遠距離上保護層開采瓦斯治理創新技術

黃旭超

(煤炭科學研究總院重慶研究院,重慶 400037)

遠距離上保護層開采瓦斯治理創新技術

黃旭超

(煤炭科學研究總院重慶研究院,重慶 400037)

根據祁東煤礦試驗區域煤層群賦存及突出危險性,試驗研究了保護層工作面傾斜上方專用煤巷結合高位鉆孔抽采采空區瓦斯、并運用被保護層卸壓及其瓦斯運移至保護層采空區的時空效應,即滯后保護層工作面 20～25m施工底板穿層鉆孔安全高效抽采被保護層卸壓瓦斯創新技術,上述研究成果對類似條件的瓦斯抽采具有重要借鑒作用。

遠距離;保護層開采;瓦斯;抽采

祁東煤礦開采煤層 71煤層、82煤層和 9煤層以煤層群方式賦存,其中 9煤層具有嚴重突出危險性。該礦建井以來,有 26次突出發生在 9煤層,因此,祁東煤礦首先開采煤層群中突出危險性最小的 71煤層,保護下伏的 82煤層和 9煤層,并逐步開采82煤層和9煤層。針對祁東煤礦煤層群開采上保護層采煤工作面的瓦斯治理問題,對上保護層工作面的瓦斯抽采技術和上保護層開采過程中被保護9煤層卸壓及瓦斯運移的時空關系進行了研究。通過試驗研究得出了適合祁東煤礦中遠距離上保護層開采的瓦斯抽采新技術,為礦井安全生產提供技術支持,實現礦井安全高效開采。

1 礦井及試驗區域概況

礦井以二采區 71煤層 7122工作面做為試驗地點。7122綜采面位于祁東井田西翼一水平二采區,工作面起止標高 -450～ -500m,平均傾向寬164m,走向長 1090m,綜合機械化走向長壁后退式回采,全部垮落法處理頂板,U型通風方式。綜采面內71煤層,平均厚度 1.75m,走向近東西,傾向北,平均傾角 13°,單斜構造,無大的褶曲,基本頂為中砂巖,局部為粉砂巖,直接頂板為泥巖,局部夾薄層炭質泥巖;底板為泥巖,局部含少許炭質。礦井 71煤層、81煤層、82和 9煤層均具有煤塵爆炸危險性,屬三類不易自然發火傾向煤層。試驗區域煤層賦存具體情況,見表 1。

表1 試驗區域煤層間距

2 上保護層開采瓦斯涌出分析

7122綜采面回采時,受采掘作業的影響,煤層及圍巖中的瓦斯賦存平衡條件遭到破壞,受采動影響區域內的煤層、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_采層瓦斯涌出量和進入工作面的鄰近層瓦斯涌出量組成。即:

式中,q1為本煤層相對瓦斯涌出量;q2為鄰近層相對瓦斯涌出量。

根據二采區煤層賦存及 7122工作面開采過程中鄰近煤層瓦斯自然排放情況,由公式 (1)計算得出 7122綜采面回采過程中瓦斯涌出量及其構成,見表2。

表 2 7122工作面回采過程中瓦斯涌出量及其構成

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 上保護層開采瓦斯治理創新技術

3.1 “上保護層工作面回風巷上側瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”抽采技術

本煤層工作面回采過后,引起上覆巖層冒落、移動、變形,形成拱型的卸壓區。由于采空區頂板充分冒落后,采空區中部冒落帶逐步被壓實,巖層的離層和斷裂裂隙逐漸減少,而采空區四周由于煤壁的支承作用,使裂隙在一定范圍內長時間保留,在頂板的關鍵層下形成一個相互連通的“O”型圈,并隨著工作面向前移動。隨著工作面推進,鄰近層卸壓瓦斯以擴散和滲透的方式向“O”型圈流動,因此,在“O”型圈內集聚了大量高濃度瓦斯,該部分瓦斯部分通過漏風風流進人工作面。為了減少該部分瓦斯涌出,必須通過鉆孔抽采該部分瓦斯。針對祁東煤礦試驗區域 71煤層無突出危險、不易自燃的保護層開采特點,試驗采用“上保護層工作面回風巷上側瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”抽采技術,對開采層采空區及卸壓區內的高濃度瓦斯進行連續抽采。

(1)瓦斯抽采專用煤巷位置確定 保護層 7122綜采面回采過程中,根據綜采面回采速度及煤巖層賦存情況,運用采場圍巖應力與運動關系[1],繪制了綜采面側向應力分布圖,見圖 1所示。

根據圖 1采場圍巖側向應力分布情況,專用煤巷的位置應布置在上保護層 7122綜采面風巷上側煤層的原巖應力區 E中,而 7122綜采面側向應力增高區D的寬度一般為 20m。因此,為了便于支護,將瓦斯抽采專用煤巷布置在上保護層 7122綜采面風巷上側 30m的煤層里。

圖1 采場圍巖側向應力分布

(2)高位鉆孔布孔參數確定 由前面的分析可以看出,抽采鉆孔距離采空區越近,抽采采空區瓦斯的效果就越好,而對鉆孔抽采鄰近層瓦斯影響較小。而且,鄰近層瓦斯需經過采空區才能涌入工作面。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,結合頂板巖層“三帶”劃分[2]、上鄰近層賦存狀況以及離層裂隙的發育狀況,確定將鉆孔布置在頂板細砂巖中,距開采層 16.0m的高度上。

