收稿日期:2009-06-02
作者简介:黄旭超(1981-),男,四川德阳人,
2005年毕业于安徽理工大学,现在煤炭科学研究总院重庆研究院从
事煤矿瓦斯灾害防治技术研究工作。
关于远距离上保护层开采卸压保护角的确定
黄旭超1
,林 青2
,程 丽1
,陈宴勤
1
(1.煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037;2.皖北煤电集团祁东煤矿,安徽宿州 234000)
摘 要:为了优化采区采掘部署,实现安全高效开采,基于保护层开采区域性防突措施的重要性,即保护层的开采,论文就祁东矿上保护层开采过程中,对下部被保护煤层卸压保护角的理论分析和煤岩及瓦斯动力参数现场考察,得到了矿井一定瓦斯地质单元条件的卸压保护角,该参数能为类似条件下上保护层开采确定卸压保护角提供参考。
关键词:远距离;上保护层;开采;卸压角 中图分类号:ＴＤ713 文献标识码:Ｂ 文章编号:1671-0959(2010)04-0045-03
国内外瓦斯治理经验表明,在防治煤与瓦斯突出以及其他瓦斯灾害的措施中,开采保护层并结合瓦斯抽放是最有效和最经济的措施。保护层开采体系中,开采保护层技术效果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,而被保护层的有效卸压范围需要通过考察其卸压保护角来确定,因此,卸压保护角的合理确定是一个重要研究内容。
1 试验区域概况
祁东煤矿二采区71煤层,平均厚度1.75ｍ,其下部22ｍ、33ｍ、46ｍ左右是煤层平均厚度分别为1.7ｍ、2.2ｍ、5.2ｍ的81、82、9煤层,其中9煤层为高瓦斯低透气性严重突出危险煤层。矿井煤层赋存具备开采上保护层条件,并将上覆71煤层作为保护层开采。
二采区71煤7122工作面为保护层首采工作面,其位于一水平井田西翼,东(工作面切眼)靠近Ｆ25断层,南(工作面风巷)接近-460ｍ,西至二采区运输上山,靠近Ｆ1支断层,北靠近7123工作面。工作面起止标高-460～-500ｍ,平均倾向宽164ｍ,走向长1090ｍ。
2 卸压保护角的理论分析
开采保护层防治煤与瓦斯突出的具体作用在于:①保护层开采后围岩(煤、岩体)卸压发生膨胀变形,增大了围岩透气性,有利于被保护煤层瓦斯解吸和自然排放,并为瓦斯抽放提供了良好的条件,从而降低突出煤层瓦斯含量与压力,使突出煤层瓦斯潜能降低;②围岩卸压及膨胀变形,体积变形能降低,即使围岩弹性潜能降低;③远离保护层采空区上下方的突出煤层瓦斯含量与压力降低后,煤体强度增高,抵抗突出的能力增强,而近距离保护层采空
区上下方的突出煤层由采动裂隙贯通,提供了解吸瓦斯涌向采空区的通道。因此,保护层开采后围岩应力重新分布和煤岩变形是被保护层瓦斯动力参数变化的根源,被保护层瓦斯动力参数的分布是开采保护层的结果。
突出煤层的地应力与瓦斯动力参数两者之间存在着因果关系,是相互联系的,但两者的分布趋势却不相同,被保护煤层得到有效保护的标志是煤岩瓦斯动力参数的变化。依据上述理论分析可知,保护层开采后确定被保护煤层的卸压保护角是一项综合技术难度大的工作,被保护煤层卸压范围的划分需要重点考察被保护煤层变形、瓦斯动力参数及其动态变化规律,并进行综合分析确定。
3 卸压保护角考察3.1 考察钻孔设计
煤与瓦斯突出是井下一种复杂的动力现象,它是工作面煤岩层瓦斯潜能和弹性能急剧释放的结果;当煤岩层瓦斯潜能和弹性能之和降低到引起突出的临界能量以下,才能避免突出的发生。根据采场上覆岩层“Ｏ”型卸压圈理论,保护层工作面进风巷或回风巷在切眼或停采线附近隅角处应力梯度最大,其对应上、下岩层卸压范围相对较小,因此,保护层工作面在切眼或停采线附近隅角处沿倾斜上、下山方向的卸压角一般比采空区中部倾斜上、下山方向卸压角略小。而生产实际中被保护层工作面进、回风巷必需直线布置,因此,被保护层卸压角的确定应以保护层工作面在切眼或停采线附近隅角处的最小卸压角为基准。
