急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计.pdf

第34卷第1期煤 炭 学 报Vol . 34 No. 1 2009年1月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJan. 2009 文章编号 0253 - 9993 2009 01 - 0009 - 06 急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计 胡国忠 1 ,王宏图 1 ,李晓红 1 ,涂晓东 2 ,张智明 2 ,沈永红 2 1 1重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆 400030; 21南桐矿业有限责任公司,重庆 400802 摘 要为有效抽采东林煤矿急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯,对该矿俯伪斜上保护层开 采的卸压瓦斯抽采优化设计进行了研究,采用俯伪斜上保护层开采的数值模拟与现场考察试验相 结合的方法,研究了东林煤矿俯伪斜上保护层开采后被保护层的卸压规律;利用保护层开采的 “ 卸压增透效应 ”,结合该矿实际条件,优化设计了俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采参数. 研究结果表明东林煤矿俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采参数按照抽采钻场间距30～40 m、 钻孔的有效抽采半径9 m、抽采钻孔的终孔间距15～20 m、抽采钻孔仰角10～62 和抽采时间为 从保护层工作面前方40 m到后方135 m等进行设计是合理的,且使卸压瓦斯平均抽采率达到 50. 关键词俯伪斜采煤法;上保护层;卸压瓦斯;瓦斯抽采 中图分类号TD713131 文献标识码 A 收稿日期 2008-01-27 责任编辑毕永华 基金项目国家自然科学基金资助项目50334060,50474025,50774106 ;国家重点基础研究发展计划973基金资助项目 2005CB221502 ;国家自然科学创新群体基金资助项目 50621403 ;河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室开放基金资 助项目HKLGF200706 ;重庆市科委资助项目CSTC, 2006BB7147, 2006AA7002 作者简介胡国忠1981 , 男,湖南衡阳人,博士研究生.Tel 023 - 65111237, E - mail gzhucqu1edu1cn Optim ization design on extracting pressure2relief gas of steep2 inclined up2protective layer with pitching oblique m in ing HU Guo2zhong 1 , WANG Hong2tu 1 , L IXiao2hong 1 , TU Xiao2dong 2 , ZHANG Zhi2ming 2 , SHEN Yong2hong 2 11Key Lab for Exploitation of Southwestern Resources 21Nantong Coal Industry Lim ited Company, Chongqing 400802, China Abstract An investigation of the optimization designing on extracting pressure2relief gasof up2protective layerwith pitching oblique mining was carried out to extract effectively the pressure2relief gas of up2protective layer in the Donglin coalmine.The pressure2relief law of protected layer aftermining up2protective layerwith pitching oblique mining was investigated numerically and experimentally . Optimization design on pressure2relief gas extracting char2 acters of up2protective layer with pitching oblique mining were studied by utilizing the effect“pressure2relief to strengthen permeability”and integratingwith mineral practical conditions .The results show that it is reasonable to design pressure2relief gas extracting characters of up2protective layer in the Donglin coal mine in accordance with extracting bore2fields space at 30～40 m, extracting radius of bore at 9 m, extracting bores space at 15～20 m, ex2 tracting bore elevation at 10～62and extracting times at from 40 m ahead to 135 m behind working face of protec2 tive layer, and the average extracting rate of pressure2relief gas reach to 50. Key words pitching oblique mining; upper protective layer; pressure2relief gas; gas extracting 生产实践表明,俯伪斜采煤法可以减小回采工作面煤与瓦斯突出的危险性 [1 - 2 ] ,是我国开采急倾斜煤 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2009年第34卷 层的主要采煤方法之一.开采保护层是急倾斜突出煤层群的首选防突措施;我国 煤矿安全规程 规定 “ 开采保护层时,应同时抽采被保护层的瓦斯.”抽采被保护层的卸压瓦斯是开采保护层的突出矿井的强 制性安全措施规定.因此,对俯伪斜保护层开采的卸压瓦斯抽采进行优化设计,使之达到有效地抽采,对 实现煤与瓦斯安全高效共采具有重大的实际意义. 针对瓦斯抽采问题,众多学者开展了大量研究,建立了上覆岩层采动裂隙的 “O”形圈理论 [3 - 4 ] ,并 将其应用于卸压瓦斯抽采钻孔设计;同时,利用卸压增透增流效应,采用专用瓦斯巷与穿层钻孔的方法, 使处于远距离突出煤层消除突出危险 [5 - 6 ] ;并且,建立了新的顶板抽采瓦斯技术 [7] ;还有学者基于 “ 卸 压增流效应 ”的煤与瓦斯共采的理论认识,提出了几种井下抽取卸压瓦斯的方法 [8 ]. 这些瓦斯抽采理论 和方法对缓倾斜和近水平直壁工作面保护层开采的卸压瓦斯抽采具有指导意义,而对于急倾斜俯伪斜保护 层开采的卸压瓦斯抽采的研究甚少.针对该问题,本文采用数值模拟与现场试验相结合的方法,结合矿井 开采条件对急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采进行优化设计. 图1 卸压瓦斯抽采设计区域及考察钻孔布置 Fig11 Design area of extracting pressure2relief gas and layout of investigation bores 1 抽采矿井概况 南桐矿区东林煤矿主采煤层为K4与K6煤层,各煤层均有 突出危险性.K4与K6煤层的层间距为38 m,煤层平均倾角 81,其中K4煤层为被保护层,K6煤层为保护层.矿井采用 俯伪斜采煤法,采空区处理为垮落法. 本次俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采设计区域为该矿 被保护煤层K4的2409采区下段- 50～ 0 m水平之间的区域 图1.该区域内,实测被保护层K4抽采层煤层透气性 系数为 5 ～ 7 10 - 3 m 2 / MPa 2 d ,属难抽采煤层. 