高瓦斯煤层群开采保护层效果及有效保护范围研究.pdf

1142023 年第 9 期收稿日期 2023-07-23作者简介 王镇（1986），男，山东枣庄人，2011 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，本科，工程师，主要从事矿井“一通三防”管理、防突治理及火工品管理等工作。高瓦斯煤层群开采保护层效果及有效保护范围研究王 镇 颜叶成（山东省三河口矿业有限责任公司，山东 枣庄 277000）摘 要 东于煤业有限公司为高瓦斯矿井，煤层赋存瓦斯压力较大，瓦斯含量较高，瓦斯治理难度大，给矿井安全生产带来了极大困扰。为进一步提升矿井瓦斯治理水平，探索了近距离多煤层保护层对下邻近煤层瓦斯释放效果的影响。以上保护层开采为理论基础，向被保护层施工考察钻孔，定期观察钻孔内瓦斯压力、瓦斯含量等参数的变化规律，分析 03#煤层开采对 2#煤层瓦斯释放效果及有效保护范围。结果表明：03#煤层开采后，2#煤层膨胀变形量 25 mm，膨胀率达到 9.8，2#煤层有 3.323.48 m3/t 的瓦斯被释放，被保护煤层受到了较好的保护。关键词 高瓦斯；保护层；钻孔；瓦斯治理中图分类号 TD712 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.036Research on the Effect and Effective Protection Range of Protective Layer in High Gas Coal Seam Group MiningWang Zhen Yan Yecheng（Shandong Sanhekou Mining Co.,Ltd.,Shandong Zaozhuang 277000）Abstract:Dongyu Coal Industry Co.,Ltd.is a high gas mine with high gas pressure and high gas content in the coal seams,making it difficult to control gas and posing great challenges to the safety production of the mine.In order to further improve the level of mine gas control,the impact of close range multi seam protection layers on the gas release effect of adjacent coal seams was explored.Based on the theoretical foundation of the above protective layer mining,inspect the boreholes during the construction of the protected layer,regularly observe the changes in parameters such as gas pressure and gas content inside the boreholes,and analyze the gas release effect and effective protection range of the 03#coal seam mining on the 2#coal seam.The results show that after the mining of the 03#coal seam,the expansion deformation of the 2#coal seam is 25 mm,and the expansion rate reaches 9.8.The 2#coal seam has 3.32-3.48 m3/t of gas released,and the protected coal seam is well protected.Key words:high gas;protective layer;borehole;gas governance王 镇等：高瓦斯煤层群开采保护层效果及有效保护范围研究灾害防治与职业健康1 概况东于煤业有限公司为高瓦斯矿井，自上而下逐层开采 03#、2#、4#、5#、6#、8#、9#煤层。03#煤层的 03304 工作面为上保护层工作面，采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，工作面走向长768.4 m，倾向长 196.5 m。03#煤层平均煤厚 1.6 m，直接顶为灰色砂质泥岩，基本顶为灰黑色泥岩，直接底为灰色细砂岩，基本底为灰黑色泥岩。2#煤层作为被保护层，平均煤厚 2.5 m，煤层倾角平均 9，距 03#煤层平均 7 m。2 保护层效果考察方案2.1 考察内容及方法上保护层开采使得周围的岩层及煤层朝着采空区方向出现位移和变形，地应力出现变化，被保护层卸压，煤层膨胀变形产生裂隙，瓦斯解吸、透气性增高，进而引起下邻近层内瓦斯压力和瓦斯含量1152023 年第 9 期王 镇等：高瓦斯煤层群开采保护层效果及有效保护范围研究发生变化1。