保护层开采工作面瓦斯涌出量预测.pdf

第 3 2卷第4期 2 0 0 7年 4月 煤 炭 学 报 J OU RN AL OF CHI NA C OAL S OC I E T Y V0 1 ． 3 2 No ． 4 Apr ． 2 00 7 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 7 0 4 0 3 8 2 0 4 保 护层开 采工作面瓦斯涌 出量预 测 戴 广龙 ， 汪 有 清 ， 张 纯 如 ， 李庆明 ， 邵 广印 1 ．安徽 理工 大学 资源开发与管理工程 系，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．淮南矿业集 团 谢桥煤矿 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要分析 了分源法预测保护层 工作 面瓦斯涌出量理论和保护层 开采时上覆煤岩层采动裂隙的 分布 ，然后应 用分 源法预 测 了谢桥矿 1 2 4 2 1 保 护层 开采工作 面瓦斯 涌 出量 ，预测结 果为 1 5 ． 9 3 ～1 7 ． 2 2 m。 ／mi n ．误 差 为 3 ． 3 ％ ～ 4 ． 5 ％ ． 关键词 保护层开采；瓦斯涌出量；预测；瓦斯治理 中图分类号 T D 7 1 2 ． 5 文献标识码 A Fo r e c a s t o f t he g a s e ffu s e d f r o m t h e f a c e i n pr o t e c t i v e s e a m D A I G u a n g l o n g ， WA N G Y o u q i n g ， Z HA N G C h u n 一 13 1 ， L I Q i n g mi n g ， S H A O G u a n g y i n 1 ．D e p a r t m e n t ofR e s o u r c e s E x p l o r a t io n a n d Ma n a g e men t E n g i n e e r i n g ，A n h u i U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ；2 ． X ie q i a o Mi n e ，H u a i nan Mi n i n g G r o u p C o ．L t d ． ，H u a in a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i na Ab s t r a c t T h e t h e o r y o f f o r e c a s t i n g g a s s e e p a g e f r o m d i f f e r e n t s o u r c e s a t p r o t e c t i v e f a c e wa s a n a l y z e d a n d t h e r u l e o f c r a n n y d i s t r i b u t i o n o n t h e t o p o f c o v e r w a s g i v e n ．T h e n t h e f o r e c a s t e d g a s fl o w fr o m t h e p r o t e c t i v e f a c e 1 2 4 2 1 o f Xi e q i a o Mi n e i s b e t we e n 1 5 ． 93 a n d 1 7． 2 2 m ／rai n．a nd t he e r r o r i s 3 ． 3％ 一4． 5％ ． Ke y wo r d s e x t r a c t p r o t e c t i v e s e a m ；g a s e mi s s i o n flo w；f o r e c a s t ；g a s c o n t r o l 随着煤矿开采深度的增加，开采规模不断扩大，煤矿安全生产问题变得越来越突出，成为制约矿井高 产高效的主要因素，尤其是在开采低透气性高瓦斯有突出危险的煤层过程中，煤与瓦斯突出是严重威胁煤 矿安全生产的自然灾害之一． 目前 ，公认为开采不具高瓦斯 和突出危险性的保护层是有效减少或消除被保 护层煤与瓦斯突出危险性的有效措施．开采保护层的目的是对被保护层卸压，释放被保护层的弹性潜能， 增大煤层的透气性，有利于煤层气的运移和解吸，降低被保护层的瓦斯含量及内能．在 煤矿安全规程 中也 明确规定 “ 在开采具有煤与瓦斯 突出煤层群时 ，必须首先开采保护层 ” ． 