特厚突出煤层有效抽采半径的考察研究.pdf
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1、总第2 11期2023年第8 期试(实)验研究张应芳1,李作泉,曹仕学1,马金魁3.4,马铭,赵亮宏,靳鹏3.4(1.甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿,甘肃白银2.甘肃靖远煤电股份有限公司,甘肃白银艮7 30 9 0 0;3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁沈阳110 0 16;4.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺11312 2)摘要:特厚突出煤层的有效抽采半径直接关系到煤层消除突出的措施执行效果和工程量,为了有效确定其参数,对有效抽采半径的相关考察方法进行了论述,结合大水头煤矿特厚突出煤层实际,采用压力指标法布置了多个不同间距的测点,考察确定了该矿井不同抽采时间下的有效抽采半径参数
2、。现场测试结果表明,在孔口负压13kPa及钻孔直径94mm的条件下,大水头煤矿一煤层的抽采半径与抽采时间的关系为R=0.0664t0.862,该参数有效地指导了矿井的区域和局部防突措施执行,保障了矿井高效生产。关键词:抽采半径;特厚煤层;区域措施;消除突出危险性中图分类号:TD713文献标识码:A0引言上,国内外采用的钻孔测试法指标主要有瓦斯压力指在对突出矿井进行采掘活动前,需要采取顺层或标、瓦斯含量指标、相对瓦斯压力指标;计算机模拟法穿层钻孔的方式对煤层进行预抽,以达到消除煤层突主要应用的指标有含量指标和压力指标9-1。出危险性的目的。但在进行顺层钻孔或穿层钻孔施工针对煤与瓦斯突出矿井而言,
3、当煤层的原始瓦斯时,需要确定钻孔之间有效的间距,以实现在最短时压力降至0.7 4MPa以下或煤层原始瓦斯体积浓度降间内达到最佳的抽采效果,而钻孔的间距除与煤层中至8 m/以下时,高于0.7 4MPa或8 m/t的区域与低的瓦斯含量有关外,与抽采时间亦有直接关系1-3。有于该数值的区域会形成一个动态分界线,该界限即为效抽采半径即将有突出危险的煤层降低至无突出危突出区域与非突出区域的分界线,被称为有效抽采半险时的钻孔间距,该参数的确定能有效指导防突工程径6-8 。针对有效抽采半径,我国诸多学者开展了相关的科学合理布置和施工,能科学指导矿井的防突设计参数及测试方法等内容的研究,主要包括瓦斯压力指及消
4、除煤层突出危险后的局部煤层消突,是矿井管理标、瓦斯含量指标、相对瓦斯压力指标等方法。技术人员必须要考察的有效指标。针对有效抽采半径1.1压力指标法的理论依据的考察,许多学者也开展了相关技术研究,相关测定压力指标法的理论依据为煤矿安全规程第一方法和测定结果为矿井的实际生产提供了帮助4-5。百九十条规定:预抽煤层瓦斯后,必须对预抽瓦斯防但针对煤层厚度超过10 m的特厚突出煤层而言,其治突出效果进行检验,其检验的指标之一是煤层瓦斯有效抽采半径的合理确定与其他煤层有显著不同,呕预抽率大于30%(若是突出矿井,则要满足瓦斯体积需对其参数的确定进行考察,,从而有针对性地高效执浓度小于8 m/t),即抽采后
5、的瓦斯含量小于抽采前的行防突措施,从而解决特厚煤层的消突问题。30%以上。在保证工业应用误差允许的前提下,瓦斯1有效抽采半径考察方法综述压力和瓦斯含量存在着一个抛物线关系。钻孔在预抽煤层瓦斯时,在煤层瓦斯压力和抽采首先提出用抛物线方程来近似表述煤层瓦斯含孔负压的共同作用下,抽采钻孔周围煤体的瓦斯不断量曲线,即:进入钻孔并被抽出煤体,形成以钻孔中线为轴线的类似圆形的抽采影响圈,抽采影响圈的半径称为抽采半径。随着抽采时间的延长,抽采影响半径会逐渐加大,直到煤层瓦斯压力与抽采孔负压之差不足以克服煤体内瓦斯运移到钻孔的阻力时为止6-8 。目前应用的钻孔瓦斯抽采半径的测试方法主要有钻孔测试法、计算机模拟
6、法及二者相结合的方法。在有效性指标的确定收稿日期:2 0 2 2-10-2 8第一作者简介:张应芳(19 7 4一),男,甘肃天水人,毕业于西安科技大学机电一体化专业,高级工程师,现任甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿矿长,主要从事煤矿安全管理工作。山西冶金ShanxiMetallurgy特厚突出煤层有效抽采半径的考察研究730900;文章编号:16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 7 6-0 4X=VP.式中:X为煤层瓦斯体积浓度,m/t;为煤层瓦斯含量系数,m/(t MPa5);p为煤层绝对瓦斯压力,MPa。因此,抽采前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯压力降低的比例也存在抛物线
