低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究.pdf

第 2 7卷第 7期 2 0 0 8 年 7月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 、 b1 ．27 N0．7 J u t y ， 2 0 0 8 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 袁亮 淮南矿业集团有限责任公司，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要针对低透高瓦斯煤层群安全高效开采技术难题，以淮南矿区为主要试验研究基地，研究应用岩石力学、岩 层移动理论和 “ O’ 形圈理论，针对不同煤层和瓦斯地质条件，探索出一整套 “ 开采煤层项底板卸压瓦斯抽采工 程技术方法” ，建立卸压开采 “ 抽采”瓦斯和煤与瓦斯共采工程技术体系。研究 “ 采场岩层移动规律、卸压瓦斯运 移规律、卸压瓦斯富集区、开采煤层卸压范围以及开采煤层增压范围”科学规律，研究 “ 首采层卸压瓦斯、上向 卸压层瓦斯、下向多重卸压层瓦斯以及地面钻孔卸压瓦斯”理论与技术，形成系统、成熟的瓦斯抽采理论与技术。 创新卸压开采抽采瓦斯理论和技术，解决了煤与瓦斯共采重大工程技术难题。 关键词采矿工程 ； 淮南矿区；高瓦斯；复杂地质条件；安全高效开采 中图分类号T D 8 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 8 0 7 1 3 7 0 1 0 KEY T EC HNI QUE OF S AF E MI NI NG I N LOW P E RMEAB I LI T Y AND M ETHANE． RI CH S EAM GRoUP YUAN Li a n g Hu a i n a n Mi n i n g Gr o u p C o ． ，L t d ． ，Hu a i n a n ，A n h u i 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c t Fo r t he p r o b l e ms o f s a f e a n d hi g h - e ffi c i e n t e x pl oi t a t i o n i n l ow p e r m e a b i l i t y a nd me t h a ne ric h s e a m g r o u p， Hu a i na n a r e a wa s c h os e n a s prim a r y e x p e rim e n t b a s e ．An d ba s e d o n d i f f e r e n t c oa l s e a ms a n d ga s g e o l og i c a l c o n di t i on s ， by me a n s o f r oc k me c ha n i c s ， s t r a t a mo v i n g t h e o r y a n d“O r i n g th e o ry ” ， a s e rie s o f e n g i n e e ring t e c h no l o g i e s o n p r e s s ur e r e l i e f ga s d r a i na g e b y mi n i n g the r oo f of t h e c oa l s e a m s we r e b u i l t ； an d the t e c hn o l o g i c al s ys t e m o f ga s d r a i n a g e o f p r e s s ur e r e l i e f mi n i n g an d i n t e g r a t e d c o a lmi n i n g a nd g a s e x t r a c t i o n wa s e s t a b l i s h e d ．