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        高瓦斯煤層群開采保護層效果及有效保護范圍研究

        2023-10-19 10:34:34顏葉成
        山東煤炭科技 2023年9期
        關鍵詞:變形

        王 鎮(zhèn) 顏葉成

        (山東省三河口礦業(yè)有限責任公司,山東 棗莊 277000)

        1 概況

        東于煤業(yè)有限公司為高瓦斯礦井, 自上而下逐層開采03#、2#、4#、5#、6#、8#、9#煤層。03#煤層的03304 工作面為上保護層工作面,采用綜合機械化采煤工藝,全部垮落法管理頂板,工作面走向長768.4 m,傾向長196.5 m。03#煤層平均煤厚1.6 m,直接頂為灰色砂質泥巖,基本頂為灰黑色泥巖,直接底為灰色細砂巖,基本底為灰黑色泥巖。2#煤層作為被保護層,平均煤厚2.5 m,煤層傾角平均9°,距03#煤層平均7 m。

        2 保護層效果考察方案

        2.1 考察內(nèi)容及方法

        上保護層開采使得周圍的巖層及煤層朝著采空區(qū)方向出現(xiàn)位移和變形,地應力出現(xiàn)變化,被保護層卸壓,煤層膨脹變形產(chǎn)生裂隙,瓦斯解吸、透氣性增高,進而引起下鄰近層內(nèi)瓦斯壓力和瓦斯含量發(fā)生變化[1]。向被保護層施工鉆孔,安設相應的儀器和設備,定期觀測煤層瓦斯壓力、含量等數(shù)據(jù)。為避免對正常生產(chǎn)時造成影響,選擇在03304 工作面停采線以外的膠帶順槽、軌道順槽鉆場內(nèi)布置穿層考察鉆孔,測定分析03#煤層回采后其下方2#煤層瓦斯壓力、含量等相關參數(shù)的變化規(guī)律,進而確定03#煤層開采對2#煤層的保護范圍,并對保護效果進行分析。

        2.2 2#煤層考察鉆孔的布置

        1 號、2 號鉆場布置在03304 工作面膠帶順槽和軌道順槽停采線邊緣處,在兩個鉆場共計施工穿層鉆孔16 個,鉆孔進入2#煤層底板1 m。其中1、2 號鉆孔用來測定2#煤層原始瓦斯含量;3 號鉆孔在03304 工作面回采結束2 個月后測定2#煤層殘余瓦斯含量;4 號鉆孔用來分析2#煤層的變形規(guī)律;5~8 號鉆孔用來分析03#煤層在傾斜上部對2#煤層的保護效果及保護范圍;9~12 號鉆孔用來分析03#煤層在傾斜下部對2#煤層的保護效果及保護范圍;13~16 號鉆孔用來分析03#煤層在走向上對2#煤層的保護效果及保護范圍[2]。在滿足鉆孔施工要求的同時,減少鉆孔裂隙對數(shù)據(jù)造成的影響,鉆孔采用Φ94 mm 鉆頭施工,并嚴格按“兩堵一注”的封孔工藝對鉆孔進行封孔。鉆孔施工參數(shù)見表1。

        表1 鉆孔施工參數(shù)表

        3 保護層開采前后2#煤層瓦斯參數(shù)變化及保護效果分析

        3.1 2#煤層瓦斯含量變化分析

        根據(jù)現(xiàn)場和實驗室的測定數(shù)據(jù),1 號鉆孔中測定2#煤層解吸量為5.72 m3/t,損失量為1.11 m3/t,殘存量為1.95 m3/t,原始瓦斯含量為8.78 m3/t。2 號鉆孔中測定2#煤層解吸量為5.52 m3/t,損失量為1.15 m3/t,殘存量為1.95 m3/t,原始瓦斯含量為8.62 m3/t。3 號鉆孔中測定2#煤層解吸量為2.91 m3/t,損失量為0.44 m3/t,殘存量為1.95 m3/t,原始瓦斯含量5.30 m3/t。

