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        上保護(hù)層保護(hù)范圍確定及效果考察研究

        2023-12-29 00:00:00周明周海何磊薛峰
        能源新觀察 2023年6期

        摘" 要:以發(fā)耳煤礦為例,采用理論與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定3煤上保護(hù)層開采的保護(hù)范圍,并對(duì)保護(hù)效果進(jìn)行分析。上保護(hù)層3煤開采后,通過(guò)測(cè)定被保護(hù)層的殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力和被保護(hù)層膨脹變形量,得出被保護(hù)層5-2,5-3煤層殘余瓦斯含量均小于突出臨界指標(biāo)8.0m3/t,5-2,5-3煤層膨脹變形量均大于3‰,5-2,5-3和7煤層殘余瓦斯壓力降幅明顯,表明在卸壓范圍內(nèi)被保護(hù)層無(wú)突出危險(xiǎn)性。5-2煤層走向卸壓角為60°,5-2煤層傾向卸壓角為75°;5-3煤層走向卸壓角為60°,5-3煤層傾向卸壓角為75°;7煤層走向卸壓角為60°,7煤層傾向卸壓角為75°。

        關(guān)鍵詞:煤與瓦斯突出 保護(hù)層保護(hù)范圍 效果研究

        保護(hù)層開采是為了消除或減小相鄰煤層的地應(yīng)力及突出危險(xiǎn)性而預(yù)先開采鄰近無(wú)突出危險(xiǎn)煤層或突出危險(xiǎn)較小的煤層[1]。保護(hù)層開采使得上、下煤巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈拉張破壞,采空區(qū)上方巖體冒落并形成自然冒落拱,采空區(qū)下方巖體向采空區(qū)膨脹形成裂隙,地應(yīng)力得到有效釋放,煤層透氣性增高,為瓦斯解吸提供了條件[2]。上保護(hù)層保護(hù)范圍的確定不僅能有效防止煤層開采引起的地表塌陷,保護(hù)地表穩(wěn)定性,還能為合理規(guī)劃采煤區(qū)域,保障煤層開采效益提供理論依據(jù)。本文以發(fā)耳煤礦3煤層作為5-2、5-3和7煤層的上保護(hù)層進(jìn)行開采,基于《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》(AQ1050-2008),測(cè)定殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、煤層膨脹變形量等瓦斯動(dòng)力參數(shù),確定上保護(hù)層保護(hù)范圍,并進(jìn)行保護(hù)效果考察。

        1.研究區(qū)域基本情況

        貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤水市南部,直距25km。發(fā)耳煤礦五采區(qū)位于貴州高原西部,地形迭宕起伏,發(fā)耳河和北盤江切割強(qiáng)烈,最高處位于五采區(qū)北側(cè)中寨,標(biāo)高+1536.9m;最低處位于五采區(qū)西側(cè)北盤江河床,標(biāo)高約+900m;相對(duì)高差636.90m。3煤層距1煤層14.65m,煤層總厚0.76-4.14m,平均1.77m,一般1.20~2.30m,其中大于1.30m占76%,屬中厚穩(wěn)定型煤層;5-2煤層上距3煤12.7m,煤厚0.65~3.32m,平均1.76m;5-3煤層:距5-2煤層10.54m,煤層總厚0.29-2.77m,平均1.33m;7煤層距5-3煤層22. 59m,煤層總厚1.00~3.43m,平均2.33m,全區(qū)可采,屬穩(wěn)定型煤層。

        目前,該礦五采區(qū)采用3煤作為上保護(hù)層開采,結(jié)合順層鉆孔預(yù)抽3煤回采區(qū)域瓦斯,利用穿層鉆孔預(yù)抽被保護(hù)層區(qū)域瓦斯,實(shí)現(xiàn)對(duì)5-2、5-3和7煤層的瓦斯災(zāi)害防治。

