《薄煤层保护层卸压开采技术》谢小平著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《薄煤层保护层卸压开采技术》

【作　者】谢小平著

【页 数】 172

【出版社】 徐州：中国矿业大学出版社 , 2017.01

【ISBN号】978-7-5646-3085-0

【价 格】45.00

【分 类】薄煤层煤法

【参考文献】 谢小平著. 薄煤层保护层卸压开采技术. 徐州：中国矿业大学出版社, 2017.01.

图书封面：

图书目录：

《薄煤层保护层卸压开采技术》内容提要：

本书阐述了薄煤层上保护层卸压开采的基本原理及方法，概况了我国煤矿典型矿区薄煤层上保护层开采的最新成果、经验及可供借鉴的国内先进薄煤层卸压开采技术。

《薄煤层保护层卸压开采技术》内容试读

1薄煤层保护层卸压开采技术综述

1薄煤层保护层卸压开采技术综述

1.1我国薄煤层开采概述

我国薄煤层煤炭资源分布地域辽阔，煤层赋存状态比较复杂，水文地质条件也复杂多变。从我国现有煤炭赋存情况来看，薄煤层储量所占比重比较大，我国在近80个矿区的400多个矿井中，赋存750多层薄煤层，保有工业储量98.3亿t,可采储量61.5亿t,约占煤炭总可采储量的19%，其中，厚度为0.8~1.3m的缓（倾）斜薄煤层占86.2%，厚度小于

0.8m的占13.8%，中硬以下的薄煤层层数占总层数的64.59%口。全国国有重点煤矿薄煤层储量为25.29亿t,其中，山西、河北、四川、内蒙古、贵州、东北和重庆，薄煤层储量达

5.01亿t。薄煤层煤炭总储量约占全国煤炭总储量的19%左右，但产量只占总产量的

10.4%,远远低于储量所占的比例，造成产量和储量比例的严重失调。近年来，虽然国家提高对资源合理开发利用的要求，薄煤层的开采日益受到重视，但形势仍然不容乐观，薄煤层的产量依然相对较低，且很难真正实现薄煤层的安全高效开采。

目前，我国薄煤层开采的机械化程度相对还比较低，大多还是采用炮采，产量低、事故多、工人的工作环境恶劣。薄煤层采煤机作为薄煤层开采机械，由于受其本身结构的限制，煤层厚0.8m已是其开采下限，而且维修、操作不便，工人需在极低的工作面条件下跟机作业，劳动强度大、作业环境差。我国薄煤层的开采经历了几个发展阶段)：20世纪50年代薄煤层开采主要使用炮采工艺：60年代开始使用深截煤机掏槽，爆破落煤：70年代薄煤层机组得到较大发展，分别研制出不同类型的刨煤机，包括钢丝绳牵引刨煤机、全液压驱动刨煤

机和刮斗刨煤机等；1974年研制成功BM一100型薄煤层滚筒采煤机：20世纪80~90年代，

我国曾研制了多种型号的刨煤机（包括滑行刨煤机和拖钩刨煤机），以解决薄煤层的开采问题，并在一些局矿的使用中取得了不错的成绩：90年代，天府矿务局和徐州矿务局，分别从俄罗斯和乌克兰引进了螺旋钻采煤机；2003年新汶矿业集团也引进了2台三钻头的螺旋钻采煤机，用于薄与极薄煤层的开采，使一些用传统采煤工艺不能开采的薄煤层、极薄煤层得到有效开采利用。近年来，我国在薄煤层无人工作面采煤技术方面不断进行研究和探讨试验，铁法刨煤机综合机械化无人开采的成功，推动了我国薄煤层开采技术的发展。

将薄煤层作为保护层开采是高瓦斯突出煤层群开采条件下瓦斯灾害防治的重要手段，随着薄煤层采煤设备制造技术和自动化控制技术的提升，以及国家对资源合理开发利用要求的提高，薄煤层的开采日益受到重视，而将薄煤层作为保护层开采也将成为低透气性高瓦斯突出煤层群安全高效开采技术发展的重要途径。

