.2%能源安全供应风险激增主体能源-煤炭 俄乌冲突油气深部热能 煤 炭 在 未 来 较 长 一 段 时 期 内 仍 是 我 国 的 主 体 能 源能源安全是国家安全的基石,煤炭是国家能源安全的“压舱石”油气对外依存72.99%、42.3%1 研 究 背 景5 我国煤矿
2、地质条件极其复杂瓦斯灾害威胁严重煤矿瓦斯事故多发,安全高效开采难以实现 我 国 煤 层 普 遍富含 瓦斯,埋深小 于2000m 总量达36.81 万亿m3(相当于450 亿吨 标准煤)国 有煤矿瓦斯 及高瓦斯矿 井占比近50%,大 部分煤层 透气 性低(比美 国低23 个数 量级)低 透气性、高 瓦斯开 采条 件瓦斯 治理 是世界 性难 题全 国高瓦 斯与突出 矿井分 布中 美煤层 渗透率的 对比1 研 究 背 景7 煤矿瓦斯治理技术创新与成果转化保障了煤矿瓦斯灾害防控 2005 年 负 责 编 写 了 我 国 煤 矿 瓦 斯 治 理 与 利 用 总 体 方 案、实施意见 并 在 全 国 高
3、瓦 斯 煤 矿运 用 实 施;牵 头 创 建 煤 矿 瓦 斯 治 理 国 家 工 程 研 究 中 心,并担任主任,按国家有关部委要求,将 瓦 斯 治 理 技 术 边研究、边转化,面 向 全 国 主 要 产 煤 省 区 开 展 瓦斯综合治理技术服务,覆 盖产能22 亿 吨瓦斯事故是煤矿安全“第一杀手”!9创新成 果2102 创 新 成 果 30余年扎根煤炭安全生产、科研一线,带领团队持续承担国家重大科研项目“十五”以来,主持 国家 重大科 研项目30 余项,省(部)级 及企业 项目100 余项十五 国家 重点 科技 攻关:矿 山 重大 瓦斯 煤尘 爆炸 事故 预 防与 监控 技术十一五国家科技支
4、撑计 划:矿井 深部开 采安 全保 障技 术及 装备 开发(2007)国家 科技 重大 专 项:两淮 矿区 煤 层群 开采 条件 下煤 层气 抽采 示范 工程(2008)十二五国家科技重大专 项:两淮 矿区煤 层群 开采 条件 下煤 层气 抽采 示范 工程(二期,2011)国家科技支撑计 划:煤矿 深部围 岩结 构与 应力 场探 测分 析技 术系 统研 究(2012)国家973计划课题:(1)煤炭资 源安 全开 采的 关键 理论 问题 研究(2010);(2)煤与 瓦斯 突出 灾害 模拟 和预 警模 型研 究(2012)十三五国家科技重大专 项:两淮 矿区煤 层群 开采 条件 下煤 层气 抽采
5、 示范 工程(三期,2016)国家 重大 科研 仪 器研 制:(1)用于 揭示 煤与 瓦斯 突出 机理 与规 律的 模拟 试验 仪器(2015);(2)新 型煤 与瓦 斯突 出高 灵敏 宽频 响全 光纤 微震 监测 仪(2017)国家 重点 研发 计划 项目:煤矿 典型 动力 灾害 风险 判 识及 监控 预警 技术 研究国家重点研发计 划课 题:(1)面向 井下 钻孔 机器 人施 工的 瓦斯 防治 钻孔 智能 设计 技术(2018);(2)煤 矿热 动力 灾害 防控 技术 示范 工程(2019);(3)煤矿开采 冲击-突出复合型 动力 灾害 机理 及孕 灾机 制(2016);(4)矿 井通 风
6、参 数快 速准 确测 定技 术(2018)中国工程院咨询 项目:(1)我 国煤 矿安 全与 废弃 矿井 开发 利用 战略 研究(重大,2017);(2)我国 煤炭 资源 高效 回收 及节 能战 略研 究(重点,2015)中国工程院咨询 项目 课题:(1)鄂 尔多 斯盆 地煤 炭开 采对 铀矿 开采 的影 响及 协调 开发 战略 研究(2015);(2)碳 约束 条件 下能 源结 构优 化研 究(2016)十四五国家重大科研仪 器研 制:深地工 程多 场耦 合动 力灾 变试 验仪(部 门推 荐,2023)国家重点研发计 划课 题:(1)面向 井下 钻孔 机器 人施 工的 瓦斯 防治 钻孔 智能
7、设计 技术(2018);(2)巢湖流域 核心 城市 多源 有机 固废 产排 特性、时 空分 布及 资源环境属性特征(2020);(3)冲击 危险 区源 头判 识及 全时 空智 能预 警理 论与 技术(2022);(4)矿山 粉尘 危害 工程 防护 和高 效个 体呼吸防护关键技术 与装 备(2022);(5)瓦斯 积聚 实时 成像 传感 器开 发(2023);(6)矿 山井 下CO 感 控消 纳一 体化 关键 技术 与装 备研发及应用示范(2023);(7)煤 层瓦 斯原 位降 消新 材料 及高 效降 消工 艺方 法(2023)中国工程院咨询 项目:(1)我 国煤 矿安 全与 废弃 矿井 开发