        2.上保護(hù)層保護(hù)范圍確定

        2.1 上保護(hù)層理論保護(hù)范圍

        發(fā)耳煤礦煤層傾角為11°左右,傾斜方向理論保護(hù)卸壓角均為75°,走向卸壓角為60°。因此,保護(hù)層3煤對(duì)被保護(hù)層工作面沿傾向的保護(hù)范圍對(duì)應(yīng)于工作面始采線、采止線卸壓角按照75°劃定。3煤和5-2煤保護(hù)范圍在傾向上內(nèi)錯(cuò)5.18m;3煤和5-3煤保護(hù)范圍在傾向上內(nèi)錯(cuò)12.9m;3煤和7煤保護(hù)范圍在傾向上內(nèi)錯(cuò)25.15m。保護(hù)層3煤對(duì)被保護(hù)層工作面沿走向的保護(hù)范圍對(duì)應(yīng)于工作面始采線、采止線卸壓角按照60°劃定,3煤和5-2煤保護(hù)范圍在走向上內(nèi)錯(cuò)7.77m;3煤和5-3煤保護(hù)范圍在走向上內(nèi)錯(cuò)17.88m;3煤和7煤保護(hù)范圍在走向上內(nèi)錯(cuò)30.06m。上保護(hù)層走向及傾向理論卸壓保護(hù)范圍見圖2-1。

        2.2 沿煤層走向的保護(hù)范圍

        3煤層工作面回采后煤層走向殘余瓦斯含量見表2-1,建立5-2、5-3、7煤考察鉆孔所測(cè)煤層殘余瓦斯含量與距理論卸壓線位移的關(guān)系如圖2-2所示。通過(guò)線性插值,得出瓦斯含量為8m3/t的卸壓線與理論卸壓線的相對(duì)位置為:5-2煤實(shí)測(cè)走向卸壓線位于理論卸壓線之外1.77m,對(duì)應(yīng)上保護(hù)層5-2煤走向卸壓角為65°;5-3煤實(shí)測(cè)走向卸壓線位于理論卸壓線之外0.68m,對(duì)應(yīng)上保護(hù)層5-3煤走向卸壓角為61°;7煤實(shí)測(cè)走向卸壓線位于理論卸壓線之外0.87m,對(duì)應(yīng)上保護(hù)層7煤走向卸壓角為61°。

        2.3 沿煤層傾向的保護(hù)范圍

        3煤層工作面回采后煤層傾向殘余瓦斯含量見表2-2,建立55-2、5-3、7煤考察鉆孔所測(cè)3煤理論卸壓線區(qū)域煤層瓦斯含量與距理論卸壓線位移的關(guān)系見圖2-3,通過(guò)線性插值,得出瓦斯含量為8m3/t的卸壓線與理論卸壓線的相對(duì)位置為:5-2煤實(shí)測(cè)傾向卸壓線位于理論卸壓線之外1.65m,對(duì)應(yīng)上保護(hù)層5-2煤傾向卸壓角為77°;5-3煤實(shí)測(cè)傾向卸壓線位于理論卸壓線之內(nèi)1.4m,對(duì)應(yīng)上保護(hù)層5-3煤傾向卸壓角為75°;7煤實(shí)測(cè)傾向卸壓線位于理論卸壓線之外2.77m,對(duì)應(yīng)上保護(hù)層7煤傾向卸壓角為76°。

        2.4 結(jié)果分析

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)得出的5-2煤、5-3煤和7煤的走向及傾向卸壓角匯總于表2-3。

        由表2-3可知, 5-2煤理論走向卸壓角為60°,實(shí)測(cè)走向卸壓角為65°;5-2煤理論傾向卸壓角理為75°,實(shí)測(cè)傾向卸壓角為77°。5-3煤理論走向卸壓角理為60°,實(shí)測(cè)走向卸壓角為61°;5-3煤理論傾向卸壓角理為75°,實(shí)測(cè)傾向卸壓角為75°。7煤理論走向卸壓角理為60°,實(shí)測(cè)走向卸壓角為61°;7煤理論傾向卸壓角理為75°,實(shí)測(cè)傾向卸壓角為76°。綜上所述,發(fā)耳煤礦3煤作為上保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層5-2煤,5-3煤及7煤走向及傾向保護(hù)范圍如圖2-4所示。

        考慮到測(cè)定誤差,并留有一定的安全系數(shù),因此建議發(fā)耳煤礦五采區(qū)上保護(hù)層開采的卸壓角分別為:5-2煤走向卸壓角為60°,5-2煤傾向卸壓角為75°;5-3煤走向卸壓角為60°,5-3煤傾向卸壓角為75°;7煤走向卸壓角為60°,7煤傾向卸壓角為75°。

