專利名稱：開采煤層頂板瓦斯抽放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦安全生產(chǎn)的方法，更具體地說是一種抽放瓦斯的方法。
背景技術(shù)：
安徽淮南礦區(qū)煤層賦存深、煤層富含瓦斯、煤層透氣性差。據(jù)統(tǒng)計，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60％以上。為了降低瓦斯涌出量，礦區(qū)采用了以低板穿層鉆孔預抽B8、C13煤層瓦斯為主的綜合排放方法，取得了一些成績，但由于B8、C13煤層富含瓦斯而且原始煤層透氣性差，使得礦井瓦斯抽排率一直沒有超過15％；尤其在分層開采C13煤層時，未能抽排的瓦斯70％左右集中涌入一分層回采工作面采空區(qū)，導致工作面上隅角和工作面回風流中瓦斯?jié)舛瘸?，嚴重威脅著礦井生產(chǎn)的安全，采煤工作面間歇式或減小日進尺的方式進行生產(chǎn)，影響工作面的產(chǎn)煤量。隨著采深的增加，瓦斯問題將會日趨嚴重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處，提供一種合理、有效的開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，以最大限度地抽排瓦斯。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在開采煤層頂板，對于來自開采和卸壓煤層通過采空區(qū)上覆巖層受采動影響形成的裂隙通道匯集到“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)的解吸瓦斯，由布置在“環(huán)形裂隙圈”中的鉆孔或巷道進行抽放，所述“環(huán)形裂隙圈”位于采煤工作面靠近回風巷和進風巷的采空頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內(nèi)。
煤被開采出后，采動空間將處于原始封閉狀態(tài)的煤巖層分割成大量的煤巖塊體，這些煤巖塊被大量的采動空間所包圍，而采動空隙成為聯(lián)系各個煤巖塊體和工作面大氣的通道。因此在采動空間存在兩種特點相差很大的空隙，即采動空隙和原有空隙。理論研究表明，采動裂隙比原有空隙特性尺寸和滲透性大得多。大量的采動裂隙和原有空隙構(gòu)成了極復雜的瓦斯流動通道網(wǎng)絡(luò)。從整體分析，采動裂隙是瓦斯流動的主要通道。煤層開采后的上覆巖層中形成兩類裂隙一類是離層裂隙，另一類是豎向破斷裂隙。其中，離層裂隙的分布呈現(xiàn)兩個階段特征第一階段從開切眼開始，隨著工作面推進，離層裂隙不斷增大，采空區(qū)中部離層裂隙最發(fā)育；第二階段采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實，離層孔隙率下降，而采空區(qū)兩側(cè)離層裂隙仍能保持。在頂板任意高度水平內(nèi)，在第二階段時，位于采空區(qū)中部的離層裂隙基本被壓實，而在采空區(qū)四周存在一連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)“環(huán)形裂隙圈”?！碍h(huán)形裂隙圈”的存在，為采空區(qū)以及上覆巖層的裂隙帶的瓦斯流動和貯存提供了通道和空間，是采空區(qū)瓦斯聚集的地方。本發(fā)明正是利用這一聚集瓦斯的采動裂隙“環(huán)形裂隙圈”進行采空區(qū)瓦斯的抽放，是解決上隅角瓦斯超限問題行之有效的抽放方法。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明通過將抽放鉆孔或巷道布置在裂“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)，這種布置形式實質(zhì)上就是在工作面的上部頂板通過裂隙與鉆孔溝通，形成通道，在瓦斯抽放泵負壓的作用下，通道內(nèi)形成很高的負壓，大量的卸壓解吸瓦斯被被抽出，有效地解決了回采工作面上隅角和回風流中的瓦斯超限問題，保證了礦井的安全生產(chǎn)。以本發(fā)明方法，可抽出的瓦斯?jié)舛冗_30％～90％。相比之下，若是將鉆孔或巷道布置在冒落帶內(nèi)，因由鉆孔、巷道形成的通道很順暢，抽放的瓦斯?jié)舛葎t很低。若是布置在下沉帶內(nèi)，由于裂隙不發(fā)育，工作空間與抽放鉆孔、巷道沒有裂隙溝通，形成不了通道，則抽不出大量的瓦斯。
2、瓦斯是一種優(yōu)質(zhì)純凈的燃料，其濃度在90％以上，熱值與天然氣相當，CH4對臭氧層的破壞比CO2高16倍，本發(fā)明通過集中抽放瓦斯，可以對其進一步進行綜合利用，以減少瓦斯對大氣的污染，保護環(huán)境。
3、本發(fā)明方法工藝簡單、存在明顯的技術(shù)優(yōu)勢和推廣應(yīng)用前景。
附圖
