保护层开采讲座投影(刘林)

2003年瓦斯所技术研讨一、开采保护层防治煤与瓦斯突出二、高瓦斯回采工作面瓦斯综合治理报告人：刘林第一篇：开采保护层防治煤与瓦斯突出技术提纲一、开采保护层的基本理论二、开采保护层瓦斯综合治理三、开采保护层的实践与经验四、发展方向开采保护层防治煤与瓦斯突出技术一、开采保护层的基本理论1、保护层采动作用的基本规律；2、开采保护层防治煤与瓦斯突出机理；3、保护效果及保护参数考察；4、开采保护层应注意的问题。一、开采保护层基本理论1、保护层采动作用的基本规律（1）什么是保护层开采？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。一、开采保护层基本理论1、保护层采动作用的基本规律（2）保护层开采后顶、底板煤岩体中应力重新分布规律保护层开采后，周围的煤岩层向采空区移动，采空区上方岩体冒落并形成自然冒落拱，采空区下方岩体向采空区膨胀形成裂隙,使得采空区上下方煤岩体产生应力、透气性、瓦斯压力、位移等变化。研究顶底板岩体在保护层开采以后应力重新分布的规律，对于了解顶底板变形和破坏特征，确定被保护层的卸压范围具有十分重要的意义。下面以上保护层开采后底板煤岩体中应力的重新分布规律为例进行开采保护层理论研究情况介绍。一、开采保护层基本理论1、保护层采动作用的基本规律（3）上保护层开采后底板煤岩体中应力重新分布规律a、将煤层开采以后底板岩体视为层状岩层组成的半无限体，集中载荷P作用在半无限体的平面上，对平面下方任何一点M将发生影响，如图1所示。底板岩体内M点处受到的垂直应力Z可用下式和图1表示：Z=KP/h2，其中K=（3/2）▪1/1+r/h25/2PHMr一、开采保护层基本理论1、保护层采动作用的基本规律b、在上述数学模型基础上，采用有限元模拟计算对上保护层开采后底板岩体中沿走向、倾斜方向垂直应力Z进行计算，可得出沿走向和倾向垂直应力Z等值曲线分布图。利用沿走向垂直应力Z等值分布曲线可得走向卸压角以及保护层与被保护层的有效开采垂距。下面以假设条件开采深度800m，上覆岩层容重2.5t/m3为例进行数字计算，其结果如下图2所示。一、开采保护层基本理论1、保护层采动作用的基本规律c、沿倾向垂直应力Z等值曲线分布如图3，卸压区（图中等应力线小于1的范围）倾斜上方卸压角为78、倾斜下方卸压角为79。需要注意的是此卸压范围并不是底板岩层中被保护煤层的有效保护范围，有效保护范围只能位于其中，但要小于该卸压范围。0.42.09γh1.42.19γh40h/m2001.21.81.60.40.61.00.81.21.01.81.61.4一、开采保护层基本理论1、保护层采动作用的基本规律d、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4为鱼田堡煤矿开采上保护层3#煤层后被保护层4#煤层参数变化情况。由图4可看出，被保护层参数的变化可大致划分为4个带，即：正常应力带、集中应力带、保护卸压带和应力恢复带。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。保护层防治煤和瓦斯突出的原理可用框图5表示。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5保护层防治煤与瓦斯突出原理框图一、开采保护层基本理论2、开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机理一、开采保护层基本理论3、保护效果及保护参数考察(1)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。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。选择保护层时应根据保护层厚度、顶板管理方法，回采工作面长度和开采深度等因素确定有效垂距。一、开采保护层基本理论3、被保护层有效保护范围确定(2)保护层沿走向的合理超前距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40m，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。一、开采保护层基本理论3、被保护层有效保护范围确定(3)保护层沿走向的卸压保护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。一、开采保护层基本理论3、被保护层有效保护范围确定(4)保护层沿倾向的卸压保护角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+QO10°，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，也可按《细则》表17数值确定，表中δ3、δ4为上保护层上山及下山方向卸压角。一、开采保护层基本理论4、开采保护层应注意的问题a.开采保护层时，尽量不留煤柱或尽量留小煤柱（46m）。