2 邻近层卸压瓦斯抽采的理论基础 在上保护层开采中,保护层的采动会引起下伏 图2 卸压瓦斯渗流 Fig12 Pressure2relief gas seepage 岩层及被保护煤层产生破裂、上臌,地应力降低, 导致下伏煤岩层卸压、孔隙与裂缝增生张开 [4] ;而 下伏被保护煤层的瓦斯压力则会降低,产生导气的 微裂隙或裂纹网络,使煤层透气系数大幅度增 加 [9] ,产生 “ 卸压增透效应 ”.在多煤层系统中的 煤层瓦斯压力梯度作用下,下伏被保护煤层的瓦斯 会越过煤层间的岩层涌向保护层的采场及采空区 [9] 图2,这为卸压瓦斯的有效抽采创造了前提条件. 3 抽采区域俯伪斜上保护层开采后被保护层的卸压规律 为获得上保护层开采后被保护层的卸压规 律,为卸压瓦斯抽采提供依据,采用3D -σ软件模拟了该区域的俯伪斜上保护层开采,并开展了现场考 察试验. 311 俯伪斜上保护层开采的三维数值模拟 本次模拟对象为K6煤层的伪斜采煤工作面2609,伪斜角30.工作面直接顶为角砾岩,底板为钙质 页岩.K6与K4煤层间主要岩层为钙质页岩、粉砂质页岩和硅质石灰岩. 31111 被保护层沿倾向的卸压规律 由图3可知,上保护层开采后,采空区顶、底板煤岩层应力得到释放,引起下伏K4煤层卸压,卸压 01 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期胡国忠等急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计 区的上、下边界分别与保护层采煤工作面回风巷和运输巷的层面距离为12, 7126 m.该卸压区内,被保 护层发生膨胀变形,产生导气的微裂隙及裂隙,煤层透气性增大,煤层瓦斯逐渐解吸,卸压瓦斯流量增 大,为抽采卸压瓦斯的最佳区域. 31112 被保护层沿走向的卸压规律 根据保护层开采的 “ 卸压增透效应 ”理论和卸压瓦斯流动的 “ 三带 ”观点 [5 ] ,针对俯伪斜上保护层 开采,由于保护层上覆岩层的垮落、自然充填的支撑和压实等应力传递作用,使被保护层随着保护层的推 进经历了煤层的膨胀移动到逐渐压实的过程图4 ,并在走向上产生对称分布的 “ 三带 ”初始卸压增 透增流带、卸压充分高透高流带和地压恢复减透减流带.在采空区两侧,被保护层卸压程度最高,且由于 上保护层工作面煤柱的支撑应力传递作用,使这两处的被保护层仍保持显著卸压,裂隙仍然发育,煤层仍 保持较好透气性,这与上覆岩层采动裂隙分布的 “O”形圈理论 [4 ]沿采空区走向方向的裂隙分布具有相似 特征.因此,卸压瓦斯抽采钻孔沿走向的第1个钻场应布置在保护层工作面切眼附近对应的被保护层裂隙 发育带内. 312 俯伪斜上保护层开采的现场考察试验 在东林煤矿开采保护层K6的过程中,对被保护层K4抽采区域的瓦斯动力参数进行了考察图1. 通过现场的考察试验,得到了K4煤层的卸压规律图5, 6 ,其K4煤层的下部卸压边界为保护层工作面 运输巷以上垂高2 m处.在上保护层开采后,被保护层K4的瓦斯动力参数变化呈现出 “ 四带 ”①正常 压力带,此带位于工作面前方60 m以外,被保护层未受到开采影响,煤层瓦斯动力参数都处于原始状态, 煤层透气性很小;②初始变化带,位于工作面前方40 m到工作面后方20 m范围,此带内煤层瓦斯解吸, 使得煤层的煤层瓦斯压力显著下降,瓦斯流量逐步上升;③瓦斯活跃带,位于工作面后方15 m到65 m. 由图6可知,虽然被保护层出现了二次流量上升的过程,但是第2次瓦斯流量上升过程很短暂,因此,以 第1次瓦斯流量的显著上升带作为瓦斯活跃带.此带内煤层瓦斯不断解吸,煤层透气性不断增大,瓦斯压 11 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2009年第34卷 力逐渐降为最小值;同时,瓦斯沿着煤层孔隙及裂隙向钻孔周围逐渐渗流,使得瓦斯流量急剧上升.④ 瓦斯衰减带,位于工作面后方135 m以外,此带瓦斯流量逐渐衰减并降为最低值. 数值模拟与现场考察结果表明,在保护层开采后,被保护层在走向方向上呈现 “ 四带 ”正常应力带 正常压力带、初始卸压增透增流带初始变化带、卸压充分高透高流带瓦斯活跃带和地压恢复 减透减流带瓦斯衰减带 . 因此,两者所获得的结果具有一致的规律性. 4 被保护层K4的卸压瓦斯抽采优化设计 411 卸压瓦斯抽采巷层位的选择 根据煤系岩层,在K4与K6煤层间有1层10 m左右的硅质石灰岩,该岩层稳定性较高,能抵抗由保 护层开采引起的变形及移动.因此,为保证钻孔位于适宜抽采的区间,且较长时间处于高浓度瓦斯区,拦 截被保护层涌向保护层工作面的瓦斯,保证工作面瓦斯不超限;同时为减少保护层开采对钻孔的采动影 响,增加钻孔寿命,卸压瓦斯抽采巷选择布置在该硅质石灰岩中,距K4煤层14～16 m,如图7 b所 示.