The r u l e s of r o c k s t r a t a m o v i n g， p r e s s u r e r e l i e ve d g a s mo vi ng， a b un d an t z o n e o fp r e s s u r e r e l i e ve d g a s ， pr e s s u r e r e l i e v e d z o n e a nd p r e s s u r e e nh an c e d z o n e o f mi n i ng s e a m we r e s t u d i e d． Th e t he o ry an d t e c h no l o g y o f p r e s s u r e r e l i e f ga s i n fir s t mi ne d s e a m ， ga s i n u p wa r d p r e s s u r e r e l i e f s e a m ， g a s i n d o wnwa r d ．p r e s s u r e r e l i e f s e a m an d p r e s s u r e r e l i e f g a s o f s u r f a c e b o r e h o l e we r e s t u d i e d ． T h e the o r y an d t e c h n o l o g y o f p r e s s ure r e l i e f g a s d r ain a g e we r e d e v e l o pe d； an d t he pr o bl e m of i n t e g r a t e d c oal mi n i n g a n d ga s e xt r a c t i o n wa s r e s o l v e d． Ke y wo r ds m i ni n g e ng i n e e rin g； Huainan are a ； ric h me tha n e； c o mpl i c a t e d g e o l o g i c a l c o n d i tio ns ； s afe an d h i g h e ffi c i e n t e x p l o i t a t i o n 1 引 言 煤层瓦斯自生 自 储地赋存于煤层之中。近几年 来，随着煤矿井下开采深度的增加以及开采强度 的 增大，地质条件越来越复杂 ，频发的瓦斯灾害严重 地威胁着矿井工作人员的生命安全，制约着矿井生 产的发展 。但是，煤层瓦斯又是经济 的可燃气体， 收稿 日期2 0 0 8 0 21 8 ；修回 日期2 0 0 8 0 4 0 2 作者简介袁亮 1 9 6 0一 ，男，硕士，1 9 8 2年毕业于淮南矿业学院采矿工程专业，现任教授级高级工程师、博士生导师，主要从事煤矿瓦斯防治与 安全高效开采方面的研究工作。E ma i l y u a n li a n g h n 9 9 0 ．n e t 第 2 7卷第 7期 袁亮． 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 1 3 7 1 是一种清洁、 方便、高效的能源， 其发热量为 3 3 ． 5 ～ 3 6 ． 8 MJ ／ m3 ，并且不存在环境污染 问题 。大力开发 抽采煤层瓦斯，既可以充分利用地下资源，又可以 改善矿井安全条件、提高经济效益，并有利于保护 地方环境质量和全球大气环境 。因此，如何更有效 地开发和利用煤层瓦斯，一直 以来都是广大科研工 作者努力的方向和 目标。煤与瓦斯共采技术使我国 煤矿在防治瓦斯灾害方面应彻底转变观念，从采掘 部署上把瓦斯抽取纳入正规生产的工艺流程 ，从 时 间和空问上给予充分保证 ，促进煤层瓦斯的开发和 利用规模化与系统化。只有这样，我国煤矿瓦斯灾 害才会得到有效控制，高瓦斯突出矿井才会随着治 理瓦斯灾害费用 的减低、生产效率的提 高而获得新 生，宝贵、清洁的能源才不会白白地被浪费掉。 近年来 ，作为防治瓦斯灾害事故的主要技术措 施 的瓦斯抽放，虽然取得 了较快发展，但总体上看 水平仍然较低 。主要是 由于我国含煤地层一般都经 历 了成煤后 的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭 到破坏 ，塑变性大大增强，造成煤层的低渗透率和 高可塑性，使得沿煤层打钻孔困难 ，煤层采前预抽 效果较差。