        根據(jù)相關規(guī)定,殘余瓦斯壓力不超過0.74 MPa、殘余瓦斯含量不超過8 m3/t 時,即可說明區(qū)域防突措施效果有效[3]。從測定結果可以看出,2#煤層原始瓦斯含量為8.62~8.78 m3/t,3#煤層回采之后,殘余瓦斯含量降為5.30 m3/t,煤層中有3.32~3.48 m3/t 的瓦斯得到釋放,占煤層原始瓦斯含量的38%~40%。說明03304 工作面開采后,2#煤層出現(xiàn)卸壓,地應力減小,煤層膨脹變形產(chǎn)生裂隙,瓦斯解吸、透氣性增高,被保護層煤層的瓦斯得到了很好的釋放。

        3.2 2#煤層瓦斯壓力變化分析

        3.2.1 瓦斯壓力測定結果

        安裝壓力表后,采用被動測壓法每天記錄5~16號鉆孔的瓦斯壓力變化情況,對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,繪制可視化的曲線,各鉆孔曲線變化趨勢相似,其中5~8 號考察鉆孔的瓦斯壓力隨著保護層03304 工作面位置和時間的變化規(guī)律曲線如圖1、圖2。

        圖1 鉆孔瓦斯壓力隨時間變化曲線

        圖2 鉆孔瓦斯壓力隨工作面位置變化曲線

        3.2.2 瓦斯壓力測定結果分析

        根據(jù)鉆孔瓦斯壓力隨工作面位置變化曲線可發(fā)現(xiàn),沒有開采保護層03304 工作面時,被保護層煤層瓦斯壓力處于原始狀態(tài),隨著保護層的推采,煤層瓦斯壓力開始下降,隨著越來越接近保護層03304 工作面,被保護層受到集中應力的影響,瓦斯壓力出現(xiàn)反彈上升現(xiàn)象,隨后瓦斯壓力逐步降到最小值并處于穩(wěn)定狀態(tài),保護層的影響程度達到最大值。期間被保護層的鉆孔瓦斯壓力變化出現(xiàn)相似的特征,經(jīng)歷了二次卸壓的過程。

        3.2.3 保護層沿傾斜的卸壓角

        保護層03304 工作面開采后,2#煤層傾斜上部考察鉆孔的瓦斯壓力均出現(xiàn)下降現(xiàn)象,其中6、7、8 號鉆孔在保護層03304 工作面瓦斯壓力值分別從1.25 MPa、1.30 MPa、1.21 MPa 降為0.25 MPa、0.24 MPa、0.22 MPa,表明6、7、8 號鉆孔均已得到充分保護。2#煤層傾斜下部考察鉆孔的瓦斯壓力也都出現(xiàn)下降現(xiàn)象,其中9、10、11 號鉆孔在保護層03304 工作面瓦斯壓力值分別從1.18 MPa、1.27 MPa、1.23 MPa 降為0.19 MPa、0.21 MPa、0.23 MPa,表明9、10、11 號鉆孔均已得到充分保護。通過對煤層頂?shù)装逑鄬ξ灰品治?,得?#煤層開采對2#煤層沿傾斜方向的卸壓角[4],利用插值法計算,得出保護層沿傾斜的卸壓角為80°。

        3.2.4 保護層沿走向的卸壓角

        保護層03304 工作面開采后,沿著2#煤層走向方向上考察鉆孔的瓦斯壓力均出現(xiàn)下降,其中14、15、16 號鉆孔的瓦斯壓力值分別從1.10 MPa、1.13 MPa、1.18 MPa 下降到0.22 MPa、0.23 MPa、0.21 MPa,這表明14、15、16 號鉆孔均受到了保護作用。利用插值法計算,得出保護層03304 工作面沿走向的卸壓角為70°。

