闻昆鹏 石必明

(安徽理工大学能源与安全学院,安徽省淮南市,232001)

远距离下保护层的保护效果考察与分析

闻昆鹏 石必明

(安徽理工大学能源与安全学院,安徽省淮南市,232001)

潘一东矿使用层间距较远的11－2煤层作为13－1煤层的下保护层进行区域防突,为确保保护效果达标需要对其进行深入考察。本文从区域边界瓦斯压力、煤层膨胀变形量、透气性系数等方面考察保护效果,确定其保护范围。同时分析了开采保护层对被保护层进行卸压瓦斯预抽对保护边界范围的影响。结果表明,开采保护层使保护区域内瓦斯压力下降明显,结合卸压抽采可以使被保护煤层的卸压范围得到扩大,卸压区内煤体最大膨胀率为19.13%,煤层透气性系数可增大到原来的277.6倍。

区域防突 保护层开采 下保护层 效果考察 卸压抽采

1 概述

保护层超前开采已被广泛应用于国内煤与瓦斯突出矿井煤层群开采时预防突出的区域性措施,是防治煤与瓦斯突出的有效方法。但是,随着被保护层与保护层垂直距离的增大,保护效果是逐渐降低的,甚至可能出现保护效果不达标的情况。

潘一东矿绝对瓦斯涌出量为128.96 m3/min, 2012年矿井被鉴定为煤与瓦斯突出矿井。主采C组13－1煤层平均厚度5.55 m,赋存稳定;下覆B组11－2煤层为稳定的中厚煤层,平均厚度1.77 m。两煤层均为突出煤层。

2 保护层开采效果考察的必要性

开采突出煤层前必须进行区域防突措施,有保护层的必须优先开采保护层。13－1煤层上覆D、E组薄煤层在井田内赋存不稳定,为不可采煤层, 13－1煤层没有上保护层;随着采深的增加,瓦斯压力和瓦斯含量就越大,13－1煤层的突出问题就会越严重,即使在掘进中采取“四位一体”的防突措施后,掘进工作面的推进速度依然缓慢;又因13－1煤层的瓦斯无法预先卸压,给抽采带来困难,通风压力大,极易超限。故优先开采突出危险性较小的11－2煤层作为13－1煤层的下保护层,使13－1煤层中被保护区域的煤体先卸压消突。

11－2煤层与13－1煤层之间法线距离61.55～72.87 m,平均66.7 m。下保护层开采时,要求层间法线距离不小于100 m,虽然11－2煤层和13－1煤层法线距离在有效范围之内,但已属于远距离保护层开采,对13－1煤的保护效果是否达标有待考察。

开采保护层时,卸压抽放钻孔参数的设计尚缺乏依据;没有进行效果考察,抽采钻孔的终孔位置亦无法确定,钻孔的密集程度也无从入手。在保护区域边界附近,经过部分卸压的被保护层煤体其瓦斯可抽性指标变化规律,如透气性系数、残余瓦斯含量等,都需要实际分析和研究。保护层开采结合瓦斯抽采后,保护边界区域抽采作用对强化保护效果以及是否可以促进部分卸压煤体向充分卸压煤体转化,从而扩大保护边界,都需要进一步研究。

3 保护效果考察

考察内容为:11－2煤层的1252(1)工作面在回采过程中,工作面边界范围对应的被保护层位置附近的瓦斯压力值;1252(1)工作面回采过程中其上覆岩层的膨胀变形特征;1252(1)工作面的回采对13－1煤层瓦斯抽采的影响。

3.1 瓦斯压力考察

3.1.1 走向边界范围瓦斯压力考察

被保护层13－1煤层的1253(3)工作面(未开采)为保护层11－2煤层的1252(1)工作面回采过程中卸压消突的工作面。在1252(3)底板巷(此巷道用于1252(3)工作面掘进运输平巷时对掘进巷道前方的煤体进行抽采消突)中施工5个测压考察孔,钻孔直径94 mm。A1孔开孔处距密闭墙约10 m,其他各钻孔开孔水平距离间隔1 m,测压钻孔的终孔位置为钻孔进入13－1煤层顶板1 m处。保护层走向区域测压钻孔布置见图1。A1终孔距封闭墙在13－1煤层的铅垂投影内40 m; A2终孔距铅垂投影内20 m(理论保护线的位置); A3、A4、A5终孔距封闭墙在13－1煤层的铅垂投影外0 m、15 m、25 m。

