8第八章 邻近层采前瓦斯抽采方法

安全工程专业程远平王亮•中国矿业大学•安全工程学院•煤矿瓦斯治理国家工程研究中心矿井瓦斯防治第八章邻近层采前瓦斯抽采方法一、概述二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择四、邻近层卸压瓦斯抽采方法及应用效果五、保护范围的划定六、卸压瓦斯抽采实例分析一、概述一、概述我国多数矿区都具备煤层群的开采条件，在首采煤层的采动作用下，会造成邻近煤层的地应力下降、移动变形、裂隙发育和透气性系数的增加，邻近煤层表现出明显的卸压特征；在邻近煤层为矿井主采煤层，且煤层瓦斯赋存丰富、瓦斯灾害严重的情况下，需要对邻近层进行采前抽采，降低邻近煤层的瓦斯压力和瓦斯含量；上述技术即为保护层开采技术；首采煤层为保护层，邻近层为被保护层。一、概述长期的理论研究和突出危险煤层开采实践表明，保护层开采技术是最有效、最安全和最经济的防治煤与瓦斯突出的措施。自1933年法国最先使用保护层开采防治煤与瓦斯突出技术以来，已在许多国家得到了应用。保护层被保护层被保护层保护层底板岩巷地面钻井地面穿层钻孔（a）下保护层开采（b）上保护层开采二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律在离保护层工作面采空区较近的区域，煤岩体的应力值下降很大，采空区下部一定深度范围内的煤岩体应力集中系数降至0.33以下。在采空区的后部区域随着顶板矸石的冒落压实，出现应力恢复现象。随着岩层间距即底板深度的增加，采空区下部区域卸压程度逐渐减弱，应力逐渐增大，有效卸压范围也逐渐减小。由此可见，达到一定深度后，保护层采空区下部煤岩体的应力下降较小、卸压作用减弱。0.00.51.01.52.02.5050100150200250300水平位置/m应力集中系数底板下方1m底板下方5m底板下方15m底板下方25m底板下方45m底板下方65m保护层开采后的应力重新分布图底板岩层内不同层间距处应力集中系数二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律根据围岩应力分布的不同，沿走向可划分为4个区，从前至后分别为：原始应力区、支撑应力区、卸压区和应力逐渐恢复区。沿走向顶底板煤岩层的应力分带沿走向顶底板煤岩层的应力分区二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律1）原始应力区原始应力区即为未受到保护层开采影响的区域，一般处于保护层工作面前方50～100m以外，该带承受正常应力，其承受的垂直应力与埋深成正比。煤层瓦斯动力参数未发生变化，保持原始数值。沿走向顶底板煤岩层的应力分带沿走向顶底板煤岩层的应力分区二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律2）集中应力区指的是保护层工作面附近，由于采动影响、应力转移，形成的集中应力区，一般在保护层工作面前方50m至后方20m处，其长度取决于工作面的开采深度、工作面长度、开采厚度、倾角和层间距等。大多数在工作面前方10m的范围。潘一矿被保护层C13煤层的最大压缩变形达3.37‰。在保护层开采过程中，防止被保护层工作面推进速度加快进入保护层工作面形成的支撑应力区，进而引发煤与瓦斯突出事故。为确保被保护层的卸压效果，防止发生意外，《防突规定》规定，正在开采的保护层工作面超前于被保护层的掘进工作面，其超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m。沿走向顶底板煤岩层的应力分带沿走向顶底板煤岩层的应力分区二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律3）卸压区卸压区指的是由于保护层的采动作用，产生应力转移，在采空区顶（底）板一定范围的煤岩层内形成的应力降低区。在卸压区，被保护层所承受的应力低于原始应力，煤层发生膨胀变形，原生裂隙张开，且随着煤岩体的移动形成次生裂隙，被保护层透气性呈几何级倍数增加，为被保护层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件。根据潘一矿考察结果，被保护层膨胀变形可达26.33‰，煤层透气性系数增加了2880倍，穿层钻孔单孔瓦斯抽采量达到了1m3/min以上。卸压期有一定的时空效应，要求提前施工钻孔，同时进行卸压瓦斯抽采。沿走向顶底板煤岩层的应力分带沿走向顶底板煤岩层的应力分区二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的地应力变化规律4）应力逐渐恢复区应力逐渐恢复区是由于采空区后部矸石冒落，顶板岩层充分移动形成的，位于采空区后部较远处。地应力及透气性与卸压区相比有所恢复。由于存在应力逐渐恢复区，因此需要被保护层瓦斯在卸压区内抽采掉。沿走向顶底板煤岩层的应力分带沿走向顶底板煤岩层的应力分区二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律在采空区附近，煤岩层移动量较大，随着层间距的加大煤岩层移动量逐渐减小。顶底板围岩的移动变形底板不同深度上岩层的移动变化规律-100-50050100150200250050100150200250300水平位置/m垂直移动量/mm底板下方65m底板下方45m底板下方35m底板下方25m底板下方15m开采层底板二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律保护层开采厚度为6.14m，层间距125m，顶板岩层形成了明显的“三带”划分，岩层移动发展至地面顶底板围岩的移动变形由于上部存在巨厚火成岩，对上部岩层起到了支撑作用，地表下沉不明显，造成弯曲带内长时间存在离层区，为邻近煤层的卸压瓦斯抽采提供了充足的抽采时间。二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律通过图中的参考线可以看出底板岩层的向上移动情况，由于顶（底）板移动变形的作用机理不同，造成底板岩层移动量小，没有顶板岩层移动变形明显。