為本發(fā)明開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法或巷道法抽放瓦斯原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明方法是在開采煤層頂板，對于來自開采和卸壓煤層通過采空區(qū)上覆巖層受采動影響形成的裂隙通道匯集到“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)的解吸瓦斯，由布置在“環(huán)形裂隙圈”中的鉆孔或巷道進行抽放，該“環(huán)形裂隙圈”位于采煤工作面靠近回風巷和進風巷的采空頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內(nèi)。
具體實施中，由于采煤工作面一般具有一定的傾角且用上行通風，瓦斯與空氣共存時瓦斯將升浮，若是使布置在采空區(qū)上覆巖層采動裂隙帶中的抽放鉆孔或抽放巷道位于靠工作面?zhèn)鹊纳巷L巷內(nèi)側(cè)頂板的“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)，則抽放的是采空區(qū)或來自于鄰近層的卸壓解吸瓦斯，以解決上隅角的瓦斯超限問題。
為了保證抽放效果，鉆孔、巷道的密封也是關(guān)健所在。鉆孔或抽放巷道與抽放管道的接茬處一定要密封，不得漏氣。
具體實施中，瓦斯抽放鉆孔、巷道布置的合理位置首先要考慮滿足能抽放的面積大、整個鉆孔、巷道長度內(nèi)都可進行有效抽放，抽放瓦斯?jié)舛雀卟⑶疫_到較高的抽放率。此外，還需要考慮抽放鉆場、鉆孔、抽放瓦斯巷道施工的難易程度，并避免對工作面正常回采工作造成干擾。
根據(jù)相似材料和計算機數(shù)值計算可知回采工作面開采后在采空區(qū)四周存在著“環(huán)形裂隙圈”，且越接近工作面處，由于巖層剛剛冒落下來，壓實不充分，“環(huán)形裂隙圈”的范圍較大，采空區(qū)卸壓瓦斯貯存在在這一聯(lián)通的環(huán)形離層或裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，相當于一個瓦斯包。很顯然，使鉆孔或巷道處在“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)是鉆孔或巷道布置合理位置的關(guān)健。
關(guān)于工作面上覆巖層移動特征通過對安徽淮南礦區(qū)新區(qū)(潘一、潘三礦)C13-1煤層頂板和老區(qū)的B8煤層頂板巖層移動特征分別進行相似材料模擬試驗和計算機數(shù)值模擬計算得出1、相似材料模擬試驗結(jié)果淮南礦區(qū)新區(qū)C13-1煤層頂板為復合頂板，由泥巖和中、細砂巖所組成，直接頂隨工作面的推進隨采隨冒。根據(jù)實驗室模擬試驗結(jié)果，隨采隨冒落直接頂高度大約5m左右，直接頂上方的復合頂板呈現(xiàn)出離層，并產(chǎn)生橫斷裂隙，貫穿巖層裂隙十分發(fā)育。工作面上方裂隙發(fā)育豐富的頂板厚度在13m左右。工作面前方3m，高度10m范圍內(nèi)頂板有豐富的裂隙，但裂隙的裂度比工作面上方和后方頂板裂隙的裂度小。
在低度發(fā)育區(qū)內(nèi)以巖層的斷裂(縱向)裂隙為主；在中度裂隙區(qū)內(nèi)以巖層斷裂(縱向)裂隙為主，但有少部分離層(橫向)裂隙；在高度裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，斷裂和離層裂隙都十分發(fā)育。裂隙發(fā)育區(qū)受兩種因素影響比較明顯，一是當工作面向前推進時，高、中、低裂隙發(fā)育區(qū)變成高度裂隙發(fā)育區(qū)，原高度裂隙區(qū)就會垮落下來；二是當工作面停止推進，裂隙區(qū)也會變化，即隨著時間的延長，高度裂隙區(qū)會更加發(fā)育甚至冒落下來。中、低度裂隙區(qū)會有更多的裂隙發(fā)育出來。
因此，中、高度裂隙發(fā)育區(qū)是布置頂板抽放鉆孔的最佳位置。
2、計算機數(shù)值模擬結(jié)果計算機模擬分析結(jié)果顯示，在縱向方向上，隨著工作面向前推進，采空區(qū)上覆巖層受采動影響，在煤壁上方一定范圍內(nèi)的頂板產(chǎn)生垂直應(yīng)力的集中區(qū)和卸壓區(qū)，在卸壓區(qū)內(nèi)的頂板巖層內(nèi)，巖層之間和層內(nèi)產(chǎn)生具有一定規(guī)律的橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙。B8煤層在開采過程中，頂板巖層中裂隙分布的基本特征是在距煤層頂板法距16.5m～24m范圍，距離煤壁前方4.5m以內(nèi)，受煤壁支承影響，巖層應(yīng)力變化顯著，裂隙開始發(fā)育；工作面距煤壁11m范圍內(nèi)頂板裂隙較發(fā)育；從工作面向采空區(qū)33m范圍內(nèi)，頂板覆巖充分受采動影響，離層裂隙將變得十分發(fā)育。隨后，采空區(qū)中部覆巖又逐步壓實。結(jié)果顯示，采空開切眼處上方巖層移動變形特征與煤壁處十分相似，離層裂隙與其呈對稱分布。在工作面的傾斜方向上，上風巷垂直向上約8～25m，上風巷傾斜方向沿煤層方向0～35m范圍內(nèi)裂隙較發(fā)育。通過數(shù)值模擬可見離層裂隙區(qū)位于采空區(qū)四周，構(gòu)成了采動裂隙的“環(huán)形裂隙圈”。