1.2保护层开采的定义与分类

多年的开采实践证明)，保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采技术是防治煤与瓦斯突

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薄煤层保护层卸压开采技术

出最有效、最经济的区域性措施之一，该技术不仅可以避免长期与突出危险煤层“短兵相接”的状态，而且提高了防治煤与瓦斯突出措施的安全性和可靠性。预先开采的并能使其他相邻的有突出危险煤层受采动影响而减少或丧失危险的煤（岩）层称为保护层，即危险煤层掘进和回采之前，在时间和空间上都超前开采的危险煤层顶板或底板内的煤（岩）层。位于突出危险煤层上方的保护层称为上保护层，位于下方的称为下保护层)。由于保护层开采的采动作用并抽采突出危险煤层卸压瓦斯，可使突出危险煤层的突出危险区域转变为无突出危险区，该突出危险煤层称为被保护层。

(1)下保护层分类

根据目前已有的下保护层开采实践考察数据及上覆岩层内垮落带、裂缝带和弯曲下沉带的发育情况，在上覆岩层内无巨厚火成岩等坚硬岩层的条件下，将当量相对层间距20m和40m作为下保护层分类的界限，则下保护层可分为近距离保护层、远距离保护层和超远距离保护层3类，下保护层分类主要取决于上被保护层在“三带”的位置[1。

①当被保护层位于保护层开采裂缝带中上部时，被保护层的采动裂隙虽较为发育，但未完全沟通形成系统，煤层透气性有较大增加，卸压瓦斯仅有部分能自然排放，需要卸压瓦斯抽采才能消除突出危险，此时的保护层类型为近距离下保护层，被保护层称为近距离上被保护层。

②当被保护层位于保护层开采裂缝带与弯曲下沉带边缘时，被保护层采动裂隙以沿层拉张裂隙为主，仅有少量破断裂隙，透气性有些许增加，卸压瓦斯基本不能自然排放，要消除煤与瓦斯突出危险需采取强化瓦斯抽采措施，此时的保护层类型为远距离下保护层，被保护层称为远距离上被保护层。

③当被保护层位于保护层开采弯曲下沉带内时，被保护层采动裂隙仅有少量沿层拉张裂隙，透气性较原始煤层仅有数倍增加，卸压瓦斯仅出现解吸，没有运移现象，要消除煤与瓦斯突出危险需采用密集钻孔等强化瓦斯抽采措施，此时的保护层类型为超远距离下保护层，被保护层称为超远距离上被保护层。

(2)上保护层分类

生产实践发现，底鼓裂缝带的高度为18~20倍采高，在底鼓变形带内，当量层间距不大于50m时，被保护层均可消除突出危险，因此，将当量相对层间距20m和50m作为上保护层分类的界限，则上保护层分成近距离保护层、远距离保护层两类幻。

①当被保护层位于保护层开采底鼓裂缝带中下部时，被保护层的沿层采动拉张裂隙虽较为发育，但未完全沟通形成系统，煤层透气性有较大增加，卸压瓦斯仅有部分能自然排放，需要进行瓦斯抽采才能消除突出危险性，此时的保护层类型为近距离上保护层，被保护层称为近距离下被保护层。

②当被保护层位于保护层开采底鼓变形带中上部时，被保护层发生少量膨胀变形，仅有少量岩层拉张裂隙，透气性有些许增加，卸压瓦斯基本不能自然排放，要消除煤与瓦斯突出危险需采用密集钻孔等强化瓦斯抽采措施，此时的保护层类型为远距离上保护层，被保护层称为远距离下被保护层。

