煤炭资源安全高效开采技术的发展现状及方向

1. 煤炭资源安全高效开采技术的发展现状及方向 宋 振 骐 山东科技大学 二零一二年二月

2. 第一部分 煤炭在我国能源保障体系建设中的地位 第二部分 我国煤炭开采理论发展的成就 第三部分煤炭资源开发中的问题 第四部分 煤炭开采技术发展的方向 第五部分 顶板和冲击地压灾害控制的意见

3. 煤炭在我国能源保障体系建设中的地位

4. 1.1 煤炭资源储量及所处地位 • 煤炭资源储量 ①2010年已探明的地质储量为1.5万亿t ②预计储量4万亿t 中国煤炭资源按深度分布的储量

5. 煤炭资源储量在化石能源中的地位 ①我国化石能源可采储量查明情况 ②我国煤炭储量在化石能源中所占比重

6. 煤炭资源储量在化石能源中的地位 ③我国能源储量排名

7. 1.2 煤炭产量及其在能源生产总量中的比重 ①我国近十年煤炭产量情况 我国煤炭产量由2001年的13.81亿t增长到2010年的33亿t，年 均增加1.9亿t，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济发展和国力保障的重要基础。 1999～2010全国煤炭产量

8. ②2010年煤炭产量及2020年需求量预计 国家目前仍然处于基础设施建设、制造业和城市化的高峰期，对矿产品的需求仍然以较高的速度增长。2010年煤炭产量33亿t（占世界产煤总量的45%），“十二五”末规划38亿t，增长24.6%。 ③煤炭生产在我国能源结构中的比重 煤炭在一次能源结构中的比例 2008年中国一次能源消费构成

9. 煤炭资源在能源保障体系建设中的地位 ①煤炭在我国能源结构中的主体地位近50年内不会改变； ②煤炭安全高效生产和高效洁净利用是我国能源保障体系建 设中的重中之重

10. 我国煤炭开采理论 发展的成就

12. 2.1 理论发展成就 我国“实用矿山压力控制理论”，从研 究的系统性、深度、体系的完整性，以 及用以指导开采实践取得的成就走在世 界的前列。 新开工作面巷道 推进方向 采空区 h3 开采空间范围大 H 开采扰动强烈 h2 介质属性复杂 应力分布复杂 h1 上区段工作面 新开工作面 h1——垮落带高度；h2——裂缝带高度；h3——连续弯曲带高度；H——埋深

13. 1.针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采1.针对煤矿采场不断推进的工程特点，以及实现煤矿安全高效开采 必须面对复杂多变的地理环境和煤层地质条件的现实，明确了理论 建设的指导思想和体系，科学的定义了相关学术名词和术语，正确 的阐述了相应的基本概念。主要成果包括： (1)严格的区分和定义了“矿山压力”（促使围岩向已采空间运 动的力）和“矿山压力显现”（在矿山压力作用下产生的围岩破坏 及支架受力现象）两个基本概念，正确的指出“矿山压力”存在的 绝对性（采动即有）和“矿山压力显现”的相对性，以及矿山压力 控制（设计）的目标就是把“矿山压力显现”控制在安全上可靠、 技术上可能、经济上合理的范围。

14. (2)正确指出由于采场不断推进，无论是“矿山压力”还是“矿 山压力显现”都在不断发展变化之中，它的变化是有规律的，这个 规律是岩层运动和破坏决定的。明确的提出矿山压力控制研究必须 以“岩层运动为中心”，把不同采动条件下覆岩运动和支承压力大 小分布范围及其发展变化的规律，包括相关动态结构模型的建 设和相关结构参数的确定放在首要地位。 (3)正确指出任何开采深度条件下，影响“矿山压力显现”的岩 层范围是有限的，即采动破坏失去向四周支承传递作用力的岩层 （直接顶）和保持了传递作用力联系，运动时对矿压显现明显影响 的岩层（老顶）两个部分；可知的，即通过岩层动态监测可以确 定；可变的，即可通过采动条件的变更加以改变。

