煤层瓦斯含量法确定保护层开采消突范围的技术及应用

袁 亮,薛 生

(1.煤炭开采国家工程技术研究院,安徽淮南 232001;2.澳大利亚联邦科学与工业研究组织,昆士兰肯莫尔 4069)

煤层瓦斯含量法确定保护层开采消突范围的技术及应用

袁 亮1,薛 生2

(1.煤炭开采国家工程技术研究院,安徽淮南 232001;2.澳大利亚联邦科学与工业研究组织,昆士兰肯莫尔 4069)

如何科学、快速、准确地确定保护层开采消突范围一直是矿井安全开采技术难题之一。针对目前保护层开采消突范围各判别准则理论上的非一致性和生产实践中的局限性,笔者结合淮南矿区潘三煤矿保护层工作面开采的工程实践,提出了利用煤层瓦斯含量来确定保护层消突范围的技术方法。通过快速准确现场测定在保护层开采前后被保护煤层的瓦斯含量,基于被保护煤层煤与瓦斯突出的临界瓦斯含量值,科学地确定其消突范围。该技术对保护层开采消突范围的合理性确定,科学地设计布置瓦斯抽采钻孔位置,最大限度地利用保护层开采进行区域性防突,保证矿井的安全高效开采具有重要意义。

煤层;瓦斯含量法;保护层开采;消突范围;煤与瓦斯突出

煤与瓦斯突出矿井占我国矿井总数的44%,国有重点煤矿中该比例高达72%。煤与瓦斯突出已成为威胁煤矿安全生产的主要矿井灾害,随着煤炭开采深度的日益增加,突出的危险性势必增大,严重地制约煤炭的安全高效生产。在众多的突出防治手段中,保护层开采是区域性防突最有效的技术手段[1]。我国《防治煤与瓦斯突出规定》中:“开采保护层后,在被保护层中受到保护的地区按无突出煤层进行采掘工作;在未受到保护的地区,必须采取防治突出措施”,但关键问题是如何科学、合理地确定被保护层中的消突范围。

目前关于保护层开采消突范围的确定方法主要有两种:一是根据矿井的开采技术条件,依据《防治煤与瓦斯突出规定》选定相应的卸压角参考值,划定保护层开采消突范围;另一种方法是通过矿井保护层开采的现场考察试验与一定的判别准则来确定消突范围[2]。人们普遍认为煤与瓦斯突出是地应力、煤中瓦斯及煤的力学物理性质综合作用的结果,因此从理论上来讲,保护层开采消突范围的确定应基于应力参数、煤中瓦斯参数(压力、含量、解吸速度等)及煤的力学物理参数等。在我国的保护层开采中,瓦斯压力安全值(0.74 MPa)得到了广泛的应用。然而,该值不单在应用中有一定的局限性,比如,在天府矿区三汇坝一矿发生的我国最大的煤与瓦斯突出,其瓦斯压力只有0.53～0.70 MPa,并且在现场测定过程中由于测压孔的变形与破坏和封孔的原因,测不到和测不准瓦斯压力的情况时有发生[3-10]。相比之下,近几年来,瓦斯含量法在预测煤与瓦斯突出方面,由于理论科学性强、实用可靠、预测深度大、整体成本低、对采掘影响小等优点,其技术与装备发展迅速,目前无论从定点深部快速取样技术、含量的测定技术,还是含量计算准确性、临界值确定技术等方面均相对成熟[11-17]。因此,笔者结合淮南潘三矿保护层开采工程,提出了利用煤层瓦斯含量来确定保护层消突范围技术,通过快速准确地现场测定在保护层开采前后被保护煤层的瓦斯含量,基于被保护煤层煤与瓦斯突出的临界瓦斯含量值,确定保护层消突范围。

