保護(hù)層開采上覆煤巖變形移動及瓦斯抽采效果

1、保護(hù)層開采上覆煤巖變形移動及瓦斯抽采效果    摘 要：根據(jù)潘三礦東四采區(qū)實(shí)際開采條件和回采工藝，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了近水平煤層保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層應(yīng)力、變形量、透氣性系數(shù)在保護(hù)層開采過程中的演化機(jī)制。結(jié)果表明：保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層存在未受影響區(qū)（原始應(yīng)力區(qū)）、增壓區(qū)、過渡卸壓區(qū)、穩(wěn)定卸壓區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，被保護(hù)層邊界區(qū)域附近過渡卸壓區(qū)內(nèi)的透氣性系數(shù)為原始透氣性系數(shù)的30倍左右，煤體應(yīng)力下降，產(chǎn)生了一定的膨脹變形，大大提高了瓦斯抽采效果。關(guān)鍵詞：采礦工程；保護(hù)層；瓦斯抽采中圖分類號：TD853.3TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2、文章編號：1672-1098(2012)02-0035-06收稿日期：2012-04-25作者簡介：方昌才（1963-），男，安徽桐城人，高級工程師，學(xué)士，從事礦井通風(fēng)安全工作。The Deformation Characteristic of overlying coal/rock and Gas Drainage Effect with Protective Seam MiningFang chang-cai(Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Amnhui 232000, China)Abstract:Acco

3、rding to the geologic conditions and miningg technology of pansan coal mine, the evolution mechnism of stress, permeability and deformation in process of protective coal seam mining are investigated. The results show that there are five zones in the protected coal seam during protective seam mining,

4、 which are unaffected zone, pressure increased zone, transitional stress releaf zone, stablized stress releaf zone，re-compacted zone. Permeability of proteted seam in protected boundary areas increases 30 times than original permeability. Decrease of stress in coal seam results in a certain degree o

5、f swelling deformation, which greatly improve effect of gas extraction.Key words:mining engineering; protective seam mining; gas extraction我國保護(hù)層開采過程中，保護(hù)效果的考察，特別是保護(hù)邊界的確定是沿用前蘇聯(lián)的相關(guān)參數(shù)與指標(biāo)1。這與我國煤礦保護(hù)層開采的實(shí)際情況有一定的出入。根據(jù)近年來我國關(guān)于保護(hù)層開采的研究表明，前蘇聯(lián)關(guān)于保護(hù)層保護(hù)邊界的劃分偏于保守，特別是在目前地面鉆孔廣泛運(yùn)用的前提下，被保護(hù)范圍邊界區(qū)域煤巖及瓦斯變化特征的研究對合理保護(hù)范圍的確定更有其

6、現(xiàn)實(shí)意義。保護(hù)層開采作為最有效的區(qū)域防突措施，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)2-3分別應(yīng)用數(shù)值模擬和相似模擬的方法得出下保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層卸壓范圍、膨脹變形、應(yīng)力分布和透氣性系數(shù)的變化。文獻(xiàn)4運(yùn)用損傷透氣性耦合演化方程，研究了保護(hù)層開采過程中卸壓瓦斯流動的機(jī)理。文獻(xiàn)5-7對于煤與遠(yuǎn)程卸壓瓦斯安全高效共采、上覆遠(yuǎn)程卸壓巖體移動特性與瓦斯抽放技術(shù)、保護(hù)層卸壓瓦斯抽采及涌出規(guī)律、高瓦斯特厚煤層煤與卸壓瓦斯共采和軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為煤與瓦斯共采指明了方向。但是，關(guān)于近水平遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層邊界區(qū)域煤巖及瓦斯壓力變化規(guī)律的研究尚不多見。1 煤巖體變形

