8第八章 邻近层采前瓦斯抽采方法.ppt

安全工程专业,,程远平王亮,中国矿业大学安全工程学院煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,矿井瓦斯防治,第八章邻近层采前瓦斯抽采方法,一、概述二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果五、保护范围的划定六、卸压瓦斯抽采实例分析,一、概述,,一、概述,,我国多数矿区都具备煤层群的开采条件，在首采煤层的采动作用下，会造成邻近煤层的地应力下降、移动变形、裂隙发育和透气性系数的增加，邻近煤层表现出明显的卸压特征；在邻近煤层为矿井主采煤层，且煤层瓦斯赋存丰富、瓦斯灾害严重的情况下，需要对邻近层进行采前抽采，降低邻近煤层的瓦斯压力和瓦斯含量；上述技术即为保护层开采技术；首采煤层为保护层，邻近层为被保护层。,,一、概述,,长期的理论研究和突出危险煤层开采实践表明，保护层开采技术是最有效、最安全和最经济的防治煤与瓦斯突出的措施。自1933年法国最先使用保护层开采防治煤与瓦斯突出技术以来，已在许多国家得到了应用。,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律,,在离保护层工作面采空区较近的区域，煤岩体的应力值下降很大，采空区下部一定深度范围内的煤岩体应力集中系数降至0.33以下。在采空区的后部区域随着顶板矸石的冒落压实，出现应力恢复现象。随着岩层间距即底板深度的增加，采空区下部区域卸压程度逐渐减弱，应力逐渐增大，有效卸压范围也逐渐减小。由此可见，达到一定深度后，保护层采空区下部煤岩体的应力下降较小、卸压作用减弱。,保护层开采后的应力重新分布图,底板岩层内不同层间距处应力集中系数,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律,,根据围岩应力分布的不同，沿走向可划分为4个区，从前至后分别为原始应力区、支撑应力区、卸压区和应力逐渐恢复区。,沿走向顶底板煤岩层的应力分带,沿走向顶底板煤岩层的应力分区,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律,,1）原始应力区原始应力区即为未受到保护层开采影响的区域，一般处于保护层工作面前方50～100m以外，该带承受正常应力，其承受的垂直应力与埋深成正比。煤层瓦斯动力参数未发生变化，保持原始数值。,沿走向顶底板煤岩层的应力分带,沿走向顶底板煤岩层的应力分区,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律,,2）集中应力区指的是保护层工作面附近，由于采动影响、应力转移，形成的集中应力区，一般在保护层工作面前方50m至后方20m处，其长度取决于工作面的开采深度、工作面长度、开采厚度、倾角和层间距等。大多数在工作面前方10m的范围。潘一矿被保护层C13煤层的最大压缩变形达3.37‰。在保护层开采过程中，防止被保护层工作面推进速度加快进入保护层工作面形成的支撑应力区，进而引发煤与瓦斯突出事故。为确保被保护层的卸压效果，防止发生意外，防突规定规定，正在开采的保护层工作面超前于被保护层的掘进工作面，其超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m。,沿走向顶底板煤岩层的应力分带,沿走向顶底板煤岩层的应力分区,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律,,3）卸压区卸压区指的是由于保护层的采动作用，产生应力转移，在采空区顶（底）板一定范围的煤岩层内形成的应力降低区。在卸压区，被保护层所承受的应力低于原始应力，煤层发生膨胀变形，原生裂隙张开，且随着煤岩体的移动形成次生裂隙，被保护层透气性呈几何级倍数增加，为被保护层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件。根据潘一矿考察结果，被保护层膨胀变形可达26.33‰，煤层透气性系数增加了2880倍，穿层钻孔单孔瓦斯抽采量达到了1m3/min以上。卸压期有一定的时空效应，要求提前施工钻孔，同时进行卸压瓦斯抽采。,沿走向顶底板煤岩层的应力分带,沿走向顶底板煤岩层的应力分区,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律,,4）应力逐渐恢复区应力逐渐恢复区是由于采空区后部矸石冒落，顶板岩层充分移动形成的，位于采空区后部较远处。地应力及透气性与卸压区相比有所恢复。由于存在应力逐渐恢复区，因此需要被保护层瓦斯在卸压区内抽采掉。,沿走向顶底板煤岩层的应力分带,沿走向顶底板煤岩层的应力分区,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,在采空区附近，煤岩层移动量较大，随着层间距的加大煤岩层移动量逐渐减小。,顶底板围岩的移动变形,底板不同深度上岩层的移动变化规律,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,保护层开采厚度为6.14m，层间距125m，顶板岩层形成了明显的“三带”划分，岩层移动发展至地面,顶底板围岩的移动变形,,由于上部存在巨厚火成岩，对上部岩层起到了支撑作用，地表下沉不明显，造成弯曲带内长时间存在离层区，为邻近煤层的卸压瓦斯抽采提供了充足的抽采时间。,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,通过图中的参考线可以看出底板岩层的向上移动情况，由于顶（底）板移动变形的作用机理不同，造成底板岩层移动量小，没有顶板岩层移动变形明显。,顶底板围岩的移动变形,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,处在不同分带内的邻近煤层裂隙发育状态、透气性变化、瓦斯的解吸及流动条件均不相同，针对上述情况需选用不同的瓦斯抽采工艺及参数对邻近煤层进行卸压瓦斯抽采,顶底板煤岩层的裂隙发育规律,顶板垮落带断裂带，其上限为采高的12-22倍。