煤与瓦斯突出厚煤层群保护层开采与瓦斯预抽防 突 .doc

1、2007 安全生产优秀科技成果论坛技术报告汇编国家安全生产监督管理总局规划科技司二七年九月前 言 前 言科技进步支撑和引领安全发展。大力推 进安全科技创新，是建设创新型国家的内在要求，是提高安全科技自主创新能力、调整 经济结构、 转变经济增长方式、从根本上化解制约安全生产深层次矛盾的重要途径，是建设本质安全型企 业、提高企 业安全生产水平的有力支撑，也是建设平安社区，构建和谐社会的重要保障。党中央、国务院高度重视安全生 产及安全科技工作，要求 “加快推进安全生产科技进步， 针对重点行业和领域的共性、关键性安全生 产技术难题， 组织开展安全生 产科研攻关，提高安全生产技术水平和安全装备水平”，把

2、“推动安全科技进步作为安全生产的重要治本之策”。“十五”期间，全国安全生产科技工作取得了长足发展，初步建立了企业为主体、科研机构和大专院校为中坚力量、社会广泛参与、国内外密切合作的“ 产 学研”一体化科技创新体系，培育了一支具有较大规模、较高水平的安全科技 队伍，在安全科学基 础理 论研究与应用、重大工业事故预防预警与应急救援、重大危险源普查及 监控、事故重大 隐患治理、安全管理等方面取得了一系列科研成果，一大批优秀科技成果得到推广与应用，安全科技 进步支撑和引 领“安全发展”的作用日趋显著，有力促进了全国安全生产继续保持总体稳定、 趋于好转的发展态势 。“十一五”是我国落实科学发展观、构建社

3、会主义和谐社会、全面建设小康社会的关键时期，安全生产同样面临严峻的挑战。安全 发展是经济社会发展的基 础、前提和保障，坚持节约发展、清洁发展、安全发展，实现可持续发展。加强安全生产工作要始终坚持依靠各级党委政府、依靠相关部门、依靠企事业单位、依靠社会公众广泛参与和密切合作。努力推动安全文化、安全法制、安全责任、安全科技、安全投入等要素落实 到位，提升安全保障能力，推 动科技进步引领支撑安全生产。坚持一手抓研发攻关，一手抓推广应用，典型引路、集成推广，使那些技术成熟、先 进适用的科技成果尽快普及，转化为有利于安全生产的先 进生产力。国家安全生产监督管理总局根据“十一五”安全生产科技发展规划，围绕

4、安全生产“落实年”和“攻坚年”的目标任务，针对煤矿、非煤 矿山、危 险化学品、烟花爆竹等重点行业领域安全生产技术的紧迫需求，确定了煤矿瓦斯高效抽放技 术与装备、煤 矿安全网 络化综合监测监控系统、矿井提升安全保护技术与装备、矿山井下人 员位置监测技术与装备、非煤露天矿中深孔爆破开采技术、危险品和长途客运车辆行驶监控技术、高安全性烟花爆竹 药剂与生产 技术、重大危 险源监控与应急救援辅助决策系统、生产过程高可靠性安全管理体系等九 项安全生产优 秀科技成果“十一五”重点推广方向，将进一步促进安全生产科学技术创新成果的研究与推广应用，这些优秀科技成果的推广将为安全生产形势的好转发挥积极的作用。“20

5、07 安全生产优秀科技成果论坛” 将就上述九项安全生产优秀科技成果重点推广方向进行交流研讨。本次论坛由国家安全生 产监督管理总局规划科技司主 办、 总局通信信息中心承办。本汇编由总局通信信息中心编辑发行。目 录目 录煤矿瓦斯高效抽放技术与装备 煤与瓦斯突出厚煤层群保护层开采与瓦斯预抽防突技术 .张振龙 / 1煤矿安全网络化综合监测监控系统 煤矿安全网络化综合监测监控系统 .马 平 /21红外气体分析技术在煤矿甲烷检测领域的创新应用 .孟 伟 /25矿井提升安全保护技术与装备 矿井提升安全保护技术与装备 .贾福音 /28矿山井下人员位置监测技术与装备 加强煤矿生产安全 规范企业定员管理的新技术

