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近距离煤层群上覆煤层开采底板卸压范围及效果考察研究

2025-02-12 53 上传者：管理员

摘要：为了掌握近距离煤层开采后，在其底板卸压范围内的下伏煤层实际卸压效果情况，以吕梁矿区某矿井3103工作面为研究对象，运用理论计算、数值模拟及井下实测相结合的方法，分析了上覆煤层开采后底板在倾斜方向、走向方向和层间垂向3个方向的卸压范围，并对下伏4#、5#煤层的残余瓦斯含量及残余瓦斯压力进行了现场考察。现场结果表明：3103工作面开采后，4#、5#煤层完全处于卸压范围，卸压效果明显，其中4#煤层残余瓦斯含量为4.89 m3/t;5#煤层残余瓦斯含量为6.32 m3/t；下降率分别为52.38%、39.34%，且瓦斯含量均降到8 m3/t以内；4#煤层残余瓦斯压力为0.4 MPa;5#煤层残余瓦斯压力为0.52 MPa；下降率分别为25.92%、17.46%，且瓦斯压力均小于突出临界值0.74 MPa，为矿井后续4#、5#煤层巷道位置选择及区域瓦斯治理规划提供了科学支撑。

关键词：
区域防突
卸压范围
残余瓦斯压力
残余瓦斯含量
近距离煤层
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我国山西､陕西､内蒙古等地分布着大量的近距离煤层群,此外,淮北矿区､淮南矿区､徐州矿区､新汶矿区､平顶山矿区等也存在着极近距离煤层群｡随着我国井工煤矿开采深度逐步增加,煤与瓦斯突出已成为了制约煤矿开采的难题｡根据《防治煤与瓦斯突出细则》第六十条要求:区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前,对突出危险区煤层较大范围采取的防突措施｡区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2类｡在近距离煤层群中,上覆煤层的优先开采,相当于上保护层开采,能够有效解决下伏煤层的瓦斯治理问题｡

关于保护层的开采,国内学者分别采取理论分析､数值模拟､相似模拟､现场实测等手段开展了大量的研究｡撒占友[1]等通过数值模拟及工程验证,对下伏煤层卸压破坏变形及应力分布规律进行了研究;刘雨涛等[2]对上保护层开采后底板卸压增透效应进行研究;殷伟等[3]对不同上保护层采高条件下裂隙发育与突出煤层应力卸压规律进行了研究;陈亮[4]以朱家店煤矿为例,研究了叠加开采时煤层顶底板应力､位移变化规律及塑性区分布特征,并运用于瓦斯抽采实践｡

吕梁矿区该煤矿为近距离高瓦斯煤层群,3#煤层作为上覆煤层开采后会导致下伏4#､5#煤层应力重新分布､裂隙通道发育增多､煤层透气性增加[5-6],本文围绕上覆煤层开采后,底板煤岩体塑性区域､下伏煤岩体卸压范围､残余瓦斯含量､残余瓦斯压力的变化开展研究,为矿井下伏煤层巷道位置选择及区域瓦斯治理规划提供依据｡

1、工程背景

吕梁矿区该矿3#煤层埋深约为500m,下距4#煤层平均7.88m,距离5#煤层平均17.6m,为近距离煤层群条件开采｡3103工作面位于3#煤层一采区,工作面走向长度250m,倾向长度1500m,平均煤层厚度1.04m,平均煤层倾角4°,工作面地质构造简单,无断层､褶曲､裂隙､陷落柱等地质构造,总体呈单斜构造｡3#､4#､5#煤层位置关系,如图1所示｡

图13#､4#､5#煤层位置关系图

矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井,四邻矿井中有1座煤与瓦斯突出矿井3座高瓦斯矿井,井田内煤层瓦斯含量､瓦斯压力与埋深呈正比关系｡4#煤层实测最大瓦斯含量为10.27m3/t,采用间接法得出瓦斯压力为0.54MPa;5#煤层实测最大瓦斯含量为10.42m3/t,采用间接法得出瓦斯压力为0.60MPa;各煤层瓦斯参数,如表1所示｡

