煤層瓦斯含量法確定保護層開采消突范圍的技術(shù)及應(yīng)用

袁 亮,薛 生

(1.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院,安徽淮南 232001;2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織,昆士蘭肯莫爾 4069)

煤層瓦斯含量法確定保護層開采消突范圍的技術(shù)及應(yīng)用

袁 亮1,薛 生2

(1.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院,安徽淮南 232001;2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織,昆士蘭肯莫爾 4069)

如何科學(xué)、快速、準(zhǔn)確地確定保護層開采消突范圍一直是礦井安全開采技術(shù)難題之一。針對目前保護層開采消突范圍各判別準(zhǔn)則理論上的非一致性和生產(chǎn)實踐中的局限性,筆者結(jié)合淮南礦區(qū)潘三煤礦保護層工作面開采的工程實踐,提出了利用煤層瓦斯含量來確定保護層消突范圍的技術(shù)方法。通過快速準(zhǔn)確現(xiàn)場測定在保護層開采前后被保護煤層的瓦斯含量,基于被保護煤層煤與瓦斯突出的臨界瓦斯含量值,科學(xué)地確定其消突范圍。該技術(shù)對保護層開采消突范圍的合理性確定,科學(xué)地設(shè)計布置瓦斯抽采鉆孔位置,最大限度地利用保護層開采進行區(qū)域性防突,保證礦井的安全高效開采具有重要意義。

煤層;瓦斯含量法;保護層開采;消突范圍;煤與瓦斯突出

煤與瓦斯突出礦井占我國礦井總數(shù)的44%,國有重點煤礦中該比例高達72%。煤與瓦斯突出已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要礦井災(zāi)害,隨著煤炭開采深度的日益增加,突出的危險性勢必增大,嚴(yán)重地制約煤炭的安全高效生產(chǎn)。在眾多的突出防治手段中,保護層開采是區(qū)域性防突最有效的技術(shù)手段[1]。我國《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中:“開采保護層后,在被保護層中受到保護的地區(qū)按無突出煤層進行采掘工作;在未受到保護的地區(qū),必須采取防治突出措施”,但關(guān)鍵問題是如何科學(xué)、合理地確定被保護層中的消突范圍。

目前關(guān)于保護層開采消突范圍的確定方法主要有兩種:一是根據(jù)礦井的開采技術(shù)條件,依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》選定相應(yīng)的卸壓角參考值,劃定保護層開采消突范圍;另一種方法是通過礦井保護層開采的現(xiàn)場考察試驗與一定的判別準(zhǔn)則來確定消突范圍[2]。人們普遍認(rèn)為煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、煤中瓦斯及煤的力學(xué)物理性質(zhì)綜合作用的結(jié)果,因此從理論上來講,保護層開采消突范圍的確定應(yīng)基于應(yīng)力參數(shù)、煤中瓦斯參數(shù)(壓力、含量、解吸速度等)及煤的力學(xué)物理參數(shù)等。在我國的保護層開采中,瓦斯壓力安全值(0.74 MPa)得到了廣泛的應(yīng)用。然而,該值不單在應(yīng)用中有一定的局限性,比如,在天府礦區(qū)三匯壩一礦發(fā)生的我國最大的煤與瓦斯突出,其瓦斯壓力只有0.53～0.70 MPa,并且在現(xiàn)場測定過程中由于測壓孔的變形與破壞和封孔的原因,測不到和測不準(zhǔn)瓦斯壓力的情況時有發(fā)生[3-10]。相比之下,近幾年來,瓦斯含量法在預(yù)測煤與瓦斯突出方面,由于理論科學(xué)性強、實用可靠、預(yù)測深度大、整體成本低、對采掘影響小等優(yōu)點,其技術(shù)與裝備發(fā)展迅速,目前無論從定點深部快速取樣技術(shù)、含量的測定技術(shù),還是含量計算準(zhǔn)確性、臨界值確定技術(shù)等方面均相對成熟[11-17]。因此,筆者結(jié)合淮南潘三礦保護層開采工程,提出了利用煤層瓦斯含量來確定保護層消突范圍技術(shù),通過快速準(zhǔn)確地現(xiàn)場測定在保護層開采前后被保護煤層的瓦斯含量,基于被保護煤層煤與瓦斯突出的臨界瓦斯含量值,確定保護層消突范圍。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 礦井試驗區(qū)基本情況