6、.王 勇 /31矿山井下人员位置监测技术与装备 .陈荣光 /36非煤露天矿中深孔爆破开采技术 非煤矿山开采爆破公害预测（飞石、地震等）系 统 .郭金峰 /42危险品和长途客运车辆行驶监控技术 用高科技手段为危险品运输保驾护航 .富 斌 /47重大危险源监控与应急救援辅助决策系统 重大危险源监控与监管关键技术成果汇报材料 .吴宗之 /54重大危险源监控与应急救援指挥系统 .王三明 /60生产过程高可靠性安全管理体系 生产岗位安全 标准化作业项目 .许 杰 /65煤矿瓦斯高效抽放技术与装备 - 1 - 煤与瓦斯突出厚煤层群保护层开采与瓦斯预抽防突技术鹤岗矿业集团有限责任公司 张振龙 一、 南山煤矿

7、及采区自然状况 鹤岗矿区南山煤矿为煤与瓦斯突出、易自燃厚煤层群开采的典型矿井，现主要开采 15 号和18 号煤层，其中 15 号层厚度 1115m、18 号层 1214m，层间距平均 2033m，均属突出危险煤层，其上、下均无可选择的保护层开采条件。因此研究煤与瓦斯突出、厚煤层群保护层开采技术与瓦斯预抽防突技术对于确保矿井安全、高效开采具有重大意义。盆底区位于南山矿井田中部，开采的煤层标高为-145-295m，区域南北长 1650 m，东西宽1010 m，区域 2 个主采煤层范围为：15 层：东至南 1断层和南 13断层上盘交面线，南至西二区 15层五分段溜子道，西至南 14断层上盘交面线，北

8、至北五区 15 层六分段溜子道和北外区 15 层三分段设计溜子道。18 层：东至南 1断层和南 13断层上盘交面线，南至西二区 18 层四分段溜子道和 F46断层上盘交面线，西至南 F11断层上盘交面线，北至北五区 18 层五分段下块设计溜子道和北外区 18层三分段设计溜子道。盆底区南翼一分段位于盆底区南部（图 1） ，生产水平为三水平，开采煤层标高为-145-295m，区段走向长 780m，倾斜长 150m，煤炭储量 130 万吨。该区段主采煤层为 15 号层和 18 号层，均为突出危险煤层。该区上覆 11 层与 15 号层间距 100140 米，在本区范围内的工作面已于 1992年前开采完

9、毕，标高在-50 到-110 之间；12、13、14 层为不可采煤层；下部 15-3（18-1）层煤尚未采动。 该区段回风道下部为西二区 15 层五分段下块，15 号层顶分层于 2003 年 1 月2004 年 3 月回采完毕，底板层于 2004 年 1 月2005 年 4 月初回采完毕。溜子道上部为盆底区南翼二分段未采区。切眼右面为矿区井田东部边界。停采线左面为 15 层未采区域。该区域构造较为简单，15 号煤层厚度 712 米，倾角 422，煤层走向约 N75E。盆底区南翼一分段试验区煤层采用两种防突开采方案分两段开采。前段试验工作面采用基于保护层开采思想的分层开采技术，首采 15 层一分

10、层作为保护层开采，使 15 层底分层得到保护和消除突出危险，然后 15 层底分层采用综采放顶煤技术进行高效开采。后段试验工作面采用基于本煤层预抽的一次放顶煤开采技术，首先通过 15 号层的瓦斯预抽技术，消除 15 号层的突出危险，然后采用综采放顶煤一次采全高技术高效开采 15 号层。通过 15 号层的安全开采，作为 18 号煤层的保护层开采，从而使 18 号煤层得到保护和消除突出危险，满足综采放顶煤一次采全高高效开采技术的使用条件，最终实现高瓦斯、易自燃突出厚煤层群的安全、高效开采。前一种基于解放层开采的分层开采技术将丰富厚煤层群开采无保护层开采条件时的合理、安全、高效开采问题，后一种基于本煤

