袁 亮,薛 生

(1.煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院,安徽淮南 232001;2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織,昆士蘭肯莫爾 4069)

煤層瓦斯含量法確定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的技術(shù)及應(yīng)用

袁 亮1,薛 生2

(1.煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院,安徽淮南 232001;2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織,昆士蘭肯莫爾 4069)

如何科學(xué)、快速、準(zhǔn)確地確定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍一直是礦井安全開(kāi)采技術(shù)難題之一。針對(duì)目前保護(hù)層開(kāi)采消突范圍各判別準(zhǔn)則理論上的非一致性和生產(chǎn)實(shí)踐中的局限性,筆者結(jié)合淮南礦區(qū)潘三煤礦保護(hù)層工作面開(kāi)采的工程實(shí)踐,提出了利用煤層瓦斯含量來(lái)確定保護(hù)層消突范圍的技術(shù)方法。通過(guò)快速準(zhǔn)確現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在保護(hù)層開(kāi)采前后被保護(hù)煤層的瓦斯含量,基于被保護(hù)煤層煤與瓦斯突出的臨界瓦斯含量值,科學(xué)地確定其消突范圍。該技術(shù)對(duì)保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的合理性確定,科學(xué)地設(shè)計(jì)布置瓦斯抽采鉆孔位置,最大限度地利用保護(hù)層開(kāi)采進(jìn)行區(qū)域性防突,保證礦井的安全高效開(kāi)采具有重要意義。

煤層;瓦斯含量法;保護(hù)層開(kāi)采;消突范圍;煤與瓦斯突出

煤與瓦斯突出礦井占我國(guó)礦井總數(shù)的44%,國(guó)有重點(diǎn)煤礦中該比例高達(dá)72%。煤與瓦斯突出已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要礦井災(zāi)害,隨著煤炭開(kāi)采深度的日益增加,突出的危險(xiǎn)性勢(shì)必增大,嚴(yán)重地制約煤炭的安全高效生產(chǎn)。在眾多的突出防治手段中,保護(hù)層開(kāi)采是區(qū)域性防突最有效的技術(shù)手段[1]。我國(guó)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中:“開(kāi)采保護(hù)層后,在被保護(hù)層中受到保護(hù)的地區(qū)按無(wú)突出煤層進(jìn)行采掘工作;在未受到保護(hù)的地區(qū),必須采取防治突出措施”,但關(guān)鍵問(wèn)題是如何科學(xué)、合理地確定被保護(hù)層中的消突范圍。

目前關(guān)于保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的確定方法主要有兩種:一是根據(jù)礦井的開(kāi)采技術(shù)條件,依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》選定相應(yīng)的卸壓角參考值,劃定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍;另一種方法是通過(guò)礦井保護(hù)層開(kāi)采的現(xiàn)場(chǎng)考察試驗(yàn)與一定的判別準(zhǔn)則來(lái)確定消突范圍[2]。人們普遍認(rèn)為煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、煤中瓦斯及煤的力學(xué)物理性質(zhì)綜合作用的結(jié)果,因此從理論上來(lái)講,保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的確定應(yīng)基于應(yīng)力參數(shù)、煤中瓦斯參數(shù)(壓力、含量、解吸速度等)及煤的力學(xué)物理參數(shù)等。在我國(guó)的保護(hù)層開(kāi)采中,瓦斯壓力安全值(0.74 MPa)得到了廣泛的應(yīng)用。然而,該值不單在應(yīng)用中有一定的局限性,比如,在天府礦區(qū)三匯壩一礦發(fā)生的我國(guó)最大的煤與瓦斯突出,其瓦斯壓力只有0.53～0.70 MPa,并且在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定過(guò)程中由于測(cè)壓孔的變形與破壞和封孔的原因,測(cè)不到和測(cè)不準(zhǔn)瓦斯壓力的情況時(shí)有發(fā)生[3-10]。相比之下,近幾年來(lái),瓦斯含量法在預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出方面,由于理論科學(xué)性強(qiáng)、實(shí)用可靠、預(yù)測(cè)深度大、整體成本低、對(duì)采掘影響小等優(yōu)點(diǎn),其技術(shù)與裝備發(fā)展迅速,目前無(wú)論從定點(diǎn)深部快速取樣技術(shù)、含量的測(cè)定技術(shù),還是含量計(jì)算準(zhǔn)確性、臨界值確定技術(shù)等方面均相對(duì)成熟[11-17]。因此,筆者結(jié)合淮南潘三礦保護(hù)層開(kāi)采工程,提出了利用煤層瓦斯含量來(lái)確定保護(hù)層消突范圍技術(shù),通過(guò)快速準(zhǔn)確地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在保護(hù)層開(kāi)采前后被保護(hù)煤層的瓦斯含量,基于被保護(hù)煤層煤與瓦斯突出的臨界瓦斯含量值,確定保護(hù)層消突范圍。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 礦井試驗(yàn)區(qū)基本情況

