煤矿瓦斯防治新技术与新装备.pptx

煤矿瓦斯防治新技术与新装备,煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程中心河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所,1.瓦斯抽采的意义2.瓦斯抽采存在的技术瓶颈3.钻孔封孔新技术4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术5.低透气性煤层强化增透新技术6.瓦斯抽采效果检验新设备7.防局部瓦斯超限新装备8.瓦斯预测煤样定点取样器,汇报内容,1.瓦斯抽采的意义,2013年，全国共发生煤矿瓦斯事故59起，死亡348人，分别占煤矿事故总数和死亡人数的10.02和33.17，煤矿百万吨死亡率为0.293。2013年，全国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量156108m3，利用量66108m3，其中，井下瓦斯抽采量126108m3、利用量43108m3，地面煤层气产量30108m3、利用量23108m3。,1.瓦斯抽采的意义,1.瓦斯抽采的意义,煤矿瓦斯CH4是一种强温室效应气体温室效应强度CH4＞CO22060倍我国煤矿风排瓦斯量2004年，132亿m3；2008年，150亿m3，占世界排放总量的1/2～1/3；2011年，160亿m3,1.瓦斯抽采的意义,煤矿瓦斯是一种优质清洁能源按燃烧热值计算1m3瓦斯相当于1.25㎏标准煤1㎏燃油接近1m3天然气按热效率计算1m3煤层气相当于4㎏标准煤瓦斯是比天然气、燃油、特别是比煤洁净得多的一种优质能源,1.瓦斯抽采的意义,瓦斯抽采一箭三雕保障煤矿安全生产保护大气环境开发利用优质清洁能源,1.瓦斯抽采的意义,实例1美国黑勇士盆地橡树岭煤矿煤层瓦斯含量14.2m3/t抽取4年后6.7m3/t抽取11年后3.8m3/t煤层瓦斯含量降低了73高瓦斯矿井→低瓦斯矿井，构建了本质安全型矿井。,1.瓦斯抽采的意义,实例2淮南矿业集团全局瓦斯抽采量1997年前500万m3/a特大瓦斯事故19901997年八起,1.瓦斯抽采的意义,淮南矿业集团方针可保尽保，应抽尽抽效果（1）瓦斯抽采量2001年7000万m3/a2002年1亿m3/a2003年1.4亿m3/a2004年1.5亿m3/a2007年达1.8亿m3/a2011年2.5亿m3/a（2）瓦斯超限次数1997年1300多次2002年200多次2011年少于100次2012年少于40次,1.瓦斯抽采的意义,我国煤矿开采深度大，平均540m，延深速度10～15m/年，20多对千米深井深度增加，煤层瓦斯压力、瓦斯含量升高；地质构造复杂高瓦斯突出矿井增多（2010年资料高瓦斯矿2859对，突出矿647对）大部分矿区高瓦斯、突出煤层单一煤层赋存，煤软、透气性低，瓦斯抽采极为困难,我国煤矿瓦斯治理难度不断增加,,2.瓦斯抽采存在的技术瓶颈,2.瓦斯抽采存在的技术瓶颈,抽采时间短,抽采负压低,封孔质量差,采掘失调,瓦斯抽采的瓶颈,封孔长度短,泵能力不足,管网阻力大,抽采浓度低,钻孔数量少,增透方法单一,施工难度大,钻机能力不足,效检手段落后,,3.钻孔封孔新技术,发泡速度快，封孔达不到既定深度抽采负压小于13kPa封孔后的抽采浓度低于30长时间抽采后预抽钻孔瓦斯浓度低于10,,3.钻孔封孔新技术,顺层钻孔瓦斯抽采浓度衰减原因,封孔抽采,瓦斯抽出,煤体弹性潜能释放,煤层变形、位移,瓦斯压力、含量下降,钻孔周边孔（裂）隙发育、扩张,浓度下降,,,,,,,,,,穿层钻孔瓦斯抽采浓度衰减原因,瓦斯抽采钻孔,,,地压,采掘活动,,钻孔周边孔（裂）隙发育、扩张,,浓度下降,“囊袋”封孔技术（河南理工大学）,3.钻孔封孔新技术,,3.钻孔封孔新技术,1-煤层钻孔，2-抽采管，3-阀门，4-一次封孔段，5-微细膨胀粉料，6-孔（裂）隙群，7-煤体，8-孔口挡板，9-粉料输送管,顺层钻孔二次封孔方法（中国矿业大学，2007年）,,3.钻孔封孔新技术,,1-穿层钻孔，2-内部控制孔，3-外围控制孔，4-粉料输送管，5-聚氨酯封孔剂，6-微细粉料，7-裂隙漏风通道，8-煤层，9-岩巷,穿层钻孔二次封孔方法（中国矿业大学，2010年）,,3.钻孔封孔新技术,粉料输送机,手动封孔泵,微细膨胀粉料,,3.