淮北矿业股份有限公司桃园煤矿
下保护层10煤开采对82煤保护范围及效果
考察方案
淮北矿业股份有限公司桃园煤矿 中国矿业大学安全工程学院
2012年11月
下保护层10煤开采对82煤的保护范围及效果考察方案
1概述
淮北矿业集团桃园煤矿是一核定生产能力185万t的大型矿井，井田南北走向长约15km，东西倾向宽1.5～3.5km，井田面积约32km2。井田含煤地层共有可采煤层9层，可采煤层平均总厚度为11.73m。目前正在回采II2采区和南三采区，准备采区是北八采区和零采区。该矿为了确保82主采煤层的安全高效开采，制定了10煤层保护层开采及82煤层卸压瓦斯强化抽采的瓦斯治理规划，即首先开采10煤层进而保护82煤层的开采。首先开采10煤层，以10煤作为下保护层，保护开采82煤层，同时利用地面钻井对82煤层进行瓦斯强化抽采。
根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求需要对开采保护层的保护效果进行区域效果检验。《防治煤与瓦斯突出规定》第五十一条规定开采保护层的保护效果检验主要采用残余瓦斯压力、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。为此，根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，本方案采用测定82煤层残余瓦斯压力、残余瓦斯含量、顶底板位移量来考察10煤层开采对82煤的保护效果，并确定保护范围。
2考察区基本情况
考察区为II2采区，II2采区位于桃园煤矿补3线北100m至各煤层工广煤柱边界，浅部以-520m为界，深部至-800m水平（10煤层延伸至-1000m）。采区走向长约2500m，倾斜宽约1600m，面积约4.5km2。二水平II2采区可采煤层为52、72、82及10煤等4层煤层，其中82、10煤层为本采区主要可采煤层，52、72煤层为局部可采煤层。II2采区52煤厚0～1.77m，平均1.04m，煤层结构简单，采区内为单一煤层结构，属不稳定的薄煤层。72煤层位于52煤层下平均75m，两极煤厚为0.48～2.26m，平均1.13m。72煤层结构较简单，属不稳定煤层。82煤层上距72煤层13～20m，煤层两极厚度0.63～2.51m，平均厚度1.81m。82煤层结构较简单，属较稳定的中厚煤层。10煤层位于82煤层下48~111m，两极厚度0.54～4.04m，平均厚3.22m，煤层结构较简单，为较稳定煤层。本方案以II2采区工作面Ⅱ1025工作面作为第一个下保护层试验工作面。
Ⅱ1025工作面走向长约为810m，倾向宽约为113m，开采面积91530m2，如图1所示。煤层倾角20°，煤层平均厚度3.22m。该工作面煤层赋存较稳定，
采用综合机械化开采，一次性采全高。
82煤第一个被保护试验工作面，设计为综采工作面。工作面设计参数暂无。
3考察依据与考察内容
2.1考察依据
根据《防治煤与瓦斯突出细则》的规定，矿井首次开采保护层时，必须进行保护效果及范围的实际考察，并不断积累、补充和完善资料，以尽快得出确定本矿保护层有效作用范围的参数。
桃园煤矿II2采区以往未进行过保护层开采试验，尚未考察保护层的保护范围。目前，82煤工作面作为第一个被保护层试验工作面。本方案严格按上述规定，对Ⅱ1025工作面的保护效果及范围进行现场考察，考察结果对桃园煤矿下保护层开采具有重要的参考价值。
2.2考察内容
