预抽被保护层工作面瓦斯实现安全高效开采

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【摘 要】保护层开采充分利用煤层间的层位关系，使被保护煤层充分卸压，煤层裂隙发育，透气系数增大，结合抽采瓦斯的措施，可有效改善被保护煤层的瓦斯地质赋存。本文通过丁集煤矿的保护层开采效果考察，从被保护层工作面钻孔瓦斯流量变化、瓦斯压力变化、瓦斯含量变化分析了瓦斯抽采的效果；从被保护煤层的顶底板相对变形量、透气系数变化得出了瓦斯抽采效果改善的原因；从被保护煤层坚固系数变化、瓦斯放散初速度变化分析了保护层开采的防突效应；最后，以现场的生产实际充分证明保护层开采提高了工作面回采速率，保障了矿井的安全高效生产。

【关键词】煤与瓦斯突出；保护层开采；卸压增透；安全高效开采

淮南矿区丁集煤矿是典型的高瓦斯、低透气性、煤层松软矿井，其主采的13-1煤是突出煤层，下方平均垂距75m的11-2煤层赋存稳定、煤质好，客观上为保护层开采提供了条件。所以，优先开采11-2煤使得13-1煤层卸压，并对被保护层的瓦斯进行大规模的抽采，使得在采、掘过程中解放13-1煤层的突出和瓦斯严重超限的困境，进而实现矿井的安全高效生产。

1 概况

丁集煤矿13-1煤层厚度为0.50～10.68m，平均3.70m，全区可采，煤层赋存稳定。试验区13-1煤的1311（3）工作面位于东部13-1煤层采区大巷以东，F83断层以西，DF162-1断层以南，工作面下方的11-2煤的1311（1）工作面、1321（1）工作面已回采完毕。工作面走向长1014m，倾斜长263.5m，面积267189㎡；煤层厚度2.5～4.05m，平均3m；煤层倾角0～12°，平均4°，工业储量1130209t，可采储量1073699t。煤层瓦斯含量为5.75m?/t，原始瓦斯压力为1.15MPa，具有煤与瓦斯突出的危险性。丁集矿首先开采了距1311（3）工作面垂距75m的1311（1）、1321（1）工作面作为下保护层解放1311（3）工作面，消除煤与瓦斯突出的危险性。

2 被保护煤层瓦斯抽采情况考察

《防治煤与瓦斯突出规定》第51条规定：开采保护层的保护效果检验主要采取残余瓦斯压力、残余瓦斯含量、顶底板位移量及其他经试验证实有效的指标和方法，也可以结合煤层的透气性系数变化率等辅助指标。

2.1 考察钻孔设计

为满足考察要求共设计5个考察孔，其中3个测压孔，2个变形孔，具体见表1，其中1、4、5#钻孔为测压孔，2、3#钻孔为变形孔。

表1 钻孔布置参数

2.2 被保护煤层抽采瓦斯分析

2.2.1 钻孔瓦斯流量变化

在1311（3）底抽巷打上向穿层钻孔，采用孔板流量计直接进行测定钻孔瓦斯流量，通过记录的流量值分析被卸压煤层瓦斯解吸情况，13-1煤层卸压前基本测不出钻孔流量，卸压后的钻孔流量变化见图1所示。

由图1可知，煤层卸压后，钻孔瓦斯流量增幅明显，均扩大了数倍，由此可见13-1煤层在下保护层开采的情况下，产生了新的裂隙，大量瓦斯解吸，并顺利通过钻孔抽采，钻孔瓦斯流量的增大，保证了被保护层煤层中卸压瓦斯的顺利抽采。

图1 被保护层钻孔瓦斯流量变化

2.2.2 残余瓦斯参数变化

考察保护层开采后被保护层的消突程度是检验保护层开采效果的核心，被保护层的残余瓦斯含量和残余瓦斯压力不仅可以反应释放效果，还可以直接判断被保护层是否具有煤与瓦斯突出性。采用直接测压法对其残余瓦斯含量和残余瓦斯压力进行了测试，经测量得出煤层原始瓦斯压力由1.15MPa降到0.45MPa（小于0.74MPa）；煤层原始瓦斯含量由5.75m3/t降到2.15m3/t（小于8m3/t）。保护层开采后被保护层瓦斯压力下降了60.9%，瓦斯含量下降了62%，有效地消除了被保护层煤与瓦斯突出的危险性。

2.3 被保护煤层提高瓦斯抽采效果的原因分析

2.3.1 煤层相对变形量

采用渗透率计算法计算13-1煤层受11-2煤层采动影响的相对变形量。根据柯兹尼公式：

（1）

式中：k___渗透率，m2；Dp___调和直径，m；n___孔隙率。

用测定钻孔的瓦斯压力和流量，计算出煤层渗透率，便可计算出孔隙率。由于受采动影响被保护13-1煤层的变形主要是垂直方向，水平变形可忽略不计，即孔隙率仅在垂直方向膨胀，等于相对变形量。即：

