黃旭超

(煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院,重慶 400037)

遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開(kāi)采瓦斯治理創(chuàng)新技術(shù)

黃旭超

(煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院,重慶 400037)

根據(jù)祁東煤礦試驗(yàn)區(qū)域煤層群賦存及突出危險(xiǎn)性,試驗(yàn)研究了保護(hù)層工作面傾斜上方專用煤巷結(jié)合高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯、并運(yùn)用被保護(hù)層卸壓及其瓦斯運(yùn)移至保護(hù)層采空區(qū)的時(shí)空效應(yīng),即滯后保護(hù)層工作面 20～25m施工底板穿層鉆孔安全高效抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯創(chuàng)新技術(shù),上述研究成果對(duì)類似條件的瓦斯抽采具有重要借鑒作用。

遠(yuǎn)距離;保護(hù)層開(kāi)采;瓦斯;抽采

祁東煤礦開(kāi)采煤層 71煤層、82煤層和 9煤層以煤層群方式賦存,其中 9煤層具有嚴(yán)重突出危險(xiǎn)性。該礦建井以來(lái),有 26次突出發(fā)生在 9煤層,因此,祁東煤礦首先開(kāi)采煤層群中突出危險(xiǎn)性最小的 71煤層,保護(hù)下伏的 82煤層和 9煤層,并逐步開(kāi)采82煤層和9煤層。針對(duì)祁東煤礦煤層群開(kāi)采上保護(hù)層采煤工作面的瓦斯治理問(wèn)題,對(duì)上保護(hù)層工作面的瓦斯抽采技術(shù)和上保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中被保護(hù)9煤層卸壓及瓦斯運(yùn)移的時(shí)空關(guān)系進(jìn)行了研究。通過(guò)試驗(yàn)研究得出了適合祁東煤礦中遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開(kāi)采的瓦斯抽采新技術(shù),為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持,實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開(kāi)采。

1 礦井及試驗(yàn)區(qū)域概況

礦井以二采區(qū) 71煤層 7122工作面做為試驗(yàn)地點(diǎn)。7122綜采面位于祁東井田西翼一水平二采區(qū),工作面起止標(biāo)高 -450～ -500m,平均傾向?qū)?64m,走向長(zhǎng) 1090m,綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁后退式回采,全部垮落法處理頂板,U型通風(fēng)方式。綜采面內(nèi)71煤層,平均厚度 1.75m,走向近東西,傾向北,平均傾角 13°,單斜構(gòu)造,無(wú)大的褶曲,基本頂為中砂巖,局部為粉砂巖,直接頂板為泥巖,局部夾薄層炭質(zhì)泥巖;底板為泥巖,局部含少許炭質(zhì)。礦井 71煤層、81煤層、82和 9煤層均具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性,屬三類不易自然發(fā)火傾向煤層。試驗(yàn)區(qū)域煤層賦存具體情況,見(jiàn)表 1。

表1 試驗(yàn)區(qū)域煤層間距

2 上保護(hù)層開(kāi)采瓦斯涌出分析

7122綜采面回采時(shí),受采掘作業(yè)的影響,煤層及圍巖中的瓦斯賦存平衡條件遭到破壞,受采動(dòng)影響區(qū)域內(nèi)的煤層、圍巖中的瓦斯將涌入 7122回采工作面?；夭晒ぷ髅嫱咚褂砍隽坑砷_(kāi)采層瓦斯涌出量和進(jìn)入工作面的鄰近層瓦斯涌出量組成。即:

式中,q1為本煤層相對(duì)瓦斯涌出量;q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量。

根據(jù)二采區(qū)煤層賦存及 7122工作面開(kāi)采過(guò)程中鄰近煤層瓦斯自然排放情況,由公式 (1)計(jì)算得出 7122綜采面回采過(guò)程中瓦斯涌出量及其構(gòu)成,見(jiàn)表2。

表 2 7122工作面回采過(guò)程中瓦斯涌出量及其構(gòu)成

由表 2可知:本煤層平均瓦斯涌出量為8.6m3/min,鄰近層平均瓦斯涌出量為 6m3/min。鄰近層瓦斯涌出量和開(kāi)采層瓦斯涌出量分別占回采工作面總瓦斯涌出量的41%,59%。

3 上保護(hù)層開(kāi)采瓦斯治理創(chuàng)新技術(shù)

3.1 “上保護(hù)層工作面回風(fēng)巷上側(cè)瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”抽采技術(shù)