而且煤层普遍具低渗透率，一般为 0 ． 1 ～ 1 ． O x l O ～ g m2 ，水城 、丰城、霍 岗、开滦、柳林等 渗透率较好的矿区也仅为 0 ． 1 ～1 ． 8 x 1 0 u ，这一 特点决定了我国地面开发煤层气的难度很大。鉴于 此，我国煤层瓦斯抽采的重点应放在井下，利用井 下 的采掘巷道，并尽量利用煤层采动影响，通过打 钻孔和其他各种有效技术强化煤层的瓦斯抽放 。同 时，应进一步研究和不断完善提高煤层渗透率的技 术和钻孔技术，提高抽采钻孔 的封孔技术 ，实现煤 与瓦斯的安全共采。现场测定和实验研 究表 明，不 论原始渗透系数怎样低 的煤层 ，在采动影响煤层卸 压后，其渗透系数会急剧增加 ，煤层 内瓦斯渗流速 度大增，瓦斯涌出量也随之剧增。因此，只要合理 布置钻孔位置和其他相关参数 ，完全能够高效地实 现瓦斯抽放 。 淮 南矿区低透高瓦斯煤层群 安全 高效开采的科 学技术难题 ，主要是瓦斯治理、深部巷道支护[ 1 - 和矿井设计理论与技术。瓦斯治理是矿区安全高效 开采 的前提和基础 ，松软低透气性煤层条件下的煤 矿瓦斯治理和煤层气地面开发，是世界眭技术难题 ， 自2 O世纪 8 O年代 以来，淮南矿 区采用传统的瓦斯 抽放技术和方法，不能解决松软低透气性煤层群开 采的瓦斯治理难题 。因此，必须创新设计理念，实 现安全高效开采矿井设计技术的突破 ，创新瓦斯治 理技术 。 2 低透 高瓦斯煤层群卸压开采抽采 瓦斯理论与技术 瓦斯治理是淮南矿区安全高效开采的首要关键 技术，瓦斯抽放效果的好坏主要与煤层的透气性及 瓦斯富集区有关，影响煤层透气性的因素很多，煤 层透气性与地应力的关系密切 。为此 ，必须把瓦斯 视为资源并作为主要采矿工程技术因素，采煤必须 采瓦斯，变传统的瓦斯 “ 抽放”为瓦斯 “ 抽采 ” ，走 全面卸压开采抽采瓦斯的技术路线。 2 ． 1 保护层开采卸压抽采瓦斯机制 长期理论研究和突 出危 险煤层 的开采实践证 明，对于低透高瓦斯煤层群条件，开采保护层和预 抽被保护区煤层瓦斯是有效防治煤与瓦斯突出和实 现 安全本质型生产的区域性措施 ，该方法可 以避 免长期与突出危险煤层处于短兵相接状态 ，提高了 防治煤与瓦斯突出措施 的安全性和可靠性 。突出危 险煤层透气性通常比较低，直接进行原始煤体抽采 瓦斯消突 ，需钻孔布置密集 、抽放时间长 ，且效果 差。利用保护层开采形成的卸压作用 ，可极大地提 高被保护煤层的透气性。根据保护层开采的具体情 况，配合各种形式 的卸压瓦斯抽采，能够抽出大量 的卸压瓦斯，不但能消除被保护区域煤体 的突出危 险性，而且能够减小保护层和被保护层工作面回采 的瓦斯涌出，保障回采过程的安全、高效 。另外， 抽 出的大量高浓度瓦斯可以开发利用 ，如发电和民 用 ，减少 了大量温室气体的排放，不但促进 了高效 洁净能源的利用，而且保护了人类的生存环境 。 保护层开采后，岩体中形成自由空问，破坏了 原岩应力平衡，岩体 向采空区方向移动 ，发生顶板 冒落与下沉和底板鼓起等现象 见图 1 。煤层与岩体 发生卸压、膨胀 ，同时产生大小不 同的裂缝，透气 性增大，卸压瓦斯得以排放，瓦斯压力和含量下降， 煤体变硬 ，进而达到消除煤层突出危险性的 目的。 传统保护层开采技术的核心是被保护层的卸压作用 和卸压瓦斯通过开采形成层问裂隙的自然排放， 目 的是为了消除被保护层的煤与瓦斯突出危险陛。随 着保护层开采技术的发展，其技术核心已经转化为 被保护层 的卸压作用和卸压瓦斯的强化抽采 。这样 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 笠 首采煤层 图 1 保护层开采被保护层变形及裂隙分布示意图 F i g ． 1 De f o r ma t i o n a n d f r a c t u r e o f p r o t e c t e d c o a l s e a ms i n t h e p r o c e s s o f mi n i n g p r o t e c t i n g c o al s e am s s c h e ma t i c d i a g r am 既可以降低保护层工作面回采过程中的瓦斯涌出， 实现保护层工作面的安全回采 ；又可 以降低被保护 层的瓦斯压力和含量，变高瓦斯突出危险煤层为低 瓦斯无突出危险煤层，实现被保护层煤和瓦斯资源 的安全高效开采 。 