7、移動及保護(hù)范圍1.1 試驗(yàn)區(qū)概況17171(1) 保護(hù)層工作面位于潘三礦東四采區(qū)，工作面走向長度1 200 m，傾向長度240 m， 埋深為-722-752 m， 開采11-2煤層， 平均傾角為5°，平均煤厚2 m，保護(hù)13-1煤層，13-1煤層位于11-2煤層上方，平均層間距72 m，被保護(hù)層原始瓦斯含量為1222 m3/t，瓦斯壓力為3.5 MPa，煤層原始透氣性系數(shù)為2×10-4m2/MPa2?d。1.2 數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算模型共建立16層煤巖（見圖1），其中第三層和第五層分別代表13-1煤和11-2煤。煤巖具體力學(xué)及幾何參數(shù)如表1所示。模型走向方向長300 m，垂直方

8、向長120 m，共劃分300×120個單元，根據(jù)煤層賦存實(shí)際，上邊界施加為10 MPa的地應(yīng)力，左、右、下邊界為位移約束邊界， 保護(hù)層（11-2煤）采用一次采全高， 分步開挖全部跨落管理頂板， 依據(jù)實(shí)際開采強(qiáng)度， 每步開挖時間間距為1 d， 共開挖20步即開采時間為20 d， 總共開挖100 m。圖1 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)1.3 采場圍巖空間應(yīng)力分布特征保護(hù)層開采過程中（見圖2），隨著工 摘 要：根據(jù)潘三礦東四采區(qū)實(shí)際開采條件和回采工藝，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了近水平煤層保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層應(yīng)力、變形量、透氣性系數(shù)在保護(hù)層開采過程中的演化機(jī)制。結(jié)果表明：保護(hù)

9、層開采過程中，被保護(hù)層存在未受影響區(qū)（原始應(yīng)力區(qū)）、增壓區(qū)、過渡卸壓區(qū)、穩(wěn)定卸壓區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，被保護(hù)層邊界區(qū)域附近過渡卸壓區(qū)內(nèi)的透氣性系數(shù)為原始透氣性系數(shù)的30倍左右，煤體應(yīng)力下降，產(chǎn)生了一定的膨脹變形，大大提高了瓦斯抽采效果。關(guān)鍵詞：采礦工程；保護(hù)層；瓦斯抽采中圖分類號：TD853.3TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-1098(2012)02-0035-06收稿日期：2012-04-25作者簡介：方昌才（1963-），男，安徽桐城人，高級工程師，學(xué)士，從事礦井通風(fēng)安全工作。The Deformation Characteristic of overlying coal/roc

10、k and Gas Drainage Effect with Protective Seam MiningFang chang-cai(Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Amnhui 232000, China)Abstract:According to the geologic conditions and miningg technology of pansan coal mine, the evolution mechnism of stress, permeability and deformation i

11、n process of protective coal seam mining are investigated. The results show that there are five zones in the protected coal seam during protective seam mining, which are unaffected zone, pressure increased zone, transitional stress releaf zone, stablized stress releaf zone，re-compacted zone. Permeab

12、ility of proteted seam in protected boundary areas increases 30 times than original permeability. Decrease of stress in coal seam results in a certain degree of swelling deformation, which greatly improve effect of gas extraction.Key words:mining engineering; protective seam mining; gas extraction我國

13、保護(hù)層開采過程中，保護(hù)效果的考察，特別是保護(hù)邊界的確定是沿用前蘇聯(lián)的相關(guān)參數(shù)與指標(biāo)1。這與我國煤礦保護(hù)層開采的實(shí)際情況有一定的出入。根據(jù)近年來我國關(guān)于保護(hù)層開采的研究表明，前蘇聯(lián)關(guān)于保護(hù)層保護(hù)邊界的劃分偏于保守，特別是在目前地面鉆孔廣泛運(yùn)用的前提下，被保護(hù)范圍邊界區(qū)域煤巖及瓦斯變化特征的研究對合理保護(hù)范圍的確定更有其現(xiàn)實(shí)意義。保護(hù)層開采作為最有效的區(qū)域防突措施，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)2-3分別應(yīng)用數(shù)值模擬和相似模擬的方法得出下保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層卸壓范圍、膨脹變形、應(yīng)力分布和透氣性系數(shù)的變化。文獻(xiàn)4運(yùn)用損傷透氣性耦合演化方程，研究了保護(hù)層開采過程中卸壓瓦斯流動的機(jī)理。文獻(xiàn)5-7