图1 走向测压钻孔布置图

A1、A2测压孔的瓦斯压力随1252(1)工作面回采进尺的变化如图2所示。由图2可以看出,工作面回采至55 m时,A1点瓦斯压力由3.25 MPa大幅降至1.25 MPa;回采至170 m时,瓦斯压力逐步下降并最终稳定在0.15 MPa,这与上覆关键层周期离层卸压有关,说明区域内产生了明显的卸压效果;工作面回采至30 m时,A2点压力迅速上升;在回采至55 m时达到顶峰3.0 MPa,原因是在采动影响下,前方煤体内应力集中,主应力不断增强;工作面回采至60 m时瓦斯卸压至0.2 MPa;至65 m时压力保持在0.85 MPa,原因是瓦斯解吸增加,但流量趋于平稳。

图2 A1、A2测压孔压力与工作面回采推进距离的关系

A3、A4、A5测压孔均处于切眼垂直投影外,理论上保护层保护区域应为保护层工作面(即1252(1)工作面)切眼铅垂投影线在13－1煤层投影线内20 m,本文设置原因是通过考察A3～A5测压孔瓦斯压力,若能达到消突条件,则可以进一步研究煤层的其他参数,以扩大被保护层的消突范围。但由于A2点边界压力大于规定0.74 MPa标准,说明此处尚未消除突出危险性。故A3～A5测压钻孔位于未消突区域,瓦斯压力便不在图2中给出。

3.1.2 上、下巷道边界范围瓦斯压力考察

在1252(3)底板巷左帮垂直于掘进方向,施工4个测压钻孔,钻孔直径94 mm,B1钻孔开孔位置距1252(1)工作面收作线位置内侧70 m,其他各钻孔开孔间距1 m,测压钻孔的终孔位置为钻孔进入13－1煤层顶板1 m处。保护层上巷道在13－1煤层垂直边界区域压力钻孔布置如图3(a)。B1、B3终孔距保护层开采工作面1252(1)上巷道铅垂投影内25 m、8 m;B2终孔距上巷道铅垂投影内17 m(理论保护线的位置);B4终孔距上巷道铅垂投影外7 m。

在西翼矸石带式输送机巷右帮垂直于掘进方向施工4个测压钻孔,钻孔直径94 mm,C1钻孔开孔位置距1252(1)工作面收作线位置内侧50 m,其他各钻孔开孔间距1 m,测压钻孔的终孔位置为钻孔进入13－1煤层顶板1 m处。保护层下巷道在13－1煤层垂直边界区域压力钻孔布置如图3(b)。C1终孔距保护层开采工作面1252(1)下巷道铅垂投影内15 m;C2终孔距下巷道铅垂投影内7 m (理论保护线的位置);C3、C4终孔距下巷道铅垂投影外8 m、23 m。

图3 巷道边界瓦斯压力考察钻孔布置图

如图4(a)为上巷道B3、B2测压孔压力与1252(1)工作面回采进尺的关系曲线。工作面从260 m回采至330 m时,B2点压力由0.5 MPa迅速上升到1.9 MPa,因为回采过程中巷道边界应力集中导致瓦斯压力剧增;从330 m向后回采时,压力开始分阶段下降;回采至430 m时,压力降为0.55 MPa并保持稳定,产生了明显的卸压效果;工作面从260 m回采至390 m的过程中,B3点的瓦斯压力由原来的0.3 MPa逐渐上升至0.5 MPa,工作面从390 m向后继续回采时,压力由原来的0.25 MPa上升到2.2 MPa(＞0.74 MPa)。因受采动影响应力持续叠加,瓦斯压力也不断上升。可见,13－1煤层的保护范围上边界为上巷道铅垂投影线内15 m处,通过计算卸压角为82°。