        3.3 2#煤層變形量變化分析

        2#煤層頂?shù)装宓南鄬ψ冃尾捎蒙畈炕c法進行測定,觀測出2#煤層絕對變形量后,2#煤層絕對變形量除以煤層的厚度即為2#煤層的相對變形量。觀測并記錄4 號鉆孔穿過2#煤層60 m 時的數(shù)據(jù),一直持續(xù)到工作面回采結束3 個月后,根據(jù)觀測到的數(shù)據(jù)繪制的2#煤層變形量隨時間、工作面位置的變化曲線如圖3、圖4。

        圖3 2#煤層變形量隨時間變化曲線

        圖4 2#煤層變形量隨工作面位置變化曲線

        由圖3、圖4 可以看出,在保護層03304 工作面回采過程中,受回采擾動影響,2#煤層先出現(xiàn)微弱的膨脹變形,隨著工作面繼續(xù)推進,煤層開始出現(xiàn)壓縮變形,在煤層壓縮變形至一定程度之后,開始恢復膨脹變形并持續(xù),直至煤層變形測定鉆孔位于工作面后方25 m 左右位置處趨于穩(wěn)定。此時推采的時間約為50 d,膨脹變形量達到最大值25 mm,計算出膨脹率為9.8‰。隨后膨脹變形量保持不變,此狀態(tài)可持續(xù)數(shù)月之久。長時間的煤層膨脹變形穩(wěn)定期為瓦斯抽采迎來了良好的條件和充足時間。

        4 保護層外錯段2#煤層瓦斯抽采效果考察

        在2#煤層中施工了一條03304 底抽巷(外錯03304 膠帶順槽幫對幫20 m),并在該巷道中施工本煤層順層鉆孔對涌入03#煤層的瓦斯進行攔截。保護層03304 工作面開采后,傾斜方向卸壓角δ2=80°,表明03304 工作面膠帶順槽外錯段的2 號煤層20 m 范圍內(nèi)(03304 底抽巷~03304 膠帶順槽正下方2 號煤層)沒有處于保護層有效保護范圍內(nèi)。

        現(xiàn)場在03304 底抽巷100 m、220 m、350 m、500 m、600 m 處分別進行取樣測定,經(jīng)計算2 號煤層殘余瓦斯含量測定結果分別見表2。

        表2 瓦斯抽采后殘余瓦斯含量測定結果

        從表2 的測定結果可以看出,03304 膠帶順槽外錯段2 號煤層20 m 范圍內(nèi),經(jīng)本煤層順層攔截鉆孔抽采后,殘余瓦斯含量最大為5.29 m3/t,不超過8 m3/t。經(jīng)計算,瓦斯抽采后煤的殘余相對瓦斯壓力為0.24 MPa,不超過0.74 MPa,說明經(jīng)瓦斯抽采后該范圍無煤與瓦斯突出危險性。

        5 結論

        對東于煤業(yè)有限公司03#煤層保護層03304 工作面開采后的保護范圍和保護效果進行了測試研究分析后,得到以下主要結論:

        1)2#煤層原始瓦斯含量在8.62~8.78 m3/t 之間,03#煤層保護層開采后,2#煤層殘余瓦斯含量下降為5.30 m3/t。

        2)03#煤層對2#煤層沿傾斜方向卸壓角δ3=80°,沿走向方向卸壓角δ5=70°。

        3)03#煤層作為保護層開采,能夠顯著提高2#煤層膨脹變形量,最高值達到25 mm,膨脹率達到9.8‰,超過《防治煤與瓦斯突出細則》中所要求的3‰,表明被保護層得到了較好的保護作用[5]。

        4)經(jīng)過2#煤層本煤層順層攔截鉆孔抽采后,03304 膠帶順槽外錯段的2#煤層20 m 范圍內(nèi)(03304底抽巷~03304 膠帶順槽正下方的2#煤層)瓦斯含量最大為5.29 m3/t,最大相對瓦斯壓力為0.24 MPa,小于8 m3/t 和0.74 MPa,該范圍經(jīng)抽采后無煤與瓦斯突出危險性。

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