实践表 明，直接位于煤层 以下底板岩层的破坏 主要与开采空间周围支承压力大小和分布、支承边 界条件及项板悬露面积的大小等因素有关。在沿工 作面推进方向，煤层顶、底板岩层将 出现压缩、膨 胀 、再压缩的过程 见图 2 。在煤壁前方附近 ，煤层 项 、底板处 于支承压力作用下而被压缩 ，工作面 推过后 ，应力得到释放，底板处于膨胀状态，随着 工作面 的进一步推进，顶板岩层开始在采空区冒落， 上覆岩层卸压；采空区 内冒落矸石对膨胀底板又起 着压实作用，并且随顶板冒落或顶板活动的结束施 加给底板的压实荷载也越来越大，直至恢复或接近 恢复到原岩应力状态 。 随着工作面的推进，顶、底板采动破坏在水平 方 向上呈现分段规律 采前超前压力压缩段 I 段 、 采后卸压膨胀段 Ⅱ段 、采后压力压缩 一 稳定段f 】 1 I 段 ，这 “ 3段”在工作面开采过程中交替出现，底 板岩体中的这种变形处于由张裂 一 稳定恢复 一 恢复 直至闭合的交替运动中，直到工作面结束 。 图 2 b 为底板岩层破坏特征分区 图中等值线 数据为应力集中系数 ，根据受采动影响的特点在 底板岩体可以划分为 4个区，即 1 应力增高区 A 区 。这是开采工作引起的支承压力经煤层传递到底 板岩层，在靠近采空区的煤体下方形成的大于原始 l I I I 段 I ● l I I 段 I ． ．，2 。 们I I I ii r n ． _ I_ 段 3 1 一支承压力；2 一呆空区压力；3 一呆动矿压直接破坏区 a ＼ 1 O 5／ b 图 2 采空侧底板岩层中的不同矿压显现区 F i g ． 2 Di ffe r e n t mi n e p r e s s u r e d i s p l a y z o n e i n t h e r o c k s t r a t u m o f r o o f a t t h e g o a f s i d e 应力的增压区，且愈靠近煤层，该集中应力值愈大。 2 应力降低区 B区 。由于开采后项板岩石离层、 冒落 ，在邻近煤体的采空区下方底板岩层 中形成应 力明显低于原始应力的卸压区，且随远离煤层其卸 压程度逐渐减小。 3 影响轻微区 C区 。位于煤体 边界处的采空区下方，介于应力增高区和应力降低 区之间，为受采动影响轻微的地区。 4 未受影响 区 D 区 。在煤层底板中，离煤体上支承压力强作 用区距离较远或深度较大，未受支承压力影响的地 区 。 从图 2 b 可 以看 出，由于煤层开采后上覆岩体 形成承重岩层，承受的重力将转移到工作面前后方 和两侧的煤体上，从而在采空区下方形成卸压 区。 开采煤层顶底板经历了采前压力升高、采后压力降 低以及压力逐渐恢复几个阶段。在煤柱边界处 向小 于原始应力的垂直等应力 曲线作切线 ，便可得到上 部煤层开采后在采空区上下方形成的卸压区范围。 2 , 2 保护层开采卸压保护范围 被保护层受到的保护效果与被保护层所处 的位 置 距离 以及位于保护层的上 、下方 密切相关 。距 离保护层近，膨胀变形大 ，卸压充分，保护效果好 ； 第 2 7 卷第 7期 袁亮． 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 l 3 7 3 反之，保护效果就差。与此相对应，被保护层的卸 压瓦斯强化抽采也有不同的方法。淮南矿区保护层 开采理论和实践结果表明 1 沿走向顶、底板煤岩体中重新应力分布规 律 ① 无论开采上保护层还是走向卸压方向使得 应力状态基本呈左右对称形态。 ② 开采上保护层时沿煤层走向的卸压范围 向 深度方向收敛，淮南矿区老区开采上保护层走向卸 压角为 7 3 ． 0 。 ～7 8 ．0 。 ；淮南矿区新区开采上保护层 走向卸压角为 8 O ． 8 。 ～8 4 ． 7 。 。 ③ 开采下保护层时沿煤层走向卸压范围向高 度方向发散，淮南矿区老区开采下保护层走向卸压 角为 1 0 4 ． 6 。 ～1 O 9 ． 1 。 ；矿区新区开采下保护层走 向 卸压角为 9 9 ． 3 。 ～1 0 0 ． 1 。 。 ④ 淮南矿 区老 区开采上保护层走向卸压范围 1 ．