煤层群多重保护层开采防突技术的研究.pdf

2 0 0 1 年 1 O月 矿 业安 全 与环保 第2 8 基第5 囊 煤层群多重保护层开采防突技术的研究 刘 林 煤炭科学研究总院重庆分院， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘要 通过理论分析与现场试验研究， 丰富和发展了保护层开采的基本理论， 翅吐 了 保护层开采 效果考察及评价体系 ， 确定出了合理超前距、 走 向、 倾 向卸压保护角等技术参数 关键词 煤层群 ； 多重保护层开采 ； 防突 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 1 文献标识码 A 1 前言 迄今为止 ， 开采保护层是防止煤与瓦斯突出最经 济、 最有效的手段 。1 9 9 3年法国最先进行开采保护层 防止煤与瓦斯突出的试验 ， 到 目前为止， 几乎所有开 采有突出冲击地压煤层的国家， 只要煤层赋存条件允 许都优先开采保护层 我国从 1 9 5 8年开始在北票和 重庆地区进行试验 ， 取得效果后虽然已在全国有条件 的突出矿井推广应用 ， 但在煤层群多重保护层开采作 用机理以及保护效果评价等方 面未进行过深入系统 的研究。本次研究抓住煤层群开采的特点 ， 在理论研 究成果的指导下 ， 选择强突出危险性区域进行多重保 护层开采试验研究 通过多参数的考察， 从多方面对 保护层开采合理参数和保护效果进行综合分析计算 ， 提出了多重保护层开采的作用机理 ， 建立了多重保护 层效果考察及评价方法 ， 对淮南矿区煤层群开采消除 突出危险效果显著， 对类似开采条件的矿井防治煤与 瓦斯突出及瓦斯综合治理具有一定指导意义。 2 煤层群多重保护层开采理论探讨 2 ． 1 保护层采动作用的基本规律 保护层开采后 ， 周围的煤岩层 向采空区移动 ， 采 空区上方岩体 冒落并形成 自然冒落拱 ，采空区下方 岩体向采空区膨胀形成裂隙，使得采空区上方煤岩 体产生应力 、 透气性 、 瓦斯压力 、 位移等变化 。 研究煤 层顶、底板岩体在保护层开采以后应力重新分布的 规律， 对于了解顶 、 底板变形和破坏特征 ， 确定被保 护层的卸压范 围具有十分重要的意义 。 国内外学者将岩体视为均质的弹性体 ， 对煤柱和 煤层开采边界上 、 下方煤岩体的应力分布进行有限元 收稿 日期 2 0 0 1 0 3 0 6 作者筒 介 刘林 1 9 6 9一 ， 男． 重庆市人 ， 工程师， 学士 研究方向 煤 矿安生技术。 文童编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 1 0 5一O 0 0 1 0 4 模拟计算的结果显示， 在应力传播的范围内， 在煤柱 或煤体下方的一侧为增压区。 而在采空区下方一侧为 减压区。在有限元模拟计算得到的应力分布图中， 从 煤壁边缘向相当于原始地应力的等应力系数线作切 线可得卸压角 ， 但此角度所圈定的范围仅为所受应力 小于原始应力的减压区域 ， 井非能使突出煤层消除突 出危险的有效卸压保护范围， 实际考察得出的卸压保 护角比前面所述的普通卸压角要小， 有效保护范围只 能位于其中 ， 即要小于该减压区域。 随着保护层工作面向前推进 ，采空区上下方的 卸压范围也不断沿走向延伸。被保护层的应力状态 和瓦斯动力参数 的变化可大致划分为 4个带 ， 即 正 常应力带、 集中应力带、 卸压保护带和应力恢复带。 保护效果考察主要分析卸压保护带的位置。 