远距离上保护层开采瓦斯治理创新技术

黄旭超

(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037)

远距离上保护层开采瓦斯治理创新技术

黄旭超

(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037)

根据祁东煤矿试验区域煤层群赋存及突出危险性,试验研究了保护层工作面倾斜上方专用煤巷结合高位钻孔抽采采空区瓦斯、并运用被保护层卸压及其瓦斯运移至保护层采空区的时空效应,即滞后保护层工作面 20～25m施工底板穿层钻孔安全高效抽采被保护层卸压瓦斯创新技术,上述研究成果对类似条件的瓦斯抽采具有重要借鉴作用。

远距离;保护层开采;瓦斯;抽采

祁东煤矿开采煤层 71煤层、82煤层和 9煤层以煤层群方式赋存,其中 9煤层具有严重突出危险性。该矿建井以来,有 26次突出发生在 9煤层,因此,祁东煤矿首先开采煤层群中突出危险性最小的 71煤层,保护下伏的 82煤层和 9煤层,并逐步开采82煤层和9煤层。针对祁东煤矿煤层群开采上保护层采煤工作面的瓦斯治理问题,对上保护层工作面的瓦斯抽采技术和上保护层开采过程中被保护9煤层卸压及瓦斯运移的时空关系进行了研究。通过试验研究得出了适合祁东煤矿中远距离上保护层开采的瓦斯抽采新技术,为矿井安全生产提供技术支持,实现矿井安全高效开采。

1 矿井及试验区域概况

矿井以二采区 71煤层 7122工作面做为试验地点。7122综采面位于祁东井田西翼一水平二采区,工作面起止标高 -450～ -500m,平均倾向宽164m,走向长 1090m,综合机械化走向长壁后退式回采,全部垮落法处理顶板,U型通风方式。综采面内71煤层,平均厚度 1.75m,走向近东西,倾向北,平均倾角 13°,单斜构造,无大的褶曲,基本顶为中砂岩,局部为粉砂岩,直接顶板为泥岩,局部夹薄层炭质泥岩;底板为泥岩,局部含少许炭质。矿井 71煤层、81煤层、82和 9煤层均具有煤尘爆炸危险性,属三类不易自然发火倾向煤层。试验区域煤层赋存具体情况,见表 1。

表1 试验区域煤层间距

2 上保护层开采瓦斯涌出分析

7122综采面回采时,受采掘作业的影响,煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡条件遭到破坏,受采动影响区域内的煤层、围岩中的瓦斯将涌入 7122回采工作面。回采工作面瓦斯涌出量由开采层瓦斯涌出量和进入工作面的邻近层瓦斯涌出量组成。即:

式中,q1为本煤层相对瓦斯涌出量;q2为邻近层相对瓦斯涌出量。

根据二采区煤层赋存及 7122工作面开采过程中邻近煤层瓦斯自然排放情况,由公式 (1)计算得出 7122综采面回采过程中瓦斯涌出量及其构成,见表2。

表 2 7122工作面回采过程中瓦斯涌出量及其构成

由表 2可知:本煤层平均瓦斯涌出量为8.6m3/min,邻近层平均瓦斯涌出量为 6m3/min。邻近层瓦斯涌出量和开采层瓦斯涌出量分别占回采工作面总瓦斯涌出量的41%,59%。

3 上保护层开采瓦斯治理创新技术

3.1 “上保护层工作面回风巷上侧瓦斯抽采专用煤巷 +高位钻孔”抽采技术

本煤层工作面回采过后,引起上覆岩层冒落、移动、变形,形成拱型的卸压区。由于采空区顶板充分冒落后,采空区中部冒落带逐步被压实,岩层的离层和断裂裂隙逐渐减少,而采空区四周由于煤壁的支承作用,使裂隙在一定范围内长时间保留,在顶板的关键层下形成一个相互连通的“O”型圈,并随着工作面向前移动。随着工作面推进,邻近层卸压瓦斯以扩散和渗透的方式向“O”型圈流动,因此,在“O”型圈内集聚了大量高浓度瓦斯,该部分瓦斯部分通过漏风风流进人工作面。为了减少该部分瓦斯涌出,必须通过钻孔抽采该部分瓦斯。针对祁东煤矿试验区域 71煤层无突出危险、不易自燃的保护层开采特点,试验采用“上保护层工作面回风巷上侧瓦斯抽采专用煤巷 +高位钻孔”抽采技术,对开采层采空区及卸压区内的高浓度瓦斯进行连续抽采。

