走向卸压范围考察方案设计.doc

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1、概述
淮南矿业集团有限责任公司潘东公司为煤与瓦斯突出矿井。其可采B组煤中B4煤层是矿井严重突出危险煤层，1989年在B4煤层石门揭煤过程中发生过一次特大型煤与瓦斯突出，突出煤量1576t，突出瓦斯量22000m3。
在B组煤开采过程中采用组内联合布置方式，为达到有效防止煤与瓦斯突出的发生和瓦斯综合治理，B组煤开采拟采用开采保护层措施。西一B组煤首采瓦斯含量小、无突出危险性的B6煤层，再开采突出危险程度最大的B4煤层，由于潘东公司B组煤层倾角12°左右，B6和B4煤层层间距离平均为36.9m，B6煤层的开采将对B4煤层突出危险煤层进行卸压保护，但其卸压保护范围、保护效果等都需要进行科学考察确定；同时，B6煤层开采过程中，下部邻近层瓦斯必然大量向其开采空间涌出，需要寻求有效的综合瓦斯治理措施。
由于被保护层突出危险程度大，瓦斯含量高。开采保护层技术研究及效果考察的关键是考察保护层开采后被保护层的有效卸压保护范围。保护层的开采带来的岩层移动使得被保护层得以卸压，从而提高了被保护层瓦斯的排放能力。瓦斯的不断涌出使得被保护层中瓦斯压力降低，煤的力学强度也增高了，因而突出危险性得以消除或降低。所以本设计中保护层开采配合瓦斯抽放。
根据《潘东公司12116工作面首次保护层开采技术研究方案》具体设计：
12116回采面（即上保护层B6煤层一阶段）上风巷与12114面（被保护层B4煤层一阶段上风巷）平距外错2m，12116下顺槽与12114下顺槽平距外错19m，12116始采线、终采线与12114外错平距为20m。12116工作面设计上风巷长788m，下顺槽长760m，倾斜宽152m，预计在保护范围内的B4-1煤层一阶段12114工作面走向560m，倾斜宽130m。
《潘东公司12116工作面首次保护层开采技术研究方案》设计采用B4底板抽排巷向B4-1、B4-2煤层打穿层抽放钻孔进行拦截抽放和12116工作面顶板走向长钻孔抽放采空区瓦斯等技术措施进行瓦斯综合治理。
其中，抽排巷布置在B4-1煤层12114工作面中部底板砂岩中，岩巷到B4-1煤层底板的垂距为28m，设计长度773m。底板抽排巷采用断面为2.4×2.4 m的直墙半圆拱，锚喷支护。
为了保证瓦斯抽放效果，设计中贯彻了“多打孔、严密闭、综合抽”的技术方针，并结合保护层开采设计的巷道布置情况，对上述抽放方法的钻场和钻孔参数确定如下：
（1） 穿层拦截抽放
从12114工作面采止线正下方开始，在底板抽排巷布置钻场，每组钻场间距30m，钻场长*宽*高=2.0*3.0*2.0m ，采用锚喷支护，共24组钻场，由东向西编号依次为1＃－24＃。每一组钻场内，抽放孔沿倾斜布置成一排扇形孔，每排5个钻孔；沿走向方向，每组抽放孔间距均为30m。抽放孔径91mm，要求钻孔打至4-2煤层顶板为止。抽放孔采用封孔泵，水泥沙浆封孔，封孔深度5m。
具体参数见表1和图1。
（2）12116工作面顶板走向抽放采空区瓦斯
12116工作面回风巷沿走向共布置12个钻场，即利用轨道顺槽向煤层顶板掘进巷帮钻场，钻场间距60米。钻场规格为宽×高=4.4米×2.6米，采用锚索网支护。钻场布置在B6煤层顶板岩石中。每一个钻场内向工作面方向施工5个钻孔，钻孔终孔平间距控制在从上出口向下5～25米的范围内，离顶板高度控制在8～15米，开孔平间距不小于500mm，离钻场底板不低于1.2米。第一个钻场设计孔深60米，后面钻场钻孔与前面钻场钻孔压茬不低于20米，开孔用Φ108mm 岩芯钻头带Φ108mm 岩芯管施工10～15米换Φ94mm复合片钻头带Φ73mm导向管一直施工到孔底。
具体设计参见图2。

表1 12114底板抽放巷瓦斯抽放钻孔设计参数
钻场编号
钻孔编号
方位角
(°)
倾角
(°)
设计孔深(M)
全孔深
煤孔
1#～24#
1
47
22.46
58.83
7.35
2
47
48.92
38.10
4.76
3
227
82.77
34.69
4.41
4
227
52.01
53.65
6.47
5
227
36.71
77.80
9.95
备注
其它钻场与此类似,可根据现场条件适当调整

