保护层开采探索与实践

1.第4期平煤集团公司通风管理中心二○○八年九月二十一日集团公司瓦斯综合治理现场会材料系列之一保护层开采探索与实践平煤集团四矿（2008年9月19日）平煤集团四矿有着50年的开采史，随着采深的延伸和开采强度的加大，矿井由单一水平变为多水平开采，由低瓦斯矿井变为煤与瓦斯突出矿井。矿井瓦斯涌出量急剧增加，煤与瓦斯突出危险性日益严重，瓦斯问题已成为制约四矿高产高效、安全生产和可持续发展的突出问题。近年来，在集团公司领导和业务处室的正确领导和大力支持下，认真贯彻“治理瓦斯就是解放生产力，治好瓦斯就是发展生产力”的瓦斯治理理念，积极落实和推进“四个转变”工作，在深入学习兄弟单位瓦斯治理先进经验的基础上，结合本矿实际，积极探索行之有效的瓦斯治理方法，实施了以开采保护层为主的区域性防突措施，实现了瓦斯治理由局部治理向区域治理的重大转变，连续六年杜绝了煤与瓦斯突出事故。下面重点介绍我矿保护层开采的探索与实践。不当之处敬请各位领导、专家批评指正。2.一、矿井概述四矿井田东西走向约2000m，南北倾斜长约5500m，开采垂深800-1000m，丁、戊、己、庚四组煤联合开采。两个二水平同时生产，现矿井实际生产能力300万吨/年。四矿于1997年鉴定为煤与瓦斯突出矿井，丁56煤层、己16.17煤层为突出煤层，共发生煤与瓦斯突出事故21起，其中丁组煤层17次，己组煤层4次，特别是2002年初，己16.17-23020切眼、丁56-19130采面接连发生了两起发生煤与瓦斯突出事故，面对这一现实，我们解放思想，更新观念，积极探索治理瓦斯的新思路、新方法，进行生产环节适应性改造，加大生产布局调整，强力推行了保护层开采。二、开采保护层的可行性四矿井田内含煤地层为太原组、山西组和石盒子组，共含煤层10余层，自上而下可采煤层为丁56煤层、戊8煤层、戊9.10煤层、己15煤层、己16.17煤层、庚20煤层。其中丁、戊组煤层间距在60-80m左右；己、庚组煤层间距在50-60m左右;戊8煤层与戊9.10煤层间距2-12m；己15煤层与与己16.17煤层层间距5-18m。丁5.6煤层煤层大部分为合层，平均煤厚3.5m，瓦斯含量9.7m3/t，为突出煤层；戊8煤层平均煤厚2.1m，瓦斯含量为2.034m3/t,瓦斯压力0.62MPa；戊9.10煤层大部分为合层，平均煤厚3.5m，瓦斯含量12.6m3/t,瓦斯压力0.95Mpa;己15煤层平均厚1.5m，瓦斯含量1.4m3/t；己16.17煤层大部分合层，平均煤厚4.2m，为突出煤层，瓦斯含量11.253.m3/t,瓦斯压力1.1MPa。以上煤层赋存情况，客观上为保护层开采提供了条件。三、保护层开采情况：为有效解决矿井生产过程中煤与瓦斯突出这一难题，四矿推行开采保护层技术：己组煤层首先开采无突出危险己15煤层作为上保护层解放己16.17突出煤层;戊组煤层首先开采无突出危险戊8煤层作为上保护层，解放戊9.10高瓦斯煤层。自2002年开采保护层以来,已累计开采保护层工作面14个，保护面积220.2万m2，解放突出煤层储量1182万t,其中己15煤层保护层工作面9个,保护层开采面积133.2万m2，保护层开采煤量为386万t，解放己16.17煤层储量786万t;戊8煤层保护层工作面5个,保护层开采面积87万m2，保护层开采煤量为282万t，解放戊9.10煤层储量396万t。针对丁戊组煤层赋存条件，煤层间距在70-80m之间，开采保护层与被保护层有效垂距符合《规程》、《细则》要求。我们充分研究了丁组、戊组煤层瓦斯含量及赋存条件，煤组、煤层之间距离、岩性，对大间距下保护层开采进行积极探索研究，在试验优先开采戊8煤层，复式解放下覆戊9.10高瓦斯煤层以及上覆丁5.6突出煤层，取得明显效果的基础上，今年初我矿已重新调整生产布局和采掘接替；进一步加大戊8煤层开采力度，丁九采区剩余突出煤层必须经下覆戊8保护层开采消突后再安排回采，从而使我矿所有突出和高瓦斯煤层全部实行保护层开采，真正实现了瓦斯治理由局部防治向区域治理的重大转变，为突出煤层的安全开采打下了坚实基础。