本煤層工作面回采過(guò)后,引起上覆巖層冒落、移動(dòng)、變形,形成拱型的卸壓區(qū)。由于采空區(qū)頂板充分冒落后,采空區(qū)中部冒落帶逐步被壓實(shí),巖層的離層和斷裂裂隙逐漸減少,而采空區(qū)四周由于煤壁的支承作用,使裂隙在一定范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間保留,在頂板的關(guān)鍵層下形成一個(gè)相互連通的“O”型圈,并隨著工作面向前移動(dòng)。隨著工作面推進(jìn),鄰近層卸壓瓦斯以擴(kuò)散和滲透的方式向“O”型圈流動(dòng),因此,在“O”型圈內(nèi)集聚了大量高濃度瓦斯,該部分瓦斯部分通過(guò)漏風(fēng)風(fēng)流進(jìn)人工作面。為了減少該部分瓦斯涌出,必須通過(guò)鉆孔抽采該部分瓦斯。針對(duì)祁東煤礦試驗(yàn)區(qū)域 71煤層無(wú)突出危險(xiǎn)、不易自燃的保護(hù)層開(kāi)采特點(diǎn),試驗(yàn)采用“上保護(hù)層工作面回風(fēng)巷上側(cè)瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”抽采技術(shù),對(duì)開(kāi)采層采空區(qū)及卸壓區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯進(jìn)行連續(xù)抽采。

(1)瓦斯抽采專用煤巷位置確定 保護(hù)層 7122綜采面回采過(guò)程中,根據(jù)綜采面回采速度及煤巖層賦存情況,運(yùn)用采場(chǎng)圍巖應(yīng)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系[1],繪制了綜采面?zhèn)认驊?yīng)力分布圖,見(jiàn)圖 1所示。

根據(jù)圖 1采場(chǎng)圍巖側(cè)向應(yīng)力分布情況,專用煤巷的位置應(yīng)布置在上保護(hù)層 7122綜采面風(fēng)巷上側(cè)煤層的原巖應(yīng)力區(qū) E中,而 7122綜采面?zhèn)认驊?yīng)力增高區(qū)D的寬度一般為 20m。因此,為了便于支護(hù),將瓦斯抽采專用煤巷布置在上保護(hù)層 7122綜采面風(fēng)巷上側(cè) 30m的煤層里。

圖1 采場(chǎng)圍巖側(cè)向應(yīng)力分布

(2)高位鉆孔布孔參數(shù)確定 由前面的分析可以看出,抽采鉆孔距離采空區(qū)越近,抽采采空區(qū)瓦斯的效果就越好,而對(duì)鉆孔抽采鄰近層瓦斯影響較小。而且,鄰近層瓦斯需經(jīng)過(guò)采空區(qū)才能涌入工作面。因此,確定抽采鉆孔布孔層位的原則是:在保證鉆孔成孔完好不垮孔的前提下,盡量降低抽采鉆孔的布孔層位。從以上的原則出發(fā),結(jié)合頂板巖層“三帶”劃分[2]、上鄰近層賦存狀況以及離層裂隙的發(fā)育狀況,確定將鉆孔布置在頂板細(xì)砂巖中,距開(kāi)采層 16.0m的高度上。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外抽采瓦斯的經(jīng)驗(yàn),在距回風(fēng)巷水平距離為 0.2～0.3倍工作面長(zhǎng)度的位置進(jìn)行布置鉆孔抽采,可取得最佳抽放效果[3]。為此設(shè)計(jì)第 1個(gè)高位鉆孔終孔端距回風(fēng)巷 35m,以后依次每隔 8m施工 2個(gè)高位鉆孔,鉆孔孔徑 91mm。上保護(hù)層 7122工作面“瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”瓦斯治理技術(shù)設(shè)計(jì),見(jiàn)圖 2所示。

圖 2 “瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”設(shè)計(jì)

3.2 被保護(hù)層穿層鉆孔安全高效抽采瓦斯技術(shù)

保護(hù)層工作面開(kāi)采后,周圍鄰近煤層得到卸壓后,發(fā)生膨脹變形,煤巖體中形成自由卸壓空間,產(chǎn)生一系列的縱向和豎向的裂隙,為鄰近層的卸壓瓦斯運(yùn)移提供了空間和通道。鄰近層卸壓瓦斯通過(guò)層間裂隙大量涌向開(kāi)采層,為防止和減少鄰近層瓦斯涌向開(kāi)采層,可采用穿層鉆孔抽采的辦法來(lái)處理這部分瓦斯。