从保 护层工作面开始往采空区方向均存在保护卸压作用 ， 但 由于保护层 的卸压传递到被保护层时要滞后一段 距离 ， 因此 ， 保护层卸压带的起点 对被保护层而言 通常位于保护层工作面后方 0 2 5～ 0 ． 8倍层问距位 置，最充分卸压点位于保护层工作面后方 2 0～ 1 3 0 m 范围， 通常为层间垂距的0 ． 8 ～ 2 ． 7 5 倍 ， 然后应力开 始恢复。 在此带范围内， 煤层承受的应力减小 ， 被保护 层变形增大， 透气性增加 ， 瓦斯压力下降， 瓦斯涌出量 急剧增加， 被保护层突出危险性降低， 甚至消除， 若采 用瓦斯抽放措施 ， 则抽放效果极为显著。 进行煤层群开采时， 若具备多重保护层可开采， 且需保护的突出煤层不止一层时， 情况就比单一保 护层开采后保护单一的突出煤层要复杂得多。当一 层保护层开采以后 ，被保护层有 的突出危险性可能 已经清除，有的突出危险性仅仅是有所降低而并未 完全消除。 在进行多重保护层开采后 ， 未彻底消除突 出危 险性 的煤层参数变化还要 经过 相对稳 定压 力 带 、 压力升高带 、 再次卸压带这几个阶段。 2 ． 2 被保护屡保护范圈的■定 维普资讯 2 0 0 1 年 1 O月 矿 业安 全 与环 保 苇2 8 卷苇5 期 1 合理超前距。7 0年代原苏联研究认为 以被 保护层变形值等于最大膨胀变形值 8 0 ％为标准 ，则 上保护层超前于被保护层不应小于 1 倍层间距 ，下 保护层超前于被保护层不应小于 0 ． 6倍层间距 。我 们进行的试验也证实了上述的结论 ，再考虑到瓦斯 抽排 ， 使被保护层不仅能充分卸压 ， 并能充分抽排瓦 斯 ，认为超前距不应小于 2倍层 间距 ，并不小于 4 O m， 实践证 明， 按照这一原则布置 ， 对防治煤与瓦斯 突出和治理瓦斯是有效的。 2 沿走向的保护卸压角。在保护层 工作面的 始采线与停采线处 ， 由于地压的传递作用， 使得被保 护层的有效保护范围应小于保护层的开采范围，被 保护层的始采线与停采线应距保护层始采线和停采 线 内退一定距离， 该距离与层间垂距有关 ， 根据试验 表明 ，对上保护层为 0 ． 5 5～ 0 ． 6 7倍层阃垂距为宜 ， 即保护卸压角为 5 6～ 6 l 。 为宜 ，具体数据应实际考 察。但被保护层进人到距保护层始采线与停采线 4 0 m以内时， 保护层开采应超产 3 个月 以上。 3 倾向卸压角。倾向卸压角大小与煤层倾角 、 开采深度 、 层 间岩性因素有关， 各种条件下的卸压角 最好通过对实施区域进行考察确定 。 2 ． 3 开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机理 保护层开采后 ， 被保护层的应力变形状态、 煤结 构和瓦斯动力参数发生显著变化 ，从发生变化的时 间看， 卸压作用是最先出现的， 有些卸压过程甚至在 保护层工作面前方 l 0～2 0m处开始 ， 一般在工作面 后方。 当膨胀变形速度加快时， 瓦斯动力参数才发生 显著变化。开采保护层 防突作用机理可表述 如下 开采保护层一岩层移动一被保护层卸压 地应 力降低、 煤层膨胀变形 一透气性增加 、 瓦斯解吸一 煤 岩 层瓦斯排放能力增高一瓦斯排放 、 钻孔瓦斯 流量增大一瓦斯压力降低一瓦斯含量减少一煤机械 强度提高一应力进一步降低。 3现场试验考察 3 ． 1试验矿井情况 淮南矿区新庄孜煤矿为煤与瓦斯突出矿井 ，瓦 斯 灾害较严 重， 矿井开采石炭 二迭系煤层群 ， 含煤 3 5～ 4 2 层。 