CN103422847A - 基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法。通过分析采动裂隙带动态演化特征、力学机理及影响因素，得出切眼侧带宽大约为初次来压步距，工作面侧带宽在2～3倍周期来压步距间变化，进风巷及回风巷附近带宽约为0.7～0.8倍初次来压步距，内外梯台面的高度受制于关键层层位及所形成砌体梁结构的变形、破断和失稳形态，从而确定采动卸压瓦斯抽采钻孔终点的布置参数，通过现场效果检验，证明了将瓦斯抽采钻孔布置在采动裂隙圆矩梯台带中，能大幅度提高瓦斯抽采浓度，从而实现了工作面采煤与连续抽采卸压瓦斯同步推进，得出高瓦斯煤层开采煤与瓦斯共采机理，形成了基于采动裂隙圆矩梯台带中的抽采方法。

Description

基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法

技术领域

本发明涉及矿山安全工程技术(瓦斯抽采技术)领域，具体是基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法。适用于我国高瓦斯煤矿生产过程中瓦斯抽采钻孔参数的确定，大大提高了煤矿生产过程中瓦斯利用效率，降低了瓦斯事故发生的概率。

背景技术

煤层赋存于地下，其上部覆岩是一系列岩层的有序组合，而层状组合中有一层或几层较为坚硬的厚岩层对控制整个上覆岩体的变形与破坏起主要的作用，这种坚硬的岩层称为关键层(Key stratum)，且多数上覆岩层中的关键层不止一层。煤层开采后，上覆岩层在关键层未破断失稳前，将以Winkle弹性地基结构形式产生挠曲下沉变形。此时，关键层下部将产生不协调的连续变形离层和各种裂隙分布，而主要分布于煤层上部覆岩中的有两种裂隙，即竖向破断裂隙和离层裂隙。随着工作面的进一步推进，这两种裂隙也随之向上发展，当裂隙发育贯穿煤层基本定（第一亚关键层）及其之后的其他亚关键层时，煤层上部覆岩中便形成了含有极其丰富破断裂隙及离层裂隙的空间区域，为瓦斯储存与积聚的主要空间。

目前，我国煤矿生产中对瓦斯的防治方法以抽采为主。但在实施过程中对于瓦斯抽采钻孔参数的确定上仍然处于利用经验判断的水平上。

发明内容

如果能够采用某种方法计算出并优化瓦斯抽采钻孔参数，那将会在很大程度上提高我国瓦斯的利用率，降低瓦斯灾害发生的概率，具有很高的社会价值。本发明所涉及的基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法，就是主要是针对于这一课题提出的。本发明的目的是提供基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法，为瓦斯抽采钻孔参数的优化奠定了理论基础，使现场瓦斯抽采的效率大大提高。

本发明专利解决上述技术问题采用的技术解决方案是：基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法，当工作面推进到一定距离后，岩层层面离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通，在平行于煤层的平面上，进回风巷的上覆岩层裂隙区与切眼、工作面上覆岩层的裂隙区贯通，在一矩形框内存在有一定宽度的环状裂隙发育区域，在环形圈的中部是压实的裂隙，如工作面足够长，则可形成类似于经过圆倒角的矩形。在垂直于煤层的剖面上，覆岩岩层断裂位置由下而上依次内错，各岩层断裂位置的连线可近似为直线，且此直线与离层带在纵断面上的连线共线，在三维空间上则形成了采动裂隙发育的圆角矩形梯台带，简称采动裂隙圆矩梯台带。所述的方法包括以下步骤：