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1薄煤层保护层印压开采技术综述

1.3国内外研究现状

1.3.1薄煤层开采研究现状

近些年来厚及中厚煤层高产高效开采技术的发展有了较大提高，而薄煤层开采因开采条件复杂、劳动强度大、经济效益低、设备不配套等，开采技术水平相对较低。随着厚及中厚煤层资源的减少和一些矿井开采顺序的发展，我国将逐步加大薄煤层的开采。大多数薄煤层的地质条件比较恶劣，工作面空间狭小，所以开采难度比较大，薄煤层开采技术的发展还比较缓慢。

目前，国外发达国家的极薄煤层开采机械化水平较高。乌克兰顿巴斯主要研究刨煤机和螺旋钻机采煤，取得了较好的经济效果，主要适用于开采薄煤层和极薄煤层（煤层厚

0.4~1.5m);波兰研制的KSE一360型极薄煤层滚筒采煤机，适用于厚度1.0~1.6m、倾

角小于35°的煤层：德国薄煤层生产全部实现综采化，德国DBT(德国采矿技术)公司生产的

高效长壁连续智能刨煤机应用于鲁尔矿区1.3m的煤层中，使生产能力大幅度提高，实现了高产高效。

1.3.2保护层开采研究现状

超前开采保护层是防止煤与瓦斯突出的有效措施，该措施作为防突的区域性措施在国内外突出矿井开采煤层群时被广泛应用。

1933年法国最早进行保护层开采试验研究，波兰、德国等国也应用开采保护层防治突出，前苏联也是研究保护层开采最早、最广泛的国家之一，在保护层开采、保护范围划定，突出危险参数变化规律研究，以及卸压瓦斯抽放等方面都积累了较为丰富的经验[)。我国从1958年开始在北票和重庆矿区进行试验研究，目前，北票、天府、中梁山、松藻、南桐、涟邵、乐平、鸡西、水城、六枝等矿区都在应用这一措施，取得了显著的效果。近年来，淮南等局矿的保护层开采又取得了新的成果。1997年，我国开展了开采远程下保护层上向卸压，低抽巷网格式钻孔抽放瓦斯技术研究，在淮南潘一、潘三矿试验成功。1998年，我国又针对高瓦斯煤层群开采，开展了上保护层下向卸压，低抽巷上向网格式钻孔抽放瓦斯技术研究，在新庄孜矿试验成功。2001年，我国开展了急倾斜煤层开采保护层卸压，低抽巷网格式钻孔抽放瓦斯技术研究，在谢李公司二井试验成功91.2006年，刘泽功、袁亮山认为低透气性松软高瓦斯煤层群的治理首先应开采关键卸压层，对御压后顶底板岩层裂隙变化、瓦斯运移等

规律进行了研究，发现存在竖向发育裂隙区。卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到“O”形圈内，因此

形成瓦斯积存池。2008年，石必明、刘泽功运用RFPA软件对保护层开采后被保护层的裂

隙及变形进行了分析，提出被保护层垂直变形呈“M”形分布，并阐述了层间距对膨胀变

形的影响。

1.3.3保护层开采后裂隙分布规律研究现状

开采保护层后可引起岩层移动与破坏，并在岩层中产生采动裂隙。按岩层采动裂隙出现的位置可以分为顶板岩层采动裂隙、底板岩层采动裂隙、煤层采动裂隙和地表采动裂隙。按采动裂隙的性质可以分为竖向破断裂隙、岩层层间的离层裂隙和断层面的活化)。贯通的竖向破断裂隙是地下水和瓦斯穿层流向工作面与采空区的通道；保护层采动裂隙分布的研究对于煤层采动瓦斯卸压流动、煤矿瓦斯事故及煤层气资源的高效开采有着重要的指导

。3。

薄煤层保护层卸压开采技术

作用。

钱鸣高院士根据砌体梁理论对煤层开采后上覆岩层运动规律提出了“横三区”、“竖三带”的总体认识幻，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，自下往上岩层运动分为垮落带、裂缝带、整体弯曲下沉带；钱鸣高院士等于1996年提出岩层控制的关键层理论，为深入研究岩层内部运动的动态过程和岩层采动裂隙动

态分布提供了理论根据，并建立了卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论。1999年，李树刚等通过相