14、對于煤與遠(yuǎn)程卸壓瓦斯安全高效共采、上覆遠(yuǎn)程卸壓巖體移動特性與瓦斯抽放技術(shù)、保護(hù)層卸壓瓦斯抽采及涌出規(guī)律、高瓦斯特厚煤層煤與卸壓瓦斯共采和軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為煤與瓦斯共采指明了方向。但是，關(guān)于近水平遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層邊界區(qū)域煤巖及瓦斯壓力變化規(guī)律的研究尚不多見。1 煤巖體變形移動及保護(hù)范圍1.1 試驗(yàn)區(qū)概況17171(1) 保護(hù)層工作面位于潘三礦東四采區(qū)，工作面走向長度1 200 m，傾向長度240 m， 埋深為-722-752 m， 開采11-2煤層， 平均傾角為5°，平均煤厚2 m，保護(hù)13-1煤層，13-1煤層位于11-2煤層上方，平均

15、層間距72 m，被保護(hù)層原始瓦斯含量為1222 m3/t，瓦斯壓力為3.5 MPa，煤層原始透氣性系數(shù)為2×10-4m2/MPa2?d。1.2 數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算模型共建立16層煤巖（見圖1），其中第三層和第五層分別代表13-1煤和11-2煤。煤巖具體力學(xué)及幾何參數(shù)如表1所示。模型走向方向長300 m，垂直方向長120 m，共劃分300×120個單元，根據(jù)煤層賦存實(shí)際，上邊界施加為10 MPa的地應(yīng)力，左、右、下邊界為位移約束邊界， 保護(hù)層（11-2煤）采用一次采全高， 分步開挖全部跨落管理頂板， 依據(jù)實(shí)際開采強(qiáng)度， 每步開挖時間間距為1 d， 共開挖20步即開采時間為20

16、d， 總共開挖100 m。圖1 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)1.3 采場圍巖空間應(yīng)力分布特征保護(hù)層開采過程中（見圖2），隨著工 面的推進(jìn)，11-2煤層上方巖層不斷跨落，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。在被保護(hù)煤層走向方向上形成未受影響區(qū)（原始應(yīng)力區(qū)）、過渡卸壓區(qū)、穩(wěn)定卸壓區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)（見圖3）。 當(dāng)11-2煤層開挖為100 m時，垂直方向上，冒落帶高度約為15 m，裂隙帶高度約為35 m，這與實(shí)際測量結(jié)果比較吻合。 隨著11-2工作面的推進(jìn)，其采空區(qū)上方的13-1煤層的最大主應(yīng)力與剪切應(yīng)力開始下降，下降幅度與范圍隨著保護(hù)層開采范圍的擴(kuò)大而擴(kuò)大。當(dāng)開采達(dá)到75 m時，13-1煤層中部(11-2采空

17、區(qū)正上方)最大主應(yīng)力與剪切應(yīng)力開始反彈；開采100 m時，被保護(hù)層中部出現(xiàn)被重新壓實(shí)的現(xiàn)象即卸壓開始減?。ㄒ妶D4）。 由此可見在被保護(hù)層過渡卸壓區(qū)、穩(wěn)定卸壓區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力與剪切應(yīng)力呈現(xiàn)“W”形分布。被保護(hù)層在走向方向上經(jīng)歷了未受影響區(qū)增壓區(qū)（壓縮）過渡卸壓區(qū)（開始膨脹）穩(wěn)定卸壓區(qū)（膨脹變大）重新壓實(shí)區(qū)（膨脹減小至穩(wěn)定）。 對比數(shù)值模型與模型實(shí)驗(yàn)8(見圖5)可知，被保護(hù)層切眼沿走向方向依次經(jīng)歷了壓縮膨脹膨脹變形變大膨脹變形減小穩(wěn)定階段。這與數(shù)值模擬得出在被保護(hù)煤層走向方向上存在未受影響區(qū)（原始應(yīng)力區(qū)）、過渡卸壓區(qū)、穩(wěn)定卸壓區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)的結(jié)論基本一致。對比圖4和圖5可以看出，本次

