保护层开采技术

1、保护层开采技术 首选区域防突措施,报 告 人：苏现波 教授 博导 工作单位：河南理工大学 联系方式13393888568 ,报 告 提 纲,一、防突规定基本规定 二、开采保护层防突机理 三、保护层采动作用基本规律 四、保护层保护范围的确定 五、选择保护层的原则 六、开采保护层的要求 七、保护层保护效果检验,第四十五条 区域防突措施是指在突出煤层进行采掘 前，对突出煤层较大范围采取的防突措施。区域防突措施包 括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。 开采保护层分为上保护层和下保护层两种方式。 保护层：为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层或岩层称为保护层；位于突出危险煤层上方

2、的保护层称为上保护层，位于下方的称为下保护层。 被保护层：由于保护层开采的采动作用并同时抽采卸压瓦斯，可使邻近的突出危险煤层的突出危险区域转变为无突出危险区，该突出危险煤层称为被保护层。 根据保护层与被保护层之间的垂距（h），划分为： 近距离保护层 h10 m 中距离保护层 10 mh50 m 远距离保护层 h50 m,一、防治煤与瓦斯突出规定基本规定,第四十条 区域防突措施应当优先采用开采保护层。 预抽煤层瓦斯措施：所使用的钻孔在煤层中的分布不可能是连续的，有的还有较大的空白带。 开采保护层：对被保护层所形成的卸压作用则是非常均匀的，因而是最可靠和有效的防突措施。 优先采用开采保护层区域防突

3、措施，即应首先考虑是否有开采保护层的条件，当有条件时应直接开采保护层，或者在开采保护层的前提下将预抽煤层瓦斯作为辅助手段结合使用；优先开采保护层，即应突破正常的可采煤层条件，积极创造开采保护层的条件，在没有理想保护层的情况下，应试验应用薄煤层回采技术，尽可能开采薄煤层作为保护层，当被保护层突出危险性非常大的情况下也应考虑开采煤线或软岩层；优先开采保护层要综合考虑安全效益、开采保护层与后期开采被保护层的整体经济效益。,一、防治煤与瓦斯突出规定基本规定,国内外的考察资料证明，保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤体结构和瓦斯动力参数都将发生显著的变化。在时间上，卸压作用是最先出现的，卸压过程甚至

4、有时在保护层工作面前方1020 m处开始。在工作面后方，膨胀变形速度加快时，瓦斯动力参数才发生变化，参数变化次序为：,二、开采保护层防突机理,其防止煤与瓦斯突出机理为： 尽管保护层的保护作用是卸压和排放瓦斯综合作用的结果，但卸压作用是引起其它因素变化的依据，卸压是首要的、起决定性的。因此，只要突出层受到一定的卸压作用，煤体结构、瓦斯动力参数便会发生如上顺序的变化。,二、开采保护层防突机理,保护层采动作用（被保护层应力变形状态和瓦斯动力参数变化） 1 走向方向（分为4带） 正常应力带（瓦斯自然涌出带）：一般分布在保护层采煤工作面前方4050m处。此带内岩层未受采动影响，承受正常压力；瓦斯动力参数

5、保持原始数值，钻孔瓦斯涌出量按负指数规律自然衰减。 集中应力带或支撑压力带（瓦斯涌出减少带）：一般分布在保护层采煤工作面前方50m至后方20m处。最大支撑压力点位置，一般位于保护层工作面前方230m处，且大多数在工作面前方10m范围内，与其对应的最大压缩变形值为0.13.33。 在该带内，由于集中应力作用，煤体裂缝和孔隙闭合，透气性降低，瓦斯流量减小。,三、保护层采动作用基本规律,1 走向方向 卸压带（瓦斯涌出活跃带）：出现急剧卸压的那点为卸压带的初始点，该点通常位于工作面后方520m处，最大卸压点（最大膨胀变形点）位于工作面后方20130m处。过了最大卸压点后，卸压速度逐渐减小，直到应力恢复

6、带为止，仍保持显著卸压状态。 在该带内，因压力已传递给此带以外的岩层承受，煤层承受压力不断减小，即产生卸压作用，煤体产生膨胀变形，透气性增加，瓦斯加剧解吸，流量不断增加并达到最大值，瓦斯压力急剧下降。 该带瓦斯涌出活跃，最宜于钻孔抽放瓦斯。,三、保护层采动作用基本规律,1 走向方向 应力恢复带（瓦斯涌出衰减带）：位于工作面后方较远处。保护层采空区内冒落岩石逐渐被压实，处于此带的煤（岩）层重新支撑压力，但应力值已小于原始应力值，煤层仍保留一定的膨胀变形，因瓦斯经长期自然排放或人工抽放，已处于衰减状态，失去抽放价值。,三、保护层采动作用基本规律,2 垂直煤层方向（分为3带） 岩石混乱移动带（冒落带

7、）：该带距保护层距离h10m，形成层间距纵横交错的互相沟通的大裂隙系统，处于该带内的突出层，瓦斯得到充分释放，残余瓦斯压力值一般为00.2MPa。 岩石完整性被破坏的移动带： 距保护层距离：下保护层为1050m；上保护层为1030m。层间岩石中仍形成垂直层面与保护层相互沟通的裂缝，处于此带的突出层瓦斯仍可通过层间裂隙得以排放，层间距越大，排放程度越差。,三、保护层采动作用基本规律,2 垂直煤层方向 岩层弯曲带（弹塑性变形带） 距保护层距离：下保护层为5080m，上保护层为3040m。在此带内，被保护层形成离层空洞与层内裂隙，在层间岩石中央能形成与保护层沟通的裂缝。瓦斯不能通过层间裂缝排放，处于