1 现场试验

1.1 矿井试验区基本情况

研究区域为潘三矿开采11-2煤层的17171(1)工作面与其对应的上覆煤层13-1煤层的17101(3)工作面。该区所采11-2煤层和13-1煤层倾角为60°～130°。11-2煤层平均厚2.1 m,原始瓦斯含量4.0～7.5 m3/t。13-1煤层平均厚3.9 m,原始瓦斯含量7～10 m3/t。11-2煤层和13-1煤层之间的平均法向距离为72 m。11-2煤层与13-1煤层均为突出煤层,但13-1煤层瓦斯压力和瓦斯含量高,突出危险性大;11-2煤层瓦斯压力和瓦斯含量比13-1煤层低,突出危险性较小。针对这一特点,突出危险性相对较小的11-2煤层17171(1)工作面作为保护层先行开采保护位于其上覆的突出危险性大的13-1煤层17101(3)工作面。17171(1)工作面走向长760 m,倾斜宽度为220 m。17101(3)工作面走向长1 238 m,倾斜长220 m。其中17171(1)工作面对应区域为保护段,其余为未保护段。在17101(3)工作面的未保护段,回采区域对应的下部20 m处有一条底板巷道,距运输巷平距55.6 m。

17101(3)工作面煤层的瓦斯含量测定分为两个阶段。首先,测定17101(3)工作面煤层的原始瓦斯含量,然后在17171(1)工作面回采后,测定17101 (3)工作面煤层的残余瓦斯含量,从而判断11-2煤层回采对13-1煤层瓦斯含量的影响效果与消突范围。采前、采后的瓦斯含量测定分别选择在17101 (3)工作面的未卸压区和卸压区进行,如图 1所示。

图1 瓦斯含量测定区域分布示意Fig.1 The regional distribution of gas content determination

1.2.1 煤层原始瓦斯含量测定方案

煤层原始瓦斯量测定在底板巷中进行,由底板巷向13-1煤层施工钻孔,通过采取煤样测定其原始瓦斯含量。原始瓦斯含量的测定分为3个区域进行,每个区域选择3个钻场,每个钻场选择1～2个钻孔进行煤样测试试验。第1区域为6,7,8号钻场;第2区域为24,26,30号钻场;第3区域为35,44,48号钻场,如图2所示。

图2 原始瓦斯含量测定钻场分布Fig.2 The drilling field distribution of determinating the original gas content

1.2.2 卸压区残余瓦斯含量测定方案

残余瓦斯含量测定也分3个区域进行,分别为回风巷区域、进风巷区域和开切眼区域,如图3所示。

图3 保护层开采后被保护煤层残余瓦斯含量测定钻孔分布Fig.3 The distribution of boreholes which determinates the remnant gas content of protected coal seam

(1)回风巷区域:从17171(1)工作面尾巷向13-1煤层回风巷区域施工3组穿层钻孔,每组2个,这3组钻孔分别测定17171(1)工作面回风巷对应位置及其内、外两侧区域煤层的瓦斯含量。

(2)进风巷区域:从17101(3)底板巷向13-1煤层进风巷区域施工3组穿层钻孔,每组2个,这3组钻孔分别测定17171(1)工作面进风巷对应位置及其内、外两侧区域煤层的瓦斯含量。

(3)开切眼区域:从17101(3)底板巷向17171 (1)工作面开切眼竖直对应的13-1煤层区域施工5组穿层钻孔,共13个钻孔,分别测定17171(1)工作面开切眼对应位置及其内、外两侧区域煤层的瓦斯含量。

1.运用问题情境教学，落实了学生的主体地位。问题情境教学为学生搭建了一个自主学习的平台，让学生在各种教学情境中去探究并获取知识，获得情感体验和能力提升，规避了传统教学模式上的教师唱主角传授知识的课堂教学模式。

