大湾煤矿瓦斯防治研究3.docx
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大湾煤矿瓦斯防治研究3
目录
1前言3
2矿井及保护层开采试验工作面概况4
2.1矿井概况4
2.2保护层开采试验工作面基本情况6
3大湾煤矿上保护层开采机理研究9
3.1保护层保护范围的确定9
3.1.1保护层沿走向的合理超前距9
3.1.2保护层的有效保护层间距12
3.1.3沿走向的保护卸压角12
3.1.4沿倾斜方向的保护范围12
3.1.5煤柱影响带的确定13
3.2开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机理13
3.2.1开采保护层防治煤与瓦斯突出原理13
3.2.2保护层作用机理14
3.3扩大保护层应用途径15
3.4保护层开采的注意事项16
3.5大湾煤矿开采上保护层的技术可行性16
3.5.1煤层群的自然赋存条件要求采用上保护层开采16
3.5.2煤层群中突出煤层的分布要求采用上保护层开采16
3.5.3国内上保护层开采矿井的成功经验16
3.6大湾煤矿开采上保护层的特殊性17
4上保护层合理保护参数及保护效果的考察17
4.1研究内容与方案17
4.1.1研究内容17
4.1.2研究方案18
4.2瓦斯压力测定18
4.2.1瓦斯压力测定的方法18
4.2.2瓦斯压力测定结果21
4.3瓦斯流量测定23
4.3.1瓦斯流量测定的方法23
4.3.2瓦斯流量的测定结果24
4.4煤样瓦斯参数实验室测定及瓦斯含量25
4.4.1煤的工业分析及瓦斯吸附常数25
4.4.2煤的瓦斯放散初速度和坚固性系数26
4.4.3煤层瓦斯含量计算26
4.5煤层透气性系数测定26
4.5.1测定方法26
4.5.2测定结果27
4.6煤层顶底板相对变形测定28
4.6.1煤层顶底板相对变形测定方法28
4.6.2煤层变形测定结果30
5保护层保护效果及保护参数分析31
5.1保护效果及合理超前距32
5.2保护层沿走向卸压保护角考察34
5.2.1考察孔测定参数分析34
5.2.2掘进工作面考察指标分析37
5.2.3掘进工作面瓦斯涌出量分析39
5.2.4沿走向保护卸压角的确定41
5.3保护层开采的结论与建议42
1前言
水城矿业(集团)有限责任公司大湾煤矿为九十年代建设的大型煤与瓦斯突出矿井。
矿井开采煤层群,开采过程中采用区内联合布置方式,只开采2层煤,主采煤层为11#煤层。
首采无突出危险的2#煤层,后开采11#突出煤层,层间岩柱达60m左右,为远距离上保护层开采。
尽管2#煤层的开采对11#煤层有卸压保护效果,但其卸压保护效果程度、保护范围、有效保护超前距等都需要进行科学考察确定。
为此,对大湾煤矿的瓦斯治理进行研究,主要研究内容为该矿的开采保护层防突技术,包括保护层保护效果、保护范围和保护层超前距离。
2矿井及保护层开采试验工作面概况
2.1矿井概况
水城矿业(集团)有限责任公司大湾煤矿,设计生产能力900kt/a,2007年由贵州省煤管局核定生产能力为1150kt/a。
大湾煤矿位于贵州西部六盘水市西北,地处六盘水市钟山区境内。
地理坐标为:
东经104°36′北纬26°44′30″,井田交通方便。
大湾至水城有铁路相连,在水城西站可与滇黔铁路接轨,大湾至水城平均约30公里左右。
中部有威水公路支线通过。
西北距威宁县城50公里,东南距水城46公里。
矿区位于大湾井田中部,煤系地层为二叠系龙潭组。
根据地质因素和开采条件,矿区由南东向北西划分为六个采区,现开采一采区。
龙潭组系本井田含煤地层,由浅灰色至深灰色粉砂岩、灰黑色泥岩、黑灰色砂质泥岩、灰色、绿灰色钙质细砂岩、深灰色细砂岩及煤层组成。
以粉砂岩及泥岩为主,底部为暗紫色铁质泥岩和灰绿色角砾状玄武凝灰岩。