        3.被保護(hù)層保護(hù)效果考察

        3.1 被保護(hù)層卸壓瓦斯涌出量理論計(jì)算

        目前鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法有近十種,它們之間的基本區(qū)別在于確定各涌出源瓦斯涌出率的數(shù)學(xué)模型不同,圖3-1為國(guó)外不同學(xué)者提出的鄰近層瓦斯涌出率與到開采層距離的關(guān)系曲線,它們各不相同是因?yàn)槠湮锢砟P筒灰粯印1疚姆謩e用德國(guó)溫特爾法、蘇聯(lián)李金法、重慶煤研所-陽(yáng)泉礦務(wù)局科研所法對(duì)3#煤層工作面回采階段,被保護(hù)層5-2、5-3、7煤層的瓦斯涌出量進(jìn)行分析計(jì)算。

        (1)德國(guó)溫特爾法

        該法鄰近層瓦斯涌出量如式(3-1)所示:

        式中:上鄰近層瓦斯涌出率Cl應(yīng)這樣來(lái)確定;距開采層20m以內(nèi)者取100,其余取100exp(20- h1)u,其中h為鄰近層到開采層的垂距(m),u取決于地層流動(dòng)阻力的大小,根據(jù)地層流動(dòng)阻力大小可取0.012、0.014或0.016。下鄰近層瓦斯涌出率Cl:距開采層8m以內(nèi)取100,其余取100exp(8-hl)u,其中hl為下鄰近層到開采層的距離,m、u視地層流動(dòng)阻力大小取0.03或0.05。

        5-2煤層與3煤層的層間距為12.7m,因此,Cl取90;5-3煤層與3煤層間距為23.24m,此時(shí),Cl取80;7煤層與3煤層間距為46.32m,由于間距大于40m,7煤層不參與瓦斯涌出量計(jì)算。

        (2)蘇聯(lián)科學(xué)院礦業(yè)研究所法

        該方法在計(jì)算鄰近層瓦斯涌出量時(shí)采用式(3-2)進(jìn)行計(jì)算:

        式中:x0為瓦斯源所在煤層的原始瓦斯含量,m3/t;x1為運(yùn)到地面煤的殘余瓦斯含量,m3/t;h1為第l鄰近層距開采層的層間垂距,m;hj為鄰近層涌出瓦斯的極限距離,即瓦斯涌出等于零的鄰近層距開采層最近的層間垂距,對(duì)于上鄰近層Hj=Kdgml(1.2+cosa),對(duì)于換傾斜、傾斜煤層的下鄰近層hj=40m,對(duì)于急傾斜下鄰近層,Hj=Kdgml(1.2-cosa),Kdg決定于頂板管理方法的系數(shù),a為煤層傾角。

        (3)重慶煤研所—陽(yáng)泉礦務(wù)局科研所法

        重慶煤研所與陽(yáng)泉礦務(wù)局科研所合作研究得出鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)式如式(3-3)所示:

        式中:x0,1為鄰近層原始瓦斯含量,m3/t;Cl為第l鄰近層瓦斯涌出率,由圖3-2可查得。

        應(yīng)用3種方法計(jì)算得到:3煤層工作面回采階段,下鄰近層5-2、5-3煤層瓦斯涌出量、殘余瓦斯含量及煤瓦斯涌出率結(jié)果匯總于表3-1。

        德國(guó)溫特爾法、蘇聯(lián)李金法、重慶煤研所-陽(yáng)泉礦務(wù)局科研所法三種方法計(jì)算的結(jié)果相近,重慶煤研所-陽(yáng)泉礦務(wù)局科研所法計(jì)算得到5-2煤層殘余瓦斯含量最大為4.91m3/t,5-3煤層殘余瓦斯含量最大為5.48m3/t,均小于突出臨界指標(biāo)8.0m3/t。