1.3 含量测定

为了进行煤层瓦斯含量测定,在潘三矿建立了直接法测定煤层瓦斯含量实验室。该实验室吸收了先进的瓦斯含量直接测定技术并结合了淮南矿区的煤层实际情况与瓦斯解吸特征。需要特别指出的是该实验室装备了适合中软煤层深部定点快速取样设备与新一代瓦斯解吸测定装置,并更新了瓦斯含量计算软件[18-20]。

2 试验结果及分析

在试验方案实施过程中,由于现场施工的原因,在不影响试验目的的前提下,取样位置、数量与设计方案略微做了调整。原始瓦斯含量测定共进行了9个钻场、13个钻孔的取样测定工作,残余瓦斯含量测定分别在回风巷、进风巷、开切眼3个区域,共进行了33个钻孔煤样的瓦斯含量测定工作,其中,在回风巷区域进行了6个钻孔的试验测定,在进风巷区域进行了5个钻孔的测定工作,在开切眼区域进行了12个钻孔的试验测定。

2.1 原始瓦斯含量测定结果及分析

在未受采动影响的原始煤体区域,采用直接含量法测得的各取样点煤样的瓦斯含量值见表1。由表1可以看出,17101(3)工作面区域13-1煤层原始瓦斯含量为7.07～10.02 m3/t,平均为8.44 m3/t。这与通过测定煤层瓦斯压力而计算得到的瓦斯含量值相吻合。

表1 未卸压区13-1煤层原始瓦斯含量测定结果Table 1 The determination results of the original gas content at the 13-1 coal seam which was not pressure relief

2.2 残余瓦斯含量测定结果及分析

2.2.1 回风巷区域卸压后

回风巷区域卸压瓦斯含量共测定3个钻场6个钻孔的煤样。各钻孔见煤点的位置分布如图4所示。各钻孔煤样测定的瓦斯含量值随测点到轨道运输巷距离的变化如图5所示。

从图5可以看出:随测点位置从工作面对应范围内部向回风巷外部移动,采动影响下的残余瓦斯含量成升高的趋势;位于工作面对应范围内部的测点,瓦斯含量影响充分,瓦斯含量降低47%以上;位于工作面对应范围以外,瓦斯含量影响逐渐减小,影响边界约为25 m。在开采层回风巷对应边界以外区域的煤层单纯靠保护层开采尚不能消除突出危险,需结合卸压瓦斯抽采措施。

图4 回风巷区域残余瓦斯含量测定钻孔见煤点分布Fig.4 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of return airway

图5 回风巷区域残余瓦斯含量与距回风巷距离的关系Fig.5 The relationship between the remnant gas content in the area of return airway and the distant from the return airway

2.2.2 进风巷区域卸压后

进风巷区域卸压瓦斯含量共测定3个钻场的5个钻孔的煤样。各钻孔见煤点的位置分布如图6所示。各钻孔煤样测定的瓦斯含量随测点到运输巷的距离的变化如图7所示。

在进风巷区域,由于受施工条件的限制,瓦斯含量测定见煤点均落在进风巷以内的采空区对应范围。在该范围内煤层的残余瓦斯含量降低了58%以上,得到充分卸压。由于工作面对应范围以外区域没有测点,无法确定回采的影响边界。

图6 进风巷区域残余瓦斯含量测定钻孔见煤点分布Fig.6 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of intake airway

图7 进风巷区域钻孔残余瓦斯含量与距进风巷距离的关系Fig.7 The relationship between the remnant gas content in the area of intake airway and the distant from the intake airway

2.2.3 开切眼区域卸压后

切眼区域卸压瓦斯含量共测定8个钻场的12个钻孔的煤样。各钻孔见煤点的位置分布如图8所示。各钻孔煤样测定的瓦斯含量值随测点到运输巷距离的变化如图9所示。

对各测点测定结果进行拟合,并对拟合曲线进行分析,可以得到距开切眼不同距离煤层瓦斯含量的降低率。从图9可以看出:随测点位置从工作面对应范围内部向开切眼以外移动,采动影响下的残余瓦斯含量呈升高的趋势;位于工作面对应范围内部的测点,瓦斯含量影响充分,瓦斯含量减低50%以上;回采工作面开切眼对应范围以外,瓦斯含量影响逐渐减小,影响边界约为60 m。在开采层回风巷对应边界以外区域的煤层单纯靠保护层开采尚不能消除突出危险,需结合卸压瓦斯抽采措施。

