近水平中近距离煤层群煤与瓦斯协调开采技术研究 sup _sup _黄振飞.pdf

近水平中近距离煤层群煤与瓦斯协调开采技术研究 * 黄振飞 1,2， 李生舟1,2， 刘 军1,2 （1. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037 ） 摘要 以下峪口煤矿中近距离煤层群为研究对象， 现场考察得出保护层保护卸压角， 结合上保护层 2 煤层赋存条件及灾害特点， 对比选择密集顺层长钻孔抽采 2 煤层采掘工作面， 回采巷沿空充填 留巷施工下向孔抽采下伏被保护层卸压瓦斯区域防突的开采方案。 现场考察了卸压瓦斯抽采与工作 面的时空关系， 数据表明， 中近距离上保护层开采期间， 采动影响能够有效卸压， 提高被保护层的透 气性， 滞后保护层工作面 24～42m 为卸压瓦斯最活跃区域， 卸压瓦斯抽采浓度高于 10的时间约 2 个月。 关键词 中近距离煤层群 ； 协调开采 ； 保护范围 ； 卸压瓦斯抽采 ； 活跃区 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0001- 04 Research on Pressure Relief Protection Effect and Gas Drainage Law of Protective Layer in Middle and Near Distance HUANG Zhenfei1,2， LI Shengzhou1,2， LIUJun1,2 （1. National KeyLaboratoryofGas Disaster Detecting， Preventingand EmergencyControlling， Chongqing 400037 ， China； 2. China Coal Technologyand EngineeringGroup Chongqingresearch Institute ， Chongqing 400037， China ） Abstract The followingshort- distance coal seams in the Qiaokou coal mine are the research objects. The site inspection reveals the protective layer protection pressure relief angle, combined with the upper protective layer 2 coal seam occurrence conditions and disaster characteristics, and contrasts the selection of dense bedding long hole drainage. The coal seam mining face, the mining plan for the unloading gas area under the protective layer of the underlying hole in the mining and filling roadway along the empty mining roadway. The space- time relationship between the gas drainage and the working face was investigated on- site. The data showed that during the mining of the protective layer in the middle and near distance, the miningeffect can effectivelyrelieve the pressure and improve the permeabilityofthe protected layer. 42mis the most active area ofpressure reliefgas, and the pressure ofgas drainage is higher than 10 for about 2 months. Keywords Mediumand short distance coal seamgroup ; coordinated mining; protection range ; pressure reliefgas drainage ; active area 0引言 量理论与实践证明开采保护层是增大煤层透 气性、 提高瓦斯抽放率、 防治煤与瓦斯突出的一种 安全高效措施， 我国相关法规政策也要求 “可保必 备” [1～3]。 目前我国在保护层开采方面开展了大量的试 验工作，总结了不少保护层开采方面的成果及经 验。但我国幅员辽阔， 具体到不同矿区煤层群赋存 条件以及矿区大的构造应力环境下， 保护层开采保 护范围参数及保护效果又有很大的差异[4～6]。 陕西陕煤韩城矿业有限公司下峪口煤矿开采 中近距离煤层群 2 和 3 煤层，其中 2 煤层属于 薄 ～ 极薄突出煤层，且发生过疑似冲击的动力灾 害， 但总体而言， 其突出危险性较 3 煤层小， 因此 矿井开采近距离薄煤层 2 煤层作为严重突出 3 煤层的上保护层。 