由于保护层 的开采 ，造成 邻近层煤层卸压，致使裂隙范围内的卸压瓦斯涌入开采工作面 ，为了确保 回采工作面的安全生产 ，所以对 保护层的开采工作 面瓦斯来源分析以及瓦斯涌出量的预测变得尤为重要． 1 分源法预测保护层开采工作面瓦斯涌出量理论 分源法预测矿井瓦斯涌出量亦称瓦斯含量法预测矿井瓦斯涌出量．该预测法的实质是按照矿井生产过 程中瓦斯涌出源的多少、各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小，来预计该矿井各个时期 如投产期、达标期、 萎缩期等的瓦斯涌出量．各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小是以煤层瓦斯含量、瓦斯涌出规律及煤层开采 技术条件为基础进行计算确定的．根据煤炭科学研究总院抚顺分院的研究，矿井瓦斯涌出的源、汇关系如 图 1 所示． 收稿 日期 2 0 0 6- 0 6- 2 6 责任编辑 毕永 华 基金项目安徽省高校科技创新团队计划资助项目 矿业安全技术 2 0 0 6 K J 0 0 5 T d ；安徽省自然科学基金资助项 目 0 7 0 4 1 4 1 7 1 作者简介戴广龙 1 9 6 2 一 ，男，安徽霍邱人，教授．E m a i l g l d a i a u s t ． e d u ． c n 维普资讯 第 4期 戴广龙等保护层开采工作面瓦斯涌出量预测 3 8 3 图 1 矿井瓦斯涌 出源 、汇关 系 F i g ． 1 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s o u r c e a n d c o l l e c t i o n o f mi n e g a s 1 ． 1 开采煤层 包括围岩 瓦斯涌 出量 q q 。K 。 X ， 1 ， ， t o 式中 ， K ．为 围岩 瓦斯 涌 出系数 ，与 围岩 岩性 、 围岩瓦斯含量及顶板 管理方 法有关 ，一般按顶 板管理 方 法 取 值 ，全 部 陷 落 法 管 理 顶 板 时 ， K． 1 ． 2 0 ，局 部充填 法时 ，K。 1 ． 1 5 ，全 部充 填法时，K ． 1 ． 1 0 ；K 2 为工作面丢煤瓦斯涌出 系数，K 2 1 ／ 7 ，其 中， 为工作面采出率；m 为煤层回采厚度 ，m；m 。为开采煤层厚度 ，m； 为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层煤体瓦 斯涌出的影响系数，采用长壁后退式回采时，按 一 2 h ／ L确定，其中， 为回采工作面长度， m；h 为巷道预排瓦斯带宽度，m；X为煤层原始瓦斯含量， m 。 ／ t ；X 为煤的残余瓦斯含量， m 。 ／ t ，按实验 室测定取值，若无实验数据，则按表 1 取值． 表 1 纯煤的残余瓦斯含量 Ta b l e 1 Th e r e ma i n s g a s o f p u r e c o a l ＼ 在实际计算时取一 、 X 1 0 0一AM X o ／ 1 0 0 ， 式 中，A为煤的灰分 ， ％ ；M 为煤的水分 ， ％． 1 ． 2 邻近层瓦斯涌出量 g q 2 耋 m ik 矿 ， 式中，m 为第 个邻近层的煤厚，m；m 。 为开采煤层的回 采厚度，m；k 为第 个邻近层受采动影响的瓦斯排放率， 取值与开采层的距离关系如图2所示； 为第 个邻近层的 瓦斯含量， m ／ t ，一般取与开采层相同值； 为邻近层的残 余瓦斯含量， m ／ t ，一般取与开采层相同值． 2 2 保护层开采时上覆煤岩层采动裂隙的分布 n 2 T 兰 。 开采保护层后 ，在地层 中形成 一定的采空空 间，周 围 o f c l o s e s e a m s a n d t h e d i s t a n c e o f t h e s e a m s 的岩层和煤层便 向已形成 的采空空间移动 和变形 ，从而引 一 上邻近层； 一 缓 倾斜下邻 近层； 起地层应力重 新分布 ，并在 采空 区上方 形成 自然垮落拱 ， 一 倾斜、 急 倾斜下 邻近层 使压力传递给采空区以外的岩层，由于受采动影响，煤层、岩层局部卸压，产生膨胀变形，原有的天然裂 隙 构造的、内生的和大孔隙张开，并形成了新裂隙 外生的 ，由此增加了煤、岩体的渗透能力和透 气性，提高了瓦斯解吸能力与排放能力 ． 在 “ 三带”分布高度上，根据文献 [ 2 ]的研究计算公式 垮落带高度 Hkl O O d ／ 2 ． 1 d1 6 1 ． 2 5 ． 3 断裂带高度 维普资讯 3 8 4 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年第3 2 卷 Hbl O O d ／ 1 ． 2 d2 ． 0 2 ， 4 式 中，d为煤层 回采厚度 ，m． 3 现场应用 3 ． 