（1）随着Ⅱ1025工作面开采，被保护层82煤工作面卸压瓦斯涌入Ⅱ1025工作面后，被保护煤层残余瓦斯压力、煤层瓦斯含量、煤层变形的变化规律；
（2）被保护层82煤工作面走向及倾向卸压保护范围。
4考察技术方案
4.1被保护层瓦斯压力考察设计方案
结合桃园煤矿Ⅱ1025工作面及附近巷道布置情况，设计在-520m水平运输大巷内向82煤工作面内部施工钻孔，测定82煤工作面瓦斯压力，记录该测压点压力值变化与Ⅱ1025工作面推进距该测点相对位移的变化关系。沿Ⅱ1025工作面风巷侧理论倾向卸压线布置4个测压点，考察Ⅱ1025工作面回采后，82煤工作面残余瓦斯压力、走向及倾向卸压角。压力测试考察孔1#、2#、3#孔剖面布置图见图1，6#、7#、8#孔剖面布置图与图2中1#孔一致，测压孔平面布置图见图2。各考察钻孔间距为2m，各钻孔设计参数见表1。
表1考察钻孔设计参数
孔号 1# 2# 3# 6# 7# 8#
测压钻孔施工完毕后，立即封孔，封孔方法见附录。封孔完毕后，次日安装压力表，瓦斯压力会逐渐升高，待压力稳定后测定的值即为82煤层原始瓦斯压力。测压工作要在Ⅱ1025工作面回采至距离该测压孔100m之前完成。回采至距测压孔100m位置后，每天记录测压孔瓦斯压力变化，同时记录Ⅱ1025回采工作面至该测压孔每天的距离变化。随着开采的进行，回采工作面距测压孔逐渐接近，然后经过测压孔位置，最后远离测压孔位置。待远离一定距离后，压力表稳定在一个数值不变时，该值即为82煤残余瓦斯压力。
通过分析走向及倾向测压孔压力变化与Ⅱ1025工作面推进的关系，确定保护层沿倾斜方向及走向的卸压角。与《防治煤与瓦斯突出规定》中得到的卸压角进行对比分析，最终确定保护层的保护范围。
倾角/° -6 -4 -3 -6 -6 -6 与垂直-520m水平运输大巷中线夹角/° 0 0 0 0 0 0 设计见煤深度/m 91.0 81.6 72.2 91.0 91.0 91.0 7煤8煤39m2#10m1#3#10m45m5.5机巷侧理论倾向卸压线87°风巷侧理论倾向卸压线3.325mm10073°10煤1面作工025
图1压力考察孔布置剖面图
20°切口Ⅱ1021里机巷切1-600切3切21023工作面2.050mⅡ1023风巷Ⅱ1021机巷-520水平运输大巷2.0Ⅱ1021轨道巷切410.010.010.010.09#4#向卸压线10.06#10.01025工作面-700机巷侧10.010.010#39m1#10.07#Ⅱ1023轨道巷12#理论倾向卸压线14#13#15#2.0DF34∠50X3X4°～60°H=0～6m图2考察钻孔平面布置示意图
5.5Ⅱ1025机巷9.911#9.9切5切6100m50m100m20°50m100m50m100m3#5#2#风巷侧理论倾Ⅱ1025风巷如图2所示，结合桃园煤矿Ⅱ1025工作面及附近巷道布置情况，设计在Ⅱ1025工作面机巷侧泄水联巷内向82煤工作面内部施工钻孔，测定82煤工作面瓦斯压力，记录该测压点压力值变化与Ⅱ1025工作面推进距该测点相对位移的变化关系。考察Ⅱ1025工作面回采后，82煤层残余瓦斯压力、走向及8煤层工作面机巷倾向卸压角。压力测试考察孔13#、14#、15#孔平面布置图见图2。各考察钻孔开孔间距为2m，13#孔钻孔打至机巷侧理论倾向卸压线外侧10m，14#孔打在机巷侧理论倾向卸压线上，15#孔打至机巷侧理论倾向卸压线内侧10m。
4.2被保护层瓦斯含量考察设计方案
4.2.1直接法测试瓦斯含量