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2、考察目的
保护层开采有关参数考察是一项关系矿井安全高效生产的复杂系统工程。保护层开采的目的就是确定卸压保护范围并将被保护层中的大量瓦斯抽放（释放）出来，便于日后回采。为合理的确定有效卸压保护范围，应周密观测被保护煤层的变形量及瓦斯压力等参数在保护层的开采过程中的变化规律，综合分析这些参数的变化规律，就可以得到比较准确的卸压保护范围。考察参数包括：被保护煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性系数、煤层顶底板位移（煤层变形）及其随保护层开采的变化情况。
根据《潘东公司12116工作面首次保护层开采技术研究方案》具体设计：由于倾斜方向的考察在走向考察之后，煤层瓦斯压力是否再进行详细考察需根据走向的考察结果另行确定。
下面仅仅对走向方向卸压范围的测定原理和考察方法进行叙述。为尽快得到被保护层在走向方向上的有效卸压保护范围，在设计的12114工作面切眼附近B4煤层底板抽放巷中向B4煤层布置三组考察钻孔，分别考察煤层瓦斯压力和煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量及B4煤层变形随12116工作面回采过程的变化规律。
3、考察方案
走向卸压范围考察钻孔布置如下：
在12114工作面底板抽放巷1＃钻场（切眼正下方）附近沿走向布置一组瓦斯压力测定钻孔（两个），第一个钻孔距工作面切眼位置5m，测压孔在B4煤层走向方向的见煤点间距为5m。测定B4煤层走向方向瓦斯压力及其变化。
在12114工作面底板抽放巷的2＃钻场附近沿走向布置一组瓦斯流量测定钻孔（两个），钻孔在B4煤层的见煤点间距为5m；测定瓦斯流量及煤层变形随12116工作面回采位置的变化规律。并可利用瓦斯流量变化规律和得到的瓦斯压力参数来得到煤层透气性系数及其变化规律。

在12114工作面底板抽放巷的3＃钻场附近沿走向布置一组煤层变形测定钻孔（两个），钻孔在B4煤层的见煤点间距为5m；测定瓦斯流量及煤层变形随12116工作面回采位置的变化规律。
考察钻孔布置参数分别见表2、图3和图4。

表2 走向方向瓦斯压力测定钻孔设计参数mm
钻孔编号
方位角
(°)
倾角
(°)
孔径(MM)
设计孔深(M)
备注
全孔长
煤孔长
1
47
59.92
75
35.02
4.38
测压力
2
75
3
47
59.92
75
35.02
4.38
测流量
4
75
5
47
59.92
75
35.02
4.38
测变形
6
75

3.1 瓦斯压力考察
钻孔施工应用罗盘、半圆仪度量钻孔布孔参数，可用岩芯管湿式打孔，确保钻孔按设计施工，施工完毕后记录下钻孔参数，主要包括孔径、方位角、倾角、煤及岩孔段长度，钻孔见煤时间和施工完毕时间。
采用封孔泵、速凝水泥封孔，所有测压孔应封至测定煤层与底板交界面的整个岩孔段，连接接头应采取措施确保其密封性。封孔工艺见图5所示。
封孔完毕24h后再安装压力表及三通，用高压氮气注入测压室，到其表压达到预定的煤层与其压力为止。每5～10天观察表压的上升情况，当12116工作面推至或推过测压孔20～120m时，每1～2天观测表压降低情况，若表压变化较快，需缩短观测时间间隔。随着推过距离越远（150m以后）观测时间间隔越长，并准确记录瓦斯压力随工作面推进距离的变化数据。