向被保护层施工钻孔，安设相应的仪器和设备，定期观测煤层瓦斯压力、含量等数据。为避免对正常生产时造成影响，选择在 03304 工作面停采线以外的胶带顺槽、轨道顺槽钻场内布置穿层考察钻孔，测定分析 03#煤层回采后其下方 2#煤层瓦斯压力、含量等相关参数的变化规律，进而确定 03#煤层开采对 2#煤层的保护范围，并对保护效果进行分析。2.2 2#煤层考察钻孔的布置1 号、2 号钻场布置在 03304 工作面胶带顺槽和轨道顺槽停采线边缘处，在两个钻场共计施工穿层钻孔 16 个，钻孔进入 2#煤层底板 1 m。其中 1、2 号钻孔用来测定 2#煤层原始瓦斯含量；3 号钻孔在 03304 工作面回采结束 2 个月后测定 2#煤层残余瓦斯含量；4 号钻孔用来分析 2#煤层的变形规律；58 号钻孔用来分析 03#煤层在倾斜上部对 2#煤层的保护效果及保护范围；912 号钻孔用来分析 03#煤层在倾斜下部对 2#煤层的保护效果及保护范围；1316 号钻孔用来分析 03#煤层在走向上对 2#煤层的保护效果及保护范围2。在满足钻孔施工要求的同时，减少钻孔裂隙对数据造成的影响，钻孔采用94 mm 钻头施工，并严格按“两堵一注”的封孔工艺对钻孔进行封孔。钻孔施工参数见表 1。表 1 钻孔施工参数表钻孔编号钻孔直径/mm倾角/（）方位角/（）钻孔长度/m穿煤长度/m穿底板长度/m备注194-17.01835.08.51.0测定瓦斯含量2-15.01839.09.51.0测定瓦斯含量3-14.01943.010.41.0测定残余瓦斯含量4-12.01948.011.41.0测定煤层变形量5-12.03546.011.81.0测定瓦斯压力6-12.03546.011.81.0测定瓦斯压力7-12.03546.011.81.0测定瓦斯压力8-12.03546.011.81.0测定瓦斯压力9-12.02546.011.81.0测定瓦斯压力10-12.02546.011.81.0测定瓦斯压力11-12.02546.011.81.0测定瓦斯压力12-12.02546.011.81.0测定瓦斯压力13-19.06329.07.61.0测定瓦斯压力14-18.56630.07.71.0测定瓦斯压力15-17.56931.58.11.0测定瓦斯压力16-16.57133.08.51.0测定瓦斯压力3 保护层开采前后 2#煤层瓦斯参数变化及保护效果分析3.1 2#煤层瓦斯含量变化分析根据现场和实验室的测定数据，1 号钻孔中测定 2#煤层解吸量为 5.72 m3/t，损失量为 1.11 m3/t，残存量为 1.95 m3/t，原始瓦斯含量为 8.78 m3/t。2 号钻孔中测定 2#煤层解吸量为 5.52 m3/t，损失量为 1.15 m3/t，残存量为 1.95 m3/t，原始瓦斯含量为 8.62 m3/t。3 号钻孔中测定 2#煤层解吸量为 2.91 m3/t，损失量为 0.44 m3/t，残存量为 1.95 m3/t，原始瓦斯含量 5.30 m3/t。根据相关规定，残余瓦斯压力不超过 0.74 MPa、残余瓦斯含量不超过 8 m3/t 时，即可说明区域防突措施效果有效3。从测定结果可以看出，2#煤层原始瓦斯含量为 8.628.78 m3/t，3#煤层回采之后，残余瓦斯含量降为 5.30 m3/t，煤层中有1162023 年第 9 期3.323.48 m3/t 的瓦斯得到释放，占煤层原始瓦斯含量的 38%40%。说明 03304 工作面开采后，2#煤层出现卸压，地应力减小，煤层膨胀变形产生裂隙，瓦斯解吸、透气性增高，被保护层煤层的瓦斯得到了很好的释放。3.2 2#煤层瓦斯压力变化分析3.2.1 瓦斯压力测定结果安装压力表后，采用被动测压法每天记录 516号钻孔的瓦斯压力变化情况，对观测数据进行统计分析，绘制可视化的曲线，各钻孔曲线变化趋势相似，其中 58 号考察钻孔的瓦斯压力随着保护层03304 工作面位置和时间的变化规律曲线如图 1、图 2。图 1 钻孔瓦斯压力随时间变化曲线 图 2 钻孔瓦斯压力随工作面位置变化曲线3.2.2 瓦斯压力测定结果分析根据钻孔瓦斯压力随工作面位置变化曲线可发现，没有开采保护层 03304 工作面时，被保护层煤层瓦斯压力处于原始状态，随着保护层的推采，煤层瓦斯压力开始下降，随着越来越接近保护层03304 工作面，被保护层受到集中应力的影响，瓦斯压力出现反弹上升现象，随后瓦斯压力逐步降到最小值并处于稳定状态，保护层的影响程度达到最大值。期间被保护层的钻孔瓦斯压力变化出现相似的特征，经历了二次卸压的过程。3.2.3 保护层沿倾斜的卸压角保护层 03304 工作面开采后，2#煤层倾斜上部考察钻孔的瓦斯压力均出现下降现象，其中 6、7、8 号钻孔在保护层 03304 工作面瓦斯压力值分别从 1.25 MPa、1.30 MPa、1.21 MPa 降为 0.25 MPa、0.24 MPa、0.22 MPa，表 明 6、7、8 号 钻 孔 均 已得到充分保护。