聞昆鵬 石必明

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽省淮南市,232001)

遠(yuǎn)距離下保護(hù)層的保護(hù)效果考察與分析

聞昆鵬 石必明

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽省淮南市,232001)

潘一東礦使用層間距較遠(yuǎn)的11－2煤層作為13－1煤層的下保護(hù)層進(jìn)行區(qū)域防突,為確保保護(hù)效果達(dá)標(biāo)需要對(duì)其進(jìn)行深入考察。本文從區(qū)域邊界瓦斯壓力、煤層膨脹變形量、透氣性系數(shù)等方面考察保護(hù)效果,確定其保護(hù)范圍。同時(shí)分析了開采保護(hù)層對(duì)被保護(hù)層進(jìn)行卸壓瓦斯預(yù)抽對(duì)保護(hù)邊界范圍的影響。結(jié)果表明,開采保護(hù)層使保護(hù)區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力下降明顯,結(jié)合卸壓抽采可以使被保護(hù)煤層的卸壓范圍得到擴(kuò)大,卸壓區(qū)內(nèi)煤體最大膨脹率為19.13%,煤層透氣性系數(shù)可增大到原來(lái)的277.6倍。

區(qū)域防突 保護(hù)層開采 下保護(hù)層 效果考察 卸壓抽采

1 概述

保護(hù)層超前開采已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤與瓦斯突出礦井煤層群開采時(shí)預(yù)防突出的區(qū)域性措施,是防治煤與瓦斯突出的有效方法。但是,隨著被保護(hù)層與保護(hù)層垂直距離的增大,保護(hù)效果是逐漸降低的,甚至可能出現(xiàn)保護(hù)效果不達(dá)標(biāo)的情況。

潘一東礦絕對(duì)瓦斯涌出量為128.96 m3/min, 2012年礦井被鑒定為煤與瓦斯突出礦井。主采C組13－1煤層平均厚度5.55 m,賦存穩(wěn)定;下覆B組11－2煤層為穩(wěn)定的中厚煤層,平均厚度1.77 m。兩煤層均為突出煤層。

2 保護(hù)層開采效果考察的必要性

開采突出煤層前必須進(jìn)行區(qū)域防突措施,有保護(hù)層的必須優(yōu)先開采保護(hù)層。13－1煤層上覆D、E組薄煤層在井田內(nèi)賦存不穩(wěn)定,為不可采煤層, 13－1煤層沒有上保護(hù)層;隨著采深的增加,瓦斯壓力和瓦斯含量就越大,13－1煤層的突出問題就會(huì)越嚴(yán)重,即使在掘進(jìn)中采取“四位一體”的防突措施后,掘進(jìn)工作面的推進(jìn)速度依然緩慢;又因13－1煤層的瓦斯無(wú)法預(yù)先卸壓,給抽采帶來(lái)困難,通風(fēng)壓力大,極易超限。故優(yōu)先開采突出危險(xiǎn)性較小的11－2煤層作為13－1煤層的下保護(hù)層,使13－1煤層中被保護(hù)區(qū)域的煤體先卸壓消突。

11－2煤層與13－1煤層之間法線距離61.55～72.87 m,平均66.7 m。下保護(hù)層開采時(shí),要求層間法線距離不小于100 m,雖然11－2煤層和13－1煤層法線距離在有效范圍之內(nèi),但已屬于遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采,對(duì)13－1煤的保護(hù)效果是否達(dá)標(biāo)有待考察。

開采保護(hù)層時(shí),卸壓抽放鉆孔參數(shù)的設(shè)計(jì)尚缺乏依據(jù);沒有進(jìn)行效果考察,抽采鉆孔的終孔位置亦無(wú)法確定,鉆孔的密集程度也無(wú)從入手。在保護(hù)區(qū)域邊界附近,經(jīng)過(guò)部分卸壓的被保護(hù)層煤體其瓦斯可抽性指標(biāo)變化規(guī)律,如透氣性系數(shù)、殘余瓦斯含量等,都需要實(shí)際分析和研究。保護(hù)層開采結(jié)合瓦斯抽采后,保護(hù)邊界區(qū)域抽采作用對(duì)強(qiáng)化保護(hù)效果以及是否可以促進(jìn)部分卸壓煤體向充分卸壓煤體轉(zhuǎn)化,從而擴(kuò)大保護(hù)邊界,都需要進(jìn)一步研究。

