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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
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