8、利用 战略 研究(二期)(重点,2020);(2)面向“未来20 年”煤矿粉尘防 控及 职业 安全 健康 战略 研究(中长期,2020);(3)我国 煤炭 行业 碳中 和发 展科 学体 系及 战略 路径 研究(学 部重 大,2022);(4)山西 省废 弃矿 井资 源开 发利 用战略研究(院地 合作,2020);(5)宁 夏碳 达峰 碳中 和与 可持 续发 展战 略研 究(院地 合作,2021);(6)安徽 省“双碳”发 展战 略研 究(院地合作,2022)以国家需求为导向,开展有组织的科学研究112 创 新 成 果 依托我国两淮矿区复杂条件,破解煤矿瓦斯灾害治理难题 1996年开始 带领团队
9、攻克 煤矿瓦斯治理 世界性难题 淮 南 矿 区 是 全 国 十 四 个 煤 电 基 地 之 一,皖 电 东 送 的 主 要 生 产 基 地,探 明 储 量500 亿t,是 华东最大的 整 装煤 田,也是 我国 采矿地 质 条件 最复杂,瓦斯 治理、巷 道支 护 最困难 的矿 区 高 瓦 斯:10 36m3/t 低 透 气性:0.0011mD 高 瓦 斯压力:达6.8MPa(浅 部为2 3MPa)突出危险 性大:深部所 有煤 层均为突 出煤 层 煤 层 群开采 条件:8 15 层 地压大、煤 岩 松 软:开 采 深 度 达1000m,最大主应力达26.8MPa,f 值0.2 0.8上海杭州淮南矿
10、区南京矿 区 位 置 图122 创 新 成 果 1996 年 首 次 提出“煤与瓦 斯共采”科学 构想及 工程技 术路线 图 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 卸压开采 抽采 瓦斯 煤与瓦斯 共采 工程 技术 路线 图: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 高 瓦 斯煤层 群瓦斯 抽放理 论研究 与工程 实践”成果获2003 年国家 科 技进步 二等奖采气采煤瓦斯抽采
11、泵站采气132 创 新 成 果 2004 年 首 次 提出无 煤柱煤 与瓦斯 共采技 术原理,并开 展工程 验证 首 采保 护层工作 面瓦 斯采用风 排为 主的方法,面临 着瓦斯 抽采 工程量大、成 本高,U 型通风 上隅角 瓦斯难 治理 等 问题 改 变通 风流场,将空 气压力场 能位 和瓦斯场 流动运 移向采 空区 后方挪移,可以 消除上隅 角瓦 斯的安全 威胁“低 透气性 煤层群 无煤柱 煤与瓦 斯共采 关键技 术”成 果获2009 年国 家科技 进步二 等奖“沿 空留巷Y 型通风采空区 顶板卸压瓦斯 抽采的方法”成果获2013 年中国专 利金奖142 创 新 成 果 研 发 了 突 出
12、 煤 层 首 采 关 键 层“三场”地面 井 下 大 尺 度(1:1)立 体 综 合 监 测 技 术 与装置,实 现 采动应 力场、裂隙场、瓦斯 场多维 度、多 尺度系 统监测(“973 课题)2006年 首 次 开 展 了 矿 井 大 尺 度、井 上 下 立 体 式 同 步 综 合 监 测-400-300-200-1000100200-450-350-250-150-50 50 150 250 350 450 550 650 750工作面过测点距离/m水压/m H20BH#4 269m 顶板466m-400-300-200-1000100200-450-350-250-150-50 50 1
13、50 250 350 450 550 650 750工作面过测点距离/m水压/m H20BH#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454m555m657m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735m13-1 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