3 保護(hù)效果考察

考察內(nèi)容為:11－2煤層的1252(1)工作面在回采過(guò)程中,工作面邊界范圍對(duì)應(yīng)的被保護(hù)層位置附近的瓦斯壓力值;1252(1)工作面回采過(guò)程中其上覆巖層的膨脹變形特征;1252(1)工作面的回采對(duì)13－1煤層瓦斯抽采的影響。

3.1 瓦斯壓力考察

3.1.1 走向邊界范圍瓦斯壓力考察

被保護(hù)層13－1煤層的1253(3)工作面(未開采)為保護(hù)層11－2煤層的1252(1)工作面回采過(guò)程中卸壓消突的工作面。在1252(3)底板巷(此巷道用于1252(3)工作面掘進(jìn)運(yùn)輸平巷時(shí)對(duì)掘進(jìn)巷道前方的煤體進(jìn)行抽采消突)中施工5個(gè)測(cè)壓考察孔,鉆孔直徑94 mm。A1孔開孔處距密閉墻約10 m,其他各鉆孔開孔水平距離間隔1 m,測(cè)壓鉆孔的終孔位置為鉆孔進(jìn)入13－1煤層頂板1 m處。保護(hù)層走向區(qū)域測(cè)壓鉆孔布置見圖1。A1終孔距封閉墻在13－1煤層的鉛垂投影內(nèi)40 m; A2終孔距鉛垂投影內(nèi)20 m(理論保護(hù)線的位置); A3、A4、A5終孔距封閉墻在13－1煤層的鉛垂投影外0 m、15 m、25 m。

圖1 走向測(cè)壓鉆孔布置圖

A1、A2測(cè)壓孔的瓦斯壓力隨1252(1)工作面回采進(jìn)尺的變化如圖2所示。由圖2可以看出,工作面回采至55 m時(shí),A1點(diǎn)瓦斯壓力由3.25 MPa大幅降至1.25 MPa;回采至170 m時(shí),瓦斯壓力逐步下降并最終穩(wěn)定在0.15 MPa,這與上覆關(guān)鍵層周期離層卸壓有關(guān),說(shuō)明區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了明顯的卸壓效果;工作面回采至30 m時(shí),A2點(diǎn)壓力迅速上升;在回采至55 m時(shí)達(dá)到頂峰3.0 MPa,原因是在采動(dòng)影響下,前方煤體內(nèi)應(yīng)力集中,主應(yīng)力不斷增強(qiáng);工作面回采至60 m時(shí)瓦斯卸壓至0.2 MPa;至65 m時(shí)壓力保持在0.85 MPa,原因是瓦斯解吸增加,但流量趨于平穩(wěn)。

圖2 A1、A2測(cè)壓孔壓力與工作面回采推進(jìn)距離的關(guān)系

A3、A4、A5測(cè)壓孔均處于切眼垂直投影外,理論上保護(hù)層保護(hù)區(qū)域應(yīng)為保護(hù)層工作面(即1252(1)工作面)切眼鉛垂投影線在13－1煤層投影線內(nèi)20 m,本文設(shè)置原因是通過(guò)考察A3～A5測(cè)壓孔瓦斯壓力,若能達(dá)到消突條件,則可以進(jìn)一步研究煤層的其他參數(shù),以擴(kuò)大被保護(hù)層的消突范圍。但由于A2點(diǎn)邊界壓力大于規(guī)定0.74 MPa標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明此處尚未消除突出危險(xiǎn)性。故A3～A5測(cè)壓鉆孔位于未消突區(qū)域,瓦斯壓力便不在圖2中給出。

3.1.2 上、下巷道邊界范圍瓦斯壓力考察

在1252(3)底板巷左幫垂直于掘進(jìn)方向,施工4個(gè)測(cè)壓鉆孔,鉆孔直徑94 mm,B1鉆孔開孔位置距1252(1)工作面收作線位置內(nèi)側(cè)70 m,其他各鉆孔開孔間距1 m,測(cè)壓鉆孔的終孔位置為鉆孔進(jìn)入13－1煤層頂板1 m處。保護(hù)層上巷道在13－1煤層垂直邊界區(qū)域壓力鉆孔布置如圖3(a)。B1、B3終孔距保護(hù)層開采工作面1252(1)上巷道鉛垂投影內(nèi)25 m、8 m;B2終孔距上巷道鉛垂投影內(nèi)17 m(理論保護(hù)線的位置);B4終孔距上巷道鉛垂投影外7 m。