研究區(qū)域為潘三礦開采11-2煤層的17171(1)工作面與其對應(yīng)的上覆煤層13-1煤層的17101(3)工作面。該區(qū)所采11-2煤層和13-1煤層傾角為60°～130°。11-2煤層平均厚2.1 m,原始瓦斯含量4.0～7.5 m3/t。13-1煤層平均厚3.9 m,原始瓦斯含量7～10 m3/t。11-2煤層和13-1煤層之間的平均法向距離為72 m。11-2煤層與13-1煤層均為突出煤層,但13-1煤層瓦斯壓力和瓦斯含量高,突出危險性大;11-2煤層瓦斯壓力和瓦斯含量比13-1煤層低,突出危險性較小。針對這一特點,突出危險性相對較小的11-2煤層17171(1)工作面作為保護層先行開采保護位于其上覆的突出危險性大的13-1煤層17101(3)工作面。17171(1)工作面走向長760 m,傾斜寬度為220 m。17101(3)工作面走向長1 238 m,傾斜長220 m。其中17171(1)工作面對應(yīng)區(qū)域為保護段,其余為未保護段。在17101(3)工作面的未保護段,回采區(qū)域?qū)?yīng)的下部20 m處有一條底板巷道,距運輸巷平距55.6 m。

17101(3)工作面煤層的瓦斯含量測定分為兩個階段。首先,測定17101(3)工作面煤層的原始瓦斯含量,然后在17171(1)工作面回采后,測定17101 (3)工作面煤層的殘余瓦斯含量,從而判斷11-2煤層回采對13-1煤層瓦斯含量的影響效果與消突范圍。采前、采后的瓦斯含量測定分別選擇在17101 (3)工作面的未卸壓區(qū)和卸壓區(qū)進行,如圖 1所示。

圖1 瓦斯含量測定區(qū)域分布示意Fig.1 The regional distribution of gas content determination

1.2.1 煤層原始瓦斯含量測定方案

煤層原始瓦斯量測定在底板巷中進行,由底板巷向13-1煤層施工鉆孔,通過采取煤樣測定其原始瓦斯含量。原始瓦斯含量的測定分為3個區(qū)域進行,每個區(qū)域選擇3個鉆場,每個鉆場選擇1～2個鉆孔進行煤樣測試試驗。第1區(qū)域為6,7,8號鉆場;第2區(qū)域為24,26,30號鉆場;第3區(qū)域為35,44,48號鉆場,如圖2所示。

圖2 原始瓦斯含量測定鉆場分布Fig.2 The drilling field distribution of determinating the original gas content

1.2.2 卸壓區(qū)殘余瓦斯含量測定方案

殘余瓦斯含量測定也分3個區(qū)域進行,分別為回風(fēng)巷區(qū)域、進風(fēng)巷區(qū)域和開切眼區(qū)域,如圖3所示。

圖3 保護層開采后被保護煤層殘余瓦斯含量測定鉆孔分布Fig.3 The distribution of boreholes which determinates the remnant gas content of protected coal seam

(1)回風(fēng)巷區(qū)域:從17171(1)工作面尾巷向13-1煤層回風(fēng)巷區(qū)域施工3組穿層鉆孔,每組2個,這3組鉆孔分別測定17171(1)工作面回風(fēng)巷對應(yīng)位置及其內(nèi)、外兩側(cè)區(qū)域煤層的瓦斯含量。

(2)進風(fēng)巷區(qū)域:從17101(3)底板巷向13-1煤層進風(fēng)巷區(qū)域施工3組穿層鉆孔,每組2個,這3組鉆孔分別測定17171(1)工作面進風(fēng)巷對應(yīng)位置及其內(nèi)、外兩側(cè)區(qū)域煤層的瓦斯含量。

(3)開切眼區(qū)域:從17101(3)底板巷向17171 (1)工作面開切眼豎直對應(yīng)的13-1煤層區(qū)域施工5組穿層鉆孔,共13個鉆孔,分別測定17171(1)工作面開切眼對應(yīng)位置及其內(nèi)、外兩側(cè)區(qū)域煤層的瓦斯含量。

1.運用問題情境教學(xué)，落實了學(xué)生的主體地位。問題情境教學(xué)為學(xué)生搭建了一個自主學(xué)習(xí)的平臺，讓學(xué)生在各種教學(xué)情境中去探究并獲取知識，獲得情感體驗和能力提升，規(guī)避了傳統(tǒng)教學(xué)模式上的教師唱主角傳授知識的課堂教學(xué)模式。