直接测定法一般采用勘探钻孔煤芯解吸法，该方法在测定时，先在煤层打钻孔，用煤芯采取器采集煤芯或定点取样采集煤屑，利用解吸仪测定井下自然解吸瓦斯量，并据此推算钻屑或煤芯在采集过程中试样的损失瓦斯量；然后在地面继续测定解吸量和煤样粉碎后瓦斯解吸量，测定或计算常压可解吸量（即残余瓦斯含量）；最后根据井下自然解吸瓦斯量、损失瓦斯量、残余瓦斯量和煤样重量计算煤层原始瓦斯含量。该方法不仅可以测定原始瓦斯含量，还可测定残余瓦斯含量。
4.2.2间接法测试瓦斯含量
间接测定法利用吸附常数a、b值、工业分析结果和煤层瓦斯压力值就可计算煤层瓦斯含量。将煤层残存瓦斯压力P，实验室测定的82煤吸附常数a、b值，工业分析值、煤的孔隙率等参数带入朗缪尔公式，间接计算出对应的残余瓦斯含量。以此来考察Ⅱ1025工作面回采对82煤瓦斯含量的影响。计算公式如下。
煤层瓦斯含量包括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量。 煤的游离瓦斯含量，按气体状态方程求得：
XyVPT0 TP0式中 V—单位重量煤的孔隙容积，m3/t； P—绝对瓦斯压力，MPa；
T0、P0—标准状况下绝对温度（273K）与压力（0.101325MPa）； T—瓦斯绝对温度（K）； ξ—瓦斯压缩系数；
Xy—煤的游离瓦斯含量，m3（标准状态下）/t（煤）。
煤的吸附瓦斯含量，按朗格谬尔方程计算并考虑煤中水份、可燃物百分比、温度影响系数，由此，煤的吸附瓦斯量为：
Xxabpn(t0t)1(100AW)e(1bp)(10.31W)100式中 a、b—吸附常数； P—煤层瓦斯压力，MPa；
t0—实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，℃； t—煤层温度，℃；
0.02；
0.9930.07P A、W—煤中得灰分和水分，%；
n—系数，按下式计算：n Xx—煤的吸附瓦斯含量，m3（标准状态下）/t（煤）。 煤的瓦斯含量，等于游离瓦斯与吸附瓦斯含量之和：
X=Xx+Xy
计算得到Ⅱ1025工作面回采后82煤工作面的残余瓦斯含量，根据各钻孔的残余瓦斯含量分析可以考察保护层沿倾向及走向的卸压保护范围。
瓦斯含量测试孔9#、10#、11#、12#孔平面布置如图2所示，在-520m水平运输大巷内向82煤工作面内部施工钻孔，测定82煤工作面瓦斯含量，记录该测点含量值变化与Ⅱ1025工作面推进距该测点相对位移的变化关系。9#孔剖面布置图见图3，10#、11#、12#孔剖面布置图与9#孔一致。各钻孔设计参数见表2。
7煤8煤39m45m10m9#10m5.5机巷侧理论倾向卸压线87°风巷侧理论倾向卸压线3.325mm10073°10煤1面作工025
图3瓦斯含量考察孔布置剖面图 表2 考察钻孔设计参数
孔号 9# 10# 11# 12# 倾角/° -6 -6 -6 -6 与垂直-520m水平运输大巷中线夹角/° 0 0 0 0 设计见煤深度/m 91.0 91.0 91.0 91.0 20°4.3被保护层煤层膨胀变形考察设计方案
国内外对煤层膨胀变形量的测定多采用深部基点法。该方法通过在岩石巷道中向被保护层施工穿层钻孔，通过钻孔在煤层顶板及底板各安装一个固定基点，固定基点连接钢筋，测量从钻孔中引出的两条钢筋的相对位移，如图4所示，可获得被保护层的绝对膨胀变形量，绝对膨胀变形量除以被保护层的厚度，便可得出被保护层的相对膨胀变形量。