在西翼矸石帶式輸送機(jī)巷右?guī)痛怪庇诰蜻M(jìn)方向施工4個(gè)測(cè)壓鉆孔,鉆孔直徑94 mm,C1鉆孔開孔位置距1252(1)工作面收作線位置內(nèi)側(cè)50 m,其他各鉆孔開孔間距1 m,測(cè)壓鉆孔的終孔位置為鉆孔進(jìn)入13－1煤層頂板1 m處。保護(hù)層下巷道在13－1煤層垂直邊界區(qū)域壓力鉆孔布置如圖3(b)。C1終孔距保護(hù)層開采工作面1252(1)下巷道鉛垂投影內(nèi)15 m;C2終孔距下巷道鉛垂投影內(nèi)7 m (理論保護(hù)線的位置);C3、C4終孔距下巷道鉛垂投影外8 m、23 m。

圖3 巷道邊界瓦斯壓力考察鉆孔布置圖

如圖4(a)為上巷道B3、B2測(cè)壓孔壓力與1252(1)工作面回采進(jìn)尺的關(guān)系曲線。工作面從260 m回采至330 m時(shí),B2點(diǎn)壓力由0.5 MPa迅速上升到1.9 MPa,因?yàn)榛夭蛇^(guò)程中巷道邊界應(yīng)力集中導(dǎo)致瓦斯壓力劇增;從330 m向后回采時(shí),壓力開始分階段下降;回采至430 m時(shí),壓力降為0.55 MPa并保持穩(wěn)定,產(chǎn)生了明顯的卸壓效果;工作面從260 m回采至390 m的過(guò)程中,B3點(diǎn)的瓦斯壓力由原來(lái)的0.3 MPa逐漸上升至0.5 MPa,工作面從390 m向后繼續(xù)回采時(shí),壓力由原來(lái)的0.25 MPa上升到2.2 MPa(＞0.74 MPa)。因受采動(dòng)影響應(yīng)力持續(xù)疊加,瓦斯壓力也不斷上升?？梢?13－1煤層的保護(hù)范圍上邊界為上巷道鉛垂投影線內(nèi)15 m處,通過(guò)計(jì)算卸壓角為82°。

如圖4(b)為下巷道C2、C3測(cè)壓孔壓力隨1252(1)工作面回采距離的變化曲線。開采后C2點(diǎn)的壓力由原來(lái)的3.2 MPa連續(xù)降至0.4 MPa,為保護(hù)層開采卸壓所致;C3點(diǎn)的壓力隨1252(1)工作面的回采不斷上升,由初始的1.0 MPa上升至3.5 MPa,主要是受到回采主應(yīng)力疊加的影響,瓦斯壓力上升顯著,但隨著采動(dòng)卸壓程度增大,瓦斯壓力又明顯下降,并維持在1.1 MPa(＞0.74 MPa)?？梢?被13－1煤層的保護(hù)范圍下邊界為下巷道鉛垂投影線內(nèi)15 m處,通過(guò)計(jì)算卸壓角為77°。

3.2 保護(hù)層變形規(guī)律考察

由于13－1煤層與11－2煤層的平均層間距達(dá)66.7 m,11－2煤層屬遠(yuǎn)距離保護(hù)層,對(duì)保護(hù)效果造成不良影響,具體表現(xiàn)為被保護(hù)層壓縮變形和膨脹變形均變小,膨脹變形的滯后時(shí)間增長(zhǎng),不利于關(guān)鍵層的離層和破斷裂隙的產(chǎn)生,同時(shí)將增大保護(hù)層工作面的開采超前距。

圖4 巷道測(cè)壓孔壓力與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

對(duì)頂?shù)装逦灰谱兓臏y(cè)量通常使用擴(kuò)張式基點(diǎn)法。施工中要求測(cè)量鉆孔必須進(jìn)入頂?shù)装甯?.0 m。整個(gè)裝置由鋼管、固定鋼板、鋼絲繩和變形重錘等組成,施工布置如圖5所示。

