預抽被保護層工作面瓦斯實現安全高效開采

預抽被保護層工作面瓦斯實現安全高效開采【摘要】保護層開采充分利用煤層間的層位關系，使被保護煤層充分卸壓，煤層裂隙發(fā)育，透氣系數增大，結合抽采瓦斯的措施，可有效改善被保護煤層的瓦斯地質賦存。本文通過丁集煤礦的保護層開采效果考察，從被保護層工作面鉆孔瓦斯流量變化、瓦斯壓力變化、瓦斯含量變化分析了瓦斯抽采的效果；從被保護煤層的頂底板相對變形量、透氣系數變化得出了瓦斯抽采效果改善的原因；從被保護煤層堅固系數變化、瓦斯放散初速度變化分析了保護層開采的防突效應；最后，以現場的生產實際充分證明保護層開采提高了工作面回采速率，保障了礦井的安全高效生產?！娟P鍵詞】煤與瓦斯突出；保護層開采；卸壓增透；安全高效開采淮南礦區(qū)丁集煤礦是典型的高瓦斯、低透氣性、煤層松軟礦井，其主采的13-1煤是突出煤層，下方平均垂距75m的11-2煤層賦存穩(wěn)定、煤質好，客觀上為保護層開采提供了條件。所以，優(yōu)先開采11-2煤使得13-1煤層卸壓，并對被保護層的瓦斯進行大規(guī)模的抽采，使得在采、掘過程中解放13-1煤層的突出和瓦斯嚴重超限的困境，進而實現礦井的安全高效生產。1概況丁集煤礦13-1煤層厚度為0.50?10.68m，平均3.70m，全區(qū)可采，煤層賦存穩(wěn)定。試驗區(qū)13-1煤的1311(3)工作面位于東部13-1煤層采區(qū)大巷以東，F83斷層以西，DF162-1斷層以南，工作面下方的11-2煤的1311(1)工作面、1321(1)工作面已回采完畢。工作面走向長1014m，傾斜長263.5m，面積267189皿；煤層厚度2.5?4.05m，平均3m；煤層傾角0?12°，平均4°，工業(yè)儲量1130209t，可采儲量1073699t。煤層瓦斯含量為5.75m?/t，原始瓦斯壓力為1.15MPa，具有煤與瓦斯突出的危險性。丁集礦首先開采了距1311(3)工作面垂距75m的1311、1321(1)工作面作為下保護層解放1311(3)工作面，消除煤與瓦斯突出的危險性。2被保護煤層瓦斯抽采情況考察《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第51條規(guī)定：開采保護層的保護效果檢驗主要采取殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、頂底板位移量及其他經試驗證實有效的指標和方法，也可以結合煤層的透氣性系數變化率等輔助指標。2.1考察鉆孔設計為滿足考察要求共設計5個考察孔，其中3個測壓孔，2個變形孔，具體見表1，其中1、4、5#鉆孔為測壓孔，2、3#鉆孔為變形孔。表1鉆孔布置參數2.2被保護煤層抽采瓦斯分析2.2.1鉆孔瓦斯流量變化在1311（3）底抽巷打上向穿層鉆孔，采用孔板流量計直接進行測定鉆孔瓦斯流量，通過記錄的流量值分析被卸壓煤層瓦斯解吸情況，13-1煤層卸壓前基本測不出鉆孔流量，卸壓后的鉆孔流量變化見圖1所示。由圖1可知，煤層卸壓后，鉆孔瓦斯流量增幅明顯，均擴大了數倍，由此可見13-1煤層在下保護層開采的情況下，產生了新的裂隙，大量瓦斯解吸，并順利通過鉆孔抽采，鉆孔瓦斯流量的增大，保證了被保護層煤層中卸壓瓦斯的順利抽采。圖1被保護層鉆孔瓦斯流量變化2.2.2殘余瓦斯參數變化考察保護層開采后被保護層的消突程度是檢驗保護層開采效果的核心，被保護層的殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力不僅可以反應釋放效果，還可以直接判斷被保護層是否具有煤與瓦斯突出性。采用直接測壓法對其殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力進行了測試，經測量得出煤層原始瓦斯壓力由1.15MPa降到0.45MPa（小于0.74MPa）；煤層原始瓦斯含量由5.75m3/t降到2.15m3/t（小于8m3/t）。保護層開采后被保護層瓦斯壓力下降了60.9%，瓦斯含量下降了62%，有效地消除了被保護層煤與瓦斯突出的危險性。2.3被保護煤層提高瓦斯抽采效果的原因分析2.3.1煤層相對變形量采用滲透率計算法計算13-1煤層受11-2煤層采動影響的相對變形量。根據柯茲尼公式：（1）式中：k—滲透率，m2；Dp—調和直徑，m；n—孔隙率。用測定鉆孔的瓦斯壓力和流量，計算出煤層滲透率，便可計算出孔隙率。由于受采動影響被保護13-1煤層的變形主要是垂直方向，水平變形可忽略不計，即孔隙率僅在垂直方向膨脹，等于相對變形量。即：（2）卸壓煤層變形與煤厚比值隨時間變化曲線如圖2所示?？梢缘贸鲭S著卸壓時間的增加，兩者之間的比值2#鉆孔為5.61%。、3#鉆孔為4.515%。，平均5.06%。。圖2被保護層相對變形量2.3.2煤層透氣系數變化煤層透氣系數是煤層瓦斯流動難易程度的標志，也是煤層卸壓程度的重要標志之一。