表13#､4#､5#煤层瓦斯参数指标

2、上覆煤层开采卸压范围分析

2.1上覆煤层开采后底板纵向破坏范围

随着上覆煤层工作面的不断推进,工作面周围煤岩体应力会重新分布,底板煤岩层的弹性潜能得到释放,底板煤岩体的塑性区域边界逐步形成[7-8],如图2所示｡

图2底板煤岩体破坏滑移线场

底板煤岩层塑性区可以认为是最大裂隙带深度,采用塑性力学中滑移线场理论,计算底板最大裂隙带深度

3103工作面开采深度为500m,底板平均内摩擦角为40°,通过计算底板最大裂隙带深度为17.65m,大于4#煤层7.88m､5#煤层17.6m｡

根据《防治煤与瓦斯突出细则》附录E.3最大保护垂距计算方法[9],计算如下:

上覆煤层实际最大卸压垂距

3103工作面长度250m,开采深度500m,根据《防治煤与瓦斯突出细则》附表E.3查得Ss′=68m,因此,上覆煤层实际最大卸压垂距Ss=68m,即计算3103工作开采后底板的最大卸压垂距达68m,大于17.6m｡

根据以上2种方式的计算,按照最小值原则,3103工作面开采后,下伏4#､5#煤层均完全处于底板纵向卸压范围之内[10-12]｡

2.2上覆煤层开采后煤层倾向卸压范围

鉴于3#煤层与4#､5#煤层为近距离近水平煤层群,根据《防治煤与瓦斯突出细则》附录E.1可知,3#煤层为近水平煤层,卸压角σ=75°,工作面长度250m,4#煤层的卸压范围为3103工作面内错3.3m,5#煤层的卸压范围为3103工作面内错8.21m｡以上计算结果,为后续4#､5#煤层巷道布置在卸压保护范围内提供依据｡具体范围如图3所示｡

图3上覆3#煤层开采对4#､5#煤层倾向卸压范围

3、上覆煤层卸压区域内瓦斯释放效果考察

根据以上研究,上覆煤层3103工作面开采后底板下伏4#､5#煤层应力重新分布,为了掌握卸压范围内4#､5#煤层瓦斯释放效果,分别对4#､5#煤层残余瓦斯含量及残余瓦斯压力进行考察[13-14]｡

3.1上覆煤层卸压区域内残余瓦斯含量考察

煤层瓦斯含量包括解吸量､损失量和残存量3个部分,具体方法:在井下合适位置合适地点利用钻机施工取样钻孔,对4#､5#煤层进行取样,将新鲜煤样装入煤样罐进行井下解吸,测定煤样解吸量,根据煤样解吸测定前的暴露时间以及井下不同时间瓦斯解吸数据,计算损失量;最后将煤样罐送至实验室测定残存量｡本次瓦斯残余含量考察选择在3103工作面顺槽施工穿层钻孔进行取样,4#煤层取样位置为3103运输顺槽距停采线80m处左帮､3103轨道顺槽距停采线100m处左帮;5#煤层取样位置为3103运输顺槽距停采线60m处左帮､3103轨道顺槽距停采线60m处左帮｡煤层残余瓦斯含量取样位置,如图4所示;4#､5#煤层残余瓦斯含量取样钻孔参数,如表2所示｡

图4煤层残余瓦斯含量取样位置图

表24#､5#煤层残余瓦斯含量取样钻孔参数表

考察结果表明:在卸压范围内4#煤层残余瓦斯含量实测最大值为4.89m3/t,较煤层原始瓦斯含量10.27m3/t下降5.38m3/t,下降了52.38%;5#煤层残余瓦斯含量实测最大值为6.32m3/t,较煤层原始瓦斯含量10.42m3/t下降4.1m3/t,下降了39.34%;且残余瓦斯含量均小于突出危险性鉴定指标8m3/t,卸压范围内4#､5#煤层瓦斯含量释放效果显著｡