15. (4)对于可能垮坍的冒落岩层（直接顶）一般只能取坚决顶住，即“给定载荷”的控制方案，对“老顶”相关岩层的运动，则可以根据安全可靠、技术可能、经济合理的原则和相应的力学保证条件，分别采取“给定变形”，即将作用力完全转移给四周支承体上，和“限定变形”，即将沉降限定到要求状态（位态）两种方案。明确指出对于老顶相关岩层的运动，不分条件地采用强顶硬抗的控制方案是不科学的、错误的。 2.根据安全高效开采，特别是顶板冲击地压、瓦斯煤层突出、透水突水及开采沉陷灾害有效控制的目标，建立、发展并逐步完善了以“采动覆岩运动和支承压力分布”为核心的采场结构力学模型和各类重大事故控制决策结构力学模型体系，以及相关结构参数确定的方法、数学力学模型的建设。把煤矿安全高效生产，特别是重大事故的控制决策从统计经验推进到针对具体煤层条件科学定量的发展阶段。

16. 工作面 (1)科学的界定了采场结构力学模型的内涵和结构模型的结构组成特征。创造性的针对定量控制设计需要，把采场推进过程中分布在四周煤壁上的支承压力分为煤壁已进入破坏，其受力由工作面长度等采动条件确定的“结构拱”内岩层运动决定的“内应力场”和“结构拱”内、外参与运动的岩层作用力决定的“外应力场”两个部分。

17. (2)正确的指出采场结构模型（包括结构组成合相关结构参数）随采场推进处于不断发展变化之中，并从控制的差异出发，界定了“第一次来压”和“正常推进”两个发展阶段，并深入揭示了两个发展阶段动态结构模型的结构组成和结构参数运动发展的规律。 第一次来压阶段 正常推进阶段 推进方向岩层运动和支承压力发展规律 “内应力场”发展演化规律

18. 岩梁 Ⅱ S 岩梁 I 岩梁 Ⅲ S max S i S a b A 1 C L 0 1 － L C 0 2 (T＝ ) C 0 3 V p L 0 I H g L L 0 I Li 0 剖面I－I L 0 L i

19. (3) 在深入揭示动态结构模型发展规律，特别是支承压力分布和岩层运动关系的基础上，创造性提出了通过“矿山压力显现”推断支承压力分布（包括分布范围及“内应力场”、“外应力场”及应力高峰位置）预测采场顶板来压的“井下岩层动动态观测研究方法”，并成功研究相关监测仪表测试系统，较好的解决了通过现场实测确定相关结构参数问题。

20. 5.通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场“采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。5.通过大量现场事故案例分析和成功的控制实践，深刻揭示重大事故与生产现场“采场结构模型”建设关系的研究基础上，在推进重大事故控制决策模型体系的建设研究方面取得了重大进展。 • 顶板灾害控制 采场结构模型组成及分类 第二岩梁 直接顶 第一岩梁

21. ①有“内应力场”的结构力学模型 a.单岩梁老顶结构 b.多岩梁老顶结构

22. ②无“内应力场”的结构力学模型 a.单岩梁老顶结构 b.多岩梁老顶结构

23. ①直接顶厚度确定 a.理论判定 b.实测推断 采场结构参数确定

24. ②老顶厚度确定 a.实测推断 单一岩梁和多岩梁上覆岩层结构组成情况及其采场矿压显 现如图a、图b所示

25. b.理论判定 挠度法 相邻岩层同时运动（组成同一岩梁）则： 相邻岩层分别运动（构成不同岩梁）则： 裂断步距法

26. ①支架支护方案确定 a.工况方案 直接顶：给定载荷 老顶：可给定变形也可限定变形 b.控制目标和准则 直接顶：给定载荷 老顶：对下位岩梁限定变形定载荷，上位岩梁给定变形定缩量 以防止坚硬岩梁动态冲击要求对下位岩梁限定变形定阻力、对上 位岩梁给定变形定缩量 支架设计参数确定

27. ②支架支护强度和支护阻力 ③支架缩量

28. 瓦斯灾害控制 (1)瓦斯灾害预测和控制的模型及控制准则 ①事故灾害原因：工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度超限是瓦斯事故灾害的根源 ②事故灾害实现条件：采动空间聚集的瓦斯浓度超限，有充足的氧气和有明火引爆（三者缺一不可）是瓦斯爆炸灾害发生的条件。 ③事故灾害预测和控制控制准则： 了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采模式的基础。 28