龙潭组含煤20~29层,一般23~25层,厚14.50米~22米,平均17米。
含可采及局部可采煤层9层,即:
2、3、4、5、7、8、9、11、12号煤层,总厚9.60~13.15米,平均厚11.99米,可采含煤系数为5.1%。
(详见图2-1)
含煤地层厚180~240米,平均厚234.32米,厚度总的变化趋势由南东向北西变薄,煤层由多到少。
根据岩性及含煤情况不同,龙潭组又可分为上、下两段。
大湾井田位于二塘向斜的中、深部,是二塘向斜的主体部分。
NE翼以2号煤+1700米等高线与木冲沟井田为邻,SW翼以F2号断层与顶拉井田相毗连。
在井田范围内NE翼倾角一般为8º~10º,平均宽度2.11公里;SW翼倾角一般为3º~5º。
东部NE翼浅部及转折端一带倾角变陡,一般为20º~35º。
次一级褶曲不发育,局部有波状起伏但波幅一般不超过10米。
图2-1大湾煤矿煤系地层综合柱状图
井田内经补勘共发现大小断层41条。
断层落差大于30米的有6条,20~30米的2条,20米以下的33条。
落差大于30米的有F1、F2、F10、F11、F17、F20号断层;20~30米有F7、F8号断层;余下断层落差均为20米以下,一般为5~15米。
延展长度大于1000米的断层有F2、F5、F5—1、F5—2、FB23、FB25、FB4、F11、F17等9条断层。
地质构造属中等偏复杂型。
采用立井-副斜井综合开拓方式,矿井初步设计划分为两个水平,+1500m、+1350m。
现生产第一水平即+1500m水平,阶段垂高约300m,采用上山开采。
+1350m水平现今只有方案初步设计,其余相关工作还未进行。
采用倾斜长壁采煤法,全部垮落法管理顶板,目前,矿井有2#煤层综采工作面1个,11#煤层综采工作面1个。
矿井通风方法为机械抽出式,通风方式分区式,主要通风机型号为:
BDK54-8-No30,电机功率为2×560Kw,总回风量为10400m3/min。
近二年瓦斯等级鉴定结果如下表2-1所示。
表2-1近二年瓦斯等级鉴定汇总表
年份
绝对瓦斯涌出量(m3/min)
相对瓦斯涌出量(m3/t)
鉴定结论
风排量
抽采量
总量
2009
36
57.25
93.25
55.03
突出矿井
2010
35.77
56.89
92.66
26.92
突出矿井
所采2#、11#煤层均有自燃发火倾向(二类),均有煤尘爆炸性。
矿井自建井以来,共发生了17次煤与瓦斯动力现象,均发生在11#煤层,且均发生在掘进工作面,回采工作面至今未发生煤与瓦斯突出。
最大突出强度703t/次,最大突出涌出瓦斯量为6.6万m3;平均突出强度191t,平均突出涌出瓦斯量为1.41万m3。
经煤炭科学研究总院重庆分院鉴定:
2#煤层为非突出煤层,11#煤层为突出煤层,大湾煤矿为煤与瓦斯突出矿井。
2.2保护层开采试验工作面基本情况
试验工作面选在一采区,该采区是大湾煤矿目前生产的唯一采区。
以2#煤层作为保护层先行开采,保护距此煤层层间距达60米左右的11#煤层。
试验保护层工作面为110208东工作面下段,对应的被保护层工作面将是要布置的111108工作面。
110208东下段工作面位于大湾煤矿一分区东翼上部2#煤层,第四勘探线东侧。
其西面为110206西工作面的采空区,东面为未采的110210工作面,上部以Fy-1断层(斜交正断层,落差4~5m,倾角57°)为界,下部采至11E02回风巷。
走向长160m,倾斜长303m。
(工作面相邻关系位置详见图2-2)
工作面2#煤层走向ES126°,倾向216°,倾角4°~11°,平均7.5°;煤厚1.9m~1.7m,平均1.8m,含夹矸1~3层;煤层呈单斜构造,产状较稳定,地质构造简单;其直接顶为浅灰色薄层状泥质粉砂岩,厚1.6~2m,局部有一层0.1m厚的碳质泥岩伪顶,直接顶节理裂隙发育,破碎容易垮落;老顶为浅灰色薄层状粉砂岩,呈水平层理,底部为泥质粉砂岩及泥岩。