2#煤层倾斜下部考察钻孔的瓦斯压力也都出现下降现象，其中 9、10、11 号钻孔在保护层 03304 工作面瓦斯压力值分别从 1.18 MPa、1.27 MPa、1.23 MPa 降为 0.19 MPa、0.21 MPa、0.23 MPa，表明 9、10、11 号钻孔均已得到充分保护。通过对煤层顶底板相对位移分析，得出 3#煤层开采对2#煤层沿倾斜方向的卸压角4，利用插值法计算，得出保护层沿倾斜的卸压角为 80。3.2.4 保护层沿走向的卸压角保护层 03304 工作面开采后，沿着 2#煤层走向方向上考察钻孔的瓦斯压力均出现下降，其中 14、15、16 号钻孔的瓦斯压力值分别从 1.10 MPa、1.13 MPa、1.18 MPa 下降到 0.22 MPa、0.23 MPa、0.21 MPa，这表明 14、15、16 号钻孔均受到了保护作用。利用插值法计算，得出保护层 03304 工作面沿走向的卸压角为 70。3.3 2#煤层变形量变化分析2#煤层顶底板的相对变形采用深部基点法进行测定，观测出 2#煤层绝对变形量后，2#煤层绝对变形量除以煤层的厚度即为 2#煤层的相对变形量。观测并记录 4 号钻孔穿过 2#煤层 60 m 时的数据，一直持续到工作面回采结束 3 个月后，根据观测到的数据绘制的 2#煤层变形量随时间、工作面位置的变化曲线如图 3、图 4。图 3 2#煤层变形量随时间变化曲线图 4 2#煤层变形量随工作面位置变化曲线1172023 年第 9 期王 镇等：高瓦斯煤层群开采保护层效果及有效保护范围研究由图 3、图 4 可以看出，在保护层 03304 工作面回采过程中，受回采扰动影响，2#煤层先出现微弱的膨胀变形，随着工作面继续推进，煤层开始出现压缩变形，在煤层压缩变形至一定程度之后，开始恢复膨胀变形并持续，直至煤层变形测定钻孔位于工作面后方 25 m 左右位置处趋于稳定。此时推采的时间约为 50 d，膨胀变形量达到最大值 25 mm，计算出膨胀率为 9.8。随后膨胀变形量保持不变，此状态可持续数月之久。长时间的煤层膨胀变形稳定期为瓦斯抽采迎来了良好的条件和充足时间。4 保护层外错段 2#煤层瓦斯抽采效果考察在 2#煤层中施工了一条 03304 底抽巷（外错03304 胶带顺槽帮对帮 20 m），并在该巷道中施工本煤层顺层钻孔对涌入 03#煤层的瓦斯进行拦截。保护层 03304 工作面开采后，倾斜方向卸压角2=80，表明 03304 工作面胶带顺槽外错段的 2 号煤层 20 m 范围内（03304 底抽巷 03304 胶带顺槽正下方 2 号煤层）没有处于保护层有效保护范围内。现场在 03304 底抽巷 100 m、220 m、350 m、500 m、600 m 处分别进行取样测定，经计算 2 号煤层残余瓦斯含量测定结果分别见表 2。表 2 瓦斯抽采后残余瓦斯含量测定结果采样地点煤层采样深度/m解吸量/（m3/t）损失量/（m3/t）残存量/（m3/t）原煤瓦斯含量/（m3/t）03304 底抽巷 100 m 处2#162.600.431.954.9803304 底抽巷 220 m 处2#182.810.451.955.2103304 底抽巷 350 m 处2#192.830.511.955.2903304 底抽巷 500 m 处2#202.470.461.954.8803304 底抽巷 600 m 处2#202.760.421.955.13从表 2 的测定结果可以看出，03304 胶带顺槽外错段 2 号煤层 20 m 范围内，经本煤层顺层拦截钻孔抽采后，残余瓦斯含量最大为 5.29 m3/t，不超过 8 m3/t。经计算，瓦斯抽采后煤的残余相对瓦斯压力为 0.24 MPa，不超过 0.74 MPa，说明经瓦斯抽采后该范围无煤与瓦斯突出危险性。5 结论对东于煤业有限公司 03#煤层保护层 03304 工作面开采后的保护范围和保护效果进行了测试研究分析后，得到以下主要结论：1）2#煤层原始瓦斯含量在 8.628.78 m3/t 之间，03#煤层保护层开采后，2#煤层残余瓦斯含量下降为 5.30 m3/t。2）03#煤 层 对 2#煤 层 沿 倾 斜 方 向 卸 压 角3=80，沿走向方向卸压角 5=70。3）03#煤层作为保护层开采，能够显著提高 2#煤层膨胀变形量，最高值达到 25 mm，膨胀率达到9.8，超过防治煤与瓦斯突出细则中所要求的3，表明被保护层得到了较好的保护作用5。4）经过 2#煤层本煤层顺层拦截钻孔抽采后，03304胶带顺槽外错段的2#煤层20 m范围内（03304底抽巷 03304 胶带顺槽正下方的 2#煤层）瓦斯含量最大为 5.29 m3/t，最大相对瓦斯压力为 0.24 MPa，小于 8 m3/t 和 0.74 MPa，该范围经抽采后无煤与瓦斯突出危险性。【参考文献】1 魏二剑，田坤云，张群.近距离保护层开采对被保护层防突效果分析 J.煤炭科技，2010（04）：80-82.2 赵章，吕永国，周洋.保护层开采技术在大采深突出矿井的应用 J.煤矿安全，2016，47（11）：135-138.3 易恩兵.近距离上保护层开采保护效果考察 J.能源技术与管理，2018，43（06）：4-6.4 曹建军.新集一矿远距离下保护层开采试验研究J.煤矿开采，2015，20（01）：26-29.5 陈卫东，李孝胜.东荣二矿综采面冲击地压发生机理及治理措施 J.煤，2011，20（05）：79-81.