2 煤层回采前从工作面顺槽内施工下向穿层 钻孔预抽被保护层卸压瓦斯。基本上能够解决主采 3 煤层的突出灾害防治问题， 但多年来未对具体的 保护参数、 抽采时空规律等研究， 仅靠大概经验进 行相关 “采、 掘、 抽” 工作安排， 因此未能充分利用保 护层开采的保护效果。 1试验工作面概况 下峪口煤矿 4216 工作面长 623.7m，可采长度 503.9m， 切 眼 宽 169m。 工 作 面 煤 层 底 板 标 高 355～411.4m， 距地表垂深 497～538m。 4216 工作面 2 煤层距上覆 2 上煤层 5.0～6.5m， 距下伏 3 煤层 7.6～13.2m。工作面煤层厚度 0.5～2.2m，平均厚度 0.97m。综合柱状如图 1 所示。 4216 工作面采用倾斜长壁采煤法， 综合机械化 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 * 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804209 ） 、 中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资助 （2018MS011 ） 、 天地科技 股份有限公司科技创新创业资金专项项目 （2018- TD- MS076 ） 、 中煤科工集团重庆研究院有限公司一般项目 （2019YBXM31 ） 1 ChaoXing 后退式仰斜采煤， 全部垮落法管理顶板， 工作面通 风系统为 Y 型通风。 21326 工作面位于 4216 工作面 的下部呈内错布置。21326 工作面进顺内错上覆 4216 工作面进顺 13m，回顺内错 4216 工作面运顺 11m， 沿煤层顶板掘进。 图 1试验区保护层与被保护层相对位置图 2近距离上保护层开采卸压角考察结果 保护层开采后围岩应力重新分布和煤岩体变 形是被保护层瓦斯动力参数变化的根本原因， 被保 护层变形和瓦斯动力参数存在因果关系， 被保护层 的有效保护特征是卸压膨胀变形达到一定数量和 残余瓦斯压力或含量等参数降低到安全值以下； 防治煤与瓦斯突出规定等有关规范要求被保护 层法向膨胀变形不小于 3‰，残余瓦斯压力小于 0.74MPa （或残余瓦斯含量小于 8m3/t） 。 4216 工作面 开采对 3 煤层有效保护范围通过考察被保护煤层 在保护层开采膨胀变形来确定，采用 BC- I 型变形 测定仪进行了卸压角考察。考察结果如图 2 所示。 （a） 煤层走向保护范围 （b） 煤层倾向保护范围 图 2上保护层开采对下伏 3 煤层走向保护范围剖面图 韩城矿区存在 6 级浅源地震地压背景， 井田煤 系地层层滑构造发育、煤层走向主应力显著增大； 2 煤层走向高侧压系数减小防突卸压保护角。因 此，下峪口煤矿 2 煤层保护层工作面倾斜条带开 采后其走向卸压角相对减小。 3煤层群开采协调开采方案优选 基于保护层开采保护范围考察结果及上保护 2 煤层厚度薄、 地应力主导动力危险的特点， 提出 了两种可行的煤层群煤与瓦斯协调开采方案。 方案 I 3 煤层工作面底板布置两条底板岩巷， 距 3 煤层底板法向距离 15m， 一条底板岩巷相对于 2 煤层工作面运顺内错 20m，一条岩巷相对 2 煤 层工作面回顺外错 20m， 3 煤层两顺布置在 2 煤 层保护范围内， 2 煤层下一工作面采用留小煤柱 3m沿空掘巷或充填留巷， 巷道布置如图 3 所示。 图 3方案Ⅰ巷道布置平面示意图 3 煤层底板巷穿层钻孔预抽 2 煤层煤巷条带 区域防突， 顺槽掘进后从两顺施工顺层钻孔预抽 2 煤层工作面回采区域煤层瓦斯； 3 煤层采取上保护 层 2 煤层开采结合底板巷穿层钻孔卸压瓦斯抽采 进行区域防突。 （a） 保护层保护区域钻孔布置示意图 （b） 工作面切眼 （保护范围外） 区穿层钻孔布置示意图 图 4方案 I 穿层钻孔布置示意图 方案 II 2 煤层上保护层采掘工作面采取顺层 长钻孔区域抽采等综合防突措施， 在其回采巷沿空 充填留巷施工下向孔抽采被保护层卸压瓦斯区域 防突， 并在回风巷施工高位钻孔若存在上邻近层、 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 2 ChaoXing 采空区埋管进行采空区埋管抽采预防保护层开采 瓦斯超限；被保护层 3 煤层采掘工作面顺层钻孔 强化 “抽采达标” 实现放顶煤开采。 3 回采巷道布置 2 煤层保护范围内，保层工作面采用沿空留巷， 如 图 5 所示。 图 5方案Ⅱ巷道布置示意图 2 煤层突出危险性相对较小同时具有弱冲出 倾向性， 采用顺钻孔卸压为主预抽为辅进行区域防 治， 即顺层钻孔预抽回采区域、 煤巷条带区域煤层 瓦斯； 3 煤层保护区采用在沿空留巷的两帮施工下 向穿层钻孔进行强化抽采卸压瓦斯， 在保护层工作 面两顺超前施工下向穿层钻孔预测未保护区煤巷 条带、 回采区域煤层瓦斯， 如图 6 所示。 （a） 保护区域钻孔布置示意图 （b） 保护层切眼、 停采线附近钻孔布置示意图 图 6方案Ⅱ钻孔布置示意图 对于上述三种方案， 从下峪口煤矿突出煤层瓦 斯治理方案瓦斯治理工程、 投资对比分析见表 1， 安 全可靠性等方面的对比分析见表 2。 