11、层预抽的一次放顶煤开采技术将大大简化厚煤层群分层开采的工艺，减少煤层自燃发火的几率，若试验成功，将是对原研究计划的拓展和丰富，研究结果将更具指导意- 2 - 2007 安全生产优秀科技成果论坛技术报告汇编义和示范作用。回风巷剖面H1.5 45 -190-20-210-20-170-160-230-240 -20-210-202123635 172162630181715263031501513014415302161218215141524302-16.4-20.7-192.34F72-143.6F724 -14.-15. 4D7575-1.24D758-12.91-179.517301525

12、一515-一18一一18-218-2一一13131562816-189.402613-10一一 一一 一 一 一一 一 一2一一0335一235一15-2一 一0.81一一15 3220一 一4F723一621-26.1057一 一 一 2723215V74318-2-15.24.1021.02584初期 停 采 线一 分 层 停 采 线切 眼初 期 溜 子 道后 期 溜 子 道初 期 回 风 道后 期 溜 子 道初 期 瓦 斯 尾巷后 期 瓦 斯 尾巷施工道初 期 入 风 初期回风反上 初期尾巷上山后 期 皮 带 道 后期入风上山后期回风反上设 计 停 采 线 -143.0-167.3F2H

13、=1.5m465H=.mF1-196.上 架 子 道-193.-20.-216.-231.5-23.6一分 层停 采线煤层 分叉 线18层18层一 分 层 停 采 线煤 层 分 叉 线-142.后 期 溜 子 道后期皮带道 后期尾巷反上后 期 回 风 道后 期 顶 板 尾 巷-173.0-153.0一分层回风反上 初期回风反上 尾巷上山一 分 层 立 眼一 分 层 立 眼一 分 层 立 眼一 分 层 立 眼-153.0后期回风反上设 计 停 采 线设 计 停 采 线三 水 平灌 浆 道一分层 切眼 切眼溜 子 道顶 板煤 柱瓦 斯尾 巷一 分 层 回 风道-280机道初 期 煤 仓初期入风一分

14、层入风道子溜道 子溜层分一初期施工道一 分 层 施 工 道一分层 切眼 切眼-216.78-20.818层-214.8-194.02-209.1-231.50-196.5-2层-231.0-196.0-230.918层-190.-184.5 -230.-187.452层86-01.-20.3-207.409.92043-20.1-20.3833967935V785V75V36V735V745V75V745V745V745A75A5A72-213.-201.393-18.5-167.3-167.-179.3-190.-208.5-21.4-217.0056-231.6-23.76-190.253

15、-198.5198-194. -234.-193.-10. -234.-19.顶-167.51-189.70-14.20溜子道剖面 5D703-2.-215.D708-25.5D71-230.485D712-3.5D713-2.805D714-23.65D71-240.85D720-4.835D721-4.-235.6475D723-40.6-238.9-28.-238.65A710-25.7A134-23.1-274.顶 -275.8-258.-256.-21.-21.9 -27.8-243.530-256.3-256.4-256.-256.-25.-25.7-25.-24.35034-25

16、6.90-29.0-29.328-156.0-248.0-25.0机道机道-240图 1 盆底区南翼 15#一分段工作面平面及剖面图煤矿瓦斯高效抽放技术与装备 - 3 - 二、 煤与瓦斯突出预测敏感指标及临界值研究1. 15 号层钻屑解吸规律的实验室考察为了确定钻屑解吸指标h 2同充气瓦斯压力 P、瓦斯放散初速度P、煤坚固性系数 f 之间的关系，从盆底区北五外区综放面回风道采取煤样，在实验室进行了考察。实验室对煤样除了测定P、f 值外，对煤样分别充以 0.11.4MPa 之间不同的瓦斯压力，吸附平衡 48h 以上，然后考察h 2同压力 P 之间的变化关系，考察测定 5 个点。各参数的测定结果见