(1)被保護(hù)煤層穿層鉆孔未卸壓施工抽采存在的問(wèn)題 祁東礦 9煤層為高瓦斯強(qiáng)突出煤層,在保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中,為了減少 9煤層卸壓瓦斯涌向保護(hù)層工作面,試驗(yàn)研究在 9煤層底板巷道內(nèi)施工穿層鉆孔抽采 9煤層卸壓瓦斯。目前,被保護(hù)層底板穿層抽采鉆孔普遍都是超前保護(hù)層工作面施工。按照這樣的布孔方式一般會(huì)出現(xiàn)以下 2種問(wèn)題:

在突出危險(xiǎn)性較大的煤層中施工鉆孔易造成噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,影響鉆孔施工;保護(hù)層開(kāi)采引起的前方應(yīng)力集中易造成鉆孔切斷或鉆孔變形,影響抽采效果。

因此,上保護(hù)層開(kāi)采選擇合理的抽采鉆孔孔位和施工時(shí)間,將是提高被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采效果的關(guān)鍵。

(2)上保護(hù)層開(kāi)采卸壓數(shù)值模擬分析[4]采用美國(guó) ITASCA公司的三維離散單元法 (簡(jiǎn)稱“3DEC”)數(shù)值模擬分析遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍。根據(jù)祁東煤礦試驗(yàn)區(qū)域煤層群的煤系地層賦存巖性及保護(hù)層 7122工作面技術(shù)參數(shù)確定模型參數(shù)、材料特性及邊界條件,模擬出上保護(hù)層 71煤層開(kāi)采被保護(hù) 9煤層走向卸壓角,見(jiàn)圖 3。

圖 3 71煤層開(kāi)采被保護(hù) 9煤層走向卸壓角模擬

數(shù)值模擬表明:71煤層開(kāi)采后,其底板圍巖中卸壓的深度超過(guò)了 9煤層,致使 9煤層大部分區(qū)域處于較低的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi) (k=0.9);開(kāi)采 71煤層對(duì) 9煤層的整體卸壓效果較理想,且卸壓角均較大(走向卸壓角分別為 84.73°和 80.79°)基本呈左右對(duì)稱形態(tài);被保護(hù) 9煤層的走向卸壓起始點(diǎn)滯后于上保護(hù)采煤工作面大于 6m的位置。

(3)上保護(hù)層開(kāi)采前后被保護(hù)層煤巖及瓦斯動(dòng)力參數(shù)變化 在不同煤層群條件下,受開(kāi)采層的采動(dòng)影響,被保護(hù)煤層的煤巖瓦斯動(dòng)力參數(shù)均發(fā)生不同的變化。保護(hù)層 7122工作面開(kāi)采后,圍巖及煤層發(fā)生向采空區(qū)方向的位移而引起了采場(chǎng)周圍應(yīng)力的重新分布。采空區(qū)上方形成自然冒落拱,將壓力傳遞給采空區(qū)以外的煤巖層承受,即對(duì)采場(chǎng)周圍的煤巖層產(chǎn)生采動(dòng)影響,致使被保護(hù)煤層的應(yīng)力變形狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力參數(shù)發(fā)生重大變化[3]。盡管各礦的開(kāi)采深度、保護(hù)層的層位、采高、采長(zhǎng)、層間垂距、層間巖性等試驗(yàn)條件差異很大,但是被保護(hù)層應(yīng)力變形狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力參數(shù)的變化在空間上是基本一致的。

圖 4為祁東煤礦 7122保護(hù)層工作面開(kāi)采前后被保護(hù)層 9煤層各種參數(shù)變化情況。根據(jù)被保護(hù) 9煤層的煤巖及瓦斯動(dòng)力參數(shù)變化考察以及國(guó)內(nèi)保護(hù)層開(kāi)采的經(jīng)驗(yàn),可以將上保護(hù)層 7122工作面開(kāi)采前后被保護(hù) 9煤層沿走向大致劃分為 3個(gè)應(yīng)力帶:正常應(yīng)力帶、集中應(yīng)力帶、卸壓帶。

圖 4 7122保護(hù)層工作面開(kāi)采前后 9煤層煤巖及瓦斯動(dòng)力參數(shù)變化曲線

根據(jù)圖 4得知:7122保護(hù)層工作面開(kāi)采前后 9煤層正常應(yīng)力帶,位于保護(hù)層工作面前方 50m以遠(yuǎn);集中應(yīng)力帶,位于保護(hù)層工作面前方 20～50m范圍內(nèi),此帶范圍內(nèi)煤層承受的應(yīng)力高于原始狀態(tài),且裂隙封閉,透氣性降低,瓦斯流量減小;卸壓帶,從保護(hù)層工作面開(kāi)始往采空區(qū)方向均存在保護(hù)卸壓作用,但由于保護(hù)層的卸壓傳遞到被保護(hù)層時(shí)要滯后一段距離,因此,保護(hù)層卸壓帶的起點(diǎn)(對(duì)被保護(hù)層而言)位于保護(hù)層工作面后方 0.25～0.8倍層間距位置,最充分卸壓點(diǎn)位于保護(hù)層工作面后方 20～80m范圍。在此帶范圍內(nèi),煤層承受的應(yīng)力減小,被保護(hù)層變形增大,透氣性增加,瓦斯涌出量急劇增加。若在此范圍內(nèi)采用瓦斯抽采措施,則抽采效果極為顯著。