图8 开切眼区域残余瓦斯含量测定钻孔见煤点分布Fig.8 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of open-off cut

图9 开切眼区域钻孔残余瓦斯含量与距开切眼距离的关系Fig.9 The relation of the remnant gas content in the area of open-off cut and the distant from the open-off cut

3 结 论

(1)提出并介绍了用瓦斯含量法确定保护层开采消突范围的技术方法,即通过现场测定保护开采前、后被保护煤层的瓦斯含量,结合被保护煤层的突出临界瓦斯含量值判别其消突范围。

(2)由现场试验得知,保护层开采后,被保护煤层的消突范围与传统认识的范围有较大的区别。在潘三矿,11-2煤层保护工作面回采后,对上部距离72 m的13-1被保护煤层的消突作用显著,回采范围对应的区域煤层瓦斯含量降低达50%,影响边界在回采范围对应位置以外达60 m。

(3)依据笔者提出的瓦斯含量法确定保护层开采消突范围的技术方法,可结合现场条件科学地设计布置瓦斯抽采钻孔位置,扩大被保护层消突范围,最大限度的利用保护层开采进行区域性防突。

需要指出的是,由于瓦斯从煤层扩散解吸是一个动态过程并受诸多因素影响,保护层开采消突范围是一个时间的函数,在瓦斯含量法确定保护层开采消突范围技术方法的实际应用中一定要充分考虑并利用这个动态特征。

[1] 袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报,2009,34(1):1-8.

Yuan Liang.Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[J].Journal of China Coal Society,2009,34(1):1-8.

[2] 胡国忠,王宏图,袁志刚.保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则[J].煤炭学报,2010,35(7):1131-1136.

Hu Guozhong,Wang Hongtu,Yuan Zhigang.Discrimination criterion of ultimate gas pressure of protection region for exploiting protective layer[J].Journal of China Coal Society,2010,35(7):1131-1136.

[3] 重庆市煤炭学会.重庆地区煤与瓦斯突出防治技术[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[4] 袁 亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[5] 袁 亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,2008.

[6] 袁 亮,薛 生,谢 军.瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出的研究与应用[J].煤炭科学技术,2011,39(3):47-51.

Yuan Liang,Xue Sheng,Xie Jun.Study on gas content based outburst prediction technologies in China[J].Coal Science and Technology,2011,39(3):47-51.

[7] 袁 亮,郭 华,沈宝堂,等.低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[J].煤炭学报,2011,36(3):357-365.

Yuan Liang,Guo Hua,Shen Baotang,et al.Circular overlying zone at longwall panel for efficient methane capture of mutiple coal seams with low permeability[J].Journal of China Coal Society,2011,36 (3):357-365.

[8] 袁 亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术[J].煤炭学报,2008,33 (8):898-902.

Yuan Liang.The technique of coal mining and gas extraction by roadway retaining and borehole drilling[J].Journal of China Coal Society,2008,33(8):898-902.

[9] 卢 平,袁 亮,程 桦,等.低透气性煤层群高瓦斯采煤工作面强化抽采卸压瓦斯机理及试验[J].煤炭学报,2010,35(4): 580-585.

Lu Ping,Yuan Liang,Cheng Hua,et al.Theory and experimental studies of enhanced gas drainage in the high-gas face of low permeability coal multi-seams[J].Journal of China Coal Society,2010,35(4):580-585.

[10] 袁 亮.低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术[J].煤炭学报,2008,38(12):1362-1367.