不得已留煤柱时须在采掘工程平面图上标记，以便划定保护范围。在煤柱影响带，突出危险性比原始状态更大；b.被保护层采掘工作面尽量布置在保护范围内，减少其突出危险性；c.对不同矿井、不同保护层和被保护层，保护层的保护参数及保护效果应进行实地考察，根据考察结果指导下一步采掘和防突设计。二、开采保护层瓦斯综合治理1、范围保护层（首采层）工作面和被保护层工作面瓦斯治理，其中首采层工作面瓦斯治理是关键所在。2、目的一是减少保护层开采时的瓦斯涌出量，同时也加大了对被保护层的保护效果。3、技术途径可采用底板穿层钻孔抽放、顶板走向钻孔抽放、高抽巷、沿空留巷抽排、风流排放等技术措施进行首采层瓦斯综合治理。三、开采保护层的实践与经验典型工程：1、新庄孜矿煤层群多重开采上保护层项目2、潘三矿远距离开采下保护层项目3、潘二矿近距离开采上保护层项目三、开采保护层的实践与经验新庄孜矿多重上保护层开采总体方案新矿B组煤共包括B8、B7b、B7a、B6、B4煤层，采用区内联合布置方式，其中B8、B7b、B7a为非突出危险煤层，B6和B4为突出危险煤层。设计以B8作为首采保护层，保护B6和B4。B8开采后，在保护范围内，B6煤层的突出危险性将消除，B4煤层突出危险性将降低。随后开采B7b、B7a，那麽B6、B4煤层将进一步得到保护。开采B6后，B4将再次得到保护。对B6煤层来说，其保护范围应是B8、B7b、B7a中的最大保护范围，对B4煤层的保护范围，应是B8、B7b、B7a、B7a、B6中的最大保护范围。三、开采保护层的实践与经验新庄孜矿多重上保护层开采考察内容考察方案设计内容包括B8煤层开采对B6突出危险煤层的合理保护参数及保护效果，B8煤层开采对B7、B6和B4煤层的瓦斯释放效果。B6煤层开采对B4突出危险煤层保护效果，B6煤层开采对B4突出危险煤层的瓦斯释放效果等。考察指标瓦斯压力、钻孔瓦斯流量及抽放量、透气性系数、煤层相对变形参数的变化情况。-60-40-200+20+40+60+80+100+1205608工作面超前测点距离（m）Q10-3λqP（M3/min）煤（M2/Mpa2.d）（Mpa0抽层透（M3/min）放变气瓦瓦量形性斯斯1.02525流压量力0.820200.44.0PQ0.615150.33.00.410100.22.00.2550.11.0qλ新庄孜煤层群开采上保护层防突效果及保护参数分析图6B8煤层5608工作面开采后B6煤层5参数综合分析曲线图三、开采保护层的实践与经验表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+2B6煤层瓦斯压力P（MPa）3.63.73.72.51.50.60.60.2B6煤层瓦斯流量q（m3/min）0.0090.010.10.220.2940.250.05B6煤层透气性系数λ(m2/MPa2•d)0.04450.04011522.222.2B6煤层相对变形10-30041127.127.121B8B6煤层瓦斯抽放量(m3/min)0.220.180.60.980.980新庄孜煤层群开采上保护层防突效果及保护参数分析B8煤层回采工作面相对于B6煤层掘进工作面的合理超前距为不小于40m。B6煤层在B8、B7b、B7a煤层开采以后沿倾斜下方的卸压保护角分别为78、77、77；沿倾斜上方的卸压保护角皆为70；沿走向的卸压保护角分别为56、58、60.5。B6煤层在B8、B7b、B7a煤层开采后的卸压保护角，以及卸压保护范围如图3、4所示。图7B8、B7b、B7a煤层开采后B6煤层沿倾斜上、下方的卸压角及保护范围新庄孜煤层群开采上保护层防突效果及保护参数分析图8B8、B7b、B7a煤层开采后B6煤层沿走向的卸压保护角及保护范围新庄孜煤层群开采上保护层防突效果及保护参数分析项目技术创新点、技术难度和水平（1）本项目抓住煤层群开采的特点，利用开采保护层一般理论，选择强突出危险性区域进行多重保护层开采研究试验。通过多参数的考察多方面对保护层开采合理参数和保护效果进行综合分析、论证、确定，提出了具有创新性的多重保护层开采的作用机理，突破了国内外保护层开采技术从六十年代至今40年无重大进展的现状。丰富和发展了保护层开采的基本理论，建立了保护层开采效果考察及评价体系，对淮南矿区近、中层间距煤层群开采消除突出危险效果显著，对类似开采条件的矿井防治煤与瓦斯突出及瓦斯综合治理具有普遍指导意义。（2）本项目首先选择非突出煤层为保护层进行开采，然后开采被保护的突出煤层，借此再对突出危险性更强的煤层进行保护。对煤层群同组多层突出煤层的保护效果和保护范围进行了确定，其安全和经济效益都极为显著，此项技术在国内尚属首创，处于国际领先水平。（3）本项目2001年经安徽省科技厅鉴定，达到了国际先进水平，并荣获了2001年煤炭行业十大科技成果奖。项目推广应用情况本项目的研究成果，已在淮南及全国类似条件矿井推广应用，为中厚及厚突出危险煤层实施放顶煤开采，实现高产高效创造了条件。新庄孜矿目前在本项目研究成果的基础上进行了采煤方法的革新，已开始了放顶煤回采。项目实施的效果和产生的经济、社会及生态效益1、在非保护区内5606Ⅰ区段煤巷掘进进尺每月仅为30m，而在