3.2上覆煤层卸压区域内残余瓦斯压力考察

煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离态瓦斯的压力,即气体作用于孔隙壁的压力｡煤层瓦斯压力是煤层瓦斯流动和涌出的基本参数,亦即煤层瓦斯流动的动力,它不仅决定着煤层瓦斯含量与涌出量的大小,而且对于煤与瓦斯的突出预测及制定合理的防突措施等均起着重要作用[15-16]｡按照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》(AQ/T1047)的要求,本次瓦斯残余压力考察选择在3103工作面顺槽施工穿层钻孔进行取样,4#煤层测压位置为:3103轨道顺槽距停采线100m处左帮布置2个测压钻孔､3103运输顺槽距停采线80m处左帮布置2个测压钻孔;5#煤层测压位置为3103轨道顺槽距停采线60m处布置3个测压钻孔､3103运输顺槽距停采线60m处布置3个测压钻孔｡煤层残余瓦斯压力钻孔布置,如图5所示;4#､5#煤层测压钻孔参数,如表3所示｡

图5煤层残余瓦斯压力钻孔布置图

表34#､5#煤层测压钻孔施工记录表

按照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》要求,瓦斯残余压力考察钻孔施工完成后,24h内完成钻孔封孔并安装压力表,在完成封孔工作24h后,每天定时观测瓦斯压力变化,读压力表数值1次,准确记录读数值,直至压力表数值稳定,钻孔瓦斯压力观测统计图,如图6所示,残余瓦斯压力考察结果,如表4所示｡

图6煤层残余瓦斯压力观测统计图

表44#､5#煤层瓦斯残余压力考察结果统计表

考察结果表明:在卸压范围内,4#煤层残余瓦斯压力实测最大值为0.40MPa,较煤层原始瓦斯压力0.54MPa下降0.14MPa,下降了25.92%;5#煤层残余瓦斯压力实测最大值为0.52MPa,较煤层原始瓦斯压力0.63MPa下降0.11MPa,下降了17.46%;且残余瓦斯压力均小于突出危险性鉴定指标0.74MPa,卸压范围内4#､5#煤层瓦斯压力释放效果显著[15-16]｡

4、结语

(1)综合理论公式和经验公式对上覆煤层开采后底板卸压范围进行了计算,3#煤层开采时底板最大裂隙带深度为17.65m,最大卸压垂距为68m,而3#与4#､5#煤层的最大垂直层间距分别为7.14m和17.6m,因此,4#､5#煤层在3#煤层的开采卸压保护范围内｡

(2)通过理论对比计算得出3103工作面开采后,4#､5#煤层倾向卸压范围分别为3103工作面顺槽内错3.3m和8.21m,为4#､5#煤层后续掘进和开采期间巷道位置选择提供了依据｡

(3)通过对3#煤层3103工作面开采后,4#､5#煤层残余瓦斯含量和残余瓦斯压力的现场取样和井下实测考察得出,4#煤层瓦斯含量降低了52.38%,瓦斯压力降低了25.92%;5#煤层瓦斯含量降低了39.34%,瓦斯压力降低了17.46%;残余瓦斯含量均小于突出危险性鉴定指标8m3/t,残余瓦斯压力均小于突出危险性鉴定指标0.74MPa｡卸压范围内4#､5#煤层瓦斯释放效果显著,为矿方后续开采4#､5#煤层区域瓦斯治理规划提供了依据｡

参考文献:

[1]撒占友,王立,李磊,等.上保护层开采下伏煤层卸压变形及应力分布[J].煤矿安全,2020,51(7):61-65.

[2]刘雨涛,信连凯,谌志勇.高山矿近距离低透煤层上保护层开采底板卸压增透效应研究[J].煤矿安全,2020,51(3):32-37.

[3]殷伟,高焱,陈家瑞,等.上保护层开采下伏煤岩体应力卸压规律力学分析[J].煤矿安全,2019,50(9):197-202.

[4]陈亮.中远距离煤层群叠加开采双重卸压效应数值分析[J].煤炭工程,2018,50(7):92-96.

[5]郭建行.上保护层开采底板卸压规律及瓦斯治理技术[J].煤炭工程,2022,54(10):80-85.

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