        3.2 保護(hù)效果分析

        (1)走向殘余瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果分析

        A1#~A3#、B1#~B3#鉆孔為5-2煤層走向殘余瓦斯壓力測(cè)定孔, E1#~E3#、F1#~F3#鉆孔為5-3煤層走向殘余瓦斯壓力測(cè)定孔,I1#~I(xiàn)3#、J1#~J3#鉆孔為7煤層走向殘余瓦斯壓力測(cè)定孔,5-2、5-3和7煤層走向殘余瓦斯壓力與3煤層回采時(shí)間之間關(guān)系曲線如圖3-3所示。

        對(duì)于5-2、5-3和7煤層,從圖3-3可以看出,被保護(hù)層受采動(dòng)影響,位于走向理論卸壓線以外15m處鉆孔瓦斯壓力gt;位于走向理論卸壓線上鉆孔瓦斯壓力gt;位于走向理論卸壓線內(nèi)鉆孔瓦斯壓力。5-2煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa,5-3煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa ,7煤層原始瓦斯壓力為1.23MPa。位于走向理論卸壓線上鉆孔瓦斯壓力,5-2煤層瓦斯壓力降至0.18~0.51MPa,最大降幅為83.9%;5-3煤層瓦斯壓力降至0.25~0.52MPa,最大降幅為77.6%;7煤層瓦斯壓力降至0.38~0.66MPa,最大降幅為69.1%,表明被保護(hù)層走向范圍內(nèi)煤層瓦斯得到了一定程度的釋放和逸散,煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性進(jìn)一步降低。

        (2)傾向殘余瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果分析

        C1#~C3#、D1#~D3#鉆孔為5-2煤層傾向殘余瓦斯壓力測(cè)定孔,G1#~G3#、H1#~H3#鉆孔為5-3煤層傾向殘余瓦斯壓力測(cè)定孔, K1#~K3#、L1#~L3#鉆孔為7煤層傾向殘余瓦斯壓力測(cè)定孔,5-2、5-3和7煤層傾向殘余瓦斯壓力與3煤層回采時(shí)間之間關(guān)系曲線如圖3-4所示。

        由圖3-4可知,對(duì)于5-2、5-3和7煤層位于傾向理論卸壓線以外15m處鉆孔瓦斯壓力gt;位于傾向理論卸壓線上的鉆孔瓦斯壓力gt;位于傾向理論卸壓線上的鉆孔瓦斯壓力。5-2煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa,5-3煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa,7煤層原始瓦斯壓力為1.23MPa 。5-2煤層瓦斯壓力降至0.18~0.69Pa,最大降幅為83.9%; 5-3煤層瓦斯壓力降至0.23~0.77MPa,最大降幅為74.1%;7煤層瓦斯壓力降至0.4~0.74MPa,最大降幅為67.4%,表明被保護(hù)層傾向范圍內(nèi)與走向卸壓范圍一樣,在理論傾向卸壓線內(nèi)受3煤保護(hù)層開采的保護(hù)。

        3.3被保護(hù)層膨脹變形量測(cè)定

        (1)變形測(cè)定儀安裝

        本文選擇煤炭科學(xué)研究總院重慶分院BC-I型變形測(cè)定儀對(duì)被保護(hù)煤層的絕對(duì)位移量和相對(duì)變形量進(jìn)行測(cè)定。變形儀主要由擴(kuò)張式基點(diǎn)、鋼絲繩及重錘3部分組成。對(duì)于保護(hù)層開采效果考察來(lái)說(shuō),單一煤層考察鉆孔安裝1套變形儀,包括2個(gè)擴(kuò)張式基點(diǎn)、4個(gè)插銷、2個(gè)固定接頭、2個(gè)重錘、直徑為2 mm及3 mm的鋼絲繩(直徑2 mm鋼絲繩為不銹鋼材質(zhì))和若干繩卡等,其設(shè)備擴(kuò)張式基點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

        擴(kuò)張式基點(diǎn)組裝方法:BC-I型變形測(cè)定儀安裝之前,在地面先用臺(tái)鉗將擴(kuò)張式基點(diǎn)壓縮,將插銷插入插銷孔,備用(安裝示意圖見圖3-5)。