4.四、保护层开采效果考察分析1、己组煤层保护层开采效果考察分析：(1)被保护层保护效果:己1617-23060采面位于己三采区西翼上部，上覆己15-23060采面开采保护层于2005年元月回采结束，采面整个区域处在保护层保护范围内，己16.17-23060采面作为首个被保护层工作面现已安全回采收作，我们对被保护层效果进行考察分析。该工作面得到彻底解放，煤层瓦斯大量释放，回采时生产状态下回风流瓦斯浓度仅在0.2%左右，上隅角瓦斯浓度最大仅为0.48%，工作面瓦斯绝对涌出量为2.84m3/min，工作面回采期间采取预测推进，节省大量防突费用，与相邻没有开采保护层的工作面相比，产量显著提高，平均月增产原煤3.38万吨以上，从回采开始到结束，实现瓦斯零超限，实现了生产力大解放。(2)开采保护层工作面与未开采保护层工作面分析比较:从己16.17-23060工作面回采过程看，开采保护层是极为有效的区域性防突措施，取得了良好的经济效益和社会效益。为了说明开采保护层取得的效果，我们将己16.17-23080与己16.17-23060两个相邻工作面进行对比分析。己16.17-23080采面位于己三采区西翼中上部，与己16.17-23060采面相邻,当时由于认识局限性,没有采取开采保护层措施,机巷掘进过程中，当掘至387米处，发生一次煤与瓦斯压出事故，压出煤量40吨，涌出瓦斯3206m3，采掘过程中测试指标经常出现超标现象。两个工作面相同点：均为综采工作面，均5.由综采二队回采;两采面风量均为1300m3/min以上，所采煤层均为己16.17煤层，且为相邻工作面;两采面煤层厚度、瓦斯含量、可采长度及采高基本相同。不同点：瓦斯涌出量的变化;煤样突出参数的变化;防突测试指标变化。①瓦斯涌出量对比分析:己16.17-23080综采面回采期间最大绝对瓦斯涌出量为14.2m3/min,己16.17-23060综采面回采期间最大绝对瓦斯涌出量为2.85m3/min,开采保护层后,被保护层充分卸压后,被保护层的瓦斯被大量释放（具体参数如下表）。己16.17-23080与己16.17-23060工作面瓦斯涌出量对比表日期内容已1617-23080采面已16.17-23060采面绝对瓦斯涌出量（m3/min)其中抽采瓦斯量（m3/min)产量(万吨）绝对瓦斯涌出量（m3/min)产量(万吨）6月11.642.323.30.513.437月11.832.212.30.514.98月12.42.252.062.856.99月14.22.42.462.848.42平均比较12.522.292.531.685.91②、煤样突出参数对比分析:己16.17-23080突出综采面的△P超标一次,一次接近,K值全超标、f值全超标。己16、17—23060突出综采面的△P、K值都不超标、f值都接近0.5,比己16.17-23080突出综采面的f值都大,说明己16.17开采保护层后，突出危险性明显降低，煤体强度增大（具体参数如下表）。己16.17-23080与己16.17-23060工作面煤样突出参数对比表6.位置指标已16。17-23080采面已16。17-23060采面采样点位置+1+395m+1+453.5m-15+8.4m-15+84m平均值-18+54.8m-9+20.4m+8+340m223m平均值Δp569.811.478.053.524.94.925.54.71k2319282924.757117119f0.220.230.350.390.290.4550.460.710.480.53③防突测试指标对比分析:己16.17-23080突出综采面没有开采保护层测试指标q值、s值与己16.17—23060突出综采面开采保护层后被保护层煤层测试指标q值、s值与进行分析比较：己16.17-23080突出综采面测试的q值最大为14L/min，最小为2.9L/min,q值指标基本接近临界值;己16.17-23060突出综采面测试的q值最大为1.8L/min，最小值为0.7L/min，突出危险性明显降低（具体参数如下表）。