煤層透氣系數越大，瓦斯在煤層中流動越容易。13-1煤原始的透氣系數為0.015m2/MPa2?d，卸壓后透氣性系數隨時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知，卸壓后13-1煤層1#鉆孔測定的透氣系數為24.77m2/MPa2-d，3#鉆孔測定的透氣系數為47.59m2/MPa2?d，比原始透氣性系數分別增加了1651倍和3172.7倍，平均為2411.8倍。圖3被保護層透氣系數變化保護層開采可使被保護煤層的透氣系數顯著增大，說明通過被保護層的卸壓，煤層發(fā)生膨脹變形，頂底板變形量增大，煤層中發(fā)育大量次生裂隙，透氣系數增大，為被保護層瓦斯預抽提供良好的條件。3被保護煤層防突效果考察3.1瓦斯抽采率分析下保護層工作面回采期間，布置3口地面鉆井對被保護層卸壓瓦斯進行預抽，地面1#、2#、3#井布置見附圖。地面1#鉆井距切眼60m，2#鉆井和1#鉆井相距330m，3#鉆井和2#鉆井相距350m，經考察地面1#、2#、3#鉆井抽采被保護層1311（3）工作面13-1煤層瓦斯純量分別為108萬、166萬、121萬m?，總計395萬m?，煤層原始瓦斯含量為5.75m3/t，折算工作面煤層儲量1130209t，平均抽采率為61%。3.2防突指標分析在現代的煤與瓦斯突出動力現象分析中，煤的堅固性系數是煤與瓦斯突出現象所涉及到的重要參數之一。通常情況下，在相同的瓦斯壓力和地應力條件下，煤的堅固性系數越大，越不容易發(fā)生突出。因此，在煤與瓦斯突出危險性分析、預測中，煤的堅固系數是一個重要的測試指標。同時，煤的瓦斯放散初速度^p也是預測煤與瓦斯突出危險性的指標之一，該指標反應了含瓦斯煤體放散瓦斯快慢的程度?！?的大小與煤的瓦斯含量大小、孔隙結構和孔隙表面性質等有關。在煤與瓦斯突出的發(fā)展過程中，瓦斯的運動和破壞力，在很大程度上取決于含瓦斯煤體在破壞時瓦解的解吸與放散能力。丁集煤礦1311（3）工作面13-1煤層原始瓦斯壓力為1.15MPa，下保護層11-2煤層開采后，被保護層范圍內的13-1煤層瓦斯壓力下降到0.5MPa以下，小于0.74MPa；煤層堅固性系數0.5?0.8,>0.5；瓦斯放散指數5.3?8.5mmHg，<10mmHg；綜合指標7.7?13.7，均不超標。下保護層11-2煤層開采后的采動和卸壓區(qū)保護范圍內的13-1煤層瓦斯抽采率56.47%，地面鉆井抽采卸壓區(qū)內13-1煤層的平均瓦斯抽采率70%。根據《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》（AQ1024——2006）第5.2.3條規(guī)定和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，鑒定結果為：-750m以上的1311（3）工作面開采范圍內13-1煤層已經消除突出危險。4被保護煤層工作面開采效果經驗分析丁集煤礦通過實施開采保護層的區(qū)域性防突措施，取的了良好的安全經濟效益。（1） 大幅提升了掘進工作面的單進水平，1311（3）工作面軌、運順掘進時，絕對瓦斯涌出量最大為為0.8m?/min，回風瓦斯?jié)舛仍?.2%以下，給煤巷掘進創(chuàng)造了良好的安全條件，最高單進達432m/月。（2） 1311（3）被保護層工作面回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.5%以下，工作面回風流瓦斯?jié)舛仍?.3%以下，工作面每天平均推進度6-9m，最高日產達1.5萬t，回采率達95%，實現了高瓦斯突出煤層在低瓦斯狀態(tài)下安全高效開采。（3） 1311（3）工作面煤巷掘進及回采期間，防突預測指標均未超標，經統計，最大鉆屑量為4.2kg/m，瓦斯涌出初速度q最大為1.2l/min，與11-2煤防突預測指標對比，被保護層掘進及回采期間預測指標顯著偏小。（4） 1311（3）工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為12m3/min，風排瓦斯量約6m3/min，高抽巷抽采約6m3/min。如該面配風2500m3/min，回采回采期間瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，高抽巷發(fā)揮作用較小，后期將對保護層工作面開采高抽巷抽采情況進一步考察，如地面鉆井對被保護層預抽效果好，將取消高抽巷抽采，則從經濟效益、技術效益上取的很大的突破。5結論開采保護層是最有效、最經濟的防止煤與瓦斯突出的區(qū)域性措施，通過丁集煤礦下保護層開采的生產實踐，積累了一定的瓦斯治理經驗，但在地面鉆井布置關系、抽采影響半徑及保護層開采綜合