17、表 1，煤样钻屑瓦斯解吸指标h2同瓦斯压力 P 的关系见图 2。2. 突出预测敏感指标的跟踪考察及结果分析（1） 跟踪考察结果跟踪考察了盆底区南翼 15 号层一段底板层回风道、溜子道，南翼 15 号层一段一分层切眼、溜子道、机道，南翼 15 号层一分段一分层工作面以及其它地点的掘进过程，测定了钻屑解吸指标h2、钻屑量 S 和钻孔瓦斯涌出初速度指标 q，同时考察了巷道掘进过程中煤层地质构造及产状变化及突出预测、措施效果检验过程中喷孔、夹钻、片帮、瓦斯异常等煤与瓦斯突出动力现象，具体考察测定 63 组预测数据，其预测指标超标情况见图 3-图 5（图中直线为各指标的预测临界线，直线以上为预测有突出危

18、险） 。表 1 煤样实验室参数考察结果煤样名称吸附平衡瓦斯压力（MPa）h 2( Pa ) f K P0.10 1600.50 3600.77 4401.02 4801#煤样：盆底区南翼 15#层一分段底板层工作面1.40 5400.48 9.65 4.630.22 1000.37 1400.70 2201.02 2602#煤样：北五外区 15#层综放面回风道1.45 3000.28 27.86 7.8002004006000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6P(MPa)h2(Pa)1#煤 样 2#煤 样图 2 煤样瓦斯解吸指标 h2 同吸附瓦斯压力 P 关系

19、曲线- 4 - 2007 安全生产优秀科技成果论坛技术报告汇编01002003004005000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65N(次 )h2(Pa)图 3 钻屑解吸指标h2 预测分布图（临界值为 200）0510152025300 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65N(次 )S(kg/ma)图 4 钻屑量 S 预测分布图 （临界值为 6）02468100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65N(次 )q(l/min)图 5 钻孔瓦斯涌出初速度 q 预测分布图（临界值为 4

20、.5）（2） 突出预测敏感指标及临界值分析突出预测敏感指标是指对某一矿井突出煤层工作面进行预测时，能够明显区分出突出危险和非突出危险的突出预测指标，即在突出危险和非危险工作面实测该指标的值无交叉或交叉区域较少。标志突出危险的指标最小值即为突出预测敏感指标临界值。工作面突出预测各项指标的临界值，应根据现场测定资料确定。由于各突出矿井煤层地质赋存条件的差异，敏感指标及其突出临界值也是不同的。因此根据 15 号层采掘实际情况开展工作面预测，确定该煤层适用的突出预测敏感指标及其临界值。用“三率”法和灰色关联分析法，根据突出预测结果，对 15 号层的突出预测敏感指标及临界值进行分析研究。通过现场实测和实

21、验室考察研究相结合，利用 “三率”法和灰色关联分析方法，煤矿瓦斯高效抽放技术与装备 - 5 - 分析确定了南山煤矿 15 号层的突出预测敏感指标及临界值，分析结果如下：（1）通过“三率”法分析预测结果，结合灰色关联分析法，钻屑解吸指标h2 和钻屑量 S 敏感性相对较好。 （2）钻屑瓦斯解吸指标根据实验室测定结果，结合现场测试结果，其临界值定为 360Pa 是可行的；钻屑量 S 值成功地预测到了冲击地压的发生，从防冲击地压考虑，其临界值仍为 6.0kg/m。（3）实验室分析得出钻屑瓦斯解吸指标h2 同瓦斯压力及突出危险性综合指标 K 之间更好地符合以下关系： 。0948.5321.26KPh（4

22、）由于 15#层已进行了瓦斯抽放，所得出的结果只对预抽煤层的效果检验有一定的指导意义，对于原始煤层，其敏感性和临界指标还有待进一步验证三、15 号层一分层回采工作面采前瓦斯预抽防突技术1. 15 号层一分层回采工作面采前瓦斯预抽防突技术盆底区南翼 15 层一分段区段工作面布置见图 1。该区段自 2003 年 10 月 28 日开始进行了煤层瓦斯预抽，到开采前（2004 年 12 月末）区域瓦斯预抽率为 10.3%，没有达到细则规定的防突预抽率指标 25%。经充分的研究与论证，确定该区段 15 号煤层前段 445m 采用基于保护层开采思想的分层开采技术，首采 15 层一分层作为保护层开采，以实现