（2）

卸压煤层变形与煤厚比值随时间变化曲线如图2所示。可以得出随着卸压时间的增加，两者之间的比值2#钻孔为5.61‰、3#钻孔为4.515‰，平均5.06‰。

图2 被保护层相对变形量

2.3.2 煤层透气系数变化

煤层透气系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志，也是煤层卸压程度的重要标志之一。煤层透气系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。13-1煤原始的透气系数为0.015m2/MPa2·d，卸压后透气性系数随时间变化曲线如图3所示。

由图3可知，卸压后13-1煤层1#钻孔测定的透气系数为24.77 m2/MPa2·d，3#钻孔测定的透气系数为47.59 m2/MPa2·d，比原始透气性系数分别增加了1651倍和3172.7倍，平均为2411.8倍。

图3 被保护层透气系数变化

保护层开采可使被保护煤层的透气系数显著增大，说明通过被保护层的卸压，煤层发生膨胀变形，顶底板变形量增大，煤层中发育大量次生裂隙，透气系数增大，为被保护层瓦斯预抽提供良好的条件。

3 被保护煤层防突效果考察

3.1 瓦斯抽采率分析

下保护层工作面回采期间，布置3口地面钻井对被保护层卸压瓦斯进行预抽，地面1#、2#、3#井布置见附图。地面1#钻井距切眼60m，2#钻井和1#钻井相距330m，3#钻井和2#钻井相距350m，经考察地面1#、2#、3#钻井抽采被保护层1311（3）工作面13-1煤层瓦斯纯量分别为108万、166万、121万m?，总计395万m?，煤层原始瓦斯含量为5.75 m3/t，折算工作面煤层储量1130209t，平均抽采率为61%。

3.2 防突指标分析

在现代的煤与瓦斯突出动力现象分析中，煤的坚固性系数是煤与瓦斯突出现象所涉及到的重要参数之一。通常情况下，在相同的瓦斯压力和地应力条件下，煤的坚固性系数越大，越不容易发生突出。因此，在煤与瓦斯突出危险性分析、预测中，煤的坚固系数是一个重要的测试指标。同时，煤的瓦斯放散初速度p也是预测煤与瓦斯突出危险性的指标之一，该指标反应了含瓦斯煤体放散瓦斯快慢的程度。p的大小与煤的瓦斯含量大小、孔隙结构和孔隙表面性质等有关。在煤与瓦斯突出的发展过程中，瓦斯的运动和破坏力，在很大程度上取决于含瓦斯煤体在破坏时瓦解的解吸与放散能力。

丁集煤矿1311（3）工作面13-1煤层原始瓦斯压力为1.15MPa，下保护层11-2煤层开采后，被保护层范围内的13-1煤层瓦斯压力下降到0.5MPa以下，小于0.74MPa；煤层坚固性系数0.5～0.8，≥0.5；瓦斯放散指数5.3～8.5mmHg，

下保护层11-2煤层开采后的采动和卸压区保护范围内的13-1煤层瓦斯抽采率56.47%，地面钻井抽采卸压区内13-1煤层的平均瓦斯抽采率70%。根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》（AQ1024——2006）第5.2.3条规定和《防治煤与瓦斯突出规定》，鉴定结果为：-750m以上的1311（3）工作面开采范围内13-1煤层已经消除突出危险。

4 被保护煤层工作面开采效果经验分析

丁集煤矿通过实施开采保护层的区域性防突措施，取的了良好的安全经济效益。

（1）大幅提升了掘进工作面的单进水平，1311（3）工作面轨、运顺掘进时，绝对瓦斯涌出量最大为为0.8 m?/min，回风瓦斯浓度在0.2%以下，给煤巷掘进创造了良好的安全条件，最高单进达432m/月。

（2）1311（3）被保护层工作面回采期间，上隅角瓦斯浓度在0.5%以下，工作面回风流瓦斯浓度在0.3%以下，工作面每天平均推进度6-9m，最高日产达1.5万t，回采率达95%，实现了高瓦斯突出煤层在低瓦斯状态下安全高效开采。

（3）1311（3）工作面煤巷掘进及回采期间，防突预测指标均未超标，经统计，最大钻屑量为4.2kg/m，瓦斯涌出初速度q最大为1.2l/min，与11-2煤防突预测指标对比，被保护层掘进及回采期间预测指标显著偏小。

（4）1311（3）工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为12m3/min，风排瓦斯量约6m3/min，高抽巷抽采约6m3/min。如该面配风2500 m3/min，回采回采期间瓦斯浓度控制在0.5%以下，高抽巷发挥作用较小，后期将对保护层工作面开采高抽巷抽采情况进一步考察，如地面钻井对被保护层预抽效果好，将取消高抽巷抽采，则从经济效益、技术效益上取的很大的突破。

5 结论

开采保护层是最有效、最经济的防止煤与瓦斯突出的区域性措施，通过丁集煤矿下保护层开采的生产实践，积累了一定的瓦斯治理经验，但在地面钻井布置关系、抽采影响半径及保护层开采综合瓦斯治理方式方面还存在很多问题，仍要进一步探索和总结。

参考文献：

[1]欧阳广斌.近距离保护层开采瓦斯运移规律[J].煤炭科学技术，2008，36（9）：16-17.

[2]国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，，

唐志华，男，1986年6月生，2008年毕业于安徽理工大学安全工程专业，目前一直工作于淮沪煤电有限公司丁集煤矿抽排区。