如图4(b)为下巷道C2、C3测压孔压力随1252(1)工作面回采距离的变化曲线。开采后C2点的压力由原来的3.2 MPa连续降至0.4 MPa,为保护层开采卸压所致;C3点的压力随1252(1)工作面的回采不断上升,由初始的1.0 MPa上升至3.5 MPa,主要是受到回采主应力叠加的影响,瓦斯压力上升显著,但随着采动卸压程度增大,瓦斯压力又明显下降,并维持在1.1 MPa(＞0.74 MPa)。可见,被13－1煤层的保护范围下边界为下巷道铅垂投影线内15 m处,通过计算卸压角为77°。

3.2 保护层变形规律考察

由于13－1煤层与11－2煤层的平均层间距达66.7 m,11－2煤层属远距离保护层,对保护效果造成不良影响,具体表现为被保护层压缩变形和膨胀变形均变小,膨胀变形的滞后时间增长,不利于关键层的离层和破断裂隙的产生,同时将增大保护层工作面的开采超前距。

图4 巷道测压孔压力与工作面推进距离关系

对顶底板位移变化的测量通常使用扩张式基点法。施工中要求测量钻孔必须进入顶底板各1.0 m。整个装置由钢管、固定钢板、钢丝绳和变形重锤等组成,施工布置如图5所示。

图5 变形钻孔施工布置图

保护层上方13－1煤层走向边界区域侧变形钻孔布置如图6所示。随着保护层的回采,1＃和2＃变形钻孔测得的变形量如图7所示。在保护层回采的20～80 m内,1＃、2＃孔得到的变形量逐渐增加且趋势大致相同。这是因为13－1煤层受到11－2煤层的采动影响,保护层上覆岩层中的关键层弯曲下沉,保护效果还未充分体现,所以膨胀变形暂时缓慢进行;当回采至90 m时,关键层发生垮落,变形孔1＃的最大变形为19.13‰,变形孔2＃的最大变形为15.26‰,通过1＃和2＃测得的变形量判断区域整体变形大于3‰。封闭墙垂直投影处的测孔因钢丝绳锈蚀断裂,故没有测得完整数据。

图6 变形钻孔布置剖面图

图7 1＃、2＃变形钻孔变形量与工作面推进距离的关系

3.3 煤层透气性系数考察

使用保护层工作面底抽巷A4钻孔(图1)进行13－1煤层卸压前后透气性系数的测试。根据A4钻孔的测试数据计算13－1煤层的透气性系数。13－1煤层A4钻孔测试原始记录如表1所示。

表1 A4钻孔测试原始数据记录

最后根据透气性系数的相关公式计算得出卸压后13－1煤层透气性系数达到28.47 m2/MPa2·d,较原始透气性系数0.125 m2/MPa2·d,透气性增大277.6倍。

4 瓦斯抽采提升保护效果

通过11－2煤层的开采使13－1煤层的主应力有所下降,膨胀变形使得煤体弹性潜能得到释放,透气性系数提高显著。但由于下保护层11－2煤层距离13－1煤层较远,根据关键层理论,远距离被保护层处于关键层破坏时的弯曲下沉带内,弯曲下沉带多为离层裂隙,层间断裂裂隙不发育,故13－1煤层与相邻围岩之间垂直裂隙产生少,难以与保护层采空区形成沟通,这样被保护层的瓦斯向保护层采空区自然释放少。虽然煤层卸压导致部分吸附瓦斯解析,因煤体膨胀变形造成的瓦斯压力下降只是暂时的,最终压力依然会在一些区域保持较高值,进一步卸压就必须借助钻孔抽采瓦斯。因为保护层开采已使透气性系数大幅提高,如果钻孔设计合理,则瓦斯抽采率增大较多,能有效降低瓦斯的初始释放。

