新集一礦遠距離下保護層開采試驗研究

新集一礦遠距離下保護層開采試驗研究

曹建軍1，2

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

[摘要]借鑒相鄰淮南礦業(yè)集團采用首采11-2煤層作為13-1煤層遠距離下保護層開采的實踐經(jīng)驗，以新集一礦11-2煤層281110工作面開采為例，對遠距離下保護開采進行了試驗研究，考察了下保護層開采有效保護范圍，統(tǒng)計了保護層開采過程卸壓瓦斯抽采效果，測試了被保護區(qū)殘余瓦斯參數(shù)，對被保護層區(qū)域防突措施效果進行了檢驗。研究結(jié)果表明：新集一礦11-2煤層作為下保護層開采，最大保護垂距為126m，不破壞上部被保護層的最小層間距離為35m，作為上覆13-1煤層的下保護層開采其走向、傾向上方、傾向下方的卸壓保護角分別為57.3°，89.2°，74.8°，配合有效卸壓瓦斯強化抽采措施被保護層13-1煤層區(qū)域防突措施效果有效。

[關(guān)鍵詞]遠距離；下保護層開采；卸壓角；卸壓抽采

[中圖分類號]TD713.3[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-05-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.008

[基金項目]中煤科工集團重慶研究院有限公司青年創(chuàng)新

[作者簡介]曹建軍(1982-)，男，江蘇南通人，工學碩士，助理研究員，主要從事礦井瓦斯災害治理及煤巖瓦斯動力災害防治等研究。

Test of Far-distance Lower Protective Coal-seam Mining in Xinji 1stMine

CAO Jian-jun1,2

(1.State Key Laboratory of Methane Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China；

2.Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology Engineering Group, Chongqing 400037, China)

Abstract：Referring the experience of mining 11-2 coal-seam for protecting far-distance 13-1 coal-seam, test of mining 281110 face in 11-2 coal-seam of Xinji 1st Mine was made.Effective protective range and drainage effect of methane in protective coal-seam mining was researched.Residual methane parameters of protected coal-seam was measured, and the effect of outburst prevention measure in protected coal-seam was tested.Results showed that as lower protective seam, 11-2 coal-seam's maximum protective vertical interval was 126m, minimum spacing without destroying protected seam was 35m.The pressure-relief angle of strike, upward trend and downward trend was respectively 57.3°, 89.2° and 74.8°.Cooperated with draining methane in pressure-relief zone, the outburst prevention measure in 13-1 coal-seam was effective.

Keywords：far distance；lower protective seam mining；pressure-relief angle；drainage after pressure-relief

[引用格式]曹建軍.新集一礦遠距離下保護層開采試驗研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：26-29.

隨著采礦技術(shù)不斷提高和保護層工程實踐不斷地進行，保護層開采結(jié)合被保護層卸壓瓦斯抽采已成為我國煤礦優(yōu)先推廣的有效防治煤與瓦斯突出的首選區(qū)域性防突措施，其關(guān)鍵問題是對被保護范圍的卸壓瓦斯進行有效地抽采[1-3]。同時，我國煤層賦存條件決定了我國煤礦瓦斯抽采重點應以井下保護層卸壓抽采為主[4-6]。因此，確定有效的卸壓保護范圍、研究合理的井下卸壓瓦斯抽采方式對保護層開采效果尤為重要。

淮南礦區(qū)為煤層群賦存，淮南礦業(yè)集團當前普遍采用開采下伏突出危險性較低的11-2煤層保護上覆平均間距為66.7m的嚴重突出13-1煤層，理論研究和開采實踐表明：下保護層11-2煤層的最大有效保護距離為117m，11-2煤層的開采對13-1煤層的保護是有效的，走向、傾向上方、傾向下方的有效卸壓保護角分別為64°，83°，77°。同屬淮南礦區(qū)的國投新集公司，煤層賦存與淮南礦業(yè)集團基本類似，為了安全高效回采具有嚴重突出危險性的13-1煤層，礦區(qū)擬參照采用下伏平均間距為74.4m的11-2煤層作為下保護層開采。

以新集一礦281110工作面開采為例，在理論分析遠距離下保護層開采可行的基礎上，研究其瓦斯綜合治理技術(shù)，并對保護層開采卸壓效果及結(jié)合卸壓瓦斯抽采區(qū)域措施效果進行試驗考察，為國投新集公司及其他類似條件礦井遠距離下保護層開采提供參考。