0区域 向底板方向发展的深度超过了 1 0 0 m， 新区开采上保护层走 向卸压范围向底板方向发展 的 深度超过了 8 0m。 ⑤ 淮南矿 区老 区开采下保护层走 向卸压范 围 O ．9区域 向顶板方向发展的高度超过了 1 3 0 1 “i l ， 新区开采下保护层倾 向卸压范围 向顶板方 向发展的 高度达到 1 5 0m。 2 沿倾向顶、底板煤岩体中应力重新分布规律 ① 开采上保护层，倾 向卸压方 向应力分布均 呈不对称状态 ，且下 山侧的倾 向卸压角大于上山侧 的倾 向卸压角；开采下保护层 ，倾 向卸压方 向应力 分布均 同样呈不对称状态 ，且下山侧的倾向卸压角 小于上 山侧的倾 向卸压角 。 ② 开采上保护层时沿煤层倾 向的卸压范 围向 深度方 向收敛 ，淮南矿区老区开采上保护层倾向卸 压角为 8 2 10 。 ～7 5 ．0 。 ；淮南矿区新区开采上保护层 走向卸压角为 8 3 ． 0 。 “ - 8 5 ． 0 。 。 ③ 开采下保护层 时，沿煤层倾 向的卸压范围 向高度方 向发散，淮南矿区老区开采下保护层倾 向 卸压角为 1 1 0 ． 2 。 1 1 8 , 9 。 ；淮南矿区新区开采下保 护层倾 向卸压角为 1 0 2 ． 0 。 ～1 1 0 ． 0 。 。 ④ 淮南矿区老区开采上保护层倾 向卸压范围 1 ． o区域 向底板方向发展的深度超过了 1 0 0 m， 新区开采上保护层倾向卸压范围向底板方向发展的 深度超过了 8 0 1 1 1 。 ⑤ 淮南矿 区老区开采下保护层倾 向卸压范围 0 ．9区域 向顶板方向发展的高度超过了 1 3 0 m， 新区开采下保护层倾向卸压范围向项板方向发展的 高度达 到 1 5 0 m。 3 高瓦斯煤层群卸压瓦斯抽采的工 程实践 3 , 1 开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔或巷 道抽采瓦斯技术 开采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、采 空区和邻近层的卸压解吸瓦斯 。由于煤层松软，透 气性低，顺层钻孔施工困难，抽采效果极差 。若对 采空区实施大面积抽采，工程难度大，而且抽不 出 高浓度瓦斯 。因此，寻找瓦斯运移的裂隙通道和瓦 斯富集区是实施有效瓦斯抽采的技术关键。 顶板瓦斯抽采同时需要获得高瓦斯浓度和大瓦 斯流量，根椐矿 山岩层移动理论l 5 j ，煤层在开采过 程中，顶底板岩层冒落、移动，产生裂隙，开采煤 层和卸压煤层内的瓦斯卸压、解吸。由于瓦斯具有 升浮移动和渗流特性 ，来 自于大面积的卸压瓦斯沿 裂隙通道汇集到裂隙充分发育区，即汇集到环形裂 隙圈内，在环形裂隙国内形成瓦斯积存库 引 。把 抽采钻孔和巷道布置在环形裂隙圈内，能够获得理 想 的抽采 效果 ，从而避免采空 区瓦斯大量涌 入到 回采空 间。 3 ． 1 ． 1I采场瓦斯富集区的确定 誓 根据淮N C i ,3 煤层的赋存特征和工作面的布置 参数，应用 F L A C进行数值计算，采用弹性物理模 型和 Mo h r - C o⋯ u l o m b 强度准则，模拟采场空间顶板 冒落带及裂隙发-g特征．， ． 并利用数值模拟结果找出 环形裂隙圈存在的位置。模拟的条件为工作面走向 长度 1 8 0 m，采高 3 m，煤层顶板模拟高度 4 5 m， 底板厚 1 0 m，倾角 1 0 。岩石力学主要参数取 自开 采试验资料、钻孔岩芯取样试验及顶板岩性分类资 料。图3 为顶板裂隙区数值模拟结果，表明淮南矿 C1 3开采时，复合顶板的采场环形裂隙圈的位置 以上风巷为界，垂直煤层顶板向上 8 ～2 5 m，倾斜 方向 0 ～3 0 m，为裂隙充分发育区。 根据岩层移动理论，开切眼与工作面和上下顺 槽构成的几何 图形为矩形，矩形周围及上覆岩层受 采动的影响发生移动破坏，破坏的机制是 矩形四 边岩层破坏裂缝呈下面咬合，矩形四角破坏裂缝呈 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 笠 g 0 0 幄 、 叫 暄 H O ． 1 0 ．2 0 ． 5 0 - 8 1 ． 1 1 ．4 1 ． 7 沿工作面倾斜方向水平IN／ 1 0 2 m 图3 顶板裂隙区数值模拟结果 F i g ． 