關(guān)于頂板抽放瓦斯鉆孔及巷道的合理布置確定抽放鉆孔數(shù)量的原則是確保工作面上隅角和回風流中的瓦斯?jié)舛仍凇睹旱V安規(guī)程》允許的范圍內(nèi)。確定鉆孔的數(shù)量應(yīng)考慮的因素包括抽放泵的能力、抽放系統(tǒng)的阻力、瓦斯在裂隙帶內(nèi)流動的阻力、需要抽放的瓦斯量和抽放管內(nèi)的瓦斯?jié)舛鹊?。建議一個鉆場布置鉆孔不少于5個，以5～10個鉆孔為宜。根據(jù)瓦斯涌出量的大小，也可適當增減。
對于復合頂板，抽放瓦斯鉆孔布置位置的參數(shù)選取為距上風巷內(nèi)錯3～5m，距煤層頂板法8～25m，沿煤層傾斜方向距上風巷0～30m。
對于C13煤層，設(shè)置頂板抽放瓦斯鉆孔與上風巷水平距離為0～30m，頂板鉆孔距開采煤層頂板法距為8～25m。對于C13煤層，當頂板巷道與上風巷水平距離約為8～18m時，頂板巷道距開采煤層頂板法距為10～14m范圍內(nèi)，抽放效果最佳，即頂板巷道位于此“環(huán)形裂隙圈”抽放純瓦斯量最大。
對于B8煤層及其覆巖，設(shè)置頂板抽放瓦斯巷道與上風巷水平距離為23m，頂板巷道距開采煤層頂板法距為16～17m。對于B8煤層及其覆巖層，當直接頂垮落后，直接頂以上的頂板在沒有垮落前，其裂隙或產(chǎn)生離層較豐富的高度為16.5～24m范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場試驗效果考察中的瓦斯抽放量分析可看出，當頂板巷道與上風巷水平距離約為23m時，頂板巷道距煤層頂板法距為16～17m范圍內(nèi)，抽放效果最佳。
附圖示出本發(fā)明開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法或巷道法抽放瓦斯的原理。
圖中，1為環(huán)形裂隙圈，2為回風巷、3為進風巷、4為首采層、5為抽放鉆孔、6為“O”形圈。
權(quán)利要求
1.開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，其特征是在開采煤層頂板，對于來自開采和卸壓煤層通過采空區(qū)上覆巖層受采動影響形成的裂隙通道匯集到“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)的解吸瓦斯，由布置在“環(huán)形裂隙圈”中的鉆孔或巷道進行抽放，所述“環(huán)形裂隙圈”位于采煤工作面靠近回風巷和進風巷的采空頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，其特征是對于復合頂板，所述抽放瓦斯鉆孔布置位置的參數(shù)選取為距上風巷內(nèi)錯3～5m，距煤層頂板法距8～25m，沿煤層傾斜方向距上風巷0～30m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，其特征是一個鉆場布置鉆孔數(shù)不少于5個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，其特征是對于C13煤層，設(shè)置頂板抽放瓦斯鉆孔與上風巷水平距離為0～30m，頂板鉆孔距開采煤層頂板法距為8～25m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，其特征是對于B8煤層及其覆巖，設(shè)置頂板抽放瓦斯巷道與上風巷水平距離為23m，頂板巷道距開采煤層頂板法距為16～17m。
全文摘要
開采煤層頂板瓦斯抽放的方法，其特征是在開采煤層頂板，對于來自開采和卸壓煤層通過采空區(qū)上覆巖層受采動影響形成的裂隙通道匯集到“環(huán)形裂隙圈”內(nèi)的解吸瓦斯，由布置在“環(huán)形裂隙圈”中的鉆孔或巷道進行抽放，“環(huán)形裂隙圈”位于采煤工作面靠近回風巷和進風巷的采空頂板冒落帶以上的離層裂隙帶內(nèi)。本發(fā)明有效地解決了回采工作面上隅角和回風流中的瓦斯超限問題，保證了采煤工作面的高效、安全生產(chǎn)。
文檔編號E21F7/00GK1532374SQ0311302
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月18日
發(fā)明者袁亮, 劉澤功, 章立清, 于爾海, 李平, 王楚光, 廖斌琛, 周德永, 金學玉, 葉發(fā)光, 袁 亮 申請人:淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司, 安徽理工大學