在布置被保护层的首个工作面1253(3)前,用1252(3)底板巷对被保护范围内的13－1煤层卸压瓦斯进行打钻抽采。经过对抽采半径的考察,设计在1252(3)底板巷内布置128个穿层钻孔,在掘进头布置14个穿层钻孔进行抽采。井下穿层钻孔利用地面泵站进行抽采,实现单独抽采计量。1252(3)底板巷内某一个钻场的钻孔布置如图8所示。

图8 底板巷抽采钻孔布置示意图

抽采系统形成后,经过近一年的抽采,通过对底板巷每日抽采量累计以及工作面进尺的统计,得出了底抽巷钻场流量与1252(1)工作面回采距离的关系,见图9。

图9 底抽巷瓦斯抽采量与工作面推进距离关系

当1252(1)工作面回采至100 m时,瓦斯抽采量急剧上升。抽采量在工作面回采至180 m时达到80 m3/min,出现小范围的下降;在工作面回采至220 m时,抽采量达极大值85 m3/min,表明此时抽采区域接近充分卸压;回采进尺达280～800 m时,钻场抽采瓦斯量处于40 m3/min左右波动,其中工作面回采至约620 m时,抽采量较长时间稳定在一定的数值范围,表明采空区开始逐渐压实,13－1煤层的膨胀变形量有所下降。

保护层开采配合抽采钻孔抽采,稳定阶段瓦斯抽采浓度达到78%,抽采量约6万m3/d。此条件下进一步考察得出:13－1煤层的保护范围可以扩大到接近保护层1252(3)的上下巷道、停采线与开切眼垂直投影线对应位置。最后考虑到原先切眼外15 m处瓦斯压力处于相对高值,建议在边界区采用密集钻孔对其进行有效的抽采,确保足够长时间,消除边界区的突出危险性,并在采掘工作时采取必要的局部防突措施。

5 结论

(1)通过保护效果检验,远距离被保护层11－2煤层的开采能够使保护层13－1煤层卸压,瓦斯压力下降;以保护层工作面边界垂直投影内约15 m为保护区域边界,保护区域内瓦斯压力均小于0.74 MPa,达到保护效果。

(2)保护区域内煤层膨胀率均大于3‰,达到保护要求,其中变形孔测得的最大变形为19.13‰;保护层工作面回采后,13－1煤层透气性28.47 m2/MPa2·d,比原始透气性增大277.6倍。

(3)保护层开采并配合钻孔抽采卸压瓦斯,稳定抽采时平均抽采率达76.48%。在保护边界区采用密集钻孔进行有效抽采足够长时间,可消除边界区的突出危险性,能使被保护层的保护区域边界接近保护层开采区域的垂直投影处。

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(责任编辑 张艳华)

Investigation and analysis of the protection effect under the far-distance-lower-protective-layer

Wen Kunpeng,Shi Biming
(School of Mining and Safety Engineering,Anhui University of Science&Technology, Huainan,Anhui 232001,China)

It was necessary that the protection effect should be deeply investigated to ensure the protection effect reaching the standard in the process of regional gas outburst prevention that 11－2 coal seam was regarded as the far-distance lower protective layer of 13－1 coal seam in the Panyi Dong Coal Mine.The protection effect was investigated from the regional boundary gas pressure and swelling deformation rate and gas permeability coefficient and the protection range was determined,and then the influence of destressed gas extraction in the protected layer under mining the protective layer on the protection of the boundary range was analyzed.The results show that exploring the protective layer make the gas pressure decreasing significantly in the protective region and the destressed range of protected layer expanding combination of destressed gas extraction,the maximum swelling deformation rate of coal seam reached 19.13%and the gas permeability coefficient increased to 277.6 times as the original in the destressed region.

regional gas outburst prevention,protective layer mining,gas pressure,swelling deformation rate of coal seam,gas permeability coefficient,destressed gas extraction

TD712

A

闻昆鹏(1990－),男,安徽芜湖人,安徽理工大学能源与安全学院在读研究生,主要研究方向为矿井瓦斯防治。