该抽采巷还作为保护层的预抽巷、通风巷、行人巷、运料巷、掘进工作面的联络巷和工作面的管线布 置巷. 图7 被保护层K4卸压瓦斯抽采巷及抽采钻孔布置 Fig17 Bores layout and lane for extracting pressure2relief gas of protected layer K4 412 卸压瓦斯抽采钻孔布置 41211 钻孔有效抽采半径及终孔间距 由图6可知,当保护层工作面推过被保护层考察钻孔32 m时,钻孔瓦斯流量显著增加;在工作面推 过被保护层考察钻孔50 m时,钻孔瓦斯流量达到最大值.此后直到钻孔位于保护层工作面后方67 m时, 瓦斯流量才降到接近于原始值.由此可知,该试验区内被保护层卸压钻孔瓦斯流量从初始值增加到最大值 的距离为18 m.因此,该试验区域的卸压瓦斯抽采钻孔的有效抽采半径为9 m. 在相同条件下,钻孔终孔间距加大,单孔抽采量增加,但总抽采量将减少.为了有效抽采卸压瓦斯, 抽采钻孔间距不应超过瓦斯活化带的宽度由考察结果可知K4煤层的瓦斯活跃带宽度为50 m.如抽采 钻孔间距为瓦斯活化带的一半时,由于相邻钻孔瓦斯活化带的叠加,可获得较高且稳定的瓦斯抽采量.因 此,在当前条件下,卸压瓦斯抽采钻孔的间距取20～25 m较适宜;但考虑到工作面的回采速度增大,采 区瓦斯涌出量将有所增加.因此,为了避免K4煤层的卸压瓦斯大量涌入K6煤层的采空区及回采工作面造 成K6煤层回采工作面的瓦斯超限,卸压瓦斯抽采钻孔的间距应减为15～20 m,如图7 a所示. 41212 钻孔仰角 由俯伪斜上保护层开采的数值模拟和现场考察结果可知,K6煤层工作面采空区下边界以上垂高2 m 左右至垂高38 m左右的K4煤层卸压较充分;同时,该矿的抽采资料表明,钻孔角度对钻孔的抽采总量影 响不大,但随着钻孔仰角增大,抽采瓦斯的浓度会降低.因此,根据急倾斜煤层的特点,沿倾斜方向布孔 抽采钻孔角度的设计即为抽采钻孔沿倾斜方向的布置设计主要是将钻孔布置在邻近K4煤层的裂隙和 微隙区内,即在K6保护层工作面运输巷以上垂高2～38 m所对应的K4煤层这一卸压较充分的范围内.因 21 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期胡国忠等急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计 此,从抽采瓦斯和钻孔施工两方面来考虑,抽采钻孔的仰角为10～62 是比较经济合理的,如图 7 b 所 示. 413 卸压瓦斯抽采钻场设计 卸压瓦斯抽采巷布置在K4与K6煤层间的硅质石灰岩内,正好位于K6煤层的采空区内.如抽采巷内 的钻场在采空区维护的时间过长,将增加巷道的维护费用.由现场考察结果可知,该区域的瓦斯活跃带宽 度为50 m,且卸压瓦斯抽采钻孔间距设计为15～20 m.因此,为保证钻场内的钻孔都处于瓦斯活跃带内, 并考虑抽采钻场的维护时间,将钻场间距确定为30～40 m.同时,由于该区域钻孔施工采用MYZ - 150 型钻机,并考虑到瓦斯抽采巷的宽度约2 m ,钻场的尺寸确定为310 m215 m215 m深 宽 高 . 如图7 a所示. 414 抽采时间 由现场考察结果可知,从保护层工作面前方40 m到后方20 m范围,被保护层的瓦斯逐渐解吸,瓦斯 流量上升;而被保护层的瓦斯活跃带为保护层工作面后方15～65 m,为抽采卸压瓦斯的最佳时机;同时, 由于被保护层瓦斯流量出现了二次上升,随后从位于保护层工作面后方135 m开始逐渐衰减,此时的卸压 瓦斯已没有抽采价值.因此,为避免抽采负压浪费,保证抽采钻孔能基本上抽到K4煤层的卸压瓦斯,俯 伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采时间应为从保护层工作面前方40 m到后方135 m这一时间段. 5 抽采效果分析 通过上述分析和设计,得到下邻近被保护层的卸压瓦斯抽采钻孔设计施工参数,见表1.经过对东林 煤矿2 - 9区- 50 m水平卸压瓦斯抽采巷内的各抽采钻场进行了监测表2.抽采效果较好,平均抽采 率为50;在工作面回采推过此区域的过程中,K6工作面回风巷瓦斯浓度最大为0159,上隅角的瓦斯浓 度最大为0186,均未超限,保证了K6回采工作面的安全生产.实践表明,基于俯伪斜采煤法上保护层开 采的 “ 卸压增透效应 ”的卸压瓦斯抽采设计方法是合理的. 