1 保护层工作面概况 谢桥矿保护层工作面为西一煤下山采区西翼的 1 2 4 2 1 工作面，工作面回风巷煤层底板标高为 一 5 7 8 ． 7一一 6 0 6 ． 5 m，运输巷底板标高为 一 6 4 1 ． 6～一 6 7 0 ． 4 m，西至 F ， 边界断层 ，东至 断层 ，为该矿 1 1 2 煤层首采工作面．该工作面走向长 3 0 0 0 m，倾斜长2 4 0 m，平均煤厚 2 ． 8 1 m，平均煤层倾角 1 4 。 ， 其煤 的灰分 为 3 0 ． 1 1 ％，水分 为 2 ． 1 5 ％．1 2 4 2 1 工作 面煤层老顶为浅灰色粉细砂岩 ，厚度 为 8 ． 0 8 m，直接顶 为浅灰一灰 白色砂 质泥岩 ， 厚度为 3 ． 4 2 m，直接底 为灰色砂质泥岩 ，厚度 为 1 0 ． 3 2 m ．该工作面为谢桥矿首个保护层开采 工作面 ，对应的被保护工作面为 1 2 3 2 3 工作 面 ． 1 31煤 厚 为 1 ． 9 3～8 ． 2 8 m，平 均 煤 厚 5 ． 2 m ．1 1 2煤层位于 1 31 煤层下方，平均 间距为7 0 m左右，煤岩赋存如图3所示． 1 1 2煤层平均厚度 为 2 ． 8 1 m，带入公 式 3 ， 4 计算跨落带高度 H 1 1 ． 6～ 1 4 ． 1 m， 断裂带高度 5 0 ． 3 5 4 ． 3 m ．由于 1 3 1 煤 地 层系统 柱状图 层 ／m 厚 煤层 名 岩层岩性 及其描述 系 统 组 0 ． 1 4 l 5 以灰色岩泥、砂质岩泥为主，夹荡层砂 6-3 O 岩 ．中下部发育花斑状泥岩．底部有为 O l 8 l 4 灰白色细中砂岩或 英砂岩 ．顶部有时 l 1 ． 6 O 行花斑状泥岩 0 ． 4 8 l 3 ． 2 中上部含煤5 层， 1 3 ． 1 煤为主要煤层， 1 5 ， 5 ． 7 O I 4 ． }3 2 ． I ， 煤为不彩 、不 日 霉 惮 二 上 上 ■ ■_ 5 ．2 O l 3 ． 1 叠 统 石 5 ．00 盒 O ． 2 5 l 2 系 组 子 上部以灰色泥岩和砂质泥岩为主，夹灰白 组 5 l 6 O 色石英砂岩和薄层粉细砂岩，含煤 3 层， 1 1 - 2 为主 要煤层 ，1 1 3 ，1 1 - I 煤 为不稳 定 ■一 O - 3 2 l l - 3 不 n f 采 煤层 8 ． 7 O 顶部有时有 一 层花斑 状泥 岩 F部常发 育 2 ． 8 l 1 1 ． 2 1 -2 层灰白色细砂岩和石英砂泥岩， 夹有 √ 3 ．9 O 泥岩 及叫层 I O 一2 ，I O - I 煤层 为不稳定煤 O ． 2 O 1 1 ． 1 层 『 j 一 2 煤顶板常高龠植物化 石 层与 1 1～ 2煤层平均垂距为 7 0 m，最小为 6 6 m，所 以， 到开采工作面，通过综合柱状图的比较 ，所以 1 2 4 2 1 近层 1 1 ～1 煤层和上邻近层 1 1 3煤层． 3 ． 2 1 2 4 2 1 工作面瓦斯涌出量预测 图3 煤系地层局部综合柱状图 Fi g ． 3 Hi s t o g r a m o f l o c a l c o a l s e r i e s 在理论上 1 31煤层 的卸 压瓦斯基本上不会下 串 工作面瓦斯主要来源于本煤层 1 1 2煤层、下邻 根据谢桥矿提供的现有瓦斯含量资料 ，1 1～2煤层原始瓦斯含量为 3 ． 7 7～ 4 ． 4 0 1 13 。 ／ t ，其邻近层 1 1 1 ，1 1 3煤层为不稳定、不可采煤层，因煤质较 1 1 2煤层差，取 1 l 一1 ，1 1 3煤层原始瓦斯含量为 3 m ／ t ； l 1 2煤层厚度取 2 ． 8 1 1T I ． 1 本煤层 瓦斯涌出量 g 根据现场实际取巷道瓦斯排放宽度 h1 3 m，综合式 1 ， 2 得 q l1 ． 21 ． 0 5 30 ． 8 92 ． 8 1 ／ 2 ． 8 1[ 3 ． 7 7～4 ． 4 0 一1 ． 2 ]2 ． 8 9 ～3 ． 1 5 m 。 ／ t ． 2 邻近层瓦斯涌出量 q 从表2中计算得 g 0 ． 1 8 4 0 ． 1 2 2 0 ． 3 0 6 m 。 ／ t ．所以 1 2 4 2 1 工作 面预测瓦斯涌出量 q q 1 q 2 0 ． 3 0 6 2 ． 8 9～ 3 ． 1 5 3 ． 1 9 6～ 3 ． 4 5 6 m 。 ／ t ，按工作面设计 日产 7 1 7 6 t 计算 ，则绝对瓦斯涌出量为 1 5 ． 9 3～1 7 ． 2 2 m。 ／ rai n ． 表2 保护层开采邻近层瓦斯涌出量计算结果 T a b l e 2 Th e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f g a s e mi s s i o n f r o m c l o s e s e a m 注 q l 1 1 0 ． 