（1）通过现场对煤层参数的实际调研，运用相似理论进行推导，根据配比计算公式计算出每个岩层中所有材料的总质量及某种材料的质量，

计算每个岩层中所有材料的总质量G（kg），即

G=(lwhγ_m×10³)/g   （1）

式中：γ_m—模型材料的容重，此处γ_m=15.7kN/m³；

g—重力加速度，g=9.8N/kg；

l、w、h—模型长度、宽度、高度，m。

计每层中需要某种材料的质量m_i（kg），即

m_i=G×R_i   （2）

式中：R_i——某料在每层中的比例，由配比号计算确定。

使其能够满足实验要求的配比，用此搭建模型，开展物理相似模拟实验，通过实验得到内外椭抛面高度h₁、h₂；

（2）利用FLAC3D有限差分数值模拟软件结合现场实际参数进行数值计算，得采动裂隙圆矩梯台带的高度、切眼侧带宽、进风巷及回风巷附近带宽；

（3）对物理相似模拟及数值模拟的结果进行分析，并结合建立的采动裂隙圆矩梯台带模型，可确定瓦斯抽采钻孔的合理参数，实施采动过程中的瓦斯抽采。

所述的合理参数包括钻孔倾角、钻孔方位角、终孔位置、抽采负压、钻孔长度。

本发明根据物理相似模拟实验结果，对影响采动裂隙圆矩梯台带的各因素进行了分析，得到采动裂隙圆矩梯台带的动态演化规律，通过分析采动裂隙带动态演化特征、力学机理及影响因素，得出切眼侧带宽大约为初次来压步距，工作面侧带宽在2～3倍周期来压步距间变化，进风巷及回风巷附近带宽约为0.7～0.8倍初次来压步距，内外梯台面的高度受制于关键层层位及所形成砌体梁结构的变形、破断和失稳形态，从而确定采动卸压瓦斯抽采钻孔终点的布置参数，通过现场效果检验，证明了将瓦斯抽采钻孔布置在采动裂隙圆矩梯台带中，能大幅度提高瓦斯抽采浓度，从而实现了工作面采煤与连续抽采卸压瓦斯同步推进，形成了基于采动裂隙圆矩梯台带中的瓦斯抽采方法。

附图说明

图1采动裂隙圆矩梯台带沿走向形态示意图。

图2采动裂隙圆矩梯台带沿倾向形态示意图。

图中：1-外台带高度；2-内台带高度；3-工作面；4、5-走向断裂角；6-工作面侧带宽；7-切眼侧带宽；8-回风巷；9-进风巷；10、11-倾向断裂角；12-回风巷附近带宽；13-进风巷附近带宽。

具体实施方式

基于该理论来布置卸压瓦斯抽采巷道或抽采钻孔已在山西、陕西等多个煤矿使用，按照以下步骤对现场工程实践进行指导，当工作面推进到一定距离后，岩层层面离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通，在平行于煤层的平面上，进风巷（8）、回风巷（9）的上覆岩层裂隙区与切眼、工作面上覆岩层的裂隙区贯通，在一矩形框内存在有一定宽度的环状裂隙发育区域，在环形圈的中部是压实的裂隙，如工作面足够长，则可形成类似于经过圆倒角的矩形。在垂直于煤层的剖面上，覆岩岩层断裂位置由下而上依次内错，各岩层断裂位置的连线可近似为直线，且此直线与离层带在纵断面上的连线共线，在三维空间上则形成了采动裂隙发育的圆角矩形梯台带，简称采动裂隙圆矩梯台带。该方法包括以下步骤：

（1）通过现场对煤层参数的实际调研，运用相似理论进行推导，并按以下配比公式：

计算每个岩层中所有材料的总质量G（kg），即

G=(lwhγ_m×10³)/_g   （1）

式中：γ_m—模型材料的容重，此处γ_m=15.7kN/m³；

g—重力加速度，g=9.8N/kg；

l、w、h—模型长度、宽度、高度，m。

计每层中需要某种材料的质量m_i（kg），即

m_i=G×R_i   （2）

式中：R_i——某料在每层中的比例，由配比号计算确定。

计算每个岩层所用材料的总质量及某种材料的质量，计算结果见表1。

表1相似模拟实验材料配比表

根据表1中的计算结果，搭建物理相似模拟实验模型，通过实验得到采动裂隙圆矩梯台带的参数（见图1）。

（1）采动裂隙圆矩梯台带的参数的确定

①采动裂隙带演化高度

根据以下判别准则进行判断关键层是否进入断裂带：

$h_i>1.5\left\{\right[M-\underset{j=0}{\overset{K_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j](k_Z-1)-\underset{j=K_i}{\overset{N_i+K_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j(k_T-1)\}---\left(1\right)$