(1)瓦斯抽采专用煤巷位置确定 保护层 7122综采面回采过程中,根据综采面回采速度及煤岩层赋存情况,运用采场围岩应力与运动关系[1],绘制了综采面侧向应力分布图,见图 1所示。

根据图 1采场围岩侧向应力分布情况,专用煤巷的位置应布置在上保护层 7122综采面风巷上侧煤层的原岩应力区 E中,而 7122综采面侧向应力增高区D的宽度一般为 20m。因此,为了便于支护,将瓦斯抽采专用煤巷布置在上保护层 7122综采面风巷上侧 30m的煤层里。

图1 采场围岩侧向应力分布

(2)高位钻孔布孔参数确定 由前面的分析可以看出,抽采钻孔距离采空区越近,抽采采空区瓦斯的效果就越好,而对钻孔抽采邻近层瓦斯影响较小。而且,邻近层瓦斯需经过采空区才能涌入工作面。因此,确定抽采钻孔布孔层位的原则是:在保证钻孔成孔完好不垮孔的前提下,尽量降低抽采钻孔的布孔层位。从以上的原则出发,结合顶板岩层“三带”划分[2]、上邻近层赋存状况以及离层裂隙的发育状况,确定将钻孔布置在顶板细砂岩中,距开采层 16.0m的高度上。

根据国内外抽采瓦斯的经验,在距回风巷水平距离为 0.2～0.3倍工作面长度的位置进行布置钻孔抽采,可取得最佳抽放效果[3]。为此设计第 1个高位钻孔终孔端距回风巷 35m,以后依次每隔 8m施工 2个高位钻孔,钻孔孔径 91mm。上保护层 7122工作面“瓦斯抽采专用煤巷 +高位钻孔”瓦斯治理技术设计,见图 2所示。

图 2 “瓦斯抽采专用煤巷 +高位钻孔”设计

3.2 被保护层穿层钻孔安全高效抽采瓦斯技术

保护层工作面开采后,周围邻近煤层得到卸压后,发生膨胀变形,煤岩体中形成自由卸压空间,产生一系列的纵向和竖向的裂隙,为邻近层的卸压瓦斯运移提供了空间和通道。邻近层卸压瓦斯通过层间裂隙大量涌向开采层,为防止和减少邻近层瓦斯涌向开采层,可采用穿层钻孔抽采的办法来处理这部分瓦斯。

(1)被保护煤层穿层钻孔未卸压施工抽采存在的问题 祁东矿 9煤层为高瓦斯强突出煤层,在保护层开采过程中,为了减少 9煤层卸压瓦斯涌向保护层工作面,试验研究在 9煤层底板巷道内施工穿层钻孔抽采 9煤层卸压瓦斯。目前,被保护层底板穿层抽采钻孔普遍都是超前保护层工作面施工。按照这样的布孔方式一般会出现以下 2种问题:

在突出危险性较大的煤层中施工钻孔易造成喷孔等瓦斯动力现象,影响钻孔施工;保护层开采引起的前方应力集中易造成钻孔切断或钻孔变形,影响抽采效果。

因此,上保护层开采选择合理的抽采钻孔孔位和施工时间,将是提高被保护层卸压瓦斯抽采效果的关键。

(2)上保护层开采卸压数值模拟分析[4]采用美国 ITASCA公司的三维离散单元法 (简称“3DEC”)数值模拟分析远距离下保护层开采保护范围。根据祁东煤矿试验区域煤层群的煤系地层赋存岩性及保护层 7122工作面技术参数确定模型参数、材料特性及边界条件,模拟出上保护层 71煤层开采被保护 9煤层走向卸压角,见图 3。

图 3 71煤层开采被保护 9煤层走向卸压角模拟

数值模拟表明:71煤层开采后,其底板围岩中卸压的深度超过了 9煤层,致使 9煤层大部分区域处于较低的应力集中区内 (k=0.9);开采 71煤层对 9煤层的整体卸压效果较理想,且卸压角均较大(走向卸压角分别为 84.73°和 80.79°)基本呈左右对称形态;被保护 9煤层的走向卸压起始点滞后于上保护采煤工作面大于 6m的位置。

(3)上保护层开采前后被保护层煤岩及瓦斯动力参数变化 在不同煤层群条件下,受开采层的采动影响,被保护煤层的煤岩瓦斯动力参数均发生不同的变化。保护层 7122工作面开采后,围岩及煤层发生向采空区方向的位移而引起了采场周围应力的重新分布。采空区上方形成自然冒落拱,将压力传递给采空区以外的煤岩层承受,即对采场周围的煤岩层产生采动影响,致使被保护煤层的应力变形状态和瓦斯动力参数发生重大变化[3]。尽管各矿的开采深度、保护层的层位、采高、采长、层间垂距、层间岩性等试验条件差异很大,但是被保护层应力变形状态和瓦斯动力参数的变化在空间上是基本一致的。