        測(cè)試5-2、5-3煤層工作面上位巖層消垂直向方的位移特征,以確定被保護(hù)層膨脹變形量。在50107運(yùn)順底抽巷向5-2、5-3煤層工作面內(nèi)部施工鉆孔,根據(jù)深部基點(diǎn)法,安裝巖層變形量測(cè)定裝置。測(cè)定被保護(hù)煤層膨脹變形量,記錄各測(cè)點(diǎn)變形量與3煤工作面推進(jìn)位置的變化關(guān)系。

        (2)煤層膨脹變形量數(shù)據(jù)分析

        變形儀安裝后,在孔口用2個(gè)重錘把從擴(kuò)張式基點(diǎn)1,2引出的2條鋼絲繩分別拉緊。當(dāng)煤層受到采動(dòng)影響后,煤層頂?shù)装灏l(fā)生位移時(shí),用百分表或者卡尺測(cè)量2個(gè)重錘的相對(duì)位移,即任意鉆孔方向上煤層變形量。對(duì)測(cè)得的任意鉆孔方向上的煤層變形量,需按式(3-4)換算為垂直煤層層面方向的變形量[3]:

        式中:為垂直煤層層面方向上的變形量,mm;為任意鉆孔方向上煤層的變形量,即變形儀2個(gè)擴(kuò)張基點(diǎn)上重錘的相對(duì)位移量,mm;為鉆孔傾角;為鉆孔方位與煤層走向的夾角;為煤層傾角。

        根據(jù)測(cè)定煤層層面方向上的最大變形量,煤層的最大膨脹變形率如式(3-5)所示[3]。

        式中:η為煤層的最大膨脹變形率,‰;E1max為垂直煤層層面方向上的最大變形量,mm;M為煤層厚度,mm。

        5-2煤層、5-3煤層膨脹變形沿走向的變化情況如圖3-6所示。

        在3煤保護(hù)層開采過(guò)程中,被保護(hù)層5-2、5-3煤層的變形對(duì)卸壓消突起著最有效的作用,而煤層變形量是最直觀、最重要的評(píng)價(jià)參數(shù)。從圖3-6可以看出,隨著時(shí)間推進(jìn),下部被保護(hù)層5-2、5-3煤層經(jīng)歷了由壓縮到膨脹的變形過(guò)程,符合采掘應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律,即工作面前后應(yīng)力狀態(tài)可分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。在有效保護(hù)范圍內(nèi)的S1、S3號(hào)孔處5-2煤層膨脹變形量為7‰,大于3‰臨界;在有效保護(hù)范圍內(nèi)的S2、S4號(hào)孔處5-3煤層膨脹變形量為5.1‰,大于3‰臨界值,說(shuō)明保護(hù)層開采后被保護(hù)層5-2煤層、5-3煤層工作面保護(hù)范圍內(nèi)卸壓充分,保護(hù)效果有效。

        4.結(jié)論

        結(jié)合發(fā)耳煤礦五采區(qū)上保護(hù)層開采實(shí)際情況,開展3煤上保護(hù)層開采對(duì)下覆5-2煤、5-3煤、7煤的保護(hù)效果考察技術(shù)研究。通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,測(cè)定3煤保護(hù)層50305工作面回采期間被保護(hù)煤層5-2煤、5-3煤、7煤殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量,綜合考察3煤上保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)煤層5-2煤、5-3煤、7煤的保護(hù)效果,得出以下結(jié)論:

        1)保護(hù)層開采后,通過(guò)測(cè)定5-2煤、5-3煤、7煤的殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量參數(shù),根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)被保護(hù)層走向和傾向保護(hù)效果進(jìn)行分析,得出5-2煤走向卸壓角為60°,5-2煤傾向卸壓角為75°;5-3煤走向卸壓角為60°,5-3煤傾向卸壓角為75°;7煤走向卸壓角為60°,7煤傾向卸壓角為75°。

        2)保護(hù)層開采后,實(shí)測(cè)5-2煤、5-3煤層的膨脹變形量結(jié)果為:有效保護(hù)范圍內(nèi)的S1、S3號(hào)孔處5-2煤層膨脹變形量為7‰,有效保護(hù)范圍內(nèi)的S2、S4號(hào)孔處5-3煤層膨脹變形量為5.1‰,均大于3‰臨界值??梢?,3煤保護(hù)層開采后,被保護(hù)層5-2煤和5-3煤能夠有效卸壓。

        參考文獻(xiàn)

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