l_i0>2h_i   （2）

式中：h_i——自下而上第i层关键层的厚度，m；

M——煤层采高，m；

——第i层关键层及所控软岩厚度，m；

k_T——第i层关键层及所控软岩碎胀系数，取1.15～1.33（或从实验中测取）；

——第i层关键层下的岩层厚度，m；

k_Z——第i层关键层下的碎胀系数，取1.33～1.50（或从实验中测取）；

l_i0——第i层关键层的周期断裂距，m；

K_i——为第i层关键层；

N_i——为第i层关键层上方的软岩层数；

i，j——为下标，i=1,2,3……；j=1,2,3………。

随着工作面的推进，进入断裂带的最下层关键层形成砌体梁动态平衡结构，其断裂下沉将导致所控制的上覆软岩随之协调变形，并与它的上位关键层产生离层并形成自由空间，如果上位关键层也满足（1）、（2）两式，则它又有形成砌体梁结构并与它所控制的软岩随工作面推进动态前移，依此类推，如果第i层关键层下的自由空间高度为△i，计算该层极限垮距时的最大弯曲下沉量w_i。

如第i层关键层达到极限垮距时在垮距中部已经与采空区矸石接触（w_i≥Δ_i）。

②走向带宽距的确定

物理相似模拟试验表明，走向带宽距与工作面（3）开采时的初次来压步距和周期来压步距有密切关系，如表2为本次实验所测得的走向带宽距。由该表可知，切眼上方采空区梯台带带宽（A₁）（7）大约相当于1倍初次来压步距（L₀），即A₁≈L₀；工作面上方的带宽（A₂）（6）则在2～3倍周期来压步距（l₁）间变化，即2l₁<A₂<3l₁。

表2采动裂隙带的走向带宽

③倾向带宽距的确定

根据理论分析及模拟实验可知，倾向带宽距也与工作面（3）开采时的初次来压步距有密切关系，如表3为物理相似模拟实验所测得的倾向带宽。由该表可知，倾向带宽距约为0.7～0.8倍初次来压步距，倾向带宽距取决于周边的支承条件，如为近水平或缓倾斜煤层开采且支承条件相同时，进风巷附近带宽（B₁）（12）和回风巷附近带宽（B₂）（13）相等（即B₁≈B₂），一般情况下B₂<B₁≈(0.7～0.8)L₀。

表3采动裂隙带的倾向带宽

④断裂角

断裂角是垮落带显著断裂位置点和断裂带离层发育的边界点连线与煤层层面在采空区一侧的夹角（α₁（4）、α₂（5）、β₁（10）及β₂（11）），可分为两部分，一是直接顶垮落后，断裂线与煤层层面的夹角（垮落角），二是离层裂隙端部与工作面煤壁连线与煤层层面的夹角（离层范围角）。一般而言，沿煤层走向开切眼侧的断裂角（α₂）（5）大于工作面（α₁）（4）一侧（即α₂>α₁）。按上述配比表搭建的物理相似模拟实验模型，实验结果得出，当工作面推进到220m时切眼处断裂角为56°，工作面处为55°。其原因主要是，上覆岩层的变形与破坏是与时间相关的，开切眼侧的覆岩经过了长时间的充分变形与破坏，各岩层的垮落趋于均一化，因而值要大一些。差值的大小与工作面推进速度、覆岩层岩性相关，推进速度越慢，覆岩越软，则差值越小。沿煤层倾向一般情况下，由于煤层倾角的影响，回风巷处断裂角（β₁）（10）大于进风巷（β₂）（11），在支承条件相同且为近水平煤层或缓水平煤层时，回风巷与进风巷附近的断裂角大约相等（即β₁≈β₂），如倾向模型物理相似模拟实验测的覆岩回风巷处断裂角为64°，进风巷处为62°。