自下而上 分为 A、 B 、 C、 D、 E五个煤 组 。 B 4～B 1 1 为 B组煤 ， 主要开采 B 4、 B 6 、 B 7 、 B 7 、 B 7 、 B 8 、 B l 1 共7 层煤。 其中 B l 】 、 B 6 、 B 4 为突出煤层， 1 9 9 8 年6 月2 日一5 0 6m水平六石 门揭 B 6 煤层时发生 6 4 7 t 的大型突出。 B 8 煤层厚度约1 ． 8 m， B 6 煤层厚度 约2 ． 9 m， B 4 煤层厚度约3 ． 2 m， 煤层倾角约2 8～ 3 2 。 。 参 建 。 ；矗 试 验 区为 开采 B 8～B 4 煤 组 的 5 6 采 区 ， 走 向长 1 0 0 0～1 1 0 0m， 倾斜长4 O Om， 开采上 、 下限标高为 一 4 l 2 m和 一 6 1 2 m。 分两个区段开采 ， 区段内跨上山 回采 。 考察试验在位于 B 6 煤层底板的 一 5 0 6 m胶带运 输巷五、 六运输石 门之 间的2 4 、 2 5 、 l 8 场进行。 3 ． 2考察内窖 1 新庄孜 矿5 6 采区一区段首采 B 8 保护层 ， 再 依次开采 B 7 、 B 6 、 B 4 煤层 ， 考察方案设计内容包括 B 8 煤层开采对 B 6 突出危险煤层的合理保护参数及保护 效果 ， B 8 煤层开采对 B 7 、 B 6 和 B 4 煤层 的瓦斯释放效 果 。 B 6 煤层开采对 B 4 突出危险煤层保护效果 ， B 6 煤 层开采对 B 4 突出危险煤层的瓦斯释放效果等。 2 合理保护参数主要包括 B 8煤层开采对 B 6 煤层走向和倾向的保护卸压角。 保护效果主要包括 瓦斯压力 、 钻孔瓦斯流量及抽放量 、 透气性系数、 煤 层相对变形参数的变化情况。瓦斯释放效果主要包 括 瓦斯压力和瓦斯含量残值、 瓦斯释放程度情况。 4 煤层群 多重保护层开采防突效果 及保护参数分析 新庄孜矿 B 8 ～B 4 煤组属于煤层群开采 ， B 8 、 B 7 、 B 7 是非突出煤层， B 6 和B 4 为突出危险煤层。 以 B 8 作 为首采保护层， 保护 B 6 和 B 4 。 从考察数据分析可知 ， B 8 开采后 ， 在保护范围内， B 6 煤层的突出危险性已经 消除。 B 4 煤层的突出危险性有所降低 ， 但残余瓦斯压 力仍然在1 ． 2M P a 左右， 因此， 对 B 6 煤层来说， 其保 护范围应是 B 8 、 B 7 、 B 7 中的最大保护范围， 对 B 4 煤 层应是 B 8 、 B 7 、 B 7 、 B 6 中的最大保护范围。 4 ． 1 B 6 煤层防突效果及合理保护参数 为了对保护作用进行综合分析，下面将 一5 0 6 m 岩巷中 1 8 ～2 5 钻场间 B 6煤层的 5 项观测结果， 即煤 层瓦斯压力 P、 瓦斯流量 煤层透气性 、 煤层相对 变形 8和瓦斯抽放量 p绘成综合图 图 1 、 综合参 数表 表 1 进行分析。 5 6 o B 工作面超首一点臣 ， m 图 1 盼 煤层 5 6 0 8 工作面开采后 B 6 煤层 5 参数综合分析曲线图 吣 0 维普资讯 2 0 0 1 年1 0月 矿 业安 全 与环保 第2 8 卷第5 期 从 图 1和表 1 中可以看出， 在上保护层 B 8开采 前后 B 6突出煤层的参数发生了明显的变化 。 它们的 变化具有一定的内在联系 ，从不 同的角度反映了一 个共同的客观规律 。