弯曲下沉带，可直达地面。底板底鼓裂隙带，其下限为下方15-25m底鼓变形带，下方50-60m,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,当煤层发生膨胀变形时，说明煤体获得卸压效果，膨胀变形量越大，说明获得的卸压效果越好，反之亦然；当煤层发生压缩变形时，说明煤体处于支撑应力区，该区内煤与瓦斯突出危险性增大；防突规定中指出，当煤层膨胀变形大于3‰时，可确保煤层获得了足够的卸压增透效果，在必要的瓦斯抽采措施作用下可实现有效降低煤层瓦斯含量和消突煤层突出危险性的目标。,被保护层的垂向变形规律,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,在保护层采动作用下，被保护层的应力下降、膨胀变形及裂隙发育共同促进了煤层透气性的显著增加，可实现煤层透气性系数呈百倍至上千倍的增长。该规律是在磨心坡矿进行上保护层开采试验时测出的，层间距为70～80m，煤层倾角为60～65。透气性系数变化规律为初始值→小幅下降→大幅增加→稳定。下被保护层原始透气性系数为0.032m2/（MPa2d），当保护层工作面推进超前3倍层间距时，被保护层的透气性增大为11.3m2/（MPa2d），为原来的560倍。,被保护层的透气性变化规律,,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,被保护层的透气性变化规律,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,钻孔瓦斯流量随工作面推进的变化规律被保护层透气性系数的增加促进煤层瓦斯解吸速度和流动速度的加快，使得钻孔瓦斯抽采量显著提高，为被保护层卸压瓦斯高效抽采提供了有利条件。保护层工作面推过钻孔后，钻孔附近煤层获得卸压增透效果，钻孔瓦斯流量大幅增加，说明被保护层获得了显著的“卸压增透增流”效果。,被保护层的透气性变化规律,二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理,,保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律,,煤层瓦斯压力一般可降至0.5MPa以下，煤层瓦斯含量可降至6m3/t以下，煤层的坚固性系数可提高48～100％，从而使邻近煤层（被保护层）由高瓦斯突出危险煤层转变为低瓦斯无突出危险煤层，实现邻近煤层（被保护层）工作面的安全高效开采。,被保护层的特征参数变化规律,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层卸压瓦斯抽采作用,,断裂带、底鼓裂隙带,弯曲带、底鼓变形带,,,,被保护层所处层位,抽采作用,①控制卸压瓦斯进入保护层工作面②有效降低瓦斯含量，消除其突出危险性,①有效降低瓦斯含量，消除其突出危险性②扩大保护层开采的有效垂距,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层卸压瓦斯抽采作用,,通过抽采曲线与未抽采曲线对比分析可知，被保护层的卸压瓦斯抽采一方面在相对层间距较小的情况下，可有效降低煤层残余瓦斯压力，彻底消除煤层的突出危险性；另一方面可扩大保护层的有效垂距，使得较远处的被保护煤层瓦斯压力获得下降，消除煤层突出危险性。,顶底板围岩的移动变形,前苏联开采不同层间垂距的缓倾斜保护层时的残余瓦斯压力a下保护层；b上保护层1未进行抽采；2进行抽采,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层卸压瓦斯抽采作用,,对于缓倾斜煤层，在层间距为40m时，自然排放率几乎为0，而进行抽采后可达38左右，对于急倾斜煤层，在层间距为60m时，自然排放率仅为5左右，抽采后可达55左右。当然被保护层卸压瓦斯抽采率与钻孔间距、被保护层卸压程度、抽采时间等因素有关，缩小钻孔间距、增加抽采时间可提高被保护层的瓦斯抽采率。,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层卸压瓦斯抽采作用,,由此可以看出，对被保护层卸压瓦斯进行抽采一方面可控制卸压瓦斯向保护层工作面的涌入，确保保护层工作面的开采安全，另一方面可将被保护层中大量卸压瓦斯抽出，有效降低煤层瓦斯含量，彻底消除被保护煤层的突出危险性。,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,由于不同的裂隙分带内裂隙发育程度不同，位于各带内的被保护煤层有着不同的裂隙特征，而被保护层的卸压瓦斯流动与汇集受制于煤层的裂隙发育特征，且考虑到上、下被保护层与保护层的位置关系，决定了处于不同分带的被保护层需选用不同的卸压瓦斯抽采方法。,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,倾向高抽巷,,,,,,,,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,倾向穿层孔,,,,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,顶板走向孔,,,,,,,,,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,地面钻井,,,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择,,底板巷,,,,,,,,,,,穿层钻孔,三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择,,邻近层瓦斯抽采特性,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,,网格式穿层钻孔瓦斯抽采方法,,四个显著的优点（1）可以机动灵活地布置抽采巷道，施工瓦斯抽采钻孔，适应性强，易于均匀布孔；（2）瓦斯抽采效果可靠；（3）底板岩石巷道可作为考察巷道使用；4）瓦斯抽采期长，抽采效果好。