上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽采技术.pdf

第 22 卷第 4 期 辽宁工程技术大学学报 2003 年 8 月 Vol.22 No.4 Journal of Liaoning Technical University Aug. 2003 收稿日期2003-06-12 作者简介程远平 1 9 6 2 - ，男，吉林 集安人，博士，副教授。本文编校孙树江 文章编号1008-0562200304-0483-04 上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽采技术 程远平 1 , 俞启香 1 , 袁 亮 2 1 . 中国矿业大学 能源科学与工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 . 淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要运用数值模拟和现场试验相结合的研究方法，研究上覆远程卸压岩体移动和裂隙分布以及远程卸压瓦斯的渗流流动特性， 提出了符合远程卸压瓦斯流动特性的远程瓦斯抽采方法。通过淮南潘一矿煤与瓦斯安全高效共采试验证明，底板巷道网格式上向穿层 钻孔远程瓦斯抽采方法可以区域性地消除卸压煤层的突出危险性，有效地降低卸压煤层的瓦斯含量，实现高瓦斯、煤与瓦斯突出危险 煤层的安全高效开采。 关键词高瓦斯；煤层群；远程瓦斯抽采；煤矿安全 中图号TD 712 文献标识码A Gas extraction techniques and movement properties of long distance and pressure relief rock mass upon exploited coal seam CHENG Yuan-ping1, YU Qi-xiang1，YUAN Liang2 1. College of Energy Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. Huainan Mining Group Co. Ltd, Huainan 232001, China AbstractThis article studies the movement properties of long distance and pressure relief rock mass upon exploited coal seam, the properties of crannies distribution and the seepage of pressure relief gas in long distance by the of combining numerical simulation with experiments in the mine. At the same time it also puts forward the extraction of long distance and pressure relief gas according its flowage properties.At last by the experiments in Panji mine 1 of Huainan city of safe and highly efficient exploitation of coal and gas it proves that the long distance gas extraction of using gridding bores through coal and rock seams in bed plate tunnel can eliminate the coal and gas outburst danger of pressure relief coal seams territorially, reduce the gas content in pressure relief coal seams efficiently and realize the safe and highly efficient exploitation of high gas content coal seams which have the coal and gas outburst danger. Key wordshigh gas content；coal seams；long distance gas extraction；mine 0 引 言 煤层瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体，其 大量直接排放将严重污染大气环境。煤层瓦斯同时 也是一种洁净能源，我国埋深在 2 000 m以内的煤 层瓦斯储量为32～351012 m3，几乎与常规天然 气资源量相当[1,2]。 