3 2 ／ 2 ． 8 1 x 0 ． 9 31 ． 2 0 ． 1 8 4 ；q 1 1 3 0 ． 2 ／ 2 ． 8 1 0 ． 9 5 31 ． 2 o ． 1 2 2 维普资讯 第 4期 戴广龙等保护层开采工作面瓦斯涌出量预测 3 ． 3 工作面实际瓦斯涌出量 1 2 4 2 1 工作面于2 0 0 4 1 1 1 4 开始回采，后退式开采，日 进度8 m ．工作面回采 1 4 d的实际瓦斯 涌出量见表 3 ． 表 3 1 2 4 2 1 工作面实际瓦斯涌 出量 T a b l e 3 Ac t u a l g a s e mi s s i o n fl o w a t w o r k f a c e 1 2 4 2 1 ⋯ 回风流瓦斯风排瓦斯量 工作面距切 瓦斯 涌出总量 ⋯ 回风流瓦斯风排 瓦斯量工作 面距切瓦斯涌 出总量 时 间 浓度／ ％ ／ m 3． ra i n- 1 眼距离／ ／ m 3． min- 1 时间 浓度／ ％ ／ m3． m i n- 1 眼距 离／ ／ m3． mi n - 1 l 4 日0． 5 4 1 0 ． 9 6 0 1 0 ． 9 6 21日0 ． 5 2 1 0 ． 5 5 2 7 ． 6 0 1 1 ． 0 7 l 5日0 ． 5 8 1 1 ． 7 7 8 ． 8 0 1 1 ． 7 7 2 2 日0 ． 5 2 1 0 ． 5 5 31 ． 5 5 1 1 ． 41 l 6 日0 ． 6 8 1 3 ． 8 0 1 0 ． 8 0 1 3 ． 8 0 2 3 日0 ． 4 6 9 ． 3 3 3 4 ． 5 0 1 0 ． 1 6 l 7 日0 ． 8 2 1 6 ． 6 4 1 4 ． 2 0 1 6 ． 6 8 2 4 日0 ． 4 6 9 ． 3 3 3 6． 7 0 1 0 ． 2 0 l 8 日0 ． 6 2 1 2 ． 5 8 1 6 ． 8 0 1 3 ． 0 3 2 5 日0 ． 3 8 7 ． 9 7 3 9 ． 3 0 8 ． 6 7 l 9 日0 ． 5 2 l O ． 5 5 2 1 ． 5 0 1 0 ． 9 6 2 6日0 ． 4 0 8 ． 3 9 4 2． 5 0 9 ．1 2 2 O 日0 ． 48 9 ． 7 4 2 4． 5 0 1 0 ． 3 9 27日0 ． 4 2 8 ． 8 1 49 ． 3 5 9 ． 8 2 瓦斯涌出总量 、风排瓦斯量随工作面推进度 的关系如 图4所示．从 图4可以看 出，随着工作 面的推进 ，瓦斯涌出量逐渐增大 ，根据实测资料 工作面初 次来 压步距为 2 5 ． 2 m，周 期来压步距 为 1 2 ． 1 ～1 8 ． 0 m，所 以在工作 面推进 5 0 m左右 时，后方采空区应该充分垮落．从表 3可以看 出 ，在工作面推进到 1 4 ． 2 m时 ，绝对 瓦斯 涌出 量达到最大 ，为 1 6 ． 6 8 m ／ m i n ，而预计绝对瓦斯 涌出量为 1 5 ． 9 3～1 7 ． 2 2 m ／ m i n ，误差为 3 ． 3 ％ ～ 4． 5％ ． 4 结 论 图4 瓦斯涌出量、风排瓦斯量随工作面推进距离的关系 F i g ． 4 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s i t u a t i o n o f w o r k f a c e a n d e mi s s i o n g a s an d ga s o f u p l a n e w a y 1 保护层开采后，致使被保护层发生了整体移动，破坏了原岩应力的平衡，地应力重新分布，岩 体向采空区方向移动，被保护范围内煤层发生卸压、膨胀 ，产生 “ 0一 X ”型破坏，造成裂隙范围内邻近 煤层瓦斯涌入开采工作面，使处于断裂带以上被保护范围内煤层产生大量的层内破断裂缝和层问裂隙，增 大了处于断裂带以上被保护范围内煤层的透气性．所以保护层开采工作面的瓦斯主要来源于裂隙范围内的 邻近煤 岩层瓦斯及本煤层瓦斯． 2 采用分源法预测了现场保护层开采工作面绝对瓦斯涌出量为 1 5 ． 9 3～1 7 ． 2 2 m ／ m i n ，而实际工作 面瓦斯涌 出量为 1 6 ． 6 8 m ／ mi n ，误差为 3 ． 3 ％ ～4 ． 5 ％ ，满足现场要求 ，为回采前期 的瓦斯治理工作提供 了可靠依据． 参考文献 [ 1 ] 于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 [ M] ．北京煤炭工业出版社，2 0 0 0 ． [ 2 ] 涂敏．潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 4 ，2 9 6 6 4 1 645 维普资讯