圖5 變形鉆孔施工布置圖

保護(hù)層上方13－1煤層走向邊界區(qū)域側(cè)變形鉆孔布置如圖6所示。隨著保護(hù)層的回采,1＃和2＃變形鉆孔測(cè)得的變形量如圖7所示。在保護(hù)層回采的20～80 m內(nèi),1＃、2＃孔得到的變形量逐漸增加且趨勢(shì)大致相同。這是因?yàn)?3－1煤層受到11－2煤層的采動(dòng)影響,保護(hù)層上覆巖層中的關(guān)鍵層彎曲下沉,保護(hù)效果還未充分體現(xiàn),所以膨脹變形暫時(shí)緩慢進(jìn)行;當(dāng)回采至90 m時(shí),關(guān)鍵層發(fā)生垮落,變形孔1＃的最大變形為19.13‰,變形孔2＃的最大變形為15.26‰,通過(guò)1＃和2＃測(cè)得的變形量判斷區(qū)域整體變形大于3‰。封閉墻垂直投影處的測(cè)孔因鋼絲繩銹蝕斷裂,故沒有測(cè)得完整數(shù)據(jù)。

圖6 變形鉆孔布置剖面圖

圖7 1＃、2＃變形鉆孔變形量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

3.3 煤層透氣性系數(shù)考察

使用保護(hù)層工作面底抽巷A4鉆孔(圖1)進(jìn)行13－1煤層卸壓前后透氣性系數(shù)的測(cè)試。根據(jù)A4鉆孔的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算13－1煤層的透氣性系數(shù)。13－1煤層A4鉆孔測(cè)試原始記錄如表1所示。

表1 A4鉆孔測(cè)試原始數(shù)據(jù)記錄

最后根據(jù)透氣性系數(shù)的相關(guān)公式計(jì)算得出卸壓后13－1煤層透氣性系數(shù)達(dá)到28.47 m2/MPa2·d,較原始透氣性系數(shù)0.125 m2/MPa2·d,透氣性增大277.6倍。

4 瓦斯抽采提升保護(hù)效果

通過(guò)11－2煤層的開采使13－1煤層的主應(yīng)力有所下降,膨脹變形使得煤體彈性潛能得到釋放,透氣性系數(shù)提高顯著。但由于下保護(hù)層11－2煤層距離13－1煤層較遠(yuǎn),根據(jù)關(guān)鍵層理論,遠(yuǎn)距離被保護(hù)層處于關(guān)鍵層破壞時(shí)的彎曲下沉帶內(nèi),彎曲下沉帶多為離層裂隙,層間斷裂裂隙不發(fā)育,故13－1煤層與相鄰圍巖之間垂直裂隙產(chǎn)生少,難以與保護(hù)層采空區(qū)形成溝通,這樣被保護(hù)層的瓦斯向保護(hù)層采空區(qū)自然釋放少。雖然煤層卸壓導(dǎo)致部分吸附瓦斯解析,因煤體膨脹變形造成的瓦斯壓力下降只是暫時(shí)的,最終壓力依然會(huì)在一些區(qū)域保持較高值,進(jìn)一步卸壓就必須借助鉆孔抽采瓦斯。因?yàn)楸Ｗo(hù)層開采已使透氣性系數(shù)大幅提高,如果鉆孔設(shè)計(jì)合理,則瓦斯抽采率增大較多,能有效降低瓦斯的初始釋放。

在布置被保護(hù)層的首個(gè)工作面1253(3)前,用1252(3)底板巷對(duì)被保護(hù)范圍內(nèi)的13－1煤層卸壓瓦斯進(jìn)行打鉆抽采。經(jīng)過(guò)對(duì)抽采半徑的考察,設(shè)計(jì)在1252(3)底板巷內(nèi)布置128個(gè)穿層鉆孔,在掘進(jìn)頭布置14個(gè)穿層鉆孔進(jìn)行抽采。井下穿層鉆孔利用地面泵站進(jìn)行抽采,實(shí)現(xiàn)單獨(dú)抽采計(jì)量。1252(3)底板巷內(nèi)某一個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔布置如圖8所示。