(4)抽采鉆孔合理施工時(shí)空參數(shù)確定 通過(guò)上保護(hù)層開(kāi)采,被保護(hù)煤層走向卸壓模擬分析和上保護(hù)層工作面開(kāi)采前后被保護(hù)層 9煤的煤巖動(dòng)力變化規(guī)律以及被保護(hù)層 9煤的抽采鉆孔超前保護(hù)層工作面施工存在的問(wèn)題分析可知,將被保護(hù)層 9煤穿層抽采鉆孔滯后于上保護(hù)層采煤工作面平面位置20～25m施工及進(jìn)行抽采具有合理性,并能充分發(fā)揮保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)的優(yōu)越性。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

(1)上保護(hù)層 7122工作面采用了“上保護(hù)層工作面回風(fēng)巷上側(cè)瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”抽采技術(shù)后,瓦斯抽采率達(dá)到 60%以上。在供風(fēng)量相當(dāng)?shù)臈l件下,工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛仁冀K控制在 0.5%以下,極大地提高了工作面的單產(chǎn)效率,創(chuàng)造了同等條件下 71煤層高瓦斯綜采工作面月產(chǎn) 65kt的新紀(jì)錄,實(shí)現(xiàn)了保護(hù)層工作面的安全高效回采。

(2)采用將被保護(hù)層 9煤穿層抽采鉆孔滯后于上保護(hù)層 7122采煤工作面 20～25m的位置施工,鉆孔施工過(guò)程中順利穿過(guò)煤孔段,未發(fā)生一起因噴孔造成的瓦斯超限事故。鉆孔合茬抽采后,孔口負(fù)壓在 8kPa時(shí),單孔最大抽采流量為 0.2m3/min,與超前 7122保護(hù)層工作面施工的鉆孔抽采量相當(dāng),但經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)滯后 7122保護(hù)層工作面施工的鉆孔比超前 7122保護(hù)層工作面施工的鉆孔,鉆孔使用壽命更長(zhǎng),抽采量更穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)采用“上保護(hù)層工作面回風(fēng)巷上側(cè)瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”的瓦斯抽采的方法,全方位、多層次的對(duì)本煤層瓦斯及鄰近層卸壓瓦斯進(jìn)行了抽采,有效地降低了保護(hù)層工作面的瓦斯?jié)舛?保障了安全生產(chǎn)。

(2)將被保護(hù)層 9煤穿層抽采鉆孔滯后于上保護(hù)層采煤工作面平面位置 20～25m施工,能很好地解決在突出危險(xiǎn)性較大的煤層中施工鉆孔易造成噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。在保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中,通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用抽采了大量被保護(hù)層卸壓瓦斯,減少了鄰近層卸壓瓦斯涌出對(duì)上保護(hù)層工作面開(kāi)采的影響。

[1]蔣金泉 .采場(chǎng)圍巖應(yīng)力與運(yùn)動(dòng) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.

[2]錢鳴高,劉聽(tīng)成 .礦山壓力及其控制 (修訂本) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.

[3]于不凡 .煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè) (修訂版)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005.

[4]安徽恒源煤電股份有限公司,煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院 .祁東煤礦多重保護(hù)層開(kāi)采瓦斯綜合治理技術(shù)研究報(bào)告 [R].

2008.

[責(zé)任編輯:鄒正立]

New Technology ofM ethane Prevention byM in ing Upper Protective Seam Far Away from Protected Seam

HUANG Xu-chao

(Chongqing Research Institute,China Coal Research Institute,Chongqing 400037,China)

According to coal seams condition and methane bursting danger in Qidong Colliery,this paper presented a new methane drainage technologywhich included draining gob methane by drilling in coal roadway above protective seam mining face and draining methane of protected coal seam by constructing crossing borehole through floor behind 20-25m of mining face in protective seam.The new technologymight provide important reference formethane drainage in mineswith similar conditions.

far distance;protective seam mining;methane;drainage

TD712.6

A

1006-6225(2010)06-0086-04

2010-04-14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973)項(xiàng)目 (2005cb221504)

黃旭超 (1981-),男,四川德陽(yáng)人,工程師,從事瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究。