3.2 煤层透气性系数
根据卸压前、卸压过程中及卸压后所测定的瓦斯压力、时间和钻孔瓦斯流量及其变化，用径向不稳定流动法计算B4煤层原始透气性系数及其变化。
3.3 钻孔瓦斯流量考察
在确保钻孔施工质量的前提下，B4煤层煤孔段必须干式作业，进入B4-1煤层顶板0.5m，并记录钻孔施工参数，主要包括孔径、方位角、倾角、煤及岩孔段长度。
钻孔施工结束并封孔完毕后，用煤气表测定钻孔瓦斯流量，当12116工作面推至或推过瓦斯流量测定孔20～120m时，每1～5天观测一次，12116工作面离测定钻孔越近，观测时间间隔越短，反之越长。随着推过距离越远（150m以后）观测时间间隔越长，并准确记录瓦斯压力随工作面推进距离的变化数据。
3.4 煤层变形测定
采用深部基点法测定B4-1煤层变形。深部基点构造如图6所示。
在钻孔中煤层顶底板分别固定一基点，通过φ10mm钢筋引出孔外，用百分表测量基点的相对位移。基点由φ65mm钢管和钢板焊接成楔形块，设计加工另附图。安装固定基点时，将前后楔块同木楔固定在一起，钢筋送楔块过程中，只准缓慢向前移动，待送至预定位置时，拉住钢筋，用安装棍向前捣后部楔块，使其前移，即可固定基点。当煤层附近顶底板岩石强度较低时，为避免基点固定不牢，可在两楔块之间设置水泥帮助固定。在孔口顶、底板基点所引出的钢筋分别设置基点，用百分表测定两基点的相对位移，即可计算煤层的变形。
当12116工作面推至或推过测定孔20～120m时，每1～5天观测一次，随着推过距离超过150m以后，每5～10天观测一次，并准确记录测定值与钻孔距12116工作面煤壁的距离。

3.5 考察底板巷道抽放量随保护层开采的变化情况
考察钻场瓦斯抽采量以及瓦斯抽采率随时间的变化情况，可得出煤层卸压应力活动规律。
测点选择在B4底板抽排巷3＃钻场。即将3＃钻场的瓦斯抽放汇流管与岩巷瓦斯抽放管之间的钻场瓦斯管上安设一个4”闸阀及孔板，并装上4”孔板流量计，进行钻场计量。条件许可的话，还可以在3＃钻场中选择一个抽放孔安装2”孔板流量计进行单孔计量。
管路连接及相关事项详见《潘东公司12116工作面首次保护层开采技术研究方案》。

4、应注意的问题
① 考察钻孔及抽放钻孔必须用罗盘、半圆仪等度量钻孔施工参数，并稳好钻机，确保打钻工程质量。
② 在底板巷道施工的穿层钻孔的孔口应设置浓度检查管和控制闸门，在回采前后经常检查瓦斯浓度，并用闸门根据浓度大小控制抽放负压。所有钻孔必须穿透B4-2、B4-1煤层。测压孔应封至测定煤层与底板交界面的整个岩孔段，连接接头应采取措施确保其密封性。
③ 采用风力排渣技术，必须在孔口及巷道采取防尘技术，可用孔口除尘器、水幕喷雾装置除尘。
④ 抽放钻孔应在保护层工作面回采前施工完毕、封好孔并接入抽放系统。
⑤ 穿层抽放钻向B4-2、B4-1严重突出煤层施工时，要严防喷孔伤人。
⑥ 孔板的孔口必须与瓦斯抽放管道同心，孔板的端面与管道轴线垂直，偏心度小于1%—2%。
⑦ 在孔板流量计的进气端，要求抽入管道直线段的长度不小， 于20倍管径，出气端道直线段长度不小于10倍管径。
⑧ 瓦斯抽放管道内壁在孔板前后距离为2倍管径的范围内，不得凹凸不平，不能有焊逢，垫片等。

5、考察仪器、仪表
试验所需的仪器、仪表、配套装备及材料由局、矿准备；为节约资金，部分配套装备可由局矿自行加工，由中国科学技术大学提供加工图纸。
表3 考察仪器、仪表及材料
序号
名 称
型 号
数 量
单 位
单 价
（元）
金 额
（元）
1
压力表
Y60-6.0
10
块
60
600
2
三通阀

10
个
900
9000
3
突出预测仪
TWY
2
套

4
流量计
J2.5
6
个
300
1800
5
孔板
Ф50
20
块
200
4000
孔板
Ф100
10
块
500
5000
孔板
Ф150
4
块
520
2080
6
抽放参数仪

1
套

7
百分表

8
套
500
4000
8
封孔泵
KBF
2
台

9
压差传感器
KG4092
4
台
3600
14400
10
多参数突出预测仪
WTC
1
套
16000
16000
11
轻便防突钻机
QFZ-22
2
台

12
水泥
425#
20
吨

13
膨胀水泥
U-型
0.3
吨

14
水玻璃

0.2
吨

15
孔板联接装置
10套，由阀兰盘、不同管径钢管设计加工
16
煤层变形测定装置
加工8套，由Ф65mm*4m管及Ф10mm*400m钢筋等设计加工
17
测压及安装杆
1/2”铁管及接头加工，需其材料400m，也可用Ф8-10m紫铜管。
18
CO2或N2
主动式测压注气，8瓶，注气阀6个。