图 4为祁东煤矿 7122保护层工作面开采前后被保护层 9煤层各种参数变化情况。根据被保护 9煤层的煤岩及瓦斯动力参数变化考察以及国内保护层开采的经验,可以将上保护层 7122工作面开采前后被保护 9煤层沿走向大致划分为 3个应力带:正常应力带、集中应力带、卸压带。

图 4 7122保护层工作面开采前后 9煤层煤岩及瓦斯动力参数变化曲线

根据图 4得知:7122保护层工作面开采前后 9煤层正常应力带,位于保护层工作面前方 50m以远;集中应力带,位于保护层工作面前方 20～50m范围内,此带范围内煤层承受的应力高于原始状态,且裂隙封闭,透气性降低,瓦斯流量减小;卸压带,从保护层工作面开始往采空区方向均存在保护卸压作用,但由于保护层的卸压传递到被保护层时要滞后一段距离,因此,保护层卸压带的起点(对被保护层而言)位于保护层工作面后方 0.25～0.8倍层间距位置,最充分卸压点位于保护层工作面后方 20～80m范围。在此带范围内,煤层承受的应力减小,被保护层变形增大,透气性增加,瓦斯涌出量急剧增加。若在此范围内采用瓦斯抽采措施,则抽采效果极为显著。

(4)抽采钻孔合理施工时空参数确定 通过上保护层开采,被保护煤层走向卸压模拟分析和上保护层工作面开采前后被保护层 9煤的煤岩动力变化规律以及被保护层 9煤的抽采钻孔超前保护层工作面施工存在的问题分析可知,将被保护层 9煤穿层抽采钻孔滞后于上保护层采煤工作面平面位置20～25m施工及进行抽采具有合理性,并能充分发挥保护层开采技术的优越性。

4 现场应用情况

(1)上保护层 7122工作面采用了“上保护层工作面回风巷上侧瓦斯抽采专用煤巷 +高位钻孔”抽采技术后,瓦斯抽采率达到 60%以上。在供风量相当的条件下,工作面回风流中瓦斯浓度始终控制在 0.5%以下,极大地提高了工作面的单产效率,创造了同等条件下 71煤层高瓦斯综采工作面月产 65kt的新纪录,实现了保护层工作面的安全高效回采。

(2)采用将被保护层 9煤穿层抽采钻孔滞后于上保护层 7122采煤工作面 20～25m的位置施工,钻孔施工过程中顺利穿过煤孔段,未发生一起因喷孔造成的瓦斯超限事故。钻孔合茬抽采后,孔口负压在 8kPa时,单孔最大抽采流量为 0.2m3/min,与超前 7122保护层工作面施工的钻孔抽采量相当,但经考察发现滞后 7122保护层工作面施工的钻孔比超前 7122保护层工作面施工的钻孔,钻孔使用寿命更长,抽采量更稳定。

5 结论

(1)通过采用“上保护层工作面回风巷上侧瓦斯抽采专用煤巷 +高位钻孔”的瓦斯抽采的方法,全方位、多层次的对本煤层瓦斯及邻近层卸压瓦斯进行了抽采,有效地降低了保护层工作面的瓦斯浓度,保障了安全生产。

(2)将被保护层 9煤穿层抽采钻孔滞后于上保护层采煤工作面平面位置 20～25m施工,能很好地解决在突出危险性较大的煤层中施工钻孔易造成喷孔等瓦斯动力现象。在保护层开采过程中,通过该技术的应用抽采了大量被保护层卸压瓦斯,减少了邻近层卸压瓦斯涌出对上保护层工作面开采的影响。

[1]蒋金泉 .采场围岩应力与运动 [M].北京:煤炭工业出版社,1993.

[2]钱鸣高,刘听成 .矿山压力及其控制 (修订本) [M].北京:煤炭工业出版社,1991.

[3]于不凡 .煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 (修订版)[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[4]安徽恒源煤电股份有限公司,煤炭科学研究总院重庆研究院 .祁东煤矿多重保护层开采瓦斯综合治理技术研究报告 [R].

2008.

[责任编辑:邹正立]

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

国家重点基础研究发展计划 (973)项目 (2005cb221504)

黄旭超 (1981-),男,四川德阳人,工程师,从事瓦斯灾害防治技术研究。