表1 2 - 9区卸压瓦斯抽采钻孔施工参数 Table 1 Construction parameters of bores for extracti ng pressure2relief gas of the area 2 - 9 孔号 方位角/ 倾角/ 孔深/ m 终孔位置与风 巷的垂距/m 127919581941156718 225913571542120718 3283154919281452215 4252184511291522215 5291112018171473712 6242161812191923712 表2 2 - 9区- 50 m水平各钻场卸压瓦斯抽采效果 Table 2 Effect on extracti ng pressure2 relief gas of all bores in area 2 - 9 钻场 号 钻孔 数/个 抽采负 压/MPa 抽采时 间/d 平均浓 度/ 抽采纯瓦斯 总量/m3 最大抽采纯瓦斯 流量/ m3min- 1 130104826433 8600114 210104312361 6730119 360104826548 6850130 4601048266611 3010131 550104726528 3810123 640104826447 4440122 740104926457 9790124 6 结 论 1俯伪斜上保护层开采后,被保护煤层将产生膨胀和卸压变形,煤层透气性急剧增加,瓦斯大量解 吸并沿裂隙流动,从而形成了被保护层卸压瓦斯的 “ 解吸-扩散-渗流 ”,形成良好的瓦斯抽采条件. 2确定了被保护层卸压瓦斯的抽采参数抽采巷层位为高强度的硅质石灰岩、抽采钻场间距30～ 40 m、抽采钻孔的有效抽采半径9 m、抽采钻孔的终孔间距15～20 m、抽采钻孔仰角10～62 和抽采时间 为从保护层工作面前方40 m到后方135 m. 3监测结果表明,卸压瓦斯的平均抽采率为50;在保护层工作面推过此区域的过程中,工作面 31 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2009年第34卷 瓦斯浓度未超限.因此,基于俯伪斜上保护层开采 “ 卸压增透效应 ”的卸压瓦斯抽采设计方法是合理的. 参考文献 [1] 李栖凤.急倾斜煤层采煤方法[M ].北京煤炭工业出版社, 1984. LiQifeng . Mining of steep inclined coal seam [M ]. Beijing China Coal Industry Publishing House, 1984. [2] 余海龙,尹光志,鲜学福.俯伪斜采煤法防治急斜煤层煤与瓦斯突出的研究[J ].重庆大学学报自然科学版 , 1999, 22 3 107 - 111. Yu Hailong, Yin Guangzhi, Xian Xuefu. Studyon preventing coal and gas burst in pitch oblique underhandmining [J ]. Jour2 nal of ChongqingUniversity Natural Science Edition , 1999, 22 3 107 - 111. [3] 林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1996 57 - 64. Lin Boquan, Zhang Jianguo.Theory and technology of extracting coalbed gas [M ]. Xuzhou China University ofMining and Technology Press, 1996 57 - 64. [4] 钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的 “O”形圈特征研究[J ].煤炭学报, 1998, 23 5 466 - 469. QianMinggao, Xu Jialin. Studyon the“O - shape”circle distribution characteristicsofmining induced fractures in the overla2 ying strata [J ]. Journal of China Coal Society, 1998, 23 5 466 - 469. 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