钻孔封孔新技术,“两堵一注”带压封孔方法,1-聚氨酯端堵2-钻孔3-抽采管4-膨胀水泥浆5-注浆管,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,单一低透气突出煤层普遍采用“顺层密集钻孔”预抽瓦斯钻孔工程量大（孔间距1-2m）“窜孔”现象严重封孔困难钻孔瓦斯抽采量衰减极快抽采浓度小、抽采率低,,,,,,,,,,,,,,,抽放钻孔,,,,,,,,,,,,,抽放影响区,低透气煤层钻孔瓦斯衰减快瓦斯抽采效果差,注氮钻孔,,,,,,,,,,,,煤层注气显著提高了低透气性煤层的瓦斯抽采效果,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,阳泉矿区掘进工作面迎头“边注边排”考察结果,钻孔平均混合流量增大50110倍，纯CH4流量平均增加3080倍;相同时间下，注气措施可使排采瓦斯效率提高1250倍。注气2小时可保证效检指标不超标。,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,阳泉矿区掘进工作面迎头“边注边抽”考察结果,单抽19天的纯瓦斯量，边注边抽措施仅需9天；边注边抽瓦斯抽采率是单抽的2倍以上。,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,,获中国煤炭工业协会2010年科技进步一等奖,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,煤层注氮强化瓦斯预抽机理（1）驱替效应,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,煤层注氮强化瓦斯预抽机理（2）稀释扩散效应,,吸附瓦斯,,游离瓦斯,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,煤层注氮强化瓦斯预抽机理（3）压力梯度抬升效应,,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,煤层注氮强化瓦斯预抽机理（4）置换效应,,多组分气体置换吸附试验装置结构图,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,,煤对多组分气体的吸附只与平衡时的组分分压、平衡压力等有关，竞争吸附与置换吸附的本质与结果是一致的。弱吸附气体N2也能置换煤中CH4。,置换吸附,竞争吸附,,多元气体的分压作用,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,煤层注氮强化瓦斯预抽机理（5）膨胀增透效应,,4.钻孔注氮强化瓦斯预抽技术,低透气性煤层强化增透技术现状液态CO2相变致裂装备简介液态CO2相变致裂增透原理液态CO2相变致裂技术优势液态CO2相变致裂实施工艺液态CO2相变致裂现场应用液态CO2相变致裂前景展望若干疑问解答,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,我国煤层开采条件先天不足开采深度大，平均540m，延深速度10～15m/年地质构造复杂瓦斯含量高、瓦斯压力大绝大多数高瓦斯（突出）煤层属于低透气性松软煤层瓦斯抽采困难低透气性煤层取得良好抽采效果的关键----强化增透,,现行的强化增透技术保护层开采密集钻孔深孔预裂爆破水力冲孔（割缝）水力压裂,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,,局限性必须是煤层群有效保护垂距内有厚度超过0.5m及以上的煤层保护层是无突出煤层或弱突出煤层保护层离突出煤层距离不能太近要求保护层开采不破坏被保护层开采,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,,局限性工程量大（孔间距1-2m）“窜孔”现象严重封孔困难钻孔瓦斯抽采量衰减极快抽采浓度小、抽采率低,密集钻孔预抽,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,,预裂爆破利用炸药的预裂爆破是一种非常有效的增透措施，但如下原因限制了它的推广应用,局限性◆装药困难◆“哑炮”处理极为困难◆有引燃引爆瓦斯危险◆炸药管制,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,,局限性适合自喷煤层喷孔严重瓦斯超限频繁作业环境恶劣冲出煤量难以掌控,水力冲孔,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术1低透气性煤层强化增透技术现状,,水力压裂,局限性设备复杂高压作业封孔困难裂缝扩展不可控,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术1低透气性煤层强化增透技术现状,,湖南汉寿中煤科技公司,河南理工大学和湖南汉寿中煤科技公司合作开发了用于煤层瓦斯强化抽采的液态CO2相变致裂技术装备。