己16.17-23080与己16.17-23060工作面防突测试指标对比分析月份内容已16.17-23080采面测试参数情况已16.17-23060采面测试参数情况日期q（L/min)s（kg/m)日期q（L/min)s（kg/m)7月5日34.22日1.54.28日33.911日0.93.812日144.912日148月5日3.645日1.24.28日2.9413日1.2411日3.83.921日1.44.19月5日3.643日14.18日2.949日1.84.212日3.83.920日0.73.9（3）瓦斯压力、瓦斯含量变化:7.考察保护层开采效果的核心是考察保护层开采后被保护层的消突程度。保护层开采后，考察被保护层的残余瓦斯含量和瓦斯压力不仅可以计算瓦斯释放效果，还可以直接判断被保护层是否煤与瓦斯突出性，瓦斯压力、瓦斯含量变化最能够反映出突出危险性的大小。下表是己16.17-23060工作面保护层开采后煤层瓦斯压力、瓦斯含量变化情况。保护层开采后瓦斯压力、瓦斯含量变化表瓦斯压力（MPa）瓦斯含量（m3/t）原始瓦斯压力（Mpa）残余瓦斯压力（Mpa）瓦斯含量（m3/t）残余瓦斯含量（m3/t）1.10.1211.252.2（4）保护层卸压角的确定:根据《防治煤与瓦斯突出细则》要求，沿走向的保护范围可按卸压角560-620划定，沿倾斜方向保护范围的卸压角确定为750。四矿煤层倾角均小于100，以及根据被保护层布置采掘工作面效果考察情况，四矿保护层卸压角沿走向的保护范围暂定为600，沿倾斜方向保护范围的卸压角暂定为750。被保护层中布置采掘工作面在保护范围内严格执行连续预测，在非保护范围内直接执行排放钻孔措施。目前我矿正与中国矿业大学合作，进一步合理确定有效保护范围参数,为下一步开采保护层提供依据。8.沿倾斜方向保护范围沿水平走向方向保护范围保护层保护范围保护层采空区被保护层2、戊组煤层保护层开采效果考察分析：（1）煤层透气性系数变化:戊8煤层开采后，戊9.10煤层产生卸压，煤层的透气性也会发生相应的变化，透气性大大增加。测定卸压后戊9.10煤层的透气性并与卸压之前的透气性比较，可以深入了解被保护煤层所发生的变化。中国矿业大学在戊8-19190风巷测得戊9、10煤层的原始瓦斯压力为0.95Mpa，考察7号钻孔测得残余瓦斯压力为0.35MPa，测定瓦斯流量是在钻孔打开后32天测定的，测定的瓦斯流量为65.2L/min，根据钻孔的半径(0.047m)及煤孔长度(8m)，得到戊9.10煤层卸压后的透气性系数由原始透气性系数0.0561m2/(MPa2·d)增加到30.62m2/(MPa2·d)，比煤层原始透气性系数增加了545.8倍。戊8煤层保护层开采后,戊9.10煤层释放瓦斯后煤层由低透气性煤层变为高透气性煤层，由较难抽放煤层变为容易抽放煤层。9.（2）被保护层瓦斯压力变化情况：中国矿业大学在四矿戊8-19190工作面的测得被保护层瓦斯压力变化曲线情况如下图所示:1#孔瓦斯压力变化情况00.10.20.30.40.50.60.70.80.91024681012141618202224时间(d)压力(MPa)瓦斯压力随测压时间变化情况瓦斯压力随开采距离变化情况试验孔成孔10天左右，压力逐渐上升到戊9.10煤层原始瓦斯压力值并持续一段时间，这时由于采面比较远，下煤层应力是原始应力值。在采面推进到离孔20m左右处，由于采动影响，采空区底板岩层垂直应力不平衡，造成底板岩层向上鼓起，即底鼓现象。此时地板岩层裂隙场也随之发育，底鼓量逐渐增大，裂隙场沟通形成了瓦斯向上运移的通道，随着采面推进瓦斯压力是按近似线性趋势逐渐下降的。当采面推进到该孔时，下煤层所受垂直应力骤减，使得推进方向-0.200.20.40.60.81