施工变形钻孔时要求钻孔尽量垂直煤层，并穿透煤层，进入煤层顶板1.0m。在煤层顶板及底板各安装一个固定深部基点，基点由钢管和细铁丝组成，要求：钢管外径略小于钻孔直径，弹簧钢片应有一定刚性，在钻孔中固定平稳，并沿钢管轴线向外折10°左右，以便在回拉过程中能插入孔壁，此外在钢罐底部钻一小孔，用于穿0.5mm的钢丝绳并加以固定。若钻孔长度大，则采用长钻孔深部基点法，用钻机将固定基点送入孔底，深部基点构造及钻机与基点连接装置见图5。实物图见图6。
1基点2基点重锤
图4深部基点布置示意图
A-A弹簧钢片壁厚0.3mmΦ3.33cm1寸金属管1寸金属管A-A剖面图长20cm A基点构造
钻机连接装置基点 B长钻孔固定基点示意图 图5长钻孔深部基点构造图
图6长钻孔深部基点装置实物图
测试82煤工作面上位岩层沿垂直向方的位移特征，以确定被保护层膨胀变形量。如图1所示，在-520m水平运输大巷内向82煤工作面内部施工钻孔，根据深部基点法，安装岩层变形量测定装置。测定82煤工作面煤层膨胀变形量，记录各测点变形量与Ⅱ1025工作面推进位置的变化关系。变形量测试孔4#、5#孔平面布置见图2，4#、5#孔剖面布置见图7。各考察钻孔间距为2m，各钻孔设计参数见表3。
7煤8煤5#4#风巷侧理论倾向卸压线图7变形量考察孔布置剖面图 表3 考察钻孔设计参数
孔号 4# 5# 倾角/° -6 -3 与垂直-520m水平运输大巷中线夹角/° 0 0 设计见煤深度/m 91.0 72.2 5地面钻井抽采量计算
1）在10煤层工作面开采过程中，分采前、采中及采后三个阶段测定统计地面钻井抽采的瓦斯量，分析10煤开采对8煤层抽采效果的影响；
2）统计地面钻井瓦斯抽采量、10煤层风排瓦斯量，分析计算地面钻井对10煤和8煤的抽采瓦斯量。
6项目开展存在的难题
1）施工的瓦斯参数测试孔倾角较小，接近水平，近水平孔施工封孔测压难度较大；且被保护层煤层膨胀变形量也无法考察。
2）Ⅱ1025工作面机巷一侧无合适地点布置钻孔考察机巷侧卸压保护范围、机巷条带解突。
附件：1煤层瓦斯压力测定方法
本次瓦斯压力测定应用主动测压法测定煤层瓦斯压力新技术，其方法如下： 水泥浆直接封孔，通过水泥的膨胀渗入钻孔周边裂隙，杜绝了瓦斯的泄漏，从而使测出的瓦斯压力值等于真实的煤层瓦斯压力。测压封孔方式见图3-1。具体测压封孔步骤为：管路铺设→灌浆封孔→密封孔口→安装压力表。 (1) 管路铺设：B型测压管（测定瓦斯压力） ① 根据钻孔深度确定测压管长度；
② 距测压管底端3000mm位置包缠棉纱，按照逆时针方向围绕测压管缠绕，形成马尾状，大小以能通过孔径为宜；
③ 将测压管送入预定位置后顺时针旋转并反复抽拉至稳固，外露长度不小于300mm。
(2) 灌浆封孔：将配制好的水泥浆液迅速倒入钻孔，至孔口0.5m时停止。 (3) 密封孔口：将浸透水的速凝水泥塞入孔中，用木棍将其向孔深处塞实，固定好孔口。
(4) 安装压力表：待水泥浆凝固后（一般24h）。 (5)根据井下实际条件，连接压风管路，向孔内注压风。
图6速凝膨胀水泥封孔测压法封孔示意图
附件：参数记录表格
表3 *#瓦斯压力记录表
矿井 青东煤矿 测压地 煤层名称 煤层厚度 煤层倾角
见煤标高 见煤埋深 开钻时间
见煤时间 钻毕时间 封孔时间 封孔深度 地点 时间 钻孔参数 方位角 倾角度 压力/MPa 长度m 时间 岩孔长（m） 煤孔长（m） 压力/MPa 封孔长（m） 备注 压力为相对瓦斯压力 表4 *#变形量记录表
测孔 基点 方位角/° 倾角/° 钻孔深度/m 变形量/mm 法线变形率/‰ 表5 *#考察孔考察参数与工作面距考察孔位置记录表
考察孔 时间 考察值
Ⅱ1025工作面距考察孔距离/m