1保護層開采瓦斯治理技術(shù)研究

1.1　首采保護層合理化選擇

新集一礦281110位于二水平八采區(qū)東翼，281110高位瓦斯抽排巷和281110頂板瓦斯抽排巷均位于工作面正上方，并平行于工作面走向。281110工作面標高-519.3～-598.5m，傾斜長平均196.8m，工作面如圖1所示。

圖1　保護層開采采掘工程平面布置

281110工作面11-2煤層結(jié)構(gòu)較復雜，絕大部分含有1～2層夾矸，純煤厚2.37～3.96m，平均3.15m，工作面采高3.65m；煤巖層傾角10～23°，平均16°；實測最大原始瓦斯壓力0.4MPa，預計瓦斯含量3.9m3/t。

該區(qū)域上覆13-1煤層厚度4.31～10.11m，平均7.21m，煤層傾角平均20°；281110工作面11-2煤層與上覆13-1煤層平均間距為74.43m；13-1煤層原始瓦斯壓力為1.7MPa，原始瓦斯含量為10.01m3/t。

由11-2和13-1煤層瓦斯賦存情況，依據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范或標準[8-9]，應當選擇無突出危險性的11-2煤層作為首采保護層開采。同時，經(jīng)理論分析[10]，下保護層11-2煤層的最大有效保護距離為126m，最小層間距為35m，11-2煤層作為13-1煤層的下保護層開采，上覆13-1煤層不會產(chǎn)生破壞且可以得到卸壓保護。

1.2　被保護層卸壓瓦斯抽采設計

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，經(jīng)計算[10]， 13-1煤層理論卸壓保護范圍相對11-2保護層工作面風巷內(nèi)錯24m、機巷外錯2m、切眼和停采線內(nèi)錯44m。

在281110保護層開采過程中，為了有效抽采13-1煤層卸壓瓦斯，在保護層工作面回采前，利用281110頂板瓦斯抽排巷向上覆13-1煤層理論保護范圍施工穿層鉆孔，孔底間距35m×15m，共施工22組、256個、孔徑93mm卸壓瓦斯抽采鉆孔，敷設φ325×6螺旋卷焊管、配備2BE1-303型和2BE1-353型井下臨時瓦斯抽放泵對所有鉆孔全負壓抽采。

2下保護層開采卸壓保護范圍考察

281110工作面首次采用遠距離下保護層開采技術(shù)，為了全面掌握該開采條件下被保護層的卸壓效果，對保護層開采過程被保護層煤層卸壓膨脹變形進行考察，煤層卸壓膨脹變形通過安設BC-Ⅰ深部基點位移計進行考察，安裝示意如圖2所示。

圖2　BC-Ⅰ深部基點位移計安裝示意

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，當被保護突出煤層膨脹變形大于3‰時突出煤層能夠得到有效卸壓保護，下保護層開采卸壓角以煤層膨脹變形率大于3‰劃定。

2.1　傾向卸壓角考察

在281110工作面頂板巷下考察巷和上考察巷進行傾向下方、上方卸壓角考察，分別各布置1組、各4個考察鉆孔(A1～A4，A5～A8)，孔底間距6m，分別控制理論卸壓線內(nèi)外，傾向卸壓角考察鉆孔實際施工位置，如圖3所示。

圖3　傾向卸壓角考察鉆孔施工示意

281110保護層工作面回采對13-1煤層傾斜方向卸壓角的確定，以煤層頂?shù)装逑鄬ξ灰瓶疾旖Y(jié)論為主要依據(jù)，其頂?shù)装逑鄬ξ灰齐S工作面推進關(guān)系如圖4、圖5所示，傾向方向煤層膨脹變形統(tǒng)計如表1所示。

圖4　傾向下方考察孔煤層膨脹變形情況

利用插值法計算[10]，保護層工作面281110回采對13-1煤層傾向下方、上方卸壓角分別為74.8°，89.2°。

2.2　走向卸壓角考察

圖5　傾向上方考察孔煤層膨脹變形情況

表1　煤層傾向相對變形

在281110工作面頂板巷下考察巷和頂板巷進行走向停采線位置和切眼位置卸壓角考察，分別各布置1組、各4個考察鉆孔(B1～B4，B5~B8)，孔底間距6m，分別控制理論卸壓線內(nèi)外，走向卸壓角考察鉆孔實際施工位置，如圖6所示。

圖6　走向卸壓角考察鉆孔施工示意

281110保護層工作面回采對13-1煤層走向方向卸壓角的確定，以煤層頂?shù)装逑鄬ξ灰瓶疾旖Y(jié)論為主要依據(jù)，其頂?shù)装逑鄬ξ灰齐S工作面推進關(guān)系如圖7、圖8所示，走向方向煤層膨脹變形統(tǒng)計如表2所示。