（2）利用FLAC3D有限差分数值模拟软件结合现场实际参数进行数值计算，得采动裂隙圆矩梯台带的高度（1、2）、切眼侧带宽（7）、进风巷（9）及回风巷（8）附近带宽；通过对结果的分析，得出采动裂隙圆矩梯台带的参数与物理相似模拟实验所得到的规律相吻合；

（3）对物理相似模拟及数值模拟的结果进行分析，并结合建立的采动裂隙圆矩梯台带模型，可确定瓦斯抽采钻孔的合理参数（如钻孔倾角、钻孔方位角、终孔位置、抽采负压、钻孔长度等），实施采动过程中的瓦斯抽采。对某高瓦斯矿井利用本发明方法进行瓦斯高位抽采巷层位的设计，实施煤与瓦斯共采。该煤矿煤层瓦斯含量大约6.05m³/t。矿井在没有开采上覆邻近煤层时直接开采15#煤层，加之采用综放开采，工作面瓦斯涌出量较大。通过采用U+L型通风系统，将瓦斯钻孔抽采系统布置在圆矩梯台带中，抽采浓度保持在60%左右，抽采纯量达到26.9～50.7m³/min，抽采量占瓦斯涌出总量的54～66%，瓦斯抽采效果较好，工作面、上隅角、回风巷及尾巷瓦斯浓度均控制在《煤矿安全规程》规定的标准以下。实现了较高的瓦斯抽采浓度，减少了工作面瓦斯超限次数，达到了提高煤层瓦斯抽采效率的目的。

Claims (2)

1.一种基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法，当工作面推进到一定距离后，岩层层面离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通，在平行于煤层的平面上，进回风巷的上覆岩层裂隙区与切眼、工作面上覆岩层的裂隙区贯通，在一矩形框内存在有一定宽度的环状裂隙发育区域，在环形圈的中部是压实的裂隙，如工作面足够长，则可形成类似于经过圆倒角的矩形；在垂直于煤层的剖面上，覆岩岩层断裂位置由下而上依次内错，各岩层断裂位置的连线可近似为直线，且此直线与离层带在纵断面上的连线共线，在三维空间上则形成了采动裂隙发育的圆角矩形梯台带，简称采动裂隙圆矩梯台带；其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

（1）通过现场对煤层参数的实际调研，运用相似理论进行推导，根据配比计算公式计算出每个岩层中所有材料的总质量及某种材料的质量，

计算每个岩层中所有材料的总质量G（kg），即

G=(lwhγ_m×10³)/g   （1）

式中：γ_m—模型材料的容重，此处γ_m=15.7kN/m³；

g—重力加速度，g=9.8N/kg；

l、w、h—模型长度、宽度、高度，m。

计每层中需要某种材料的质量m_i（kg），即

m_i=G×R_i   （2）

式中：R_i——某料在每层中的比例，由配比号计算确定；

使其能够满足实验要求的配比，用此搭建模型，开展物理相似模拟实验，通过实验得到内外椭抛面高度h₁、h₂；

（2）利用FLAC3D有限差分数值模拟软件结合现场实际参数进行数值计算，得采动裂隙圆矩梯台带的高度、切眼侧带宽、进风巷及回风巷附近带宽；

（3）对物理相似模拟及数值模拟的结果进行分析，并结合建立的采动裂隙圆矩梯台带模型，可确定瓦斯抽采钻孔的合理参数，实施采动过程中的瓦斯抽采。

2.如权利要求1所述的一种基于采动裂隙圆矩梯台带的瓦斯抽采方法，其特征在于：所述的合理参数包括钻孔倾角、钻孔方位角、终孔位置、抽采负压、钻孔长度。

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