由于我国大部分高瓦斯矿区煤层透气性系数 仅为 10-3～10 m2/MPa2.d，地面钻井采气和煤矿井 下原始煤体瓦斯抽采和压裂增透试验证明，瓦斯抽 采效果较差[3,4]。 针对我国高瓦斯矿区煤层及其瓦斯 的赋存特点，作者提出了高瓦斯煤层群煤与瓦斯安 全高效共采的概念在煤层群开采条件下，首先开 采瓦斯含量低、无突出危险（或突出危险性较小） 的首采煤层，利用其采动影响使处在其上部和下部 的卸压煤层卸压，煤层透气性地增加，从而形成良 好的瓦斯抽采条件。同时进行的卸压瓦斯高效抽采 既解决了由卸压煤层向首采煤层涌出瓦斯问题，又 大幅度地降低了卸压煤层瓦斯含量，从而实现了瓦 斯与煤炭两种资源的安全高效共采。运用高瓦斯煤 层群煤与瓦斯安全高效共采思想，在淮南潘一矿成 功地进行了煤与瓦斯安全高效共采及远程瓦斯抽 辽宁工程技术大学学报 第 22 卷 484 采试验研究工作。 1 试验区概况 试验区位于淮南矿业（集团）潘一矿东一和东二采 区， 开采水平为-600 m。 首采煤层为 B11 煤层， B11 煤层瓦斯含量为 4～7.5 m3/t， 无煤与瓦斯突出危险。 工作面煤层赋存稳定，地质构造简单，采用综合机械 化采煤方法。卸压煤层为C13煤层，实测该区域C13 煤层瓦斯压力为4.4 MPa，瓦斯含量 13.0 m3/t，原始 透气性系数为0.011 m2/MPa2.d。C13煤层曾多次发 生过煤与瓦斯突出事故和特大瓦斯爆炸事故。 2 上覆远程卸压岩体移动特性 2 . 1 上覆远程卸压岩体的应力分布 采用有限元软件 ANSYS 对 B11 煤层开采（采 高 2.0 m） 之后， 处在其上方远程卸压区域内的 C13 煤层及其附近岩体的垂直应力变化进行了模拟。计 算模型为平面应变模型，沿走向长 360 m，沿垂向 高 100 m，之上岩体和表土以加载方式模拟。图 1 为 C13 煤层卸压垂直应力变化模拟结果， 图 2 为工 作面推进 200 m上覆岩层垂直应力分布等值线。 可见，首采煤层开采之后， C13 煤层开始卸压， 当首采煤层采过 40 m 后，C13 煤层垂直应力已降 为原始应力的 91％，说明 C13 煤层已经充分卸压。 2 . 2 上覆远程卸压岩体的变形特征 为了考察远程卸压岩体的变形特征，利用底板 瓦斯抽采巷考察了C13煤层顶板和底板之间的相对 变形和底板巷道的下沉量。 测定 C13 煤层的变形采用深部基点法， 即通过深部 钻孔，在煤层的顶、底板岩石中分别安设基点，通 过观测两个基点之间的相对位移来确定煤层的变 形。共布置了两个测定煤层变形的钻孔，测定 的结果如图 3 所示。 在 B11 煤层开采期间,首采煤层工作面距变形 钻孔约 80～100 m时， 由于受集中应力的影响， C13 煤层的开始发生压缩变形，最大压缩变形达到 27 mm。首采煤层工作面采过变形钻孔之后，C13 煤 层的开始发生膨胀变形，最大膨胀变形为 210.44 mm。煤层最大的相对压缩变形为 3.37‰，最大的 -17.5 -17.0 -16.5 -16.0 -15.5 -15.0 -14.5 0 60 120 180 240 300 360 与工作面相对位置 / m 垂直应力/ M P a 垂直应力 原始垂直应力 图 1 B11 煤层开采后 C13 煤层的垂直应力分布 Fig.1 vertical stess distribution of C13 coal seam after B11 coal seam is Exploited 注水平坐标为 80、280 m处分别对应工作面的始采及终采位置 -300 -50 0 50 100 150 200 250 -200 -100 0 100 200300 2 3 5 2 1 工作面推进距离/ m 变形 钻 孔 位 图 3 顶底板相对位移随开采煤层工作面推进距离的变化 Fig.3 variation of upper and Bed plate comparative displacement vs working face impelling distance of exploited coal Seams 39.8 64 51.9 27.7 15.6 39.8 51 64 27.7 3.43 15. 15.6 图 2 B11 煤开采后上覆岩层和煤层的垂直应力分布等值线 Fig.2 vertical stess distribution isoline of rock and coal seams after B11 coal seam is exploited 第 4 期 程远平等上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽采技术 485 相对膨胀变形为 26.3‰。 利用基点法测定了首采煤层开采之后底板巷道 的下沉量，如图 4 所示。 从图中可以看出， 距首采煤层工作面开切眼 40 m之外底板抽放巷下沉达到最大，最大下沉量平均 为 1.56 m。