3 Nu m e fic N s i mu l a t i n g r e s u l t o f a c t u r e z o n e o fr o of 上面咬合。根据开采煤层顶、底板煤岩石力学特性 参数，模拟材料模拟 的结果是冒落带高 5 ～7 m， 裂隙带高 8 ～2 5 m， 岩石冒落角 7 O 。 ， 这一裂隙发育 带即称为环形裂 隙圈。数值模拟结果与实验室相材 料模拟试验结果十分吻合。 3 ． 1 ． 2工程实例 将抽采瓦斯钻孔或者巷道沿煤层走 向布置在顶 板岩层 的环形裂 隙圈内，其抽放瓦斯布置如图 4所 示 。 图 4 环形裂 隙圈内走 向长钻 孔或巷道 抽放 瓦斯 布置图 F i g ．4 L a y o u t o f l o n g b o r e h o l e o r r o a d wa y f o r g a s d r mn a g e i n c i r c u l a ra c t u r e z o n e 现场试验结果表 明，抽采钻孔的数量与抽采瓦 斯量关系密切，由于抽采负压与抽采钻孔数量有关 ， 抽采钻孔太多就会降低孔口 负压， 而抽采孔口 负压 太高又将导致抽采管道交接处和封孔处漏气增大。 因此 ， 对于开采瓦斯含量 1 2 2 2 m ／ t 和厚度 3 m 以 上的煤层 ，以防治 回采工作面 瓦斯浓度超 限为 目 标 ，同时考虑钻孔工程量与经济效益的问题，经反 复试验得出了最佳钻孔数量为 1 个钻场 内 8 ～l 0个 孔 ，最佳抽采负压 1 6 ～2 0 k P a 。用顶板巷道抽采瓦 斯 ，其抽采负压 以 8 ～1 2 k P a为宜。 施工方法是 ，在原始煤层顶板岩层 中开挖一个 钻场，打钻 的开孔位置应在采动卸压形成的环形裂 隙圈内。为了减少工程量 ，抽采钻孔应尽可能深一 些 ，一般在 1 0 0 m 以上 。 潘三矿 1 7 6 1工作面采用顶板环形裂圈内走 向 长钻孔进行 了瓦斯抽采，考察钻场 内的钻孔数量为 7个 ，该工作面总的瓦斯涌出量约 3 3 m3 ／ mi n ，钻孔 抽采量约 1 5 m ／ mi n 。对李一矿 一6 0 2 m 的 E 2 C1 3 工作面进行 了环形裂 隙圈巷道法抽采瓦斯，最高瓦 斯抽采纯量达 7 ． 8 m3 ／ mi n 。根据矿区 3 9 个采用顶板 环形裂 圈内走 向长钻孔或巷道抽采工作面的瓦斯抽 采量考察结果，工作面瓦斯抽采率均在 5 0 ％以上 。 3 ,2 开采远距离煤层上向卸压瓦斯抽采方法 3 ． 2 ． 1瓦斯抽采巷位置的选择 B1 1 煤层与 C1 3煤层的层间距为 7 0 m， 相对层 间距 层问距与开采煤层采高之L L 3 5倍。根据矿压 理论，Bl 1煤层开采之后 ，其上覆岩层将形成 冒落 带、裂隙带 穿层和顺层裂隙 和弯 曲下沉带 。根据 潘一矿实际测定，冒落带高度为 8 ． 5 ～1 1 ． 0 m，裂隙 带高度为 3 0 ． 1 ～3 6 ． 1 r n ，C1 3煤层及其下部 3 0 r n范 围内的煤岩层处在 Bl l 煤层回采形成的弯 曲下沉带 内。如果底板瓦斯抽采巷位置过低 ，巷道可能进入 裂隙带 内，将造成巷道维护困难，同时由于 围岩形 成 的裂 隙使瓦斯抽采钻孔封孔段和矿井大气沟通 ， 抽采瓦斯浓度低，抽采效果差，可能造成大量瓦斯 向底板抽采巷涌 出，具有瓦斯爆炸 的危险。如果底 板瓦斯抽采巷位置过高，巷道距 C1 3煤层较近，巷 道可能误 穿突出煤层 ，巷道掘进过程中有煤与瓦斯 突出危险，同时给网格式抽采钻孔的施工造成困难。 综合上述 因素，考虑将瓦斯抽采巷布置在 C1 3煤层 底板 1 0 - - 2 0 m 的花斑黏土岩和砂岩t 9 1 。 底板抽采巷抽采钻场与钻孔布置如图 5所示。 在 C 1 3煤层底板瓦斯抽采巷内共布置 5 1 个钻场， 其中在卸压区内，每 隔 4 0 l I 1 布置一个钻场，卸压 范围内共布置 3 9个钻场。钻场垂直于底板瓦斯抽 采巷向北水平布置，每个钻场长度为 5 I ll ，净断面 面积为 6 ． 1 6 m ，采用锚 喷支护 。每个钻场 内沿煤 层倾 向方向布置 4个抽采钻孔，钻孔间距为 4 0 1T I 。 钻孔开孔位置位于钻场顶部 ，其设 计抽采 钻孔总 5 5 5 5 5 5 5 5 5 2 第 2 7 卷第7期 袁亮． 