預(yù)抽被保護(hù)層工作面瓦斯實(shí)現(xiàn)安全高效開采

預(yù)抽被保護(hù)層工作面瓦斯實(shí)現(xiàn)安全高效開采【摘要】保護(hù)層開采充分利用煤層間的層位關(guān)系，使被保護(hù)煤層充分卸壓，煤層裂隙發(fā)育，透氣系數(shù)增大，結(jié)合抽采瓦斯的措施，可有效改善被保護(hù)煤層的瓦斯地質(zhì)賦存。本文通過丁集煤礦的保護(hù)層開采效果考察，從被保護(hù)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(hù)煤層的頂?shù)装逑鄬?duì)變形量、透氣系數(shù)變化得出了瓦斯抽采效果改善的原因；從被保護(hù)煤層堅(jiān)固系數(shù)變化、瓦斯放散初速度變化分析了保護(hù)層開采的防突效應(yīng)；最后，以現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)際充分證明保護(hù)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(chǎn)?！娟P(guān)鍵詞】煤與瓦斯突出；保護(hù)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(zhì)好，客觀上為保護(hù)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(duì)被保護(hù)層的瓦斯進(jìn)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(yán)重超限的困境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)。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(yàn)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，F(xiàn)83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(chǔ)量1130209t，可采儲(chǔ)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(xiǎn)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(hù)層解放1311(3)工作面，消除煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。2被保護(hù)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(hù)層的保護(hù)效果檢驗(yàn)主要采取殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、頂?shù)装逦灰屏考捌渌?jīng)試驗(yàn)證實(shí)有效的指標(biāo)和方法，也可以結(jié)合煤層的透氣性系數(shù)變化率等輔助指標(biāo)。2.1考察鉆孔設(shè)計(jì)為滿足考察要求共設(shè)計(jì)5個(gè)考察孔，其中3個(gè)測(cè)壓孔，2個(gè)變形孔，具體見表1，其中1、4、5#鉆孔為測(cè)壓孔，2、3#鉆孔為變形孔。表1鉆孔布置參數(shù)2.2被保護(hù)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(jì)直接進(jìn)行測(cè)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(cè)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(kuò)大了數(shù)倍，由此可見13-1煤層在下保護(hù)層開采的情況下，產(chǎn)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(hù)層煤層中卸壓瓦斯的順利抽采。圖1被保護(hù)層鉆孔瓦斯流量變化2.2.2殘余瓦斯參數(shù)變化考察保護(hù)層開采后被保護(hù)層的消突程度是檢驗(yàn)保護(hù)層開采效果的核心，被保護(hù)層的殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力不僅可以反應(yīng)釋放效果，還可以直接判斷被保護(hù)層是否具有煤與瓦斯突出性。采用直接測(cè)壓法對(duì)其殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)測(cè)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(hù)層開采后被保護(hù)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(hù)層煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。2.3被保護(hù)煤層提高瓦斯抽采效果的原因分析2.3.1煤層相對(duì)變形量采用滲透率計(jì)算法計(jì)算13-1煤層受11-2煤層采動(dòng)影響的相對(duì)變形量。根據(jù)柯茲尼公式：（1）式中：k—滲透率，m2；Dp—調(diào)和直徑，m；n—孔隙率。用測(cè)定鉆孔的瓦斯壓力和流量，計(jì)算出煤層滲透率，便可計(jì)算出孔隙率。由于受采動(dòng)影響被保護(hù)13-1煤層的變形主要是垂直方向，水平變形可忽略不計(jì)，即孔隙率僅在垂直方向膨脹，等于相對(duì)變形量。即：（2）卸壓煤層變形與煤厚比值隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。可以得出隨著卸壓時(shí)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(hù)層相對(duì)變形量2.3.2煤層透氣系數(shù)變化煤層透氣系數(shù)是煤層瓦斯流動(dòng)難易程度的標(biāo)志，也是煤層卸壓程度的重要標(biāo)志之一。煤層透氣系數(shù)越大，瓦斯在煤層中流動(dòng)越容易。