7、关系。如果煤层预抽率为30%,即残余瓦斯含量为原始瓦斯的7 0%,通过计算可知,此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力的49%,瓦Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.0302023年第8 期张应芳,等:特厚突出煤层有效抽采半径的考察研究77斯压力下降51%。相对压力指标法测定钻孔的有效半径就是依据这个原理来进行判定的。1.2压力指标法的测定方法压力指标法的测定方法如下:首先在测试区域打1排测压孔,在每个测试孔上设有压力表,在测试过程中要记录每个钻孔的瓦斯压力,即p1、P2 P、PPn;观察得到每个测压钻孔压力维持不变后,在测压孔周边施工1
8、个抽采钻孔,抽采钻孔施工完后立即与抽采系统相连通,随后观测每个测压钻孔在不同时间的瓦斯压力动态变化,当瓦斯压力降至稳定压力值的10%及以上时,即认定该钻孔受到抽采钻孔的影响,该距离就视为在相应抽采时间对应的有效抽采半径。同时定期观察每个测压钻孔的瓦斯压力plvP2、ps、P n。根据每个测压孔的原始瓦斯压力和抽采后的压力,可以得到每个测压孔的预抽率。如果a(a=1、2、3、n)号孔以及a号孔之前的每个测压孔的瓦斯压力下降率都51%,而a号孔之后的测压孔瓦斯压力下降率都 51%,则a号孔距抽采孔的距离就是抽采钻孔的有效抽采半径。因此,确定抽采钻孔有效抽采半径的指标为瓦斯压力下降51%以上。2有效
9、抽采半径考察2.1矿井概况大水头煤矿井田内主要含煤地层为中侏罗统窑街组,据钻孔揭露含煤最多为三层,自上而下分别称为一煤层、二煤层、三煤层。一煤层为主要可采煤层,层位稳定,结构简单厚度2.3 19.2 4m,平均厚度为9m,埋深为2 8 1 50 3m。一煤层为本次设计的主要煤层,二煤层和三煤层为不可采煤层。矿井核定生产能力为2 2 0 万t/a,采用走向长壁综采放顶煤采煤法,工作面落煤方式为采煤机割煤和架后放顶煤相结合。矿井于2 0 18 年6 月认定为煤与瓦斯突出矿井,矿井绝对瓦斯涌出量为41.53m/min,相对瓦斯涌出量11.0 8 m/t,矿井总进风量为9 42 2 m/min,有效风
10、量率为9 2.9%。矿井井田内地质构造复杂,一煤层原始瓦斯体积浓度在3.129.37m/t(地质勘探钻孔),原始煤层瓦斯压力为0.150.70MPa,煤层透气性系数1.11 4.6 6 m/(MPad),以炭质泥岩为主,平均厚度为0.13m。该煤层底板岩性以炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩为主,厚度为0.521.5m,炭质泥岩平均厚2.7 5m,最厚可达6.9 m,直接底较软,遇水易膨胀。一煤层的煤质为气煤、弱黏结煤及不黏结煤,大多属弱黏结煤,灰分质量分数平均值为17.5%,挥发分质量分数为32.2%,硫分质量分数为0.9 3%,水分质量分数为2.15%,原煤发热量平均为6 8 57 cal/g,一
11、层煤容重为1.41t/m,属低-中灰、低硫、低中磷、具有较高发热量的动力用煤2.2.2区域防突措施设计采用井下顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯,对煤层进行超前预抽。顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯:采用普通钻机施工条带预抽钻孔,钻孔直径为75mm/95mm,当煤层厚度超过8 m时采用两排三花眼方式布置,当煤层厚度不超过8 m时采用单排钻孔布置。双排钻孔布置时,排距、间距均为 5m。钻孔之间的间距由实际测定的有效抽采半径确定,由于大水头煤矿无实测数据,暂定该钻孔间距为8.0 m。在工作面掘进时,在巷道两侧每隔8 0 m设置1个钻场,在钻场内施工长度100120m的条带预抽钻
12、孔,实现在掘进面超前预抽的情况下,将巷道两侧均控制在15m的范围。掘进面的条带预抽钻孔布置示意图如图1所示。顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯:在工作面进风巷及回风巷两条巷道均设置钻场,每个钻场间距30 50m,在钻场内施工8 10 个扇形钻孔,这样就形成了钻场与钻场之间的钻孔重叠的增透区域,既提高了钻孔的抽采效果,又实现了特厚煤层的全煤厚钻孔覆盖。回采工作面的区域预抽钻孔布置示意图如图2 所示。80m钻孔(上帮)掘进煤巷钻场(下帮)80m80m80.m千处为可抽采煤层。30m2.2主主采煤层防突措施情况2.2.1主采煤层情况大水头煤矿一煤层结构简单,一般含夹研1 4层或呈单一结构,夹研厚度一般小于
13、0.7 m,少数达1.0m以上,最厚为3.47 m,分布于煤层下部,部分出现在上部或中部。该煤层的直接顶大部分为灰、深灰色铝质泥岩,其上为灰白色砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩,暴露后易破裂、冒落,难以管理。局部地段有伪顶,30.mUST图1煤巷条带预抽钻孔布置参数3有效抽采半径考察3.1考察方案3.1.1沙测定原则根据大水头煤矿一煤层井下赋存条件情况,本次测定采用钻孔测试法,选择瓦斯压力指标来评判大水头煤矿一煤层瓦斯抽采钻孔的有效半径。为了确保瓦30m30m30m山西冶金78E-mail:第46 卷回风眼邻近采面运输顺采空区图2 顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯斯抽采有效半径测试结果的可靠性,需要保证钻
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