Yuan Liang.Gas distribution of the mined-out side and extraction technology of first mined key seam relief-mining in gassy multiseams of low permeability[J].Journal of China Coal Society,2008, 38(12):1362-1367.

[11] 胡千庭,邹银辉,文光才,等.瓦斯含量法预测突出危险性新技术[J].煤炭学报,2007,32(3):276-280.

Hu Qianting,Zou Yinhui,Wen Guangcai,et al.New technology of outburst danger prediction by gas content[J].Journal of China Coal Society,2007,32(3):276-280.

[12] 袁 亮,薛 生.煤层瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出的理论与技术[M].北京:科学出版社,2014.

[13] 袁 亮.淮南矿区现代采矿关键技术[J].煤炭学报,2007,32 (1):8-12.

Yuan Liang.Key technology for modern mining in Huainan coal [J].Journal of China Coal Society,2007,32(1):8-12.

[14] 袁 亮.高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术[J].煤炭学报,2006,31(2):174-178.

Yuan Liang.Key technique to high efficiency and safe mining in highly gassy mining area with complex geologic condition[J].Journal of China Coal Society,2006,31(2):174-178.

[15] 袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报,2009,34(1):1-8.

Yuan Liang.Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[J].Journal of China Coal Society,2009,34(1):1-8.

[16] 袁 亮.低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(7):1370-1379.

Yuan Liang.Key technique of safe mining in low permeability and methane-rich seam group[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(7):1370-1379.

[17] 程远平,俞启香,袁 亮,等.煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究[J].中国矿业大学学报,2004,33(2):132-136.

Cheng Yuanping,Yu Qixiang,Yuan Liang,et al.Experimental research of safe and high-efficient exploitation of coal and pressure relief gas in long distance[J].Journal of China University of Mining&Technology,2004,33(2):132-136.

[18] Xue S,Li X S,Xie J.A new coal sampling system for measurement of gas content in soft coal seams[J].Applied Mechanics and Materials,2012,121-126:2459-2464.

[19] Yuan L,Xue S,Xie J.A new system for rapid and accurate determination of gas content in coal[A].Proceedings of 23rd World Mining Congress[C].Montreal,Canada,2013:11-15.

[20] Li Yaobin,Xue Sheng,Wang Junfeng,et al.Gas diffusion in a cylindrical coal sample-A general solution,approximation and error analyses[J].International Journal of Mining Science and Technology,2014,24:69-73.

Defining outburst-free zones in protective mining with seam gas content-method and application

YUAN Liang1,XUE Sheng2

(1.National Engineering&Technology Research Institute of Coal Mining,Huainan 232001,China;2.Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,Kenmore 4069,Australia)

It is one of the technical problems how to scientifically,rapidly and accurately determine the scope of outburst elimination after the protective layer extraction in multiple-seam mining.A seam with less outburst proneness is often extracted prior to its overlying or underlying seams with high outburst proneness to mitigate the risk by de-stressing and de-gassing of the seams.A number of indices are used to define outburst-free zones or protected zones in the seams.However,these indices are not quite consistent in theory and their practicality is sometimes limited.To address these issues,a trial was conducted to measure and use seam gas content in a de-stressed and de-gassed seam for defining outburst-free zones in the seam at Pansan Mine,Huainan,China.This paper describes the field trial and presents its results.

coal seam;gas content;protective mining;outburst-free zone;outburst of coal and gas

P618.11;TD712.6

A

0253-9993(2014)09-1786-06

2014-05-20 责任编辑:韩晋平

袁 亮(1960—),男,安徽金寨人,中国工程院院士。E-mail:yuanl_1960@sina.com

袁 亮,薛 生.煤层瓦斯含量法确定保护层开采消突范围的技术及应用[J].煤炭学报,2014,39(9):1786-1791.

10.13225/ j.cnki.jccs.2014.8019

Yuan Liang,Xue Sheng.Defining outburst-free zones in protective mining with seam gas content-method and application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1786-1791.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8019