29. （2）掘进工作面推进过程中瓦斯事故灾害控制（2）掘进工作面推进过程中瓦斯事故灾害控制 ①煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件 a.单一重力应力场中掘进回采巷道 无煤柱护巷开采方案 29

30. 原因：掘进瓦斯浓度超限 • 来源：Ⅰ掘进落煤涌出的瓦斯（取决于掘进断面大小和工作面推进速度）；Ⅱ巷道煤壁在支承压力作用下压缩破坏释放的瓦斯（取决于压缩破坏的煤壁范围，与支承压力大小近乎正比） • 巷道掘进瓦斯涌出量计算 • 式中 —掘进煤断面面积； —掘进破坏的煤壁范围面积； • —煤层容重； —落地煤相对瓦斯涌出量； —支承压力作用下破坏的煤体相对瓦斯涌出量。 • 不同护巷煤柱方案，掘进瓦斯涌出量的差异 • Ⅰ小煤柱（内应力场范围内掘进）方案 • 在内应力场形成和稳定前相对回采工作面推进（图中1位置） 2014/11/9 30

31. 在内应力场稳定后滞后回采工作面推进（图中2位置） Ⅱ大煤柱护巷方案 在高应力区掘进（图中3位置） 在低应力区掘进 b.在构造破坏的复合应力场中掘进回采巷道 31

32. 瓦斯来源：构造破坏部分聚集的瓦斯 • 瓦斯涌出量大小：回采巷道掘进通过构造应力场煤层挤压破坏变厚部位将遭遇瓦斯突出事故灾害的危险。 • c小结 （煤柱护巷开采模式掘进瓦斯事故灾害研究） • 在采场支承压力分布的高应力部位掘进引发的瓦斯涌出是掘进回采巷道瓦斯事故灾害的根源。 • 掘进瓦斯事故灾害的可能性与掘进工作面推进速度和由开采深度、工作面长度决定的支承压力大小成正比。 • 在复合应力场的高应力区掘进回采巷道极易引发瓦斯突出爆炸等重大事故灾害 • ②无煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件 • a.无煤柱充填开采模式的两种回风巷道布置形式 32

33. 沿空送巷U型通风方案 • 即在滞后距离大于回采工作面长度的稳定内应力场部位掘进回风巷道采用充填护巷隔绝采空区 2014/11/9 33

34. 沿空留巷Y型通风方案 • 即保留原运输巷用于接续工作面回风的充填 • 护巷方案 • b 无煤柱护巷掘进瓦斯事故灾害控制的优势 • 沿空掘巷方案 34

35. 在保证充填体结构密实隔断采空区的前提下，可以完全杜绝掘进瓦斯事故灾害的发生 • 沿空留巷方案 • 本方案避免了在煤层中掘进瓦斯涌出，巷道煤壁释放的瓦斯随回采风流带走从而排出了掘进瓦斯事故的可能性。 • 避免了在构造破坏的复合应力场中掘进巷道的可能性，从而排除了瓦斯突出等重大事故的威胁。 • (3)回采工作面推进瓦斯事故灾害控制研究 • ①煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害分析 • a 事故地点及瓦斯来源 35

36. 采煤通道 采煤过程释放的瓦斯（与采煤速度成正比）；煤壁在支承压力和顶板来压作用下释放的瓦斯（与工作面长度和内应力场范围、顶板来压强度成正比）,最大瓦斯涌出量发生在周期来压期间的采煤过程中。 工作面上隅角 Ⅰ采煤通道未被风流带走的瓦斯；Ⅱ预留煤柱在两侧支承压力作用下释放的瓦斯。（在采场支承压力高峰作用范围内，与预留煤柱宽度成正比，其最大值如图2.6所示）Ⅲ空气压差和顶板来压作用下，由采空区压入的瓦斯，既定压差下，随周期来压波动变化。 36

37. 2014/11/9 37

38. 采空区（C位置） 回风道溢出（未被风流带走）的瓦斯； 回风道预留煤柱在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯（与预留煤柱宽度成正比）； 运输巷煤壁在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯（与内应力场范围成正比） 工作面推进到任意位置（Li）时采空区聚集的瓦斯总量QLi 38