,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,,网格式穿层钻孔瓦斯抽采方法,,为了抽采被保护层卸压瓦斯，除利用煤层底板巷道或是顶板巷道施工穿层钻孔外，还可结合保护层开采的实际情况，从保护层工作面的巷道中向被保护层施工穿层钻孔抽采瓦斯。郑州崔庙的极薄钻采保护层开采、淮北巨厚火成岩条件下的保护层开采和淮南李二煤矿的急倾斜保护层开采均是利用保护层工作面巷道施工穿层钻孔对被保护层进行卸压瓦斯抽采。,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,,地面钻井卸压瓦斯抽采方法,,（1）地面钻井将穿过下保护层顶板上覆卸压煤岩层，抽采范围大、抽采效果好；（2）从地面钻井处在保护层开采的卸压区开始，到地面钻井报废止（钻井损坏或抽不出瓦斯），全部为抽采期，抽采期长；（3）地面钻井施工不受井下巷道工程条件的限制，只要保证保护层工作面推进到钻井设计位置之前，地面钻井施工完成，即可满足瓦斯抽采的需要。,,,,,,,,,,,,,被保护层组,地面钻井,保护层,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,,高抽巷瓦斯抽采,,主要适用于被抽采的被保护层处在顶板岩层内的断裂带内；在近距离的上保护层开采过程中；有时也可采用倾向高抽巷。,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,,沿空留巷穿层钻孔抽采方法,,穿层钻孔无法覆盖整个被保护层工作面，因此还需要施工其他岩层抽采巷道，从岩层巷道中施工穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯。,四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果,,水平长钻孔瓦斯抽采方法,,高抽巷瓦斯抽采方法需要开掘一条岩石巷道，成本较高，井下水平长钻孔抽采方法在一定程度上可替代高抽巷；但该方式抽采钻孔的断面较小，造成瓦斯抽采能力低，在遇岩层移动时易出现钻孔断裂，堵塞钻孔现象，则无法抽采裂隙瓦斯，因此该抽采方式可靠性较高抽巷差。,图9-137井下水平长钻孔布置示意图,五、保护范围的划定,五、保护范围的划定,,保护范围,沿倾向的保护范围,沿走向的保护范围,五、保护范围的划定,,最大保护垂距,五、保护范围的划定,,下保护层开采的最小层间距,五、保护范围的划定,,保护范围的扩界,,在过渡区域内存在部分区域煤层地应力低于原始应力，煤层有一定的膨胀变形，显示出一定的卸压增透效果，但从指标来看，其卸压增透效果低于充分卸压保护范围的煤体；采用比充分卸压范围内的抽采钻孔间距小的密集钻孔对扩界区进行强化瓦斯抽采，通过密集钻孔较长时间的强化抽采，可有效降低煤层瓦斯含量，消除过渡区的突出危险性，加大保护层开采的卸压角度，扩大被保护层的保护范围，进而实现保护层与被保护层的等长、等宽布置。,工作面走向、倾向上的扩界,五、保护范围的划定,,保护范围的扩界,,在煤层顶板内，采动影响的煤岩层高度同煤层采高成正比关系，煤层开采厚度越大，则在顶板内受到采动影响的煤岩层范围越广，则能够保护到的被保护层的层间垂距越大；瓦斯抽采对消除煤层突出危险性的作用在前面已经分析过，瓦斯抽采可降低煤层瓦斯含量，因此在充足的瓦斯抽采能力的保证下可相应扩大保护层的层间距，采用强化的瓦斯抽采作用来弥补抵消由于层间距大而造成的被保护层卸压增透效果不足。,垂向扩界,六、卸压瓦斯抽采实例分析,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,矿井及试验区概况,,淮南潘一矿开采11煤层保护13煤层生产能力300万t/a。煤与瓦斯突出矿井。建有永久瓦斯抽放系统。矿井一水平-530m以上的主采煤层13煤层已采完，现已转入下山开采。,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,矿井及试验区概况,,淮南潘一矿开采11煤层保护13煤层试验区东一/东二下山采区。开采煤层11煤层工作面21511/23521。工作面走向长1640m，倾斜长190m，煤厚1.9m。瓦斯含量低，无煤与瓦斯突出危险。综合机械化采煤方法，冒落法管理顶板。卸压煤层13煤层工作面23213/21213。工作面走向长840m，倾斜长160m，煤厚6.0m。有煤与瓦斯突出危险。抽放远程卸压瓦斯后采用综放开采。,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,,13煤层底板巷道和网格式穿层钻孔11煤层巷道和倾斜穿层钻孔13煤层巷道抽放13煤层底板走向拐弯穿层钻孔地面钻孔,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,13煤层底板巷道和网格式上向穿层钻孔,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,11煤层巷道和倾斜穿层钻孔,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,13煤层巷道抽放,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,13煤层底板走向拐弯穿层钻孔,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,地面钻孔,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,,经技术、经济性对比分析，选择13煤层底板巷道和网格式上向穿层钻孔抽采卸压瓦斯。