18、數(shù)值模擬得出最大主應(yīng)力分布與模型實(shí)驗(yàn)中被保護(hù)層厚度變化趨勢基本一致。圖5 模型實(shí)驗(yàn)為了考察保護(hù)層開采過程中上覆煤層移動變形特性，在13-1煤層中測定了瓦斯壓力、抽放半徑，膨脹變形量等參數(shù)，所有數(shù)據(jù)均實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。測壓鉆孔具體布置如圖6所示，4#測壓鉆孔處于理論保護(hù)線與13-1煤相交位置；28#、29#鉆孔壓力在保護(hù)層開采過程中持續(xù)下降但下降幅度要比4#鉆孔壓力下降幅度?。ㄒ妶D7a圖7b），這說明應(yīng)力在穩(wěn)定卸壓區(qū)要比過渡卸壓區(qū)會下降更大的幅值；4#、15#測壓鉆孔在保護(hù)層開采過程中持續(xù)下降，即4#、15#測壓鉆孔處于應(yīng)力降低區(qū)，這與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。軌1#、軌2#鉆孔壓力隨著保護(hù)層工作面的推

19、進(jìn)持續(xù)增加，說明軌道順槽向外一定區(qū)域存在應(yīng)力增高區(qū)，這與數(shù)值模擬存在增壓區(qū)的結(jié)果基本符合（見圖7c）。1.4 被保護(hù)層透氣性和變形分布特征隨著保護(hù)層開采范圍的擴(kuò)大， 被保護(hù)層透氣性系數(shù)隨之增大， 分布范圍也擴(kuò)大（見圖8）。 當(dāng)保護(hù)層開挖100 m，實(shí)測被保護(hù)層最大透氣性系數(shù)為0.12 m2/MPa2?d，是原始透氣性系數(shù)的600倍，高透氣性系數(shù)分布在穩(wěn)定卸壓區(qū)，透氣性系數(shù)在重新壓實(shí)區(qū)有所減小但也維持在較高的范圍，在過渡卸壓區(qū)范圍內(nèi)透氣性系數(shù)有所增加，約為原始透氣性系數(shù)的30倍左右?；夭删嚯x/m當(dāng)保護(hù)層開采100 m時，被保護(hù)層最大膨脹變形約為225 mm，為13-1煤層的3.75%，在重新壓實(shí)

20、區(qū)，由于最大主應(yīng)力的下降，被保護(hù)層的膨脹變形減小但仍然保持在較高范圍，這與透氣性系數(shù)分布較為一致（見圖9）?；夭删嚯x/m1. 下沉量；2. 變形量由圖8、圖9可知，被保護(hù)層透氣性系數(shù)和膨脹變形在渡卸壓區(qū)、穩(wěn)定卸壓區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)范圍內(nèi)呈現(xiàn)“M”形分布，與應(yīng)力的“W”形分布正好對應(yīng)。當(dāng)保護(hù)層開采100 m時的膨脹變形量是225 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果基本上吻合（見圖10）。工作面推進(jìn)距離/m1. 1#變形孔；2. 2#變形孔保護(hù)層開采穩(wěn)定后，為考察地面鉆孔抽采對17101（3）被保護(hù)層采面瓦斯壓力所造成的影響，沿著17101（3）采面布置有3組考察孔（見圖11）。在17101（3）軌順布置A組考察孔

21、；在17101（3）運(yùn)順布置B組考察孔；在17101（3）切眼沿走向布置C組穿層鉆孔。在17101（3）采面布置的瓦斯抽采鉆孔有1#、2#地面瓦斯抽采鉆孔。上、下順槽及切眼殘余瓦斯壓力和含量如表2所示。圖11 被保護(hù)層擴(kuò)界范圍（單位：m）17101（3）被保護(hù)層在地面抽采鉆孔抽采條件下，切眼附近區(qū)域平均抽采率為55.74%。在此抽采率條件下，17101（3）工作面上部邊界瓦斯壓力為0.27 MPa，17101（3）工作面下部邊界瓦斯壓力為0.16 MPa，17101（3）工作面切眼附近瓦斯壓力為0.39 MPa，17101（3）工作面切眼向外15 m瓦斯壓力為0.73 MPa。因此保護(hù)層開采配合地面抽采鉆孔