14、组泥、砂岩-400-300-200-1000100200-450-350-250-150-50 50 150 250 350 450 550 650 750工作面过测点距离/m水压/m H20BH#3 756m 底板18mBH#3 728m 顶板7mBH#3 720m 顶板15mBH#3 692m 顶板43mBH#3 647m 顶板88mBH#3 590m 顶板145m152 创 新 成 果 自 主研制 了国 内外首 台煤 与瓦斯 共采 大型物 理模 拟试验 装置 及系列 试验 技术,模拟 等效采深可达1500m(安 徽 省重大科学仪 器设备专项)首 采层 采 场应 力场 形成 及 分布 规律
15、 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 真 三维无 煤柱煤与 瓦斯共 采物理模 拟研究模型体尺寸(长 宽 高):5264 4880 4000mm质量:170t边 界 最 大 载 荷 集 度:1.2MPa,可 模 拟 采 深1500m0 40 80 120 160 200-8-6-4-20测点位移量/m工作面推进距离/m 3-1 号 3-2 号 3-3 号 3-5 号SKS2 初次破断SKS2 周期破断SKS3 初次破断(65.6,-0.12)(73.6,-3.1)(72.6,-3.8)(71.6,-4.2)(151.6,-5.1)(190.6,
16、-7.6)162 创 新 成 果 基 于“三 位 一体”研究,提出了 卸压系 数 新概 念,建 立 了 首 采层采 动瓦斯 高效 抽采“高位 环形裂 隙体”理论 体系,首次 实现 了深井 采动 煤岩体 多场 耦合定 量描 述01zzr=首采层采 卸压分 布 模型多场耦合计算:首采层采 渗透率 分 布模型瓦 斯高效 抽采范围 的“高 位环形体”建 立 了 首 采 层 采 动 瓦 斯 高 效 抽 采“高 位 环 形 裂 隙 体”理 论 体 系“低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的 高位环 形裂隙 体”等 多篇论 文成果 分别入 选“2013 年中 国百篇最具影 响国内学术论文”、“2016 年中国精品
17、科技期 刊顶尖 学术论 文”、荣获第23届世 界采矿 大会“最佳论文”奖172 创 新 成 果 2008 年 主 持“十一五”国 家科技重大专 项“两淮矿区 煤层群开采条 件下煤层气抽 采示范 工程”,开 启“十 一五”“十 二五”“十 三五”连续 承担 国家科 技重 大专项 新征 程 率先提出“煤气共采、煤与瓦斯共采、采煤采气”一 体 化 创 新 理 念,实 现 了 深 井TBM 施工瓦斯 治 理工 程月最 高 进尺600 米 世 界纪 录,采 动 井卸 压抽采 单 井日 产气9.7 万 立 方米,世 界第 一,累 计 产气量达750 万立 方米新 型防断 钻井结构为瓦斯治理从井下为主转变为
18、地面为主奠定了坚实的基础科技部验收评为优秀182 创 新 成 果 研 发 成 功 煤 与 瓦 斯 共 采 系 列 关 键 技 术 及 装 备顶、底板 巷 穿 层钻孔抽 采瓦 斯技术 高压水射 流割 缝增透瓦 斯抽 采技术 布置顶、底 板 瓦 斯 抽 采 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 研制了水力割 缝系统,实现“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
19、为49.7L/min,提高了9.2倍192 创 新 成 果水 力 压 裂 增透瓦 斯 抽 采 技术 深 孔 预 裂 爆破增 透 瓦 斯 抽采技 术 研制了 深孔聚能爆破药柱、快速封 孔材料与装置等,单孔平均瓦斯浓度较爆破前增大34 倍,单 孔 平 均 瓦 斯 抽 采 量 较 爆 破 前 增 大46倍 研 发 了 软 煤 中 低 压 水力压裂-持 续 保 压 的 压裂 工 艺 及 装 备,单孔压 裂 有 效 范 围80100m,瓦 斯 抽 采 效 果 提 高310 倍202 创 新 成 果可 控 冲 击 波增透 瓦 斯 抽 采技术 能实现 同一区域的多次作 业 和全孔 段的均衡增透,钻 孔 瓦