根据上述原则,在二采区被保护9煤层底板92采区底抽巷和92采区集中回风巷东段布置倾斜方向卸压保护角考察钻孔;在92采区集中回风巷西段布置走向方向卸压保护角考察钻孔。考察钻孔设计见图1、图2所示。
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3.2 倾斜方向卸压保护角考察
根据倾斜方保护层7122综采面开采前后被保护9煤层瓦斯压力变化测定结果,整理得被保护9煤层瓦斯压力考察孔考察数据与保护层7122综采面相对位置之间的关系见图3、图4。
随着保护层7122综采面的回采,被保护层9煤层在倾斜方向的不同范围均产生了不同程度的变化。被保护煤层9煤层中布置的煤层变形考察孔所测值与保护层7122综采面推进距离之间的关系见图5、图6。
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从图3、图4看出,当7122综采面采过被保护9煤层瓦斯压力考察孔到100ｍ位置时,其倾斜上、下方设计卸压线内及设计卸压线上的所有考察钻孔瓦斯压力降为0ＭＰａ。被保护9煤层倾斜上、下方设计卸压线外的测压钻孔瓦斯压力变化减小。
从图5、6看出,保护层7122工作面开采后,被保护9煤层发生不同程度的变形。被保护9煤层倾斜上方设计卸压线内的钻孔煤层膨胀变形为20.6‰,设计卸压线上的钻孔煤层膨胀变形为8.7‰;被保护9煤层倾斜下方设计卸压线内的钻孔煤层膨胀变形为17‰,设计卸压线外的钻孔煤层膨胀变形为12.7‰。
3.3 走向方向卸压保护角考察
随着保护层7122工作面回采的结束,将9煤走向方向瓦斯压力及煤层顶底板变形考察数据进行整理分析,得到保护层7122工作面开采前后被保护9煤层走向方向瓦斯压力变化关系,见图7;保护层7122工作面开采前后被保护9煤层走向方向煤层顶底板变形变化关系图,见图8
。
从图7看出,受保护层7122工作面采动影响,被保护层9煤走向考察钻孔瓦斯压力变化趋势较明显。7122综采面回采结束,煤岩体变化稳定后,处于设计卸压线内的钻孔瓦斯压力分别由0.6ＭＰａ降为0和0.3ＭＰａ;处于设计卸压线上的钻孔瓦斯压力降为0ＭＰａ。设计卸压外的钻孔瓦斯压力变化小,由0.8ＭＰａ降为0.7ＭＰａ。
从图8看出,保护层7122工作面开采后,被保护层9煤走向煤层变形变化较显著的为设计卸压线内的考察钻孔,根据9煤层顶底板绝对变形量计算出垂直煤层层面方向的相对变形分别为:14.7‰、5.8‰。
4 卸压保护角分析
根据国内外开采保护层的实践,当反映煤岩动力参数的被保护煤层膨胀率达到6‰,且瓦斯压力降低至0.74ＭＰａ以下时,突出煤层能够得到有效保护。由此可以得出被保护9煤层倾斜方向及走向方向位于设计卸压线上考察钻孔以内的区域已经处于有限保护范围。
根据祁东煤矿二采区多重上保护层开采被保护煤层走向和倾向的卸压角模拟结果及71煤层7122工作面开采前后,被保护9煤层倾斜上、下方及走向方向煤层变形及瓦斯压力考察结果分析得出:7122工作面回采后对被保护9
煤层倾斜上、下方向的卸压保护角分别为75°、76°,走向方向卸压保护角为57°
。
5 结 语
1)7122工作面回采后,对被保护9煤层瓦斯动力参数变化的综合分析得出:被保护9煤层倾斜上、下方向的有效卸压保护角分别为75°、76°,走向方向有保护效卸压角为57°。
2)被保护煤层瓦斯动力参数的规律性变化,说明9煤被保护区内的煤岩体卸压发生膨胀变形,增加了煤岩的透气性,促进了煤层瓦斯解吸和自然排放,并为瓦斯抽采提供了良好的条件,从而降低煤层内的瓦斯含量与压力,使煤层的瓦斯潜能较少,降低了9煤的突出危险性。
(责任编辑 章新敏)
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