根据上保护层开采前后 以上几 个参 数的变化 ，可以将被保护层划分为如下几个 带 1 正常压力带 即 B 6煤层未受 B 8 煤层采动影响区域 。该带位 于保护层工作面前方4 0 m以远，此区域仅受原始地 应力作用 ， 岩层未发生移动变形。煤层瓦斯压力处于 原始压力状态 3 ． 6 M P a ； 煤层透气性较小 0 ． 0 4 4 5 m 2 ／ M P a d ； 钻孔瓦斯流量很小 O ． 0 1 ／ rai n ． 只 有用煤气表才能测量 2 集中应力带 位 于保 护 层工 作 面 5 6 0 8前方 5～ 4 0 m 范 围 内 此带范围内煤层承受的应力高于原始状态 ， 最大 应力点位于保护层工作面前方 5 ～ 2 0 m范围内，此 范围内 B 6煤层瓦斯压力达到了 3 ． 7 6 MP a ，比已经 稳定的正常瓦斯压力 3 ． 6 MP a高出0 ． 1 MP a 。 裂隙封 闭， 透气性降低， 瓦斯流量减小 ． 但变化不明显 3 卸压 带 从 5 6 0 8工作面前 5m开始往采空 区方向 1 0m， B 6 煤层开始卸压。 此时膨胀变形增加到4 1 0 ； 煤 层透气性能增加到 了 1 5 ． 0 m ／ M P a d ，即为原始透 气性系数的 3 0 0倍 ；煤层瓦斯 由于解吸而流量增加 到了0 ． 1 m ／ rai n ； 煤层瓦斯压力下降到了 2 ． 5 M P a 在 B 8煤层工作面后方 2 O～ 4 0m处 ， B 6煤层膨 胀变形， 此时达到了最大值 2 ． 7 1 1 0 。 ” ； 煤层透气性 能大大增加到了 2 2 ． 2 m ／ Mp a 2 ． d ，即为原始透气性 系数 的 5 0 0倍 ； 煤层瓦斯解 吸作用也变得十分显著， 钻孔瓦斯流量最大达到了 0 ． 2 9 4 ／ m i n ；煤层瓦斯 压力急剧下降到了 0 ． 6 M P a ； 瓦斯抽放量也提高了 5 倍 左 右 。 在 B 8煤层工作面后方 4 0～1 2 0m处 ，是经过 明显卸压 以后的地带 ，此带 内 B 6煤层膨胀变形略 有降低 ，但仍然保持着显著卸压 的状态 ；煤层透气 性系数继续保持在 2 2 ． 2 m ／M P a ． d以上 ；钻孔瓦 斯量仍有 0 ． 0 5 m ／ m i n ；煤层瓦斯压力继续 下降 到 了 0 ． 2MP a 。 从以上分析可以看出 ，在 B 8 煤层工作面后方 4 0m以远 即 2倍层 间距 以上 ， B 6煤层瓦斯压力急 剧下降到了 0 ． 6～0 ． 2M P a ， 低于 防治煤与瓦斯突出 细则规定的 0 ． 7 4 MP a ； B 6煤层膨胀变形此时达到 了最大值 2 7 ． 1 1 0 ， 远远超过了6 ‰； 煤层透气性 能猛增到 2 2 ． 2 m ／ M P ． d ，即为原始透气性系数的 5 0 0 倍 ； 钻孔瓦斯流量最大达到了 0 ． 2 9 4 m ／ ra i n ， 是 卸压前钻孔瓦斯流量的 3 O倍。上述综合参数表 明 B 8 煤层回栗工作面相对于 B 6 煤层掘进工作面的台 理超前距离不小于 4 0m，在 璐 煤层工作面 4 Om以 后 ，位 于保护范 围内的 B 6煤层突出危险性 已经消 除， 保护效果十分显著 。 利用位于卸压保护边界的考察孔距保护煤层 的 平面及垂直距离 ， 计算得出 B 6煤层在 B 8 、 B 7 、 B 7 a 煤层开采以后沿倾斜下方的卸压保护角分别为7 8 、 7 7 、 7 7 。 ， 沿倾斜上方的卸压保护角皆为7 O 。 ， 沿走向 的卸压保护角分别为 5 6 、 5 8 、 6 0 ． 5 。 。 4 ． 2 1 1 4煤层防突效果及合理保护参数 对 B 4煤层而言， 有 B 8 、 B 7 、 B 7 。 和 B 6共计 4个 上保护层先后进行开采。B 8 、 B 7 、 B 7 。 煤层开采后． B 4 煤层 的突出危险性有所降低， 但残余瓦斯压力仍 然在 1 ． 2 M P a 左右， 突 出危险性并未消除 。因此， 对 B 4煤层的保护效果 ，应视 B 6煤层开采以后 的考察 数据而定， 其受保护范围应以B 6 煤层开采以后的卸 压保护范围为准。 为了对 B 6煤层开采后 B 4煤层受到的保护作用 进行综台分析 ，下面将 一5 0 6m岩巷中 2 3～ 2 5 锚 场 间 B 4煤层的 3项观测结果 ． 即煤层瓦斯压力、 瓦斯 流量 、 煤层透气性列成综合表 表 2 进行分析。 萄 曼 矗 蠡} 靠 ，i；．． ￡ 菇 溢莲霸蕊遗藿箍{ I 维普资讯 2 0 0 1 年 l O月 矿 业安 全 与环 保 第2 8 畚苇5 期 表 2 B 6煤层5 6 0 6T作面开采后 B 4煤层 3参数综台表 参数 犍 嚣 盛 各带相对5 6 o 6 工作面位置 L ／ m 备带相对5 6 0 6 T _ 作面位置{ 脚倍数 层瓦斯压力 P ／ MP a 层瓦斯流量 ／ t T l】 rai n 。 。 删煤层透气性系数 ／ M d 0 {0～0 l 0一 十】 0 0 】 3一 】 3～0 0 3～ 2 7 】 2 】 3 0 5 0 09 0 08 8 0 】 8 4 0l 1 】 2 5 0 2 3 0 在 B 8～8 7 煤层采完 3～6 个 月后 ，8 4煤层的 瓦斯压力 、 瓦斯流量、 煤层透气性等参数处于一种相 对稳定的状态。但 当 B 6煤层 回采后， 从表 2中可以 看出，B 4煤层的煤层瓦斯参 数又发生了明显的变 化。 为了综合分析合理的超前距离和保护效果． 根据 B 6 开采前后以上参数的变化， 可以将被保护层考察 参数的变化规律表述如下 1 相对稳定压力带 即 B 4 煤层未受 B 6煤层采动影响的区域。该带 位于 5 6 0 6工作面前方 5 0m以远 ， 此区域受 B 8 、 B 7 ． B 7 采动卸压作用 ，岩层 已经发生了部分移动和变 形 ． 在 B 8～B 7 煤层采完 3～6 个月后 ， B 4煤层 的瓦 斯压力、 瓦斯流量 、 煤层透气性等参数处于一种相对 稳 定 的状态 。此 范 围内 B 6煤 层 瓦斯压力 为 1 ． 2 MP a ； 煤层透气性系数为 1 4 ． O 1 1 m ／ MP a 2 ． d ； 钻孔瓦 斯流 量 0 ． 0 9m ／ ra i n 。 2 压力升高带 位 于保 护 层工 作 面 5 6 0 8前 方 05 0 m范 围 内。此带范围内 B 6煤层由于承受 5 6 0 6工作面前方 集 中应力的影响而导致煤层瓦斯参数有所升高。此 范围内 B 6煤层瓦斯压力升到了 1 ． 3 MP a ，透气性降 低为 l 2 ． 5 0 m ／ MP a 2 ． d ； 瓦斯流量稍有减小。 3 再次卸压带 从 5 6 0 6工作面位置开始往后 1 0 1 1 1 ， 卸压作用不 明显 在 5 6 0 6工作面后方 1 0 ～1 0 01 1 1 范围内， B 4煤 层开始明显卸压 。在 6 9 1 1 1 处 B 4煤层钻孔瓦斯流量 最大达到了0 ． 4 4 2 1 1 1 ／ mi m； 在 8 O m处煤层透气性系 数增加到了 2 3 ． 