13-1煤原始的透氣系數(shù)為0.015m2/MPa2?d，卸壓后透氣性系數(shù)隨時(shí)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(cè)定的透氣系數(shù)為24.77m2/MPa2-d，3#鉆孔測(cè)定的透氣系數(shù)為47.59m2/MPa2?d，比原始透氣性系數(shù)分別增加了1651倍和3172.7倍，平均為2411.8倍。圖3被保護(hù)層透氣系數(shù)變化保護(hù)層開采可使被保護(hù)煤層的透氣系數(shù)顯著增大，說明通過被保護(hù)層的卸壓，煤層發(fā)生膨脹變形，頂?shù)装遄冃瘟吭龃螅簩又邪l(fā)育大量次生裂隙，透氣系數(shù)增大，為被保護(hù)層瓦斯預(yù)抽提供良好的條件。3被保護(hù)煤層防突效果考察3.1瓦斯抽采率分析下保護(hù)層工作面回采期間，布置3口地面鉆井對(duì)被保護(hù)層卸壓瓦斯進(jìn)行預(yù)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(jīng)考察地面1#、2#、3#鉆井抽采被保護(hù)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(jì)395萬m?，煤層原始瓦斯含量為5.75m3/t，折算工作面煤層儲(chǔ)量1130209t，平均抽采率為61%。3.2防突指標(biāo)分析在現(xiàn)代的煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象分析中，煤的堅(jiān)固性系數(shù)是煤與瓦斯突出現(xiàn)象所涉及到的重要參數(shù)之一。通常情況下，在相同的瓦斯壓力和地應(yīng)力條件下，煤的堅(jiān)固性系數(shù)越大，越不容易發(fā)生突出。因此，在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析、預(yù)測(cè)中，煤的堅(jiān)固系數(shù)是一個(gè)重要的測(cè)試指標(biāo)。同時(shí)，煤的瓦斯放散初速度^p也是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)之一，該指標(biāo)反應(yīng)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(jié)構(gòu)和孔隙表面性質(zhì)等有關(guān)。在煤與瓦斯突出的發(fā)展過程中，瓦斯的運(yùn)動(dòng)和破壞力，在很大程度上取決于含瓦斯煤體在破壞時(shí)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(hù)層11-2煤層開采后，被保護(hù)層范圍內(nèi)的13-1煤層瓦斯壓力下降到0.5MPa以下，小于0.74MPa；煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.5?0.8,>0.5；瓦斯放散指數(shù)5.3?8.5mmHg，<10mmHg；綜合指標(biāo)7.7?13.7，均不超標(biāo)。下保護(hù)層11-2煤層開采后的采動(dòng)和卸壓區(qū)保護(hù)范圍內(nèi)的13-1煤層瓦斯抽采率56.47%，地面鉆井抽采卸壓區(qū)內(nèi)13-1煤層的平均瓦斯抽采率70%。根據(jù)《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(jié)果為：-750m以上的1311（3）工作面開采范圍內(nèi)13-1煤層已經(jīng)消除突出危險(xiǎn)。4被保護(hù)煤層工作面開采效果經(jīng)驗(yàn)分析丁集煤礦通過實(shí)施開采保護(hù)層的區(qū)域性防突措施，取的了良好的安全經(jīng)濟(jì)效益。（1） 大幅提升了掘進(jìn)工作面的單進(jìn)水平，1311（3）工作面軌、運(yùn)順掘進(jìn)時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量最大為為0.8m?/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍?.2%以下，給煤巷掘進(jìn)創(chuàng)造了良好的安全條件，最高單進(jìn)達(dá)432m/月。（2） 1311（3）被保護(hù)層工作面回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.5%以下，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.3%以下，工作面每天平均推進(jìn)度6-9m，最高日產(chǎn)達(dá)1.5萬t，回采率達(dá)95%，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯突出煤層在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下安全高效開采。（3） 1311（3）工作面煤巷掘進(jìn)及回采期間，防突預(yù)測(cè)指標(biāo)均未超標(biāo)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)比，被保護(hù)層掘進(jìn)及回采期間預(yù)測(cè)指標(biāo)顯著偏小。（4） 1311（3）工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為12m3/min，風(fēng)排瓦斯量約6m3/min，高抽巷抽采約6m3/min。如該面配風(fēng)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(duì)保護(hù)層工作面開采高抽巷抽采情況進(jìn)一步考察，如地面鉆井對(duì)被保護(hù)層預(yù)抽效果好，將取消高抽巷抽采，則從經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)效益上取的很大的突破。5結(jié)論開采保護(hù)層是最有效、最經(jīng)濟(jì)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(hù)層開采的生產(chǎn)實(shí)踐，積累了一定的瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，但在地面鉆井布置關(guān)系、抽采影響半徑及保護(hù)層開采綜合