8、此带内的突出层，解吸瓦斯积聚在离层空洞内，依靠层内裂缝向上水平采空区或同水平巷道排放。只有当保护层工作面超前距离较大，即膨胀速度加快时，被保护层的瓦斯压力才开始缓慢下降。,三、保护层采动作用基本规律,第四十八条 保护层和被保护层开采设计依据的保护层有效保护范 围等有关参数应当根据试验考察确定，并报煤矿企业技术负责人批准后执 行。 首次开采保护层时，可参照附录D确定沿倾斜的保护范围、沿走向 （始采线、终采线）的保护范围、保护层与被保护层之间的最大保护垂 距、开采下保护层时不破坏上部被保护层的最小层间距离等参数。 必须根据保护范围等参数的考察结果进行保护层开采设计。因而考察获得的有关参数直接影响到

9、保护层开采设计和安全生产，为慎重确定有关参数，要求有关结果报煤矿企业负责人批准。 但鉴于首次开采保护层(某个新的保护层与被保护层的组合)时，尚没有实际考察结果，所以其开采设计可参考防突规定附录D中的参考数据，以后的开采设计则应按实际考察结果进行。,四、保护层保护范围的确定,保护范围 ：保护层开采并同时抽采卸压瓦斯，在空间上使突出危险煤层 的突出危险区域转变为无突出危险区域的有效范围。 1 最大保护垂距,四、保护层保护范围的确定,四、保护层保护范围的确定,2 沿倾斜方向的保护范围,四、保护层保护范围的确定,3 沿走向方向的保护范围,四、保护层保护范围的确定,防突规定第四十六条 选择保护层必须遵守

10、下列规定： （一）在突出矿井开采煤层群时，如在有效保护垂距内存在厚度0.5m 及以上的无突出危险煤层，除因突出煤层距离太近而威胁保护层工作面安 全或可能破坏突出煤层开采条件的情况外，首先开采保护层。有条件的矿 井，也可以将软岩层作为保护层开采； 若某煤层距突出煤层太近：突出煤层的煤与瓦斯可能突破中间的岩层而涌入工作面；遇到较大断层时直接将保护层与突出煤层打通；若突出煤层位于开采煤层上方，回采时将破坏突出煤层而导致无法开采。故与突出煤层相距太近的煤层不能作为保护层开采。 除上以外，在有效保护垂距内存在厚度0.5 m及以上的无突出危险煤层时，都必须首先开采保护层，而不能选择单独采用预抽措施，这作为

11、一条强制的规定内容。此外，当确实没有适合的煤层作为保护层时，如果突出煤层的突出危险性非常大而且也有很高的开采经济价值，也可考虑开采厚度小于0.5m的煤层或开采一层较软的岩层作为保护层。但这一措施仅要求煤矿考虑和必要时进行论证，而不作为必须执行的规定。,五、选择保护层的原则,（二）当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时，综合比较分析，择 优开采保护效果最好的煤层； （三）当矿井中所有煤层都有突出危险时，选择突出危险程度较小的 煤层作保护层先行开采，但采掘前必须按本规定的要求采取预抽煤层瓦斯 区域防突措施并进行效果检验； 保护层有突出危险，应按要求采取区域综合防突措施，即进行区域预测，并对其中的突出

12、危险区采用预抽煤层瓦斯区域防突措施和效果检验，并在采掘时进行区域验证。,五、选择保护层的原则,（四）优先选择上保护层。在选择开采下保护层时，不得破坏被保护 层的开采条件。 开采上保护层更符合正常开采程序，对采掘巷道等的影响也小，应优先采用。但确需开采下保护层时，则选择的下保护层不宜太近，否则除安全原因外，还易破坏上部被保护层，致其无法开采。,五、选择保护层的原则,第四十七条 开采保护层区域防突措施应当符合下列要求： （一）开采保护层时，同时抽采被保护层的瓦斯； 防止被保护层大量瓦斯涌入保护层工作面，威胁生产安全； 开采保护层时，被保护层卸压，瓦斯大量解吸、透气性急剧增加，此时抽采效率最高。 （

13、二）开采近距离保护层时，采取措施防止被保护层初期卸压瓦斯突 然涌入保护层采掘工作面或误穿突出煤层； 开采近距离保护层时，层间岩层厚度小，正常情况下层间岩层可阻挡突出煤层瓦斯突入保护层工作面，但当岩层厚度变薄时，岩层强度难以阻挡突出煤层。而且，若遇落差较大的断层等构造时，也将减小岩层厚度，削弱岩层强度。由于在工作面的初次放顶期间顶底板活动最剧烈，而且目前实际出现的事故也大都集中在初采期。,六、开采保护层的要求,（三）正在开采的保护层工作面超前于被保护层的掘进工作面，其 超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m； 保护层工作面推过一定距离后，卸压作用才能传递到被保护层，所

14、以被保护层应在保护层工作面回采完后或者回采过一定距离后才能开始掘进。防突规定要求的最小超前距离是3倍的层间距，并且如果3倍的层间距小于100m时，则最小超前距不小于100m 。,六、开采保护层的要求,（四）开采保护层时，采空区内不得留有煤(岩)柱。特殊情况需留煤 (岩)柱时，经煤矿企业技术负责人批准，并作好记录，将煤(岩)柱的位置 和尺寸准确地标在采掘工程平面图上。每个被保护层的瓦斯地质图应当标 出煤(岩)柱的影响范围，在这个范围内进行采掘工作前，首先采取预抽煤 层瓦斯区域防突措施。 保护层留煤柱是最忌讳的事情，因为留煤柱的区域将会产生应力集中，使地应力比原来更高，更不利于降低