根據國內外抽采瓦斯的經驗,在距回風巷水平距離為 0.2～0.3倍工作面長度的位置進行布置鉆孔抽采,可取得最佳抽放效果[3]。為此設計第 1個高位鉆孔終孔端距回風巷 35m,以后依次每隔 8m施工 2個高位鉆孔,鉆孔孔徑 91mm。上保護層 7122工作面“瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”瓦斯治理技術設計,見圖 2所示。

圖 2 “瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”設計

3.2 被保護層穿層鉆孔安全高效抽采瓦斯技術

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

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

在突出危險性較大的煤層中施工鉆孔易造成噴孔等瓦斯動力現象,影響鉆孔施工;保護層開采引起的前方應力集中易造成鉆孔切斷或鉆孔變形,影響抽采效果。

因此,上保護層開采選擇合理的抽采鉆孔孔位和施工時間,將是提高被保護層卸壓瓦斯抽采效果的關鍵。

(2)上保護層開采卸壓數值模擬分析[4]采用美國 ITASCA公司的三維離散單元法 (簡稱“3DEC”)數值模擬分析遠距離下保護層開采保護范圍。根據祁東煤礦試驗區域煤層群的煤系地層賦存巖性及保護層 7122工作面技術參數確定模型參數、材料特性及邊界條件,模擬出上保護層 71煤層開采被保護 9煤層走向卸壓角,見圖 3。

圖 3 71煤層開采被保護 9煤層走向卸壓角模擬

數值模擬表明:71煤層開采后,其底板圍巖中卸壓的深度超過了 9煤層,致使 9煤層大部分區域處于較低的應力集中區內 (k=0.9);開采 71煤層對 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°)基本呈左右對稱形態;被保護 9煤層的走向卸壓起始點滯后于上保護采煤工作面大于 6m的位置。

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

圖 4為祁東煤礦 7122保護層工作面開采前后被保護層 9煤層各種參數變化情況。根據被保護 9煤層的煤巖及瓦斯動力參數變化考察以及國內保護層開采的經驗,可以將上保護層 7122工作面開采前后被保護 9煤層沿走向大致劃分為 3個應力帶:正常應力帶、集中應力帶、卸壓帶。

圖 4 7122保護層工作面開采前后 9煤層煤巖及瓦斯動力參數變化曲線

根據圖 4得知:7122保護層工作面開采前后 9煤層正常應力帶,位于保護層工作面前方 50m以遠;集中應力帶,位于保護層工作面前方 20～50m范圍內,此帶范圍內煤層承受的應力高于原始狀態,且裂隙封閉,透氣性降低,瓦斯流量減小;卸壓帶,從保護層工作面開始往采空區方向均存在保護卸壓作用,但由于保護層的卸壓傳遞到被保護層時要滯后一段距離,因此,保護層卸壓帶的起點(對被保護層而言)位于保護層工作面后方 0.25～0.8倍層間距位置,最充分卸壓點位于保護層工作面后方 20～80m范圍。在此帶范圍內,煤層承受的應力減小,被保護層變形增大,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空參數確定 通過上保護層開采,被保護煤層走向卸壓模擬分析和上保護層工作面開采前后被保護層 9煤的煤巖動力變化規律以及被保護層 9煤的抽采鉆孔超前保護層工作面施工存在的問題分析可知,將被保護層 9煤穿層抽采鉆孔滯后于上保護層采煤工作面平面位置20～25m施工及進行抽采具有合理性,并能充分發揮保護層開采技術的優越性。

4 現場應用情況

(1)上保護層 7122工作面采用了“上保護層工作面回風巷上側瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”抽采技術后,瓦斯抽采率達到 60%以上。在供風量相當的條件下,工作面回風流中瓦斯濃度始終控制在 0.5%以下,極大地提高了工作面的單產效率,創造了同等條件下 71煤層高瓦斯綜采工作面月產 65kt的新紀錄,實現了保護層工作面的安全高效回采。

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

5 結論

(1)通過采用“上保護層工作面回風巷上側瓦斯抽采專用煤巷 +高位鉆孔”的瓦斯抽采的方法,全方位、多層次的對本煤層瓦斯及鄰近層卸壓瓦斯進行了抽采,有效地降低了保護層工作面的瓦斯濃度,保障了安全生產。

(2)將被保護層 9煤穿層抽采鉆孔滯后于上保護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性較大的煤層中施工鉆孔易造成噴孔等瓦斯動力現象。在保護層開采過程中,通過該技術的應用抽采了大量被保護層卸壓瓦斯,減少了鄰近層卸壓瓦斯涌出對上保護層工作面開采的影響。

[1]蔣金泉 .采場圍巖應力與運動 [M].北京:煤炭工業出版社,1993.

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

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

[4]安徽恒源煤電股份有限公司,煤炭科學研究總院重慶研究院 .祁東煤礦多重保護層開采瓦斯綜合治理技術研究報告 [R].

2008.

[責任編輯: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

國家重點基礎研究發展計劃 (973)項目 (2005cb221504)

黃旭超 (1981-),男,四川德陽人,工程師,從事瓦斯災害防治技術研究。