除下沉盆地边缘巷道破坏相对严重外， 在整体下沉带巷道状况良好，能够满足瓦斯抽采和 参数考察的要求。 2 . 3 上覆远程卸压岩体的裂隙分布特征 根据文献[6]，距首采煤层 30 m以上，岩层裂 隙主要为顺层张裂隙。在潘一矿首采煤层开采及采 用底板巷道网格式上向穿层钻孔抽采卸压瓦斯期 间，说明在卸压煤层附近的煤（岩）体内形成的裂 隙主要为顺层张裂隙。 3 远程卸压瓦斯抽采的工程方法 3 . 1 远程卸压瓦斯渗流流动特点 由上覆远程卸压岩体应力、变形和裂隙分布研 究结果可知，首采煤层开采之后其上覆远程卸压岩 体主要发生弯曲下沉，由于岩体的移动受关键层破 断的控制，致使远程卸压煤（岩）层内以离层方式 形成顺层张裂隙为主的裂隙分布，这样在卸压煤层 内卸压瓦斯具有较好的顺层流动条件。处在该远程 区域内的卸压瓦斯只有少部分通过穿层裂隙向首 采煤层工作面涌出，对首采煤层的生产影响较小。 如果处在首采煤层上部远程区域的卸压煤层为不 可采煤层，一般不需要进行专门的远程瓦斯抽采。 而在高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全共采的条件下，处 在首采煤层上部远程区域内的卸压煤层可能是矿 井主采煤层，为了使主采煤层具有安全高效的开采 条件，需要对该煤层进行有效的瓦斯抽采。 3 . 2 有效的瓦斯抽采技术途径和抽放方法选择 针对远程卸压瓦斯具有较好顺层流动条件的 特点，为了能够在卸压瓦斯流动活跃期内将卸压煤 层中的瓦斯高效均匀地抽采出来，需要创造使卸压 瓦斯顺层流动并汇集的条件。可能的技术途径如 下①通过卸压煤层附近的底板巷道向卸压煤层打 网格式上向穿层钻孔；②由地面向卸压煤层钻井； ③在卸压煤层内开掘煤层巷道。 在淮南潘一矿高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高 效共采及远程瓦斯抽采试验中，选择了底板巷道网 格式上向穿层钻孔法，底板瓦斯抽采巷布置在 C13 煤层底板 10～20 m 的花斑粘土岩和砂岩中,每隔 30～40 m布置一长度 5 m的水平抽放钻场。 在每个 钻场内打一组扇形穿层钻孔，钻孔直径 91 mm，钻 孔有效抽采半径 15～20 m，钻孔间距以 C13 煤层 中厚面为准，孔底进入 C13-2 煤层顶板 0.5 m。 4 远程卸压瓦斯抽采效果 图 5 为单一钻场瓦斯抽采量随时间的变化，前 20 天为瓦斯抽采增长期，煤层卸压应力活动加剧， 瓦斯抽采量增加；第 20 天至 80 天为瓦斯抽采活跃 期，在瓦斯抽采活跃期内卸压应力活动稳定，透气 性达到最大，第 80 天以后为瓦斯抽采衰减期，煤 层开始逐渐压实，透气性下降，煤层残余瓦斯压力 渐小，瓦斯抽采量呈负指数规律下降。由图 6 单一 钻场瓦斯抽采率随时间的变化可以看出，连续抽采 4 个月后，煤层瓦斯抽采率可达 60％以上。 卸压煤层采用了远程瓦斯抽采技术后，工作面 已全面消除了煤与瓦斯突出危险性，煤层瓦斯含量 大幅度降低，达到了综合机械化放顶煤开采的技术 条件，采用综合机械化放顶煤采煤法。与未采取远 程瓦斯抽采的相邻综合机械化采煤工作面相比，工 作面平均产量由的 1 700 t/d 提高到 5 100 t/d；相对 瓦斯涌出量由的 25 m3/t 降低到 5.0 m3/t；回风流平 120 -1.8 -1.5 -1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0 0 20 40 60 80 100 距开采煤层工作面开切眼/ m 底板巷道下沉量/ m 图 4 底板巷道下沉量变化曲线 Fig.4 subsidence variation curve of bed plate tunnel 第 4 期 程远平上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽采技术 485 辽宁工程技术大学学报 第 22 卷 486 均瓦斯浓度由的 1.15降低到 0.5。 5 结 论 1）首采煤层开采之后其上覆远程卸压岩体发 生弯曲下沉，在卸压煤层中产生膨胀变形，形成顺 层张裂隙为主的裂隙分布，使卸压瓦斯具有较好的 顺层流动条件，通过穿层钻孔可获得良好的瓦斯抽 采效果。 （2 ）现场试验证明，淮南潘一矿底板巷道网 格式上向穿层钻孔远程瓦斯抽采方法是成功的，在 瓦斯抽采活跃期内平均单孔瓦斯抽采量在 1.0 m3/min以上，连续抽放 4 个月后，瓦斯抽采率可达 60％以上。 （3）首采煤层开采之后使远程卸压煤层卸压， 煤层透气性系数增加近 3 0 0 0 倍，取得良好的远程 瓦斯抽采效果，消除了卸压煤层的突出危险性，有 效地降低了煤层的瓦斯含量，实现了瓦斯资源和煤 炭资源的安全高效共采。 参考文献 [ 1 ] 孙茂远，黄盛初，朱超. 世界煤层气开发利用现状[ J ] . 中国煤炭, 1 9 9 6 , 4 5 1 - 5 3 . 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