低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 1 3 7 5 3 抽采钻孔 2 抽采钻孔 1 抽采钻孔 C 1 3 煤层进风巷运输巷J J C 1 3 煤层底板巷 抽采钻孔 C 1 3 煤层回风巷回风 图5 底板抽采巷抽采钻场与钻孔布置示意图 F i g ． 5 La y o u t o f d r i l l i n g fie l d a n d b o r e h o l e i n t h e d r a i n a g e r o a d wa y o f flo o r 长度 为 8 8 7 9m。 其 中， 钻孔 穿过 c1 3煤层的总长 度 为 1 4 6 0 m。 3 ． 2 ． 2远程卸压效果考察 瓦斯压力随着开采煤层工作面 向前推进 ，开 采煤层 工 作面 距离 测 压钻 孔 的走 向投影 距 离 为 1 0 0 m 时，钻孔 的瓦斯压 力从 4 ． 4 MP a开始下降， 距测压钻孔 8 O m 时开始剧烈下降，距钻孔 6 2 m 时 ，瓦斯压力表指针 降至 0 。当开采煤层工作面采 过测压钻孔 4 0 0 m时测压孔瓦斯压力 由0 逐渐上升 并长期稳定在 0 ． 4 MP a 。该值表示卸压煤层经层抽 排卸压瓦斯后的残余瓦斯压力值。 煤层变形 在 Bl l 煤层开采期 问，C1 3煤层的 压缩变形最大达 2 7 mm，最大膨胀变形为 2 1 0 ． 4 4 mm。煤层 的最大相对压缩变形为 3 ． 3 7 ％ 。 。最大的 膨胀变形为 2 6 _ 3 ％o 。说明 B1 1煤层 的开采导致 C1 3煤层地应力有相 当地下降 ，煤层 内裂 隙有相 应地 增加 。 煤层透气性 由于测得的 C1 3煤层 的原始瓦 斯压力为 4 ． 4 MP a ，钻孔瓦斯流量为 4 ．4 8 L ／ mi n ，煤 层 的瓦斯含量系数 9 ． 3 m ／ m3 ． MP a 等参数计算 得 出 C1 3煤层的原始透气性系数为 0 ． 0 1 l 3 5 m2 ／ MP a 2 d 。B1 1煤层 开采后 ，测定 B1 3煤层残余 瓦斯压力为 0 ． 5 1 V I P a ，钻孔瓦斯流量为 6 5 ． 2 L ／ rai n ， 计算得 出 C1 3煤层卸压后的透气性系数为 3 2 ． 6 8 7 m2 ／ MP a 2 ． d ，是原始透气性系数的2 8 8 0 倍。 3 ． 2 - 3卸压瓦斯流动活跃期与瓦斯抽采的效果 1 卸压瓦斯流动活跃期 钻场瓦斯抽采量随时间的变化如图 6所示，从 图中可明显看出，煤层应力变化规律与卸压瓦斯流 口 蛋 ● 童 器 壕 旧 0 2 0 4 0 6 O 8 0 l O 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 抽放时I ／ d 图 6 钻场瓦斯抽采量随抽放时间的变化 F i g ．6 Ga s dr ain a g e a m o u n t i n t h e d r i l l i n g fie l d a l o n g th e t i me 动之间的关系。前2 0 d 为煤层卸压应力活动加剧期， 瓦斯抽采量增加；第 2 0 8 0天为卸压应力活动稳定 期，透气性系数达到最大 ，瓦斯抽采量相对稳定， 平均单孔抽采量在 1 ． 0 m ／ mi n以上 第 8 0天以后 煤层逐渐开始压实，透气性系数下降，瓦斯抽采量 呈负指数规律下降。因此，在卸压瓦斯流动活跃期 尽可能加大抽采力度 ，提高抽采率 。 2 有效的瓦斯抽采范围 受开采煤层采动影响的有效瓦斯抽采走向距离 为 1 6 0 I n ，平均单孔瓦斯抽采量约 1 ． 0m3 ／ mi n 。随 着抽采 时间的延长钻场 瓦斯抽采率呈指数规律上 升 ，经过 1 2 0 d的抽采之后，钻场范围内的煤层瓦 斯抽采率达 6 0 ％以上 。 在考察过程 中测定了C1 3 煤层沿倾斜方 向的卸 压范围， 距 Bl l 煤层采空区上边界 2 0 0 I n处瓦斯压 力为 0 ． 6 MP a 。按 防突细则划定的 C1 3煤层 的下卸压边界在 1 7 5 I l l 。开采煤层 回采和卸压瓦 斯抽采后，卸压煤层下卸压边界扩大到 。1 9 0 i n处。 在近水平煤层 的条件下 ，开采煤层和卸压煤层工 作面可垂直布置。 