研究區(qū)域?yàn)榕巳V開(kāi)采11-2煤層的17171(1)工作面與其對(duì)應(yīng)的上覆煤層13-1煤層的17101(3)工作面。該區(qū)所采11-2煤層和13-1煤層傾角為60°～130°。11-2煤層平均厚2.1 m,原始瓦斯含量4.0～7.5 m3/t。13-1煤層平均厚3.9 m,原始瓦斯含量7～10 m3/t。11-2煤層和13-1煤層之間的平均法向距離為72 m。11-2煤層與13-1煤層均為突出煤層,但13-1煤層瓦斯壓力和瓦斯含量高,突出危險(xiǎn)性大;11-2煤層瓦斯壓力和瓦斯含量比13-1煤層低,突出危險(xiǎn)性較小。針對(duì)這一特點(diǎn),突出危險(xiǎn)性相對(duì)較小的11-2煤層17171(1)工作面作為保護(hù)層先行開(kāi)采保護(hù)位于其上覆的突出危險(xiǎn)性大的13-1煤層17101(3)工作面。17171(1)工作面走向長(zhǎng)760 m,傾斜寬度為220 m。17101(3)工作面走向長(zhǎng)1 238 m,傾斜長(zhǎng)220 m。其中17171(1)工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)段,其余為未保護(hù)段。在17101(3)工作面的未保護(hù)段,回采區(qū)域?qū)?yīng)的下部20 m處有一條底板巷道,距運(yùn)輸巷平距55.6 m。

17101(3)工作面煤層的瓦斯含量測(cè)定分為兩個(gè)階段。首先,測(cè)定17101(3)工作面煤層的原始瓦斯含量,然后在17171(1)工作面回采后,測(cè)定17101 (3)工作面煤層的殘余瓦斯含量,從而判斷11-2煤層回采對(duì)13-1煤層瓦斯含量的影響效果與消突范圍。采前、采后的瓦斯含量測(cè)定分別選擇在17101 (3)工作面的未卸壓區(qū)和卸壓區(qū)進(jìn)行,如圖 1所示。

圖1 瓦斯含量測(cè)定區(qū)域分布示意Fig.1 The regional distribution of gas content determination

1.2.1 煤層原始瓦斯含量測(cè)定方案

煤層原始瓦斯量測(cè)定在底板巷中進(jìn)行,由底板巷向13-1煤層施工鉆孔,通過(guò)采取煤樣測(cè)定其原始瓦斯含量。原始瓦斯含量的測(cè)定分為3個(gè)區(qū)域進(jìn)行,每個(gè)區(qū)域選擇3個(gè)鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)選擇1～2個(gè)鉆孔進(jìn)行煤樣測(cè)試試驗(yàn)。第1區(qū)域?yàn)?,7,8號(hào)鉆場(chǎng);第2區(qū)域?yàn)?4,26,30號(hào)鉆場(chǎng);第3區(qū)域?yàn)?5,44,48號(hào)鉆場(chǎng),如圖2所示。