,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术2装备简介,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（3）增透原理,技术优势爆破过程无火花外露；低压起爆（9V），相比传统起爆（1800V）更安全；不产生具有破坏性的震荡或震波，减少了诱发瓦斯突出的几率；不需进行验炮，爆破后便可进人，可连续作业。,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（4）技术优势,液态CO2相变致裂实施工艺演示,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（5）实施工艺,,液态CO2相变致裂地面演示,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,采煤工作面浅孔预裂,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,推送方向,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采现场工业性试验,,,,根据九里山矿的区域瓦斯治理技术措施，在16051底抽巷，每隔2米在顶板布置一组钻场，每组钻场有711个钻孔，预抽煤层瓦斯。为提高抽采效果，矿井采用高压水射流进行扩孔，每个钻孔冲出煤量0.51t。试验钻场未进行扩孔。,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,焦作九里山矿底板岩巷穿层钻孔强化抽采试验,,钻孔瓦斯流量衰减系数由0.0964d-1降到0.0323d-1，抽采类型由较难抽采改善为可以抽采,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,平煤13矿11111底板巷液态CO2相变致裂强化预抽效果考察,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,11111底板巷液态CO2相变致裂过程实况,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,4号孔浓度与纯流量变化曲线,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,3号孔浓度与纯流量变化曲线,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,2号孔浓度与纯流量变化曲线,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,平煤13矿强化预抽效果表明影响半径最大超过10m有效影响半径----90天，2.5～2.80m；120天，3～3.2m；180天，3.5～4.0m瓦斯浓度大幅度增加，120天后仍维持高浓度瓦斯流量衰减速度明显下降,不采取液态CO2相变致裂，穿层钻孔接抽15-20天后瓦斯浓度普遍由初始的40降为10以下,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,国外液态CO2相变致裂应用广泛用于采煤来提高块炭率采石场金属矿开采城市工程建设水下爆破锅炉、水泥厂、回转炉清理,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,低透煤层强化瓦斯抽采区域消突局部消突冲击地压解危采面强制放顶放顶煤工作面顶煤弱化,上隅角瓦斯治理煤仓清堵采煤掘进煤炭自燃处理,用途宽广，前景广泛,,,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（6）现场应用,,1kg液态二氧化碳相变致裂的爆破当量液态二氧化碳相变致裂过程需不需要封孔致裂后，孔内设备会不会被压埋液态二氧化碳相变致裂会不会诱导瓦斯突出液态二氧化碳相变致裂的成本是多少合理的预裂方式与钻孔布置参数设备生产厂家,5.液态二氧化碳相变致裂强化增透新技术（7）若干疑惑之解答,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,煤矿瓦斯抽采基本指标要求突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或将瓦斯压力降到煤层始突深度的煤层瓦斯压力以下。若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力，则必须将煤层瓦斯含量降到8m3/t以下，或将煤层瓦斯压力降到0.74MPa（表压）以下。