5 4 3 m ／ MP a 2 ． d ，即为原始透气性系 数的5 7 0 倍； 在 1 0 0m处 B 4 煤层瓦斯压力降为0 ． 5 MP a 从以上分析可 以看出 ，在 B 6煤层工作 面后方 1 0 0m以远 即 2 ． 7倍层间距以上 ， B 4煤层瓦斯压 力急剧下降到了0 ． 5～0 ． 2MP a ；煤层透气性能大大 增加到了 2 3 ． 5 4 3 m 2 ／ MP a ． d ，即为原始透气性系数 的 5 7 0倍 ； 钻孔瓦斯流量最大达到了0 ． 4 4 2 m ／ m i m， 是卸压前钻孔瓦斯流量的 4 O多倍 。 上述综合参数表 明 B 6 煤层 回采工作面相对于 B 4煤层掘进工作面 的合理超前 已经消除， 保护效果十分显著。 4 ． 3 B 6煤层被保护工作面 5 6 0 6试掘、 试采情况 实际生产情况证 明．5 6 0 6 I 区段在保护区内掘 进 、回采时从未发生煤与瓦斯突出现象和出现突出 预兆， 防突预测预报值未出现一次超标。保护区内， 值均在 0 ． 3 8 ml ／ g- rai n 以下， 钻屑量 s均在 4 k g ／ m以下。 而在非保护区内， 掘进过程中出现了 3 次预测预报值超标情况 ， 并伴有突出预兆发生 ， 其中 值最大为 0 ． 5 6 m l ／ g m i n “ ； 钻屑量 s最大为 6 ． 6 k g ／ m。 在非保护区内 5 6 0 6 I 区段煤巷掘进尺每月仅为 3 O m ． 而在保护区内每月平均进尺达到了 9 0 m； 在非 保护区 5 6 0 6I 工作面回采月进尺为 4 51 1 1 ，而在保护 区内平均回采月进尺 为 6 0 1 1 1 ，即回采速度提高 了 3 3 3％ 责任编辑 吴 自立 欢迎订阅2 0 0 2年 安全与环境学报 安全与环境学报 是安全与环境学科的学术性飙月刊 ， 铜版纸印刷 ， 大 1 6开 6 4页 ， 国内外公开发行 ， 逢蕊月下旬出版 ， 刊号为 I S S N 1 0 0 9 6 0 9 4 、 C N 1 1 4 5 3 7 ／ X， 邮发代号 2 7 7 0， 由北京理工大学主办 ， 中国科协 书记处书记 、 博士生导师冯长根教授任 主编。 安全与环境学报 主要刊载石油、 化工、 环保、 矿业、 信息 网络、 冶金 建筑、 交通、 勘探、 国防等相关领域的安全科学理论、 安全 工程与技术 、 安全管理与监察理论 、 安全 检测与监测技术 、 职业安全与卫生 安全评估方法 事故调查与剖析 、 网络 信息安全 、 安全数 值模拟与仿真、 环境科学理论、 环境工程与技术、 环境与生态 社会与环境 、 环境保护与管理、 灾害及其防治、 环境污染及其防治、 废 物处理及其综合利用、 环境 质量评价与环境检测等科学研究新成果 、 新进展及新方 法。 安全与环境学报 2 o 0 2年征订工作已经开始， 每期定价 1 0 ． 0 0元 含邮费 ， 全年 6期共 6 0 ． 0 0 元。 地址 北京市海淀区中关村南大街 5号 北京理工大 学机电工程学 院 安全与环境学报杂志社 邮政编码 1 0 0 0 8 1 电话 0 1 0 6 8 9 1 3 9 9 7 传真 0 1 0 } 6 8 9 1 1 8 4 9 联系人 刘 守忠 开户银行 招商银行北京分行双榆村支行 帐号 1 5 8 1 0 4 7 7 1 0 o0 1 开户名 安全与环境学报杂志社 d 。纛j 鑫 蠹 0 j ≮ 维普资讯