似模拟实验分析了采动后上覆岩层活动特征对裂缝带分布形态的影响，首次提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后呈椭抛带的分布特征16)。2003年，俞启香、程远平、袁亮等运用数值模拟与现场试验相结合的方法，研究了上覆远程卸压岩体裂隙分布规律，得出首采煤层开采之后其上覆远程卸压岩体发生弯曲下沉，在卸压煤层中形成顺层张裂隙为主的裂隙分布的结论)。2004年，周世宁、俞启香、石必明等通过对缓倾斜煤层保护层开采远距离煤岩破坏变形的研究，得出上覆岩层垮落和裂隙演化规律8。刘泽功、范维澄、廖光煊研究了受采动影响情况下覆岩裂隙的时空演化机理，研究表明，采场上覆岩层在采动过程中岩层之间产生不协调的连续变形，这种岩层间的不一致变形会形成岩层移动中的各种裂隙分布2]。2005年，谷明轮通过对下保护层开采岩体移动观测给出了采动裂隙的分布规律21)。2005年，石必明、俞启香基于相似模拟试验，首次应用非接触式数字近景摄影技术研究远距离保护层开采过程中上覆岩层微变形移动特性。1,3.4无煤柱开采研究现状

(1)国外无煤柱开采现状

当今世界一些主要产煤国家也在积极推行和应用无煤柱开采技术，如波兰、德国、英国、法国等，开展了大量的试验和研究工作，并且取得了很多宝贵的研究成果，对无煤柱开采技术的提高作出了巨大的贡献[2)。英国是以长壁式开采为主的国家，由于采煤方式是前进式，所以积极推行无煤柱开采。其巷内支护多采用金属可缩支架、巷旁支护采用矸石带及充填带，为了克服矸石带可缩量大的缺点，英国还通过在矸石带内充填黏性膨胀土和水泥来提高矸石带的载荷能力，改善其受载荷时的力学性能。同时，英国的部分矿井还运用了机械化的充填方式来进行沿空留巷的自动充填，避免了人工作业的繁琐，提高了填充的效率。德国的部分矿井主要是采用沿空留巷技术，20世纪80年代末期其主要采用膨胀黏土和充填石膏作为巷道的填充材料，形成了具有很高抗压性和密实性的充填带，并可以起到防止采空区

漏风、遗煤自燃和有害气体扩散的作用。90年代后期，德国在世界上首次采用了重型U型

钢支架对巷道支护，使用膏体充填材料进行巷旁充填，其技术和工艺均处于当今世界领先水平[2

前苏联和波兰等国家对巷内支护和煤层顶板进行了分类研究，做了大量的现场测试工作，采用可缩性支架和水泥、炉渣、矸石混合制成的轻型混泥土块对留巷进行维护，并取得了很好的效果。

(2)国内无煤柱开采现状

无煤柱开采就是在采煤过程中紧贴采空区，保留和维护上采区段的机巷作为下采区段的回风巷，其间不预留煤柱而采用其他方式维护巷道的开采技术；这种开采技术可以提高开采效率和资源回收率、降低冲击地压对巷道的损坏，减少巷道的掘进量和维护量，是目前广泛采用的一种开采方式2幻。我国的无煤柱开采技术大致经历了3个发展阶段：20世纪50

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1薄煤层保护层卸压开采技术综述

年代初期，我国在对鸡西、焦作等一些薄煤层或中厚煤层的开采中首次采用了大块矸石带替代煤柱作为巷旁支护，即在采煤工作面的输送机巷砌矸石墙，将该巷道保留下来作为下区段采煤工作面的回风巷，其中，1952年对峰峰四矿在厚煤层倾斜分层顶层和底层试掘沿空回风巷成功，为我国缓倾斜厚煤层沿空掘巷开创了先例。但是当时并没有形成完整的“无煤柱开采”技术体系2)。20世纪60年代中期，为了提高煤炭采出率，提高矿井开采寿命，在某些