顶底板围岩的移动变形二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律处在不同分带内的邻近煤层裂隙发育状态、透气性变化、瓦斯的解吸及流动条件均不相同，针对上述情况需选用不同的瓦斯抽采工艺及参数对邻近煤层进行卸压瓦斯抽采顶底板煤岩层的裂隙发育规律顶板：垮落带断裂带，其上限为采高的12-22倍。弯曲下沉带，可直达地面。底板：底鼓裂隙带，其下限为下方15-25m底鼓变形带，下方50-60m二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律当煤层发生膨胀变形时，说明煤体获得卸压效果，膨胀变形量越大，说明获得的卸压效果越好，反之亦然；当煤层发生压缩变形时，说明煤体处于支撑应力区，该区内煤与瓦斯突出危险性增大；《防突规定》中指出，当煤层膨胀变形大于3‰时，可确保煤层获得了足够的卸压增透效果，在必要的瓦斯抽采措施作用下可实现有效降低煤层瓦斯含量和消突煤层突出危险性的目标。被保护层的垂向变形规律二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律在保护层采动作用下，被保护层的应力下降、膨胀变形及裂隙发育共同促进了煤层透气性的显著增加，可实现煤层透气性系数呈百倍至上千倍的增长。该规律是在磨心坡矿进行上保护层开采试验时测出的，层间距为70～80m，煤层倾角为60°～65°。透气性系数变化规律为：初始值→小幅下降→大幅增加→稳定。下被保护层原始透气性系数为0.032m2/（MPa2·d），当保护层工作面推进超前3倍层间距时，被保护层的透气性增大为11.3m2/（MPa2·d），为原来的560倍。被保护层的透气性变化规律110100100010000-100-50050100150200250与工作面的距离/m透气性系数m2/(MPa2·d)×10-2二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律被保护层的透气性变化规律二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律钻孔瓦斯流量随工作面推进的变化规律被保护层透气性系数的增加促进煤层瓦斯解吸速度和流动速度的加快，使得钻孔瓦斯抽采量显著提高，为被保护层卸压瓦斯高效抽采提供了有利条件。保护层工作面推过钻孔后，钻孔附近煤层获得卸压增透效果，钻孔瓦斯流量大幅增加，说明被保护层获得了显著的“卸压增透增流”效果。被保护层的透气性变化规律0.00.30.60.91.21.5-40-20020406080考察钻孔与工作面距离/m钻孔瓦斯流量/m3/min曲线1曲线2曲线3二、邻近层（被保护层）瓦斯抽采技术原理保护层开采后顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律煤层瓦斯压力一般可降至0.5MPa以下，煤层瓦斯含量可降至6m3/t以下，煤层的坚固性系数可提高48～100％，从而使邻近煤层（被保护层）由高瓦斯突出危险煤层转变为低瓦斯无突出危险煤层，实现邻近煤层（被保护层）工作面的安全高效开采。被保护层的特征参数变化规律三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层卸压瓦斯抽采作用断裂带、底鼓裂隙带弯曲带、底鼓变形带被保护层所处层位抽采作用①控制卸压瓦斯进入保护层工作面②有效降低瓦斯含量，消除其突出危险性①有效降低瓦斯含量，消除其突出危险性②扩大保护层开采的有效垂距三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层卸压瓦斯抽采作用通过抽采曲线与未抽采曲线对比分析可知，被保护层的卸压瓦斯抽采一方面在相对层间距较小的情况下，可有效降低煤层残余瓦斯压力，彻底消除煤层的突出危险性；另一方面可扩大保护层的有效垂距，使得较远处的被保护煤层瓦斯压力获得下降，消除煤层突出危险性。顶底板围岩的移动变形前苏联开采不同层间垂距的缓倾斜保护层时的残余瓦斯压力a—下保护层；b—上保护层1—未进行抽采；2—进行抽采三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层卸压瓦斯抽采作用对于缓倾斜煤层，在层间距为40m时，自然排放率几乎为0，而进行抽采后可达38%左右，对于急倾斜煤层，在层间距为60m时，自然排放率仅为5%左右，抽采后可达55%左右。当然被保护层卸压瓦斯抽采率与钻孔间距、被保护层卸压程度、抽采时间等因素有关，缩小钻孔间距、增加抽采时间可提高被保护层的瓦斯抽采率。三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层卸压瓦斯抽采作用由此可以看出，对被保护层卸压瓦斯进行抽采一方面可控制卸压瓦斯向保护层工作面的涌入，确保保护层工作面的开采安全，另一方面可将被保护层中大量卸压瓦斯抽出，有效降低煤层瓦斯含量，彻底消除被保护煤层的突出危险性。三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择由于不同的裂隙分带内裂隙发育程度不同，位于各带内的被保护煤层有着不同的裂隙特征，而被保护层的卸压瓦斯流动与汇集受制于煤层的裂隙发育特征，且考虑到上、下被保护层与保护层的位置关系，决定了处于不同分带的被保护层需选用不同的卸压瓦斯抽采方法。三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷倾向高抽巷三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷倾向穿层孔三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷顶板走向孔三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷地面钻井三、邻近层卸压瓦斯抽采作用及抽采方法选择被保护层（邻近层）瓦斯抽采方法选择冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷底板巷穿层钻孔三、邻近层卸压