新集一矿远距离下保护层开采试验研究

2016-01-11曹建军

采矿与岩层控制工程学报 2015年1期

新集一矿远距离下保护层开采试验研究

曹建军1，2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

[摘要]借鉴相邻淮南矿业集团采用首采11-2煤层作为13-1煤层远距离下保护层开采的实践经验，以新集一矿11-2煤层281110工作面开采为例，对远距离下保护开采进行了试验研究，考察了下保护层开采有效保护范围，统计了保护层开采过程卸压瓦斯抽采效果，测试了被保护区残余瓦斯参数，对被保护层区域防突措施效果进行了检验。研究结果表明：新集一矿11-2煤层作为下保护层开采，最大保护垂距为126m，不破坏上部被保护层的最小层间距离为35m，作为上覆13-1煤层的下保护层开采其走向、倾向上方、倾向下方的卸压保护角分别为57.3°，89.2°，74.8°，配合有效卸压瓦斯强化抽采措施被保护层13-1煤层区域防突措施效果有效。

[关键词]远距离；下保护层开采；卸压角；卸压抽采

[中图分类号]TD713.3[文献标识码]A

[收稿日期]2014-05-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.008

[基金项目]中煤科工集团重庆研究院有限公司青年创新

[作者简介]曹建军(1982-)，男，江苏南通人，工学硕士，助理研究员，主要从事矿井瓦斯灾害治理及煤岩瓦斯动力灾害防治等研究。

Test of Far-distance Lower Protective Coal-seam Mining in Xinji 1stMine

CAO Jian-jun1,2

(1.State Key Laboratory of Methane Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China；

2.Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology Engineering Group, Chongqing 400037, China)

Abstract：Referring the experience of mining 11-2 coal-seam for protecting far-distance 13-1 coal-seam, test of mining 281110 face in 11-2 coal-seam of Xinji 1st Mine was made.Effective protective range and drainage effect of methane in protective coal-seam mining was researched.Residual methane parameters of protected coal-seam was measured, and the effect of outburst prevention measure in protected coal-seam was tested.Results showed that as lower protective seam, 11-2 coal-seam's maximum protective vertical interval was 126m, minimum spacing without destroying protected seam was 35m.The pressure-relief angle of strike, upward trend and downward trend was respectively 57.3°, 89.2° and 74.8°.Cooperated with draining methane in pressure-relief zone, the outburst prevention measure in 13-1 coal-seam was effective.

Keywords：far distance；lower protective seam mining；pressure-relief angle；drainage after pressure-relief

[引用格式]曹建军.新集一矿远距离下保护层开采试验研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：26-29.

随着采矿技术不断提高和保护层工程实践不断地进行，保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为我国煤矿优先推广的有效防治煤与瓦斯突出的首选区域性防突措施，其关键问题是对被保护范围的卸压瓦斯进行有效地抽采[1-3]。同时，我国煤层赋存条件决定了我国煤矿瓦斯抽采重点应以井下保护层卸压抽采为主[4-6]。因此，确定有效的卸压保护范围、研究合理的井下卸压瓦斯抽采方式对保护层开采效果尤为重要。

淮南矿区为煤层群赋存，淮南矿业集团当前普遍采用开采下伏突出危险性较低的11-2煤层保护上覆平均间距为66.7m的严重突出13-1煤层，理论研究和开采实践表明：下保护层11-2煤层的最大有效保护距离为117m，11-2煤层的开采对13-1煤层的保护是有效的，走向、倾向上方、倾向下方的有效卸压保护角分别为64°，83°，77°。同属淮南矿区的国投新集公司，煤层赋存与淮南矿业集团基本类似，为了安全高效回采具有严重突出危险性的13-1煤层，矿区拟参照采用下伏平均间距为74.4m的11-2煤层作为下保护层开采。

以新集一矿281110工作面开采为例，在理论分析远距离下保护层开采可行的基础上，研究其瓦斯综合治理技术，并对保护层开采卸压效果及结合卸压瓦斯抽采区域措施效果进行试验考察，为国投新集公司及其他类似条件矿井远距离下保护层开采提供参考。