圖8 底板巷抽采鉆孔布置示意圖

抽采系統(tǒng)形成后,經(jīng)過(guò)近一年的抽采,通過(guò)對(duì)底板巷每日抽采量累計(jì)以及工作面進(jìn)尺的統(tǒng)計(jì),得出了底抽巷鉆場(chǎng)流量與1252(1)工作面回采距離的關(guān)系,見圖9。

圖9 底抽巷瓦斯抽采量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

當(dāng)1252(1)工作面回采至100 m時(shí),瓦斯抽采量急劇上升。抽采量在工作面回采至180 m時(shí)達(dá)到80 m3/min,出現(xiàn)小范圍的下降;在工作面回采至220 m時(shí),抽采量達(dá)極大值85 m3/min,表明此時(shí)抽采區(qū)域接近充分卸壓;回采進(jìn)尺達(dá)280～800 m時(shí),鉆場(chǎng)抽采瓦斯量處于40 m3/min左右波動(dòng),其中工作面回采至約620 m時(shí),抽采量較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在一定的數(shù)值范圍,表明采空區(qū)開始逐漸壓實(shí),13－1煤層的膨脹變形量有所下降。

保護(hù)層開采配合抽采鉆孔抽采,穩(wěn)定階段瓦斯抽采濃度達(dá)到78%,抽采量約6萬(wàn)m3/d。此條件下進(jìn)一步考察得出:13－1煤層的保護(hù)范圍可以擴(kuò)大到接近保護(hù)層1252(3)的上下巷道、停采線與開切眼垂直投影線對(duì)應(yīng)位置。最后考慮到原先切眼外15 m處瓦斯壓力處于相對(duì)高值,建議在邊界區(qū)采用密集鉆孔對(duì)其進(jìn)行有效的抽采,確保足夠長(zhǎng)時(shí)間,消除邊界區(qū)的突出危險(xiǎn)性,并在采掘工作時(shí)采取必要的局部防突措施。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)保護(hù)效果檢驗(yàn),遠(yuǎn)距離被保護(hù)層11－2煤層的開采能夠使保護(hù)層13－1煤層卸壓,瓦斯壓力下降;以保護(hù)層工作面邊界垂直投影內(nèi)約15 m為保護(hù)區(qū)域邊界,保護(hù)區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力均小于0.74 MPa,達(dá)到保護(hù)效果。

(2)保護(hù)區(qū)域內(nèi)煤層膨脹率均大于3‰,達(dá)到保護(hù)要求,其中變形孔測(cè)得的最大變形為19.13‰;保護(hù)層工作面回采后,13－1煤層透氣性28.47 m2/MPa2·d,比原始透氣性增大277.6倍。

(3)保護(hù)層開采并配合鉆孔抽采卸壓瓦斯,穩(wěn)定抽采時(shí)平均抽采率達(dá)76.48%。在保護(hù)邊界區(qū)采用密集鉆孔進(jìn)行有效抽采足夠長(zhǎng)時(shí)間,可消除邊界區(qū)的突出危險(xiǎn)性,能使被保護(hù)層的保護(hù)區(qū)域邊界接近保護(hù)層開采區(qū)域的垂直投影處。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Investigation and analysis of the protection effect under the far-distance-lower-protective-layer

Wen Kunpeng,Shi Biming
(School of Mining and Safety Engineering,Anhui University of Science&Technology, Huainan,Anhui 232001,China)

It was necessary that the protection effect should be deeply investigated to ensure the protection effect reaching the standard in the process of regional gas outburst prevention that 11－2 coal seam was regarded as the far-distance lower protective layer of 13－1 coal seam in the Panyi Dong Coal Mine.The protection effect was investigated from the regional boundary gas pressure and swelling deformation rate and gas permeability coefficient and the protection range was determined,and then the influence of destressed gas extraction in the protected layer under mining the protective layer on the protection of the boundary range was analyzed.The results show that exploring the protective layer make the gas pressure decreasing significantly in the protective region and the destressed range of protected layer expanding combination of destressed gas extraction,the maximum swelling deformation rate of coal seam reached 19.13%and the gas permeability coefficient increased to 277.6 times as the original in the destressed region.

regional gas outburst prevention,protective layer mining,gas pressure,swelling deformation rate of coal seam,gas permeability coefficient,destressed gas extraction

TD712

A

聞昆鵬(1990－),男,安徽蕪湖人,安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院在讀研究生,主要研究方向?yàn)榈V井瓦斯防治。