解吸瓦斯沿着煤层卸压与下沉生成的顺层张裂隙流向钻孔并进一步汇集到矿井抽放管路中，确保良好的抽放效果；瓦斯抽放工程机动灵活，根据地质变化和抽放需要，调整后续抽放钻孔的施工，可靠性较高；有专门的抽放巷道，抽放钻孔的施工对生产影响较小，钻孔工程量相对较小；抽放时间长，抽放效果好；抽放巷兼做考察巷，在开采煤层工作面开采初期即可进行考察工作。,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放方法的选择,方案实施程序框图,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放设计,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放设计,抽放钻孔布置,在卸压范围内，每个瓦斯抽放钻场内呈扇形布置4个上向穿层钻孔，钻孔有效抽放半径取20m。,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放设计,抽放钻孔布置,在未卸压范围内，每个瓦斯抽放钻场内呈扇形布置16个上向穿层钻孔，钻孔有效抽放半径取5m。,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,效果考察方案及参数测定方法,考察内容,走向方向的卸压边界；倾斜方向的卸压边界；开采及卸压瓦斯抽放过程中瓦斯压力、钻场瓦斯抽放量、煤层变形及煤层透气性系数的变化规律。,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,效果考察方案及参数测定方法,走向方向卸压边界考察钻孔布置,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,效果考察方案及参数测定方法,倾向方向卸压边界考察钻孔布置,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,效果考察方案及参数测定方法,其它考察钻孔布置,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,效果考察方案及参数测定方法,参数测定方法,瓦斯压力采用水泥砂浆和膨胀剂机械注浆封孔法；钻孔瓦斯自然涌出量测定采用湿式气体流量计，卸压瓦斯抽放量测定采用标准孔板流量计；煤层透气性系数测定采用中国矿业大学流量法；煤层变形测定采用深部基点法。,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,34钻场瓦斯抽放量随时间变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,34钻场瓦斯抽放率随时间变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,底板抽放巷瓦斯抽放量随时间变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,底板抽放巷瓦斯抽放量随工作面推进距离的变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,13煤层瓦斯压力随工作面推进距离的变化,测压钻孔位置,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,13煤层残余瓦斯压力沿倾斜方向的变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,13煤层变形随工作面推进距离的变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,13煤层底板巷下沉量沿走向的变化,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放规律及效果分析,煤层透气性系数变化,煤层透气性系数由0.01135m2/MPa2.d增加到32.687m2/MPa2.d，增加了2880倍。,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,21213工作面下顺槽掘进期间突出预测结果,未卸压区域,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,21213工作面回风顺槽掘进期间突出预测结果,局部地区卸压瓦斯抽采不充分,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,工作面已无煤与瓦斯突出危险性论证,局部地区卸压瓦斯抽采不充分,,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,21213工作面回采期间瓦斯涌出量变化,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,21213工作面回采期间产量及相对瓦斯涌出量,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,21213工作面回采期间回风流瓦斯浓度变化无任何煤与瓦斯突出现象显现,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,卸压抽放与未卸压抽放工作面产量变化对比,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,卸压抽放与未卸压抽放工作面相对瓦斯涌出量变化对比,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,卸压抽放与未卸压抽放工作面回风流瓦斯浓度变化对比,六、卸压瓦斯抽采实例分析,,瓦斯抽放效果验证,卸压抽放与未卸压抽放工作面有关参数对比,