大型煤矿取消了运输大巷的煤柱，实行跨越式回采技术；1966年3月，在准南谢一矿A煤

层沿上阶段采空区掘进风巷，并进行了短期矿压观测，取得了较好的护巷效果。另外，在开滦、焦作、阳泉等矿区，厚煤层分层开采一般都应用了沿空掘巷，并取得了成功的经验。这说明当时无煤柱开采工艺的改革已经在我国煤矿中开始兴起。20世纪70年代至80年代，我国开始重视无煤柱开采技术，并着手对某些高瓦斯、易燃的煤层实行无煤柱开采方法进行研究：在护巷技术和工艺方面做了大量的开拓性工作，如巷内支护原来的木支架、刚性金属支架转化为金属可缩性支架，充填材料也由矸石逐渐转化为硬石膏和合成水泥，从而把沿空留巷技术引入新的发展阶段26]。20世纪80年代末至90年代初，我国从国外引进了高水充填技术，采用甲乙料充填，由高强度水泥和石膏反应形成结石、通过双液浆进行充填，形成连续墙体对巷道进行支护，此方法在全国得到了广泛的运用2。在无煤柱采煤的使用范围上，我国已经对薄煤层、中厚缓倾斜煤层、厚煤层分别实施了沿空留巷技术，并取得了成功，而且支护材料的密闭性和强度也比以前有了很大的改善。尽管无煤柱开采被公认为是一种先进的技术，具有一系列的优点，但是其本身还是正在发展的技术，并且受多方面条件的制约，如在许多高地压、快速掘进的工作面和复杂地质条件下无煤柱留巷技术逐渐显示出捉襟见肘的态势，由于技术难以突破，留巷不能实施，并且随着矿井开采深度的增加，巷道矿压显现日益剧烈，在许多复杂地质条件下煤层巷道在第一个工作面超前采动的影响时即发生强烈变形，支架严重折损，不具备留巷的条件。因此，自20世纪80年代末，由于深层次的技术问题没有根本解决，无煤柱开采技术一直处于停滞阶段。

1.3.5卸压煤层瓦斯抽采研究现状

(1)国外瓦斯抽采技术应用现状

美国以地面钻孔瓦斯抽采（煤层气开发）为主，1981年开始从事煤层气商业化开采，1989年取得突破性进展，1991年产量超过90亿m3,1994年达到215亿m3,其中，在未开采矿区抽出180亿m3,占总产量的83.7%，12个生产矿井抽出35亿m3。目前，美国年抽出瓦斯量已接近400亿m3,巨大的瓦斯抽采量已成为美国一个重要的能源开发产业。美国12座矿井从事煤层气工业化开采，大大减少了矿井通风费用，改善了生产安全条件，从根本上防止了瓦斯灾害事故的发生，并向市场销售了大量的高质量气体，产生了显著的社会经济效益242。

英国生产矿井的瓦斯抽采率达到45%以上，抽出的瓦斯全部被利用。英国在废弃矿井瓦斯抽采方面也取得成功，抽采废弃矿井的瓦斯用于发电，获取了新的洁净能源，同时减少废弃矿井瓦斯向大气泄露，减少了对环境的污染)。

澳大利亚也是世界上主要产煤国之一，对瓦斯抽采也极为重视。澳大利亚立法规定，煤层瓦斯含量高于10m3/t时必须进行抽采，只有当瓦斯含量低于10m3/t时方可在足够供

风条件下布置采掘工程。澳大利亚BHP公司在鲍恩和悉尼盆地实施的煤层气开发计划

中，在鲍恩盆地北部的布罗德梅多地区试验过未开采区地面钻孔煤层气开发，但由于煤层渗

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通煤层保护层卸压开采技术

透性差、水力压裂成本高、效率低，使开发在经济上不可行，因此澳大利亚目前主要还是在煤矿井下抽瓦斯。澳大利亚悉尼和鲍恩煤田广泛采用井下水平钻孔和斜交钻孔抽采瓦斯，使煤层瓦斯含量降低到3~5m3/:以下，基本上消灭了瓦斯灾害事故，抽出的瓦斯广泛应用于发电，也取得了显著的社会经济效益[3山