3 瓦斯抽采效果 在卸压区域 内，钻孔瓦斯涌 出初速度最大值 均低 于临界值 4 L ／ mi n ，钻屑量 的最大值均低于 6 k g ／ m。说明开采煤层卸压及瓦斯抽采彻底消除了 卸压煤层的突出危险性。被卸压的在 2 1 2 1 3 T作 面采用综放开采 ，安 全回采 8 4 0 m，原煤产量近 1 1 0 6 t 。与未采取卸压瓦斯抽采的综采开采工作面 相 比，工作面平均产量 由原来的 。1 7 0 0 t ／ d提高到 5 1 0 0 t ／ d ，达到了原来的 3倍；相对瓦斯涌出量由 原来的 2 5 ， t 降低到 5 I n 。 ／ t ，降低 了 4 ／ 5 。按试验 工作面的瓦斯抽采能力和通风能力计算 ，工作面平 6 5 4 3 2 l O 1 3 7 6 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 正 均生产能力可达 7 0 0 0 t ／ d 。 3 ． 3 开采近距离煤层下多重卸压瓦斯抽采方法 3 - 3 ． 1瓦斯抽采工程的布置 淮南矿区各煤组 、各煤层之间距离、岩性差别 较大，除了对开采层上部的上卸压层进行瓦斯抽采 以外，下部还有近、中、远距离的 4 ～6层可采煤层。 这些煤层的瓦斯含量大、透气性低，直接预抽的难 度非常大，因而在对瓦斯涌出量较小的 B8煤层 称 开采层或上保护层 进行开采的同时， 利用对下部煤 层 的卸压 、增透作用，提高下部煤层 称下卸压层 的瓦斯抽采效果l 1 刚 。为实现这一技术途径，一是要 开采对下部有卸压影响的煤层 ，二是应根据各卸压 层的不 同卸压效果设计不同的抽采方式、参数和抽 采 时机，以便使 抽采工程既能满足 瓦斯 治理的要 求 ，又经济合理。 图 7给出了开采近距离煤层下向多重卸压瓦斯 抽采工程布置，利用 B 6 ，B 4煤层之问的岩石运输 巷道向上打钻孔 ，穿过 B 6到达 B 7煤层；同时，在 补充的一条抽采巷道 内同时向上部的 B 6 ，B 7煤层 和下部的 B 4煤层打钻 ；而利用 B 4煤层底板的岩 石巷道 向 B 4煤层打少量钻孔 ，以控制下部范围的 B 4煤层。 图7 开采近距离煤层下向多重卸压瓦斯抽采工程布置 示意 图 F i g ． 7 L a y o u t o f d o w n w a r d p r o j e c t o f mu l t i p l e p r e s s u r e r e l i e f g a s d r mn a ge f o r c l os e s ea m mi n i ng 3 ． 3 ； 2开采 B 8煤层后下部卸压层的瓦斯抽采效果 表 1给出了 B8煤层开采前、后下部煤层的瓦 斯参数。根据现场测定钻孔 的观测数据 ，在 B 8煤 层回采后，其下部煤层的钻孔瓦斯流量随着距 B 8 煤层 间距 的减小而增大。其中下部 7 ． 7 2 m 的 B 7煤 层钻孔单孔瓦斯流量增大 了 3 1 ． 0 ～3 9 ． 0倍；下部 2 2 ． 0 9 m的 B 6煤层钻孔单孔瓦斯流量增大 了2 8 , 4 2 6 ． 5倍；下部 6 2 ． 3 m 的 B 4煤层钻孔瓦斯流量增大 表 1 B 8煤层开采前后下部煤层的瓦斯参数 T a b l e 1 G a s p ara me t e r s i n s e a ms u n d e r l y i n g b e f o r e a n d a f t e r 了 1 6 , 1倍 。说明层 间距越大，卸压效果越差。B8 煤层回采后，其下部煤层的残余瓦斯压力随着距 B8 煤层间距的减小而降低，下部各煤层 的透气性系数 显著增大 。由表 1 所示的下部卸压层透气性系数的 变化可见 ，在 B 8煤层开采后，下部卸压层的透气 性系数增大了 3 0 0倍以上。尽管仅 由这些数据并没 有显示出其与层间距的关系 ，但其透气性的急剧增 大是显而易见的。 通过对淮南矿区新庄孜煤矿试验区大量考察测 定数据的统计分析，下部卸压层卸压后的钻孔单孔 瓦斯流量增大到的倍数 卸压层与开采层的层 间 距 存在如下关系 3 8 ． 1 9 8 e 加。 1 对试验区大量考察测定数据的统计，也显示出 了下部卸压层卸压后的残余瓦斯压力 P c 、卸压层与 开采层的层间距 S存在如下关系 P c 0 ． 0 0 0 5 S --0 ． 0 0 5 5 S