上保护层 2 煤层为极薄～薄煤层，具有突出 危险，主要表现为应力主导型动力灾害， 2 煤层动 力灾害防治措施以卸压为主， 瓦斯抽采为辅， 综合 考虑安全及技术经济效益，采用方案 III 沿空留巷 下向穿层钻孔卸压瓦斯抽采。 表 1防突工程及投资对比分析 表 2方案优缺点比较分析表 4卸压瓦斯抽采与工作面的时空关系 为掌握被保护 3 煤层钻孔瓦斯抽采量与保护 层工作面动态时空关系， 对下向穿层钻孔卸压瓦斯 抽采随工作面推进情况进行了考察。 4.1保护层开采卸压效果考察 4215 采面切眼附近测压钻孔随工作面开采的 瓦斯压力变化曲线如图 7 所示， 3 煤层瓦斯压力 未抽采 由 1.68MPa 逐渐变化为 0.78MPa， 2 煤层 开采后的 2 个月左右内为 3 煤层瓦斯移动的活跃 期， 以后瓦斯缓慢释放。 测压区域 2＃ 煤距下部 3＃ 煤 18～23m，虽 2 煤层的开采使 3 煤层瓦斯压力 明显下降，但若不结合卸压瓦斯抽采， 3 煤层仍具 有一定的突出危险性。 图 73 煤层瓦斯压力随 2 煤层开采的变化曲线 4.2下向钻孔卸压瓦斯抽采效果考察 下峪口煤矿对 2 煤层保护层 4216 回采工作面 两顺设计施工下向钻孔抽采 3 煤层被保护层卸压 瓦斯， 距采面切眼 5m 开始布置第一组， 每组 6 个钻 孔， 开孔间距 1m， 3 煤层底板终孔间距 25m， 设计 施工钻孔 36 组， 每组间距 15m， 共 216 个钻孔。 为掌握被保护 3 煤层钻孔瓦斯抽采量与保护 层工作面动态时空关系，选择第 12 组钻场对抽放 瓦斯流量、 浓度进行跟踪考察， 钻孔卸压瓦斯抽采 效果与保护层工作面动态时空关系如图 8 所示； 不 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 工程量方案 I方案 II 巷道m1200600留巷 穿层钻孔万 m10.83.4 顺层钻孔万 m2.36.0 投资万元3374.01512.0 方案III 优点 1 ） 瓦斯治理的时间和空间充 足； 2 ） 上向穿层钻孔施工简单， 卸 压瓦斯抽采效果好。 1 ） 岩巷工程量及钻孔工程量小， 防 突费用低； 2 ）沿空留巷利于保护层保护效果 的充分利用。 3 ）从本煤层施工密集钻孔精准防 治薄 ～ 极薄 2 煤层地应力主导型 突出灾害效果更好。 缺点 1 ） 岩巷及钻孔工程量大， 防突 费用高； 2 ）岩巷准备投入高， 准备周期 长； 3 ）穿层钻孔控制两层煤， 穿 3 煤层控制 2 煤层施工难度大。 1 ）瓦斯治理的时间和空间有限， 对 瓦斯治理工程的接续部署要求严 格； 2 ）所有抽采工程都集中在保护层 两顺中实施， 各程序间有影响。 3 ChaoXing 同钻孔抽采浓度随抽放时间的变化关系曲线如图 9 所示。 图 8卸压瓦斯抽采与保护层工作面动态关系曲线 图 9钻孔抽采浓度随抽放时间的关系曲线 1） 根据工作面与钻孔位置关系分析， 在保护层 工作面采过后， 第 12 组钻孔接入抽采系统， 在距工 作面迎头 23m 范围内，卸压瓦斯抽采浓度 2～ 16， 流量 0.13～0.21m3/min； 在滞后工作面 24～42m 范围内，受采动影响，下伏 3 煤层裂隙发育扩展， 煤层透气性显著提高， 抽采浓度和抽采流量明显增 加， 为之前的 1.9～25 倍， 卸压瓦斯抽采浓度 30～ 50， 抽采流量 0.85～1.13m3/min； 随着 3 煤层瓦斯 的抽采， 在滞后工作面 43m后， 由于采动裂隙闭合及 煤层瓦斯的消耗，瓦斯抽采浓度开始波动下降， 考 察的第 12 组钻孔瓦斯抽采浓度降低至 3～17。 从卸压瓦斯抽采效果分析得上覆 2 回采后， 采空区后方 24～42m 范围内对应的下伏 3 煤抽采 瓦斯浓度和纯流量为最佳区域，说明滞后工作面 24～42m 为卸压瓦斯最活跃区域。 2） 卸压瓦斯抽采一定时间后， 瓦斯抽采浓度及 流量均会出现一定的衰减，因而保护层 4216 工作 面回采期间底板穿层钻孔卸压瓦斯抽采量、 浓度总 体较小， 抽采瓦斯浓度 6.8～16.5， 抽采瓦斯流 量 3.8～9.4m3/min。 3） 根据图 9 可知， 卸压瓦斯抽采浓度随着抽采 时间增长而逐步衰减， 钻孔瓦斯抽采浓度大于 10 的时间可维持约 2 个月。 5结论 针对下峪口煤矿中近距离煤层群开采条件， 通 过现场考察得出保护层保护卸压角， 分析对比选择 密集顺层长钻孔预抽 2 煤层采掘工作面，回采巷 沿空充填留巷施工下向孔抽采下伏被保护层卸压 瓦斯区域防突的开采方案最适合矿井灾害治理实 际。中近距离上保护层开采期间， 采动影响能够有 效卸压， 提高被保护层的透气性， 滞后保护层工作 面 24～42m 为卸压瓦斯最活跃区域， 卸压瓦斯抽采 浓度大于 10时间可维持 2 个月左右。 下峪口煤矿近水平中近距离煤层群煤与瓦斯 协调开采技术研究成果能够指导矿井其他区域相 似条件上保护层开采瓦斯治理相关工作， 取得较好 的经济、 技术价值。 参考文献 [1] 俞启香. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京 煤炭工业出 版社, 1997. 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