20、斯 流 量 增 大58 倍,可抽采期长达半年;抽采总量提高10 倍以上“以孔代 巷”瓦斯抽采 关键 技术 大 直 径 定 向 钻 孔 布 置 参 数:煤 层 向 上810倍 采 高 的 层 位 为 目 标 层,水 平 方 向 与 采 煤工 作 面 回 风巷内 错1565m;钻孔平均抽采浓度40%50%,抽采纯量26m3/min 以上,回 采 期 间 工 作 面 回 风 瓦 斯 均 不 超 过0.2%,达到与瓦斯抽采巷道同等效果212 创 新 成 果顶板瓦斯 富集 区高效抽 采技 术 上部煤层 抽采 被卸压煤 层解 吸瓦斯技 术 上 向 卸 压 范 围 为 走 向 卸 压 角80.884.7,倾
21、向 卸 压 角 8385,上 向 卸 压 层 间 距 达10150m,该区域内瓦斯抽采率达90%以上 两 巷 顶 板 采 空 侧 上 方 宽030m,高825m的环形裂隙区、顶板破碎角50 对应向上4058.7m 的竖向裂隙区瓦斯富集222 创 新 成 果多重开采 下向 卸压增透 瓦斯 抽采技术 上向卸 压范 围 为走向 卸压角80.884.7,倾向卸压角8385,上向卸压层间距达10150m,该 区 域 内 瓦 斯 抽 采 率 达90%以上无煤柱煤 与瓦 斯共采关 键技 术 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23
22、2 创 新 成 果地面水平 井分 段压裂煤 层气 抽采技术 淮北矿 区芦岭矿碎软突出 煤 层顶板 分段压裂水平井,煤 层 气 日 产 量 达 到10754.8 m3,创造了我国碎软 突出煤层地面 煤层气日产量 突破1万方新纪录连续66天稳产在1 万m3以上地面钻井 瓦斯 高效抽采 技术 成 功 实 现 了 地 面 井 下 联 合 抽 采,深井(8001000m)大 直 径 250mm)地 面 钻 井 瓦 斯抽采技术取得重大突破新型防断 钻井结 构242 创 新 成 果地面井水 平井 分段压裂 区域 增透技术 井上下立 体式 煤与瓦斯 共采 成套技术 首采层 瓦斯抽采技术、大间 距上部 煤层抽采
23、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、地面 布置钻孔抽采 被卸压煤层解吸瓦斯技术 单 日 单 井 产 量 达6169m3,抽采瓦斯浓度达90%以上,抽采半径可达76m252 创 新 成 果 2002 年带领团队突破低浓度瓦斯利用关键理论,开展瓦斯全浓度利用创新实践 率先突破浓度9%30%的 瓦 斯利 用技术 真 空 变 压 吸 附 浓 缩 低 浓 度 瓦 斯 技 术:利 用 固 体 吸 附 剂 对 气 体 组 分 吸 附 的 明 显 选 择 和 扩 散 性 的 差异,实现气 体的分 离,淮 南矿区 利用该 技术将 瓦斯浓 度从12%浓缩 至30%瓦 斯 发 电 热 电
24、 冷 联 供 降 温 技 术:建 成 亚 太 地 区 第 一 座 瓦 斯 发 电 热 电 冷 联 供 示 范 工 程,技 术 处 世界 领 先水平,潘一 煤矿井 下采掘 工作面 温度降 幅35 以上,作业 环境得 到明显 改善提高煤矿瓦斯利用的安全稳定性,实现瓦斯减排262 创 新 成 果 首次突破3%9%低 浓 度 瓦斯 直接燃 烧利用 技术 攻 克 了 低 浓 度 瓦 斯 点 火、防爆、安 全 稳 定 燃 烧、防 回 火 脱 火 等 难 题,研 制 了 全球首套3%9%煤矿低浓度 瓦斯 安全稳定 燃烧 装置 该 装 置 成 功 入 选 了 由 国 家 能 源 局 发 布 的2021 年度能
25、源领域首台(套)重大技术装备项目清单,颠覆了“低浓 度瓦斯遇 到明 火就会发 生爆 炸”的传 统理 念为瓦斯全浓度利用提供新的技术途径,为减少温室气体排放提供技术支撑272 创 新 成 果 率 先 攻 克 浓 度3%的 瓦 斯利用技术难 题 率 先 突 破 了 瓦 斯 蓄 热 式 氧 化 利 用(0.75%3%)、乏 风 瓦 斯 自 回 热 型 蓄 热 氧 化 利 用(0.75%)理论与技 术瓶 颈 建成了世界 首 座 低 浓 度 瓦 斯 发 电 站,开 发 了 世 界 首 例 瓦 斯 利 用CDM项目,突 破 了 低浓度瓦斯利用禁区,抢 占甲烷管 控科 技制高点开展瓦斯全浓度利用创新实践,抢
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- 煤矿 瓦斯 治理 动力 灾害 创新 实践 袁亮