直接底为泥质粉砂岩,厚4~5m,遇水易膨胀软化,向下为浅灰色泥质粉砂岩和3#煤层。
110208东下段工作面顶板高程为+1560~1604m,对应地表标高为+1810~1945m,距地表垂深为255~396m。
对应被保护层111108工作面由于未进行掘进工作,无资料可查。
图2-2保护层开采考察工作面相邻位置关系图
3大湾煤矿上保护层开采机理研究
所谓保护层,通常是指在煤层群开采中,某部分煤层具有煤与瓦斯突出或冲击地压等动力显现特点,而另一部分煤层不具有这种动力显现特点或动力显现特点不明显,这时,根据赋存关系,选择某一层不具有动力显现特点或动力显现特点不明显的煤层先行开采,而具有动力显现特点的煤层在其邻近层开采后再开采。
先行开采的煤层称为保护层,后开采的煤层称为被保护层,保护层位于被保护层上方的称为上保护层,反之称为下保护层。
3.1保护层保护范围的确定
3.1.1保护层沿走向的合理超前距
(1)被保护煤层沿走向应力变形状态和瓦斯动力参数的变化规律
保护层开采后,由于围岩及煤层发生向采空区方向的位移而引起了采场周围应力的重新分布。
采空区上方形成自然冒落拱,将压力传递给采空区以外的煤岩层承受,采空区下方岩体向采空区膨胀形成裂隙,即对采场周围的煤岩层产生采动影响,致使被保护煤层的应力变形状态和瓦斯动力参数发生重大变化。
尽管各矿的开采深度、保护层的层位、采高、采长、层间垂距、层间岩性等试验条件差异很大,但是被保护层应力变形状态和瓦斯动力参数的变化在空间上是基本一致的。
上保护层开采后,在工作面后方的卸压范围内被保护煤层仅在卸压保护带内才消除了煤与瓦斯突出危险。
图3-11为与大湾矿保护层间距相近的淮南新庄孜矿开采上保护层B8煤层后被保护层B6煤层参数变化情况(B8层厚度0.84~3.11m,平均1.93m,倾角28~32°,距B6层25m,层间岩性为砂质泥岩、泥岩)。
从图3-1和表3-1中可以看出,在新庄孜矿B8B4煤组首采的上保护层B8煤层的5608工作面开采前后B6突出煤层的煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形和瓦斯抽放量诸参数发生了明显的变化。
它们的变化具有一定的内在联系,是从不同的角度反映了一个共同的客观规律。
根据上保护层开采前后以上几个参数的变化,可以将被保护层划分为如下几个带。
A、正常压力带
即B6煤层未受B8煤层采动影响区域。
该带位于保护层工作面前方40m以远,此区域仅受原始地应力作用,岩层未发生移动和变形。
煤层瓦斯压力处于原始压力状态的(3.6Mpa);煤层透气性较小(0.0445m2/Mpa2.d);钻孔瓦斯流量很小,只有用煤气表测量(0.01m3/min)。
Q10-3λqP
(M3/min)煤(M2/Mpa2.d)(Mpa)
抽层透(M3/min)
放变气瓦瓦
量形性斯斯
1.02525流压
量力
0.820200.44.0
PQ
0.615150.33.0
0.410100.22.0
q
0.2550.11.0
λ
-60-40-200+20+40+60+80+100+120
5608工作面超前测点距离(m)
0
图3-1B8煤层5608工作面开采后B6煤层5参数综合分析曲线图
表3-1B8煤层5608工作面开采后B6煤层各参数综合分析表
参数
正常
压力带
集中
压力带
卸压带
开始卸压
明显卸压
充分卸压
各带相对5608工作面位置L(m)
<-40
-40-5
-5+10
+20+40
>+40
各带相对5608工作面位置(L/H)倍数
<-2
-1-0.25
-0.25+0.5
+1+2
>+2
B6煤层瓦斯压力P(MPa)
3.6
<3.7
3.72.5
1.50.6
0.60.2