,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,采煤工作面的瓦斯抽采达到如下通风能够解决的条件,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,采煤工作面的瓦斯抽采达到如下通风能够解决的条件,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,提高矿井瓦斯抽采率，减少风排瓦斯，实现国家减排目标,瓦斯抽采效果检验设备●瓦斯含量测定仪●瓦斯压力测定●瓦斯浓度测定仪●负压测定仪●钻孔瓦斯流量测定仪●钻孔瓦斯流量测定仪,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,顺层钻孔瓦斯含量测定成了大问题,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,穿层钻孔瓦斯含量、瓦斯压力测定也是大问题,,传统的井下瓦斯含量测定（1）井下取样与解吸测定,,,钻屑采集方法与器具,6.瓦斯抽采效果检验新设备,,传统的井下瓦斯含量测定（2）煤样残存含量实验室测定,,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,重庆院生产的DGC瓦斯含量直接测定装置,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,传统的瓦斯含量测定方法需要23天时间，即便是重庆研究院新生产的DGC瓦斯含量直接测定装置，测定时间一般需要6-8小时，难以满足瓦斯突出区域预测、区域防突措施效果检验和瓦斯抽采达标的时效性。,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所研制的CHP50M型煤层瓦斯含量快速测定仪，采用双流量传感器智能识别自动切换技术，解决了单一传感器无法准确测定高、中、低瓦斯含量的难题，实现了煤层瓦斯含量井下快速测定。,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,,已取得防爆合格证和MA认证，并在全国部分矿区推广。,6.瓦斯抽采效果检验新设备,和现有的瓦斯含量测试仪器相比，有如下优势●组合式流量传感器自动切换设计，满足高、中、低瓦斯含量煤层的测定精度●瓦斯含量井下直读，无需测定残余瓦斯含量●测定快速，测定周期15分钟●一次充电连续工作8个小时以上●测定准确率不低于90,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,,传统的井下煤层瓦斯压力测定方法,适用条件松软岩层或煤巷测压；煤层群分层测压；穿层钻孔测压；用于煤层孔测压时，煤层倾角应该大于10;钻孔长度≥15m.,6.瓦斯抽采效果检验新设备,煤层瓦斯压力测定时，常常遇到下列问题1）抄表繁琐；2）很难得到完整的瓦斯压力恢复曲线，不利于排除水压等因素的影响，对最终确定煤层原始瓦斯压力不利；3）容易作假。,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所研制的CPD8M型瓦斯压力自动化测定仪，采用充电电池供电和休眠节电设计，可自动准确记录长达30天内的煤层瓦斯压力变化，随时查看压力恢复曲线，适用于主动测压和被动测压。,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,CPD8M型煤层瓦斯压力自动化测定仪主要技术参数1）测压范围0-8MPa2）巡检时间可任意设定，1min12h3）采用休眠节电设计，电池使用时间30d4）可显示、绘制压力恢复曲线，查询历史数据,,6.瓦斯抽采效果检验新设备,,已取得防爆合格证和MA认证，并在全国部分矿区推广。,6.瓦斯抽采效果检验新设备,,7.防局部瓦斯超限新装备,工作原理采用压风引射原理，利用井下压风，将瓦斯积聚点的风流引射到回风流中，起到稀释瓦斯的作用，适用于回风隅角、独头巷道、高冒区等局部瓦斯积聚点。,主要技术参数,,7.防局部瓦斯超限新装备,,,瓦斯稀释器作用原理1-压气进口2-引射气流进口3-增压室4-扩散端,7.防局部瓦斯超限新装备,,,瓦斯稀释器作用原理,7.防局部瓦斯超限新装备,,,,7.防局部瓦斯超限新装备,瓦斯突出预测离不开取煤样现有的孔口取样方法无法“定点”取样混样严重，深部（6-10m）K1、△h2值测值严重偏低低指标突出时有发生,,8.瓦斯突出预测煤样定点取样器,瓦斯突出预测传统取样方式,,8.瓦斯突出预测煤样定点取样器,,8.瓦斯突出预测煤样定点取样器,定点取样器工作原理（河南理工大学）,,,8.瓦斯突出预测煤样定点取样器,定点取样器采用Φ42mm钻杆设计，符合防治煤与瓦斯突出规定的要求。,定点取样器主要技术参数,,8.瓦斯突出预测煤样定点取样器,敬请批评指正,敬请批评指正,