1保护层开采瓦斯治理技术研究

1.1　首采保护层合理化选择

新集一矿281110位于二水平八采区东翼，281110高位瓦斯抽排巷和281110顶板瓦斯抽排巷均位于工作面正上方，并平行于工作面走向。281110工作面标高-519.3～-598.5m，倾斜长平均196.8m，工作面如图1所示。

图1　保护层开采采掘工程平面布置

281110工作面11-2煤层结构较复杂，绝大部分含有1～2层夹矸，纯煤厚2.37～3.96m，平均3.15m，工作面采高3.65m；煤岩层倾角10～23°，平均16°；实测最大原始瓦斯压力0.4MPa，预计瓦斯含量3.9m3/t。

该区域上覆13-1煤层厚度4.31～10.11m，平均7.21m，煤层倾角平均20°；281110工作面11-2煤层与上覆13-1煤层平均间距为74.43m；13-1煤层原始瓦斯压力为1.7MPa，原始瓦斯含量为10.01m3/t。

由11-2和13-1煤层瓦斯赋存情况，依据相关行业规范或标准[8-9]，应当选择无突出危险性的11-2煤层作为首采保护层开采。同时，经理论分析[10]，下保护层11-2煤层的最大有效保护距离为126m，最小层间距为35m，11-2煤层作为13-1煤层的下保护层开采，上覆13-1煤层不会产生破坏且可以得到卸压保护。

1.2　被保护层卸压瓦斯抽采设计

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，经计算[10]， 13-1煤层理论卸压保护范围相对11-2保护层工作面风巷内错24m、机巷外错2m、切眼和停采线内错44m。

在281110保护层开采过程中，为了有效抽采13-1煤层卸压瓦斯，在保护层工作面回采前，利用281110顶板瓦斯抽排巷向上覆13-1煤层理论保护范围施工穿层钻孔，孔底间距35m×15m，共施工22组、256个、孔径93mm卸压瓦斯抽采钻孔，敷设φ325×6螺旋卷焊管、配备2BE1-303型和2BE1-353型井下临时瓦斯抽放泵对所有钻孔全负压抽采。

2下保护层开采卸压保护范围考察

281110工作面首次采用远距离下保护层开采技术，为了全面掌握该开采条件下被保护层的卸压效果，对保护层开采过程被保护层煤层卸压膨胀变形进行考察，煤层卸压膨胀变形通过安设BC-Ⅰ深部基点位移计进行考察，安装示意如图2所示。

图2　BC-Ⅰ深部基点位移计安装示意

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，当被保护突出煤层膨胀变形大于3‰时突出煤层能够得到有效卸压保护，下保护层开采卸压角以煤层膨胀变形率大于3‰划定。

2.1　倾向卸压角考察

在281110工作面顶板巷下考察巷和上考察巷进行倾向下方、上方卸压角考察，分别各布置1组、各4个考察钻孔(A1～A4，A5～A8)，孔底间距6m，分别控制理论卸压线内外，倾向卸压角考察钻孔实际施工位置，如图3所示。

图3　倾向卸压角考察钻孔施工示意

281110保护层工作面回采对13-1煤层倾斜方向卸压角的确定，以煤层顶底板相对位移考察结论为主要依据，其顶底板相对位移随工作面推进关系如图4、图5所示，倾向方向煤层膨胀变形统计如表1所示。

图4　倾向下方考察孔煤层膨胀变形情况

利用插值法计算[10]，保护层工作面281110回采对13-1煤层倾向下方、上方卸压角分别为74.8°，89.2°。

2.2　走向卸压角考察

图5　倾向上方考察孔煤层膨胀变形情况

表1　煤层倾向相对变形

在281110工作面顶板巷下考察巷和顶板巷进行走向停采线位置和切眼位置卸压角考察，分别各布置1组、各4个考察钻孔(B1～B4，B5~B8)，孔底间距6m，分别控制理论卸压线内外，走向卸压角考察钻孔实际施工位置，如图6所示。

图6　走向卸压角考察钻孔施工示意

281110保护层工作面回采对13-1煤层走向方向卸压角的确定，以煤层顶底板相对位移考察结论为主要依据，其顶底板相对位移随工作面推进关系如图7、图8所示，走向方向煤层膨胀变形统计如表2所示。