B6煤层瓦斯流量q(m3/min)
0.009
0.010.1
0.220.294
0.250.05
B6煤层透气性系数λ(m2/MPa2•d)
0.0445
0.0401
15
22.2
>22.2
B6煤层相对变形10-3
0
0
411
27.1
27.121
B8B6煤层瓦斯抽放量(m3/min)
0.22
0.18
0.6
0.98
0.980
B、集中应力带
位于保护层工作面5608前方5~40m范围内。
此带范围内煤层承受的应力高于原始状态,最大应力点位于保护层工作面前方5~20m范围内,此范围内B6煤层瓦斯压力达到了3.7Mpa,比已经稳定的正常瓦斯压力3.6Mpa高出0.1Mpa。
裂隙封闭,透气性降低,瓦斯流量减小,但变化不明显。
C、卸压带
从B8煤层5608工作面前5m开始往采空区方向10m,B6煤层开始卸压。
此时膨胀变形增加到410-3;煤层透气性能增加到了15.0m2/Mpa2.d,即是原始透气性系数的300倍;煤层瓦斯由于解吸而流量增加到了0.1m3/min;煤层瓦斯压力下降到了2.5Mpa。
在B8煤层工作面后方20~40m处,B6煤层膨胀变形此时达到了最大值27.110-3;煤层透气性能大大增加到了22.2m2/Mpa2.d,即是原始透气性系数的500倍;煤层瓦斯解吸作用也变得十分显著,钻孔瓦斯流量最大达到了0.294m3/min;煤层瓦斯压力急剧下降到了0.6Mpa;瓦斯抽放量也提高了5倍左右。
在B8煤层工作面后方40~120m处(B8煤层在距24#钻场120m处收作),是经过明显卸压以后的地带,此带内B6煤层膨胀变形略有降低,但仍然保持着显著卸压的状态;;煤层透气性系数继续保持在22.2m2/Mpa2.d以上;钻孔瓦斯流量仍有0.05m3/min;煤层瓦斯压力继续下降到了0.2Mpa。
D、应力恢复带,位于保护层工作面后方300~500m远,此带范围由于采空区冒落岩石逐渐被压实,应力逐渐恢复,但仍然小于原始应力状态,只能经过足够时间的恢复,才逐步向原始应力状态靠近。
从以上分析可以看出,B8煤层开采后,在B8煤层工作面后方40m以远(即2倍层间距以上),B6煤层瓦斯压力急剧下降到了0.6~0.2Mpa,低于了《防治煤与瓦斯突出规定》规定的0.74Mpa;B6煤层膨胀变形此时达到了最大值27.110-3,远远超过了6‰;煤层透气性能大大增加到了22.2m2/Mpa2.d,即是原始透气性系数的500倍;钻孔瓦斯流量最大达到了0.294m3/min,是卸压前钻孔瓦斯流量的30倍。
进行煤层群开采时,若具备多重保护层可开采,且需保护的突出煤层不止一层时,情况就比单一保护层开采后保护单一的突出煤层要复杂得多。
当一层保护层开采以后,被保护层有的突出危险性可能已经消除,有的突出危险性仅仅是有所降低而并未完全消除。
在进行多重保护层开采后,未彻底消除突出危险性的煤层的参数变化要经过相对稳定压力带、压力升高带、再次卸压带这几个阶段。
(2)保护层沿走向的合理超前距
在工作面后方的卸压范围内被保护煤层仅在卸压保护带内才消除了煤与瓦斯突出危险。
七十年代前苏联的研究认为:
以被保护层变形值等于最大膨胀变形值80%为标准,则上保护层超前于被保护层不应小于1倍层间距,下保护层超前于被保护层不应小于0.6倍层间距。
我国部分矿井的试验也证实了上述的结论。
考虑到瓦斯排放和抽放,使被保护层不仅能充分卸压,并能充分排放或抽放瓦斯,认为保护层超前被保护层的距离不应小于2倍层间距,并不得小于30m,实践证明,按照这一原则布置,对防治煤与瓦斯突出和治理瓦斯是有效的。
3.1.2保护层的有效保护层间距
保护层的保护作用随层间距的增大而减小,达到某一临界距离时,保护作用已不明显,该临界距离称之为有效层间距。
衡量有效层间距的标准有人认为可用煤层膨胀变形量,但并未研究得出具体的有效膨胀变形数据。