圖7　走向停采線考察孔煤層膨脹變形情況

利用插值法計算[10]，保護層工作面281110回采對13-1煤層走向方向終采線處卸壓角57.3°、切眼處卸壓角59.1°，綜合分析確定走向卸壓角為57.3°。

圖8　走向切眼考察孔煤層膨脹變形情況

表2　煤層走向相對變形

2.3　被保護層卸壓效果分析

結(jié)合保護層開采卸壓保護角考察，281110保護層工作面開采后，上覆13-1煤層考察得出的卸壓角劃定的被保護范圍內(nèi)(走向卸壓角為57.3°，傾向上方、下方卸壓角分別為89.2°，74.8°)，煤層膨脹變形>3‰，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，281110工作面開采對上覆卸壓角劃定區(qū)域13-1煤層的保護效果有效。

3被保護層卸壓抽采效果分析

3.1　卸壓瓦斯抽采效果分析

281110工作面2011年10月開始回采、于2012年6月回采完畢，在保護層工作面回采前后，通過工作面頂板巷穿層鉆孔對上覆13-1煤層瓦斯進行預抽和卸壓抽出，卸壓瓦斯抽出統(tǒng)計見圖9。

圖9　281110工作面頂板巷穿層鉆孔抽出瓦斯量

被保護區(qū)域13-1煤層平均厚度7.5m，原始瓦斯含量10.01m3/t，瓦斯儲量約為1.585×107m3。自2011年9月在281110工作面頂板巷開始對13-1煤層抽采鉆孔進行瓦斯預抽，從2011年11月到2012年6月281110工作面回采期至2013年11月保護層工作面停采后累計抽采13-1煤層瓦斯1.308×107m3，抽采率達82%，抽采效果顯著。

3.2　保護層開采結(jié)合瓦斯抽采區(qū)域措施效果檢驗

281110保護層工作面回采前后，被保護范圍13-1煤層瓦斯預抽及卸壓抽采效果顯著，但根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，應進一步根據(jù)實測殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量進行區(qū)域防突措施效果檢驗。在13-1煤層被保護區(qū)域共布置14個測點，分別位于保護上邊界、切眼附近、收作線附近及最大埋深處。經(jīng)測試[11]，保護范圍內(nèi)13-1煤層最大殘余瓦斯壓力為0.16MPa，最大殘余瓦斯含量為3.19m3/t，滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第51條、第43條規(guī)定殘余瓦斯含量小于0.74MPa或殘余瓦斯含量小于8m3/t的要求，281110工作面保護范圍內(nèi)13-1煤層采用保護層開采結(jié)合卸壓瓦斯抽采區(qū)域措施效果有效。

另外，13-1煤層區(qū)域措施效果有效范圍內(nèi)281316工作面機巷于2014年4月20日在281110工作面保護范圍內(nèi)安全揭穿13-1煤層，在揭煤過程中實測殘余瓦斯壓力為0.12MPa，殘余瓦斯含量為3.34m3/t，放散初速度Δp=5，堅固性系數(shù)f=0.53，鉆屑解吸指標Δh2=50～70Pa，指標均小于突出臨界值，且鉆孔施工過程中未出現(xiàn)噴孔、頂鉆等突出預兆，進一步驗證281110工作面保護范圍內(nèi)13-1煤層區(qū)域防突措施有效。

4結(jié)論

(1)新集一礦11-2煤層作為下保護層，最大保護垂距為126m，不破壞上部被保護層的最小層間距離為35m，11-2煤層可以作為13-1煤層的下保護層開采。

(2)新集一礦11-2煤層作為上覆13-1煤層下保護層開采，其走向、傾向上方、傾向下方卸壓保護角分別為57.3°，89.2°，74.8°，該范圍內(nèi)13-1煤層膨脹變形大于3‰，得到了有效的卸壓保護。

(3)在11-2煤層作為保護層開采過程中，上覆13-1煤層被保護區(qū)得到充分卸壓保護，煤層裂隙顯著增加，但由于與保護層層間距大，沒有形成卸壓瓦斯向開采工作面涌出的通道，因此必須配合卸壓瓦斯強化抽采措施。

(4)對于嚴重突出的13-1煤層，在下伏保護層11-2煤層開采卸壓保護的同時，在保證卸壓瓦斯得到充分抽采的條件后，能夠消除卸壓保護區(qū)13-1煤層突出危險性，開采遠距離下保護層區(qū)域防突措施效果有效。

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[責任編輯：施紅霞]