圖2 原始瓦斯含量測(cè)定鉆場(chǎng)分布Fig.2 The drilling field distribution of determinating the original gas content

1.2.2 卸壓區(qū)殘余瓦斯含量測(cè)定方案

殘余瓦斯含量測(cè)定也分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行,分別為回風(fēng)巷區(qū)域、進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域和開(kāi)切眼區(qū)域,如圖3所示。

圖3 保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)煤層殘余瓦斯含量測(cè)定鉆孔分布Fig.3 The distribution of boreholes which determinates the remnant gas content of protected coal seam

(1)回風(fēng)巷區(qū)域:從17171(1)工作面尾巷向13-1煤層回風(fēng)巷區(qū)域施工3組穿層鉆孔,每組2個(gè),這3組鉆孔分別測(cè)定17171(1)工作面回風(fēng)巷對(duì)應(yīng)位置及其內(nèi)、外兩側(cè)區(qū)域煤層的瓦斯含量。

(2)進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域:從17101(3)底板巷向13-1煤層進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域施工3組穿層鉆孔,每組2個(gè),這3組鉆孔分別測(cè)定17171(1)工作面進(jìn)風(fēng)巷對(duì)應(yīng)位置及其內(nèi)、外兩側(cè)區(qū)域煤層的瓦斯含量。

(3)開(kāi)切眼區(qū)域:從17101(3)底板巷向17171 (1)工作面開(kāi)切眼豎直對(duì)應(yīng)的13-1煤層區(qū)域施工5組穿層鉆孔,共13個(gè)鉆孔,分別測(cè)定17171(1)工作面開(kāi)切眼對(duì)應(yīng)位置及其內(nèi)、外兩側(cè)區(qū)域煤層的瓦斯含量。

1.運(yùn)用問(wèn)題情境教學(xué)，落實(shí)了學(xué)生的主體地位。問(wèn)題情境教學(xué)為學(xué)生搭建了一個(gè)自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)，讓學(xué)生在各種教學(xué)情境中去探究并獲取知識(shí)，獲得情感體驗(yàn)和能力提升，規(guī)避了傳統(tǒng)教學(xué)模式上的教師唱主角傳授知識(shí)的課堂教學(xué)模式。

1.3 含量測(cè)定

為了進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)定,在潘三礦建立了直接法測(cè)定煤層瓦斯含量實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室吸收了先進(jìn)的瓦斯含量直接測(cè)定技術(shù)并結(jié)合了淮南礦區(qū)的煤層實(shí)際情況與瓦斯解吸特征。需要特別指出的是該實(shí)驗(yàn)室裝備了適合中軟煤層深部定點(diǎn)快速取樣設(shè)備與新一代瓦斯解吸測(cè)定裝置,并更新了瓦斯含量計(jì)算軟件[18-20]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)方案實(shí)施過(guò)程中,由于現(xiàn)場(chǎng)施工的原因,在不影響試驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯?取樣位置、數(shù)量與設(shè)計(jì)方案略微做了調(diào)整。原始瓦斯含量測(cè)定共進(jìn)行了9個(gè)鉆場(chǎng)、13個(gè)鉆孔的取樣測(cè)定工作,殘余瓦斯含量測(cè)定分別在回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷、開(kāi)切眼3個(gè)區(qū)域,共進(jìn)行了33個(gè)鉆孔煤樣的瓦斯含量測(cè)定工作,其中,在回風(fēng)巷區(qū)域進(jìn)行了6個(gè)鉆孔的試驗(yàn)測(cè)定,在進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域進(jìn)行了5個(gè)鉆孔的測(cè)定工作,在開(kāi)切眼區(qū)域進(jìn)行了12個(gè)鉆孔的試驗(yàn)測(cè)定。