我国根据大量试验资料统计分析认为,在采深小于550m,回采面长度小于120m条件下,保护层的有效保护层间垂距为:
急倾斜煤层上保护层60m,下保护层80m,缓倾斜和倾斜煤层上保护层50m,下保护层100m。
如果保护层有足够的有效采高,也即当有效采高满足m2ψ=Km≥m。
时,可按表3-2确定有效垂距。
式中m2ψ为保护层有效采高(m),K为顶板管理系数,全冒落时K=1,全部水沙充填时K=0.2,其它形式的全充填和局部充填时K=0.38,m为保护层厚度,m。
为保护层基准高度,按图3-2选择。
如果m2ψ<m。
,则h1和h2值还要乘以系数C=m2ψ/m。
根据上述计算的结果为:
开采2#煤层作为上保护层时,向底板方向卸压深度最大超过了80m。
理论计算得出的结果虽然不能作为矿井有效保护层间距直接应用,但肯定了保护层开采的卸压效果并给出了有效保护层间距的取值范围。
3.1.3沿走向的保护卸压角
在保护层工作面的始采线与停采线处,由于地压的传递作用,使得被保护层的有效保护范围应小于保护层的开采范围,被保护层的始采线与停采线应以保护层始采线和停采线内退一定距离,该距离与层间垂距有关,根据试验表明,对上保护层为0.55~0.67倍层间垂距为宜,也即保护卸压角为56°~61°为宜,具体数据应实际考察。
但被保护层进入到距保护层始采线与停采线40m以内时,保护层开采应超前3个月以上。
3.1.4沿倾斜方向的保护范围
沿倾斜方向保护范围可按卸压角划定。
卸压角大小与煤层倾角,开采深度,层间岩性等因素有关,各种条件下的卸压角最好通过实地考察确定,前苏联矿山测量科学研究所通过现场测定和实验室模拟资料分析得δ1=180°-(a+QO+10°),δ2=a+QO10°,式中δ1、δ2分别为下保护层上山方向和下山方向卸压角,a为煤层倾角,QO为最大下沉角,可从地表移动观测得到。
δ1、δ2、δ3、δ4可参照《防治煤与瓦斯突出规定》附表D.1确定(表3-3)。
表3-2有效垂距选取表
有效垂高下保护层h1(m)上保护层h2(m)
回采工作
开面长度50751001251501752002505075100125150200250
采深a(m)
度H(m)
300701001251481721902052206274849297100102
400588511213415517018219444566473798284
500507510012014215416417432435462647373
60045679010912613814615527384856616668
8003354739010311712713523324045505556
1000274157718810011412220283540454950
120024375063809210411318253136414445
图3-2QO确定曲线
3.1.5煤柱影响带的确定
煤柱的影响可传播到100m以远,20m宽的煤柱,具有较强的支撑能力,4~6m宽的煤柱在回采过程中基本被压碎。
对宽煤柱影响范围可按走向和倾向保护卸压角确定。
3.2开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机理
3.2.1开采保护层防治煤与瓦斯突出原理
国内外的考察资料证明,保护层开采后,被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯动力参数发生显著变化,从发生变化的时间看,卸压作用是最先出现的,有些卸压过程甚至在保护层工作面前方10~20m处开始,一般在工作面后方,当膨胀变形速度加快时,瓦斯动力参数才发生显著变化。
因此,其次序可表示如下:
表3-3 沿倾斜方向的卸压保护角
α(°)δ1(°)δ2(°)δ3(°)δ4(°)