1.3 含量測定

為了進行煤層瓦斯含量測定,在潘三礦建立了直接法測定煤層瓦斯含量實驗室。該實驗室吸收了先進的瓦斯含量直接測定技術(shù)并結(jié)合了淮南礦區(qū)的煤層實際情況與瓦斯解吸特征。需要特別指出的是該實驗室裝備了適合中軟煤層深部定點快速取樣設(shè)備與新一代瓦斯解吸測定裝置,并更新了瓦斯含量計算軟件[18-20]。

2 試驗結(jié)果及分析

在試驗方案實施過程中,由于現(xiàn)場施工的原因,在不影響試驗?zāi)康牡那疤嵯?取樣位置、數(shù)量與設(shè)計方案略微做了調(diào)整。原始瓦斯含量測定共進行了9個鉆場、13個鉆孔的取樣測定工作,殘余瓦斯含量測定分別在回風(fēng)巷、進風(fēng)巷、開切眼3個區(qū)域,共進行了33個鉆孔煤樣的瓦斯含量測定工作,其中,在回風(fēng)巷區(qū)域進行了6個鉆孔的試驗測定,在進風(fēng)巷區(qū)域進行了5個鉆孔的測定工作,在開切眼區(qū)域進行了12個鉆孔的試驗測定。

2.1 原始瓦斯含量測定結(jié)果及分析

在未受采動影響的原始煤體區(qū)域,采用直接含量法測得的各取樣點煤樣的瓦斯含量值見表1。由表1可以看出,17101(3)工作面區(qū)域13-1煤層原始瓦斯含量為7.07～10.02 m3/t,平均為8.44 m3/t。這與通過測定煤層瓦斯壓力而計算得到的瓦斯含量值相吻合。

表1 未卸壓區(qū)13-1煤層原始瓦斯含量測定結(jié)果Table 1 The determination results of the original gas content at the 13-1 coal seam which was not pressure relief

2.2 殘余瓦斯含量測定結(jié)果及分析

2.2.1 回風(fēng)巷區(qū)域卸壓后

回風(fēng)巷區(qū)域卸壓瓦斯含量共測定3個鉆場6個鉆孔的煤樣。各鉆孔見煤點的位置分布如圖4所示。各鉆孔煤樣測定的瓦斯含量值隨測點到軌道運輸巷距離的變化如圖5所示。

從圖5可以看出:隨測點位置從工作面對應(yīng)范圍內(nèi)部向回風(fēng)巷外部移動,采動影響下的殘余瓦斯含量成升高的趨勢;位于工作面對應(yīng)范圍內(nèi)部的測點,瓦斯含量影響充分,瓦斯含量降低47%以上;位于工作面對應(yīng)范圍以外,瓦斯含量影響逐漸減小,影響邊界約為25 m。在開采層回風(fēng)巷對應(yīng)邊界以外區(qū)域的煤層單純靠保護層開采尚不能消除突出危險,需結(jié)合卸壓瓦斯抽采措施。

圖4 回風(fēng)巷區(qū)域殘余瓦斯含量測定鉆孔見煤點分布Fig.4 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of return airway

圖5 回風(fēng)巷區(qū)域殘余瓦斯含量與距回風(fēng)巷距離的關(guān)系Fig.5 The relationship between the remnant gas content in the area of return airway and the distant from the return airway

2.2.2 進風(fēng)巷區(qū)域卸壓后

進風(fēng)巷區(qū)域卸壓瓦斯含量共測定3個鉆場的5個鉆孔的煤樣。各鉆孔見煤點的位置分布如圖6所示。各鉆孔煤樣測定的瓦斯含量隨測點到運輸巷的距離的變化如圖7所示。

在進風(fēng)巷區(qū)域,由于受施工條件的限制,瓦斯含量測定見煤點均落在進風(fēng)巷以內(nèi)的采空區(qū)對應(yīng)范圍。在該范圍內(nèi)煤層的殘余瓦斯含量降低了58%以上,得到充分卸壓。由于工作面對應(yīng)范圍以外區(qū)域沒有測點,無法確定回采的影響邊界。

圖6 進風(fēng)巷區(qū)域殘余瓦斯含量測定鉆孔見煤點分布Fig.6 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of intake airway

圖7 進風(fēng)巷區(qū)域鉆孔殘余瓦斯含量與距進風(fēng)巷距離的關(guān)系Fig.7 The relationship between the remnant gas content in the area of intake airway and the distant from the intake airway