2.1 原始瓦斯含量測(cè)定結(jié)果及分析

在未受采動(dòng)影響的原始煤體區(qū)域,采用直接含量法測(cè)得的各取樣點(diǎn)煤樣的瓦斯含量值見(jiàn)表1。由表1可以看出,17101(3)工作面區(qū)域13-1煤層原始瓦斯含量為7.07～10.02 m3/t,平均為8.44 m3/t。這與通過(guò)測(cè)定煤層瓦斯壓力而計(jì)算得到的瓦斯含量值相吻合。

表1 未卸壓區(qū)13-1煤層原始瓦斯含量測(cè)定結(jié)果Table 1 The determination results of the original gas content at the 13-1 coal seam which was not pressure relief

2.2 殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果及分析

2.2.1 回風(fēng)巷區(qū)域卸壓后

回風(fēng)巷區(qū)域卸壓瓦斯含量共測(cè)定3個(gè)鉆場(chǎng)6個(gè)鉆孔的煤樣。各鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)的位置分布如圖4所示。各鉆孔煤樣測(cè)定的瓦斯含量值隨測(cè)點(diǎn)到軌道運(yùn)輸巷距離的變化如圖5所示。

從圖5可以看出:隨測(cè)點(diǎn)位置從工作面對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)部向回風(fēng)巷外部移動(dòng),采動(dòng)影響下的殘余瓦斯含量成升高的趨勢(shì);位于工作面對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)部的測(cè)點(diǎn),瓦斯含量影響充分,瓦斯含量降低47%以上;位于工作面對(duì)應(yīng)范圍以外,瓦斯含量影響逐漸減小,影響邊界約為25 m。在開(kāi)采層回風(fēng)巷對(duì)應(yīng)邊界以外區(qū)域的煤層單純靠保護(hù)層開(kāi)采尚不能消除突出危險(xiǎn),需結(jié)合卸壓瓦斯抽采措施。

圖4 回風(fēng)巷區(qū)域殘余瓦斯含量測(cè)定鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)分布Fig.4 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of return airway

圖5 回風(fēng)巷區(qū)域殘余瓦斯含量與距回風(fēng)巷距離的關(guān)系Fig.5 The relationship between the remnant gas content in the area of return airway and the distant from the return airway

2.2.2 進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域卸壓后

進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域卸壓瓦斯含量共測(cè)定3個(gè)鉆場(chǎng)的5個(gè)鉆孔的煤樣。各鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)的位置分布如圖6所示。各鉆孔煤樣測(cè)定的瓦斯含量隨測(cè)點(diǎn)到運(yùn)輸巷的距離的變化如圖7所示。

在進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域,由于受施工條件的限制,瓦斯含量測(cè)定見(jiàn)煤點(diǎn)均落在進(jìn)風(fēng)巷以內(nèi)的采空區(qū)對(duì)應(yīng)范圍。在該范圍內(nèi)煤層的殘余瓦斯含量降低了58%以上,得到充分卸壓。由于工作面對(duì)應(yīng)范圍以外區(qū)域沒(méi)有測(cè)點(diǎn),無(wú)法確定回采的影響邊界。

圖6 進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域殘余瓦斯含量測(cè)定鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)分布Fig.6 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of intake airway

圖7 進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域鉆孔殘余瓦斯含量與距進(jìn)風(fēng)巷距離的關(guān)系Fig.7 The relationship between the remnant gas content in the area of intake airway and the distant from the intake airway

2.2.3 開(kāi)切眼區(qū)域卸壓后

切眼區(qū)域卸壓瓦斯含量共測(cè)定8個(gè)鉆場(chǎng)的12個(gè)鉆孔的煤樣。各鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)的位置分布如圖8所示。各鉆孔煤樣測(cè)定的瓦斯含量值隨測(cè)點(diǎn)到運(yùn)輸巷距離的變化如圖9所示。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行擬合,并對(duì)擬合曲線進(jìn)行分析,可以得到距開(kāi)切眼不同距離煤層瓦斯含量的降低率。從圖9可以看出:隨測(cè)點(diǎn)位置從工作面對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)部向開(kāi)切眼以外移動(dòng),采動(dòng)影響下的殘余瓦斯含量呈升高的趨勢(shì);位于工作面對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)部的測(cè)點(diǎn),瓦斯含量影響充分,瓦斯含量減低50%以上;回采工作面開(kāi)切眼對(duì)應(yīng)范圍以外,瓦斯含量影響逐漸減小,影響邊界約為60 m。在開(kāi)采層回風(fēng)巷對(duì)應(yīng)邊界以外區(qū)域的煤層單純靠保護(hù)層開(kāi)采尚不能消除突出危險(xiǎn),需結(jié)合卸壓瓦斯抽采措施。