080807575
1077837575
2073877575
3069917770
4065958070
5074968070
6072988070
7074968072
8070927875
9075807580
开采保护层→岩层移动→被保护层卸压(地应力降低、煤层膨胀变形)→(透气性增加、瓦斯解吸)→煤(岩)层瓦斯排放能力增高→(瓦斯排放、钻孔瓦斯流量增大→瓦斯压力降低→瓦斯含量减少→煤机械强度提高→应力进一步降低)
保护层防治煤和瓦斯突出的原理可用框图3-3表示。
从以上的分析表明,尽管保护层的保护作用是卸压和排放瓦斯综合作用的结果,但卸压作用是引起其它因素变化的依据,卸压是首要的、决定性的。
因此,只要突出层受到一定的卸压作用,煤结构、瓦斯动力参数便发生如上顺序的变化。
在层间距离较远(但要在有效层间垂距范围内)、中间有坚硬岩层的情况下,突出煤层卸压,煤层及其透气性增加是无疑的,只是瓦斯的自然排放困难一些。
从前两个因素变化讲,都是有利于消除突出的,因此退一步讲,即使不能完全消除突出危险性,也会使突出危险性有所降低。
应力降低,煤层卸压激发突出的作用减少
透气性增加瓦斯压力梯度降低消除(或降
低)煤与瓦
瓦斯排放发展突出的瓦斯作用减少斯突出危险
煤体强度增高煤体抵抗破坏能力增加
图3-3保护层防治煤与瓦斯突出原理框图
3.2.2保护层作用机理
开采保护层后,其周围的岩层及煤层向采空区方向移动和变形,地层应力发生重新分布,在采空区上方形成自然冒落拱,压力传递给采空区以外的岩层承受。
为此,将对开采层周围的煤层(包括被保护层)及岩层产生采动影响,被保护层的瓦斯动力参数将发生重大变化。
在由岩石卸压角所圈定的卸压带内,地层应力降低,垂直煤层层面方向呈现膨胀变形,在煤层和岩层内,不但产生新裂缝,原有裂缝也张开扩大,使得煤层透气性增高数十到数百倍,由于保护层与被保护层之间岩层卸压后发生垂直层面的膨胀变形,使得平行层面的部分岩层发生收缩变形,导致原岩层裂隙沟通,为解吸瓦斯向采空区流动提供通道。
被保护层卸压提高了瓦斯排放能力,瓦斯的不断涌出引起瓦斯压力下降和煤的力学强度增高。
卸压作用是引起其它因素变化的依据,起决定性的作用。
但在层间垂距很大时,对瓦斯排放作用不利,因此应配合瓦斯抽放。
开采保护层结合抽放瓦斯时,被保护层的应力状态、瓦斯动力参数和力学性质发生重大变化后,不可能恢复到原有状态,因此保护作用是一个不可逆过程,不会随时间延长而完全消失。
3.3扩大保护层应用途径
保护层开采通常应具备三个条件:
a.应是煤层群开采,单一煤层不存在保护层;b.合理的层间距,层间距太大,保护效果不明显,将失去保护层开采的价值,层间距太小的下保护层,将在开采保护层的过程中破坏被保护层,使下保护层不具备开采条件;c.存在不具有突出或冲击地压等动力现象的煤层作为保护层。
然而,在许多矿井,要同时具备以上三个条件是比较困难,为此,提出了研究扩大保护层应用途径的课题,主要有以下途径:
a.以弱突出煤层作保护层。
在煤层群开采过程中,各煤层均具有突出危险性时应考虑选择突出危险性较弱的煤层作保护层先开采,以形成对突出危险性较大的煤层进行保护。
采用瓦斯预抽,局部防治突出的措施开采弱突出煤层。
例如南桐矿务局鱼田堡矿、南桐煤矿等。
浅部时选用3#煤层作保护层。
但许多地方3#煤层不可采,而4#、5#、6#煤层均是突出危险煤层,4#煤层属于强突出危险煤层。
因此研究以5#、6#弱突出危险煤层作保护层开采的方案取得了显著效果。
松藻矿务局的打通一矿、二矿和石壕矿,都是选择突出
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- 煤矿 瓦斯 防治 研究
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