2.2.3 開切眼區(qū)域卸壓后

切眼區(qū)域卸壓瓦斯含量共測定8個鉆場的12個鉆孔的煤樣。各鉆孔見煤點的位置分布如圖8所示。各鉆孔煤樣測定的瓦斯含量值隨測點到運輸巷距離的變化如圖9所示。

對各測點測定結(jié)果進行擬合,并對擬合曲線進行分析,可以得到距開切眼不同距離煤層瓦斯含量的降低率。從圖9可以看出:隨測點位置從工作面對應(yīng)范圍內(nèi)部向開切眼以外移動,采動影響下的殘余瓦斯含量呈升高的趨勢;位于工作面對應(yīng)范圍內(nèi)部的測點,瓦斯含量影響充分,瓦斯含量減低50%以上;回采工作面開切眼對應(yīng)范圍以外,瓦斯含量影響逐漸減小,影響邊界約為60 m。在開采層回風(fēng)巷對應(yīng)邊界以外區(qū)域的煤層單純靠保護層開采尚不能消除突出危險,需結(jié)合卸壓瓦斯抽采措施。

圖8 開切眼區(qū)域殘余瓦斯含量測定鉆孔見煤點分布Fig.8 The distribution of the point of meeting coal in the boreholes which determinates the remnant gas content in the area of open-off cut

圖9 開切眼區(qū)域鉆孔殘余瓦斯含量與距開切眼距離的關(guān)系Fig.9 The relation of the remnant gas content in the area of open-off cut and the distant from the open-off cut

3 結(jié) 論

(1)提出并介紹了用瓦斯含量法確定保護層開采消突范圍的技術(shù)方法,即通過現(xiàn)場測定保護開采前、后被保護煤層的瓦斯含量,結(jié)合被保護煤層的突出臨界瓦斯含量值判別其消突范圍。

(2)由現(xiàn)場試驗得知,保護層開采后,被保護煤層的消突范圍與傳統(tǒng)認(rèn)識的范圍有較大的區(qū)別。在潘三礦,11-2煤層保護工作面回采后,對上部距離72 m的13-1被保護煤層的消突作用顯著,回采范圍對應(yīng)的區(qū)域煤層瓦斯含量降低達50%,影響邊界在回采范圍對應(yīng)位置以外達60 m。

(3)依據(jù)筆者提出的瓦斯含量法確定保護層開采消突范圍的技術(shù)方法,可結(jié)合現(xiàn)場條件科學(xué)地設(shè)計布置瓦斯抽采鉆孔位置,擴大被保護層消突范圍,最大限度的利用保護層開采進行區(qū)域性防突。

需要指出的是,由于瓦斯從煤層擴散解吸是一個動態(tài)過程并受諸多因素影響,保護層開采消突范圍是一個時間的函數(shù),在瓦斯含量法確定保護層開采消突范圍技術(shù)方法的實際應(yīng)用中一定要充分考慮并利用這個動態(tài)特征。

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Defining outburst-free zones in protective mining with seam gas content-method and application

YUAN Liang1,XUE Sheng2

(1.National Engineering&Technology Research Institute of Coal Mining,Huainan 232001,China;2.Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,Kenmore 4069,Australia)

It is one of the technical problems how to scientifically,rapidly and accurately determine the scope of outburst elimination after the protective layer extraction in multiple-seam mining.A seam with less outburst proneness is often extracted prior to its overlying or underlying seams with high outburst proneness to mitigate the risk by de-stressing and de-gassing of the seams.A number of indices are used to define outburst-free zones or protected zones in the seams.However,these indices are not quite consistent in theory and their practicality is sometimes limited.To address these issues,a trial was conducted to measure and use seam gas content in a de-stressed and de-gassed seam for defining outburst-free zones in the seam at Pansan Mine,Huainan,China.This paper describes the field trial and presents its results.

coal seam;gas content;protective mining;outburst-free zone;outburst of coal and gas

P618.11;TD712.6

A

0253-9993(2014)09-1786-06

2014-05-20 責(zé)任編輯:韓晉平

袁 亮(1960—),男,安徽金寨人,中國工程院院士。E-mail:yuanl_1960@sina.com

袁 亮,薛 生.煤層瓦斯含量法確定保護層開采消突范圍的技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2014,39(9):1786-1791.

10.13225/ j.cnki.jccs.2014.8019

Yuan Liang,Xue Sheng.Defining outburst-free zones in protective mining with seam gas content-method and application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1786-1791.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8019