圖8 開(kāi)切眼區(qū)域殘余瓦斯含量測(cè)定鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)分布Fig.8 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of open-off cut

圖9 開(kāi)切眼區(qū)域鉆孔殘余瓦斯含量與距開(kāi)切眼距離的關(guān)系Fig.9 The relation of the remnant gas content in the area of open-off cut and the distant from the open-off cut

3 結(jié) 論

(1)提出并介紹了用瓦斯含量法確定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的技術(shù)方法,即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定保護(hù)開(kāi)采前、后被保護(hù)煤層的瓦斯含量,結(jié)合被保護(hù)煤層的突出臨界瓦斯含量值判別其消突范圍。

(2)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得知,保護(hù)層開(kāi)采后,被保護(hù)煤層的消突范圍與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的范圍有較大的區(qū)別。在潘三礦,11-2煤層保護(hù)工作面回采后,對(duì)上部距離72 m的13-1被保護(hù)煤層的消突作用顯著,回采范圍對(duì)應(yīng)的區(qū)域煤層瓦斯含量降低達(dá)50%,影響邊界在回采范圍對(duì)應(yīng)位置以外達(dá)60 m。

(3)依據(jù)筆者提出的瓦斯含量法確定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的技術(shù)方法,可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件科學(xué)地設(shè)計(jì)布置瓦斯抽采鉆孔位置,擴(kuò)大被保護(hù)層消突范圍,最大限度的利用保護(hù)層開(kāi)采進(jìn)行區(qū)域性防突。

需要指出的是,由于瓦斯從煤層擴(kuò)散解吸是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程并受諸多因素影響,保護(hù)層開(kāi)采消突范圍是一個(gè)時(shí)間的函數(shù),在瓦斯含量法確定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍技術(shù)方法的實(shí)際應(yīng)用中一定要充分考慮并利用這個(gè)動(dòng)態(tài)特征。

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Defining outburst-free zones in protective mining with seam gas content-method and application

YUAN Liang1,XUE Sheng2

(1.National Engineering&Technology Research Institute of Coal Mining,Huainan 232001,China;2.Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,Kenmore 4069,Australia)

It is one of the technical problems how to scientifically,rapidly and accurately determine the scope of outburst elimination after the protective layer extraction in multiple-seam mining.A seam with less outburst proneness is often extracted prior to its overlying or underlying seams with high outburst proneness to mitigate the risk by de-stressing and de-gassing of the seams.A number of indices are used to define outburst-free zones or protected zones in the seams.However,these indices are not quite consistent in theory and their practicality is sometimes limited.To address these issues,a trial was conducted to measure and use seam gas content in a de-stressed and de-gassed seam for defining outburst-free zones in the seam at Pansan Mine,Huainan,China.This paper describes the field trial and presents its results.

coal seam;gas content;protective mining;outburst-free zone;outburst of coal and gas

P618.11;TD712.6

A

0253-9993(2014)09-1786-06

2014-05-20 責(zé)任編輯:韓晉平

袁 亮(1960—),男,安徽金寨人,中國(guó)工程院院士。E-mail:yuanl_1960@sina.com

袁 亮,薛 生.煤層瓦斯含量法確定保護(hù)層開(kāi)采消突范圍的技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1786-1791.

10.13225/ j.cnki.jccs.2014.8019

Yuan Liang,Xue Sheng.Defining outburst-free zones in protective mining with seam gas content-method and application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1786-1791.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8019