图7　走向停采线考察孔煤层膨胀变形情况

利用插值法计算[10]，保护层工作面281110回采对13-1煤层走向方向终采线处卸压角57.3°、切眼处卸压角59.1°，综合分析确定走向卸压角为57.3°。

图8　走向切眼考察孔煤层膨胀变形情况

表2　煤层走向相对变形

2.3　被保护层卸压效果分析

结合保护层开采卸压保护角考察，281110保护层工作面开采后，上覆13-1煤层考察得出的卸压角划定的被保护范围内(走向卸压角为57.3°，倾向上方、下方卸压角分别为89.2°，74.8°)，煤层膨胀变形>3‰，依据《防治煤与瓦斯突出规定》，281110工作面开采对上覆卸压角划定区域13-1煤层的保护效果有效。

3被保护层卸压抽采效果分析

3.1　卸压瓦斯抽采效果分析

281110工作面2011年10月开始回采、于2012年6月回采完毕，在保护层工作面回采前后，通过工作面顶板巷穿层钻孔对上覆13-1煤层瓦斯进行预抽和卸压抽出，卸压瓦斯抽出统计见图9。

图9　281110工作面顶板巷穿层钻孔抽出瓦斯量

被保护区域13-1煤层平均厚度7.5m，原始瓦斯含量10.01m3/t，瓦斯储量约为1.585×107m3。自2011年9月在281110工作面顶板巷开始对13-1煤层抽采钻孔进行瓦斯预抽，从2011年11月到2012年6月281110工作面回采期至2013年11月保护层工作面停采后累计抽采13-1煤层瓦斯1.308×107m3，抽采率达82%，抽采效果显著。

3.2　保护层开采结合瓦斯抽采区域措施效果检验

281110保护层工作面回采前后，被保护范围13-1煤层瓦斯预抽及卸压抽采效果显著，但根据《防治煤与瓦斯突出规定》，应进一步根据实测残余瓦斯压力或残余瓦斯含量进行区域防突措施效果检验。在13-1煤层被保护区域共布置14个测点，分别位于保护上边界、切眼附近、收作线附近及最大埋深处。经测试[11]，保护范围内13-1煤层最大残余瓦斯压力为0.16MPa，最大残余瓦斯含量为3.19m3/t，满足《防治煤与瓦斯突出规定》第51条、第43条规定残余瓦斯含量小于0.74MPa或残余瓦斯含量小于8m3/t的要求，281110工作面保护范围内13-1煤层采用保护层开采结合卸压瓦斯抽采区域措施效果有效。

另外，13-1煤层区域措施效果有效范围内281316工作面机巷于2014年4月20日在281110工作面保护范围内安全揭穿13-1煤层，在揭煤过程中实测残余瓦斯压力为0.12MPa，残余瓦斯含量为3.34m3/t，放散初速度Δp=5，坚固性系数f=0.53，钻屑解吸指标Δh2=50～70Pa，指标均小于突出临界值，且钻孔施工过程中未出现喷孔、顶钻等突出预兆，进一步验证281110工作面保护范围内13-1煤层区域防突措施有效。

4结论

(1)新集一矿11-2煤层作为下保护层，最大保护垂距为126m，不破坏上部被保护层的最小层间距离为35m，11-2煤层可以作为13-1煤层的下保护层开采。

(2)新集一矿11-2煤层作为上覆13-1煤层下保护层开采，其走向、倾向上方、倾向下方卸压保护角分别为57.3°，89.2°，74.8°，该范围内13-1煤层膨胀变形大于3‰，得到了有效的卸压保护。

(3)在11-2煤层作为保护层开采过程中，上覆13-1煤层被保护区得到充分卸压保护，煤层裂隙显著增加，但由于与保护层层间距大，没有形成卸压瓦斯向开采工作面涌出的通道，因此必须配合卸压瓦斯强化抽采措施。

(4)对于严重突出的13-1煤层，在下伏保护层11-2煤层开采卸压保护的同时，在保证卸压瓦斯得到充分抽采的条件后，能够消除卸压保护区13-1煤层突出危险性，开采远距离下保护层区域防突措施效果有效。

[参考文献]

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[4]袁亮.低透气性煤层群瓦斯抽采理论与技术.北京：煤炭工业出版社，2004.

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