39. 回风巷道（包括排瓦斯的尾巷，位置B） 回风通道瓦斯； 两侧采空区瓦斯； 预留煤柱在在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯。 b 事故地点及瓦斯来源 事故地点瓦斯浓度超限 煤柱压缩破坏，导致采空区漏风，为瓦斯、氧气、高温空气串流，以及煤柱自燃、采空区浮煤自燃等明火引爆瓦斯创造了条件。 2014/11/9 39

40. c 小结（煤柱护巷开采模式回采瓦斯事故灾害研究） 风巷预留煤壁在支承压力和顶板沉降作用下压缩破坏是回采工作面瓦斯事故的根源，也是事故灾害实现的条件。 煤柱护巷开采模式回采工作面瓦斯事故灾害发生的可能性及危害程度与回采工作面推进速度以及由开采深度和工作面长度决定的支承压力和顶板沉降压力成正比。 ②无煤柱充填护巷开采模式的优势及实现前提 a 开采方案 沿空送巷U型通风 40

41. 沿空留巷Y型通风 b 瓦斯灾害控制优势 Ⅰ避免了预留煤柱造成的瓦斯聚集超限的可能性； Ⅱ避免了煤柱压缩破坏造成的老塘透风引发火灾及瓦斯事故灾害的可能性。 2014/11/9 41

42. c 实现的前提和关键 充填护巷墙体结构设计要保证在采场支承压力向煤壁转移和裂断拱内岩层沉降全过程中实现严密封堵老塘，防止老塘透风的功能。为此： Ⅰ墙体充填材料凝固后的强度及破坏前的支承压力（即阻抗力）足以控制平衡直接顶作用力的需要； Ⅱ墙体结构压缩变形能力（即允许的压缩量）适应“裂断拱”内岩层沉降稳定的要求。 2014/11/9 42

43. 冲击地压（煤与瓦斯突出）灾害控制 (1)煤柱护巷开采模式冲击地压原因及实现条件 ①冲击地压概念：冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压力作用下以煤岩突出为特征的矿山压力动力显现，是煤矿重大事故灾害。 ②冲击地压发生原因：在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发弹性能的释放。 ③冲击地压的动力源及其影响因素： 2014/11/9 43

44. a 煤层压缩弹性能 开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大。 b 顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能 44

45. 重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正比； 重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正比； 构造弯曲弹性能受采深和顶底板岩层强度所决定的应力保持和释放条件控制。岩层强度愈高，埋深愈大，可能聚集和保持的弹性能的量级将愈高。 ④冲击地压的动力源及其影响因素： a 已采空间周围煤岩中聚集的压缩弹性能达到了足以产生煤岩冲击破坏的量级； b 采动，包括采掘工作面推进、爆破、顶板断裂等震动性破坏，改变了相关部位煤岩的受力条件和极限平衡状态。 c 采动空间周围没有足够的缓冲体（包括已破坏的煤岩和柔性支护等构筑物等），把煤岩弹性能释放可能动力显现控制到安全的范围内。 2014/11/9 45

46. ⑤掘进工作面推进冲击地压原因及条件： 在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道，冲击地压发生和实现的条件如图所示。 2014/11/9 46

47. a 留小煤柱（“内应力场”范围内）掘进 Ⅰ在“内应力场”形成和稳定之前开掘巷道（图中1位置），存在冲击地压危险（采深大于300m）； Ⅱ在“内应力场”形成稳定后（图中2位置），开掘巷道可以避免冲击地压发生； Ⅲ在未经采动释放的构造应力场中掘进巷道，将有瓦斯和煤层同时突出的危险。 47

48. b 大煤柱护巷方案 Ⅰ高应力区开掘巷道（采深大于300~400m）时，存在冲击地压危险； Ⅱ在低应力区开掘巷道，在采深小于600~800m时，将避免冲击地压的发生。

49. ⑥回采工作面推进过程中冲击地压发生原因及实现条件：⑥回采工作面推进过程中冲击地压发生原因及实现条件： a.回采工作面内冲击地压发生和实现的条件 Ⅰ单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次裂断开始到采场第一次来压阶段完成，推进距离接近工作面长度的时的范围内。“内应力场”形成之后的采场推进全过程中，出现冲击地压的可能性将很小。 2014/11/9 49

50. Ⅱ.临近构造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层裂断来压完成期间时，始终存在冲击地压的威胁，进入出现“内应力场”的正常推进阶段后，冲击地压事故灾害出现的可能性同样将很小。 2014/11/9 50