23、 15 号底分层消除煤与瓦斯突出危险，满足综采放顶煤开采技术条件，探索、研究厚煤层群无保护层开采条件下的保护层开采技术。15 号层一分层回采工作面区域采前进行了瓦斯预抽，预抽方法为底板穿层钻孔预抽。在该区段 15 号层底板岩石巷布置钻场，在钻场内向 15 号层布置穿层钻孔。钻场间距一般为 50 m，每个钻场布置 1520 个钻孔。钻孔布置为上下两排，终孔位于煤层顶板，间距 15m，钻孔直径 75 mm。在 15 号层一分层回采工作面区域布置 10 个钻场抽放，240 个抽放钻孔，钻场位置及钻孔参数见图6。各钻场自 2003 年 10 月 28 日开始相继投入抽放，抽放期间，钻孔抽放浓度平均为

24、71%，单孔瓦斯抽放纯量为 0.0090.0 12 m3 /min。截止 15 号层一分层回采工作面开始回采，平均抽放 422.7天，共预抽瓦斯 154.7 万 m3，该区域瓦斯预抽率为 10.3%。运 输 机 道运 输 机 道 切 眼回 风 巷入 风 巷图 6 15 号层一分段预抽钻孔布置图- 6 - 2007 安全生产优秀科技成果论坛技术报告汇编2. 15 号层一分层开采过程中瓦斯治理与抽放技术15 号层一分层回采工作面为 15 层的首采工作面，虽然在采前进行了预抽，但预抽率仅在 10%左右，因此开采过程中瓦斯涌出量仍较大，根据预测计算并结合矿井类似回采工作量的瓦斯涌出情况，预计该回采工作

25、面的绝对瓦斯涌出量将达到 40 m3/min 左右。因此应根据采场瓦斯来源，采取瓦斯综合治理技术进行分源治理。该工作面回采期间采用了回采工作面边采边抽、通风稀释和专用瓦斯巷排放的瓦斯综合治理技术。（1）通风稀释瓦斯回采期间工作面配风 15802670m3/min，回风风量 7801890m3/min，回风流中瓦斯浓度为0.31.0%，风排瓦斯绝对量为 21.645.1m3/min，平均为 26.8m3/min。通过通风稀释，有效地处理了采场瓦斯。工作面自 2005 年 1 月 1 日开始回采，2005 年 7 月 3 日停采，累计风排瓦斯约为 284万 m3。（2）专用瓦斯巷排放瓦斯在 15

26、号层底板岩层布置专用瓦斯排放巷，与工作面回风道外错 2030 m。从工作面回风道向专用排瓦斯巷送 4 个立眼作为联络巷，间距为 100m，专用排瓦斯巷与总回风道相连进行瓦斯排放（图 7） 。专用排瓦斯巷巷道形状为拱型，断面积 8m2，巷道支护采用 U 型钢架棚支护。回采期间，专用排瓦斯巷配风 3601400m3/min，瓦斯浓度为 1.52.5%，排放瓦斯绝对量为8.0033.56m3/min，累计排放瓦斯为 422 万 m3。 -189.70-234.-190.7-234.-23.7-231.6-20.5一 分层 停采 线一 分 层 回 风 反 上 一分层立眼 一分层立眼 一分层立眼 一分层立眼三 水 平 灌 浆 道 一 分 层切 眼一 分 层 回 风 道图 7 一分层立眼、回 风道剖面图一分层停采线9钻 场 8钻 场 钻 场 6钻 场 5钻 场 4钻 场 3钻 场 2钻 场 1钻 场回 风 巷入 风 巷 入 风 巷2 切眼15号 层 一 分 层号 层 底 分 层回 风 巷图 8 15 号层一分层回采期间入风巷边采边抽钻孔布置图（3）瓦斯抽放技术 顺层交叉钻孔沿工作面进风巷布置，在工作面进风巷共布置 9 个抽放钻场，钻场间距 40m，每