前苏联是世界上煤层气资源量最丰富的国家之一，前苏联抽采瓦斯仅为解决煤矿瓦斯安全问题，没能够有效利用煤矿瓦斯资源。前苏联的瓦斯抽采量在1985就超过21亿3，有效控制了煤矿瓦斯事故。加拿大煤层气资源量丰富，居世界第二位，其瓦斯的抽采主要是地下抽采，地面钻孔抽采瓦斯仍处于勘探试验阶段，据预测，随着瓦斯抽采技术的提高和对瓦斯资源的重视，加拿大煤层气工业化开发的进程将会加快发展。波兰煤层瓦斯主要赋存在下西里西亚、上西里西亚和芦布林盆地矿区，目前西里西亚18座煤矿井下年抽采瓦斯量就达到9.12亿m3,年利用瓦斯量2.82亿m3,有效治理了煤矿瓦斯灾害321。

(2)国内瓦斯抽采技术发展状况

我国的煤矿瓦斯研究开始于20世纪50年代煤矿井下的瓦斯抽放，主要集中在抚顺、阳泉等高瓦斯矿区，抽采出的瓦斯大部分排放到大气中，污染大气的同时浪费了宝贵的资源。60年代到70年代，国内煤矿逐渐认识到瓦斯资源的利用价值，部分矿区抽采的煤矿瓦斯气体逐渐投入民用和小规模的工业利用。70年代末期，一些矿井进行了地面瓦斯抽采试验，将瓦斯资源从煤炭能源中独立出来，作为单独的能源开采，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂试验，但是抽采效果不佳。“六五”期间，煤炭、石油以及地质等行业相互合作，通过国家重点科技攻关项目对煤矿瓦斯资源进行区域性评价和基础理论研究。“七五”期间，设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”项目专题，对我国煤层气资源从总体上作出初步认识。1989年，在沈阳首次召开了“开发煤层气研讨会”，会议上对瓦斯的认识有了根本性的改变，由“瓦斯灾害”转变为“优质能源”。“八五”期间，设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”国家科技攻关项目专题。此后，煤层瓦斯的研究重点转移到抽采工艺上。1992年和1993年，我国的“中国煤层气资源开发”项目和“中国深层煤层气勘探”项目得到联合国全球环境基金资助，推动了中国煤层气的勘探开发的发展。1996年以后，科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”和“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等一批有影响的国家级研究项目和规划相继完成，对矿井瓦斯的抽采逐步深入。到目前为止，对全国范围内的煤层瓦斯资源的分布、储存特征取得了基础性认识，圈定了煤层瓦斯资源开发的有利地区。但是由于我国的煤层瓦斯普遍具有瓦斯压力低、渗透率低等特点，采用地面抽采瓦斯的方法不能很好解决井下瓦斯问题。现阶段，瓦斯资源的开发利用逐渐由地面煤层气开发转向井下瓦斯抽采，并形成了一套完整的井下瓦斯抽采体系，例如，掘前预抽、边掘边抽、采后抽取、卸压瓦斯钻孔抽取以及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等。目前，我国已经有一百多个矿井建立了井下瓦斯抽采系统，年抽采瓦斯量达6亿m3以上，抽采瓦斯利用率达80%，但井下瓦斯的抽采率很低，只有20%左右[3

钱鸣高院士首次提出了“煤矿绿色开采”的概念，煤与瓦斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一，其研究内容和发展方向具有重要的理论意义和现实意义[)。目前，我国煤矿在防治瓦斯灾害方面正在转变观念，在采掘部署上把煤层瓦斯抽采纳入煤矿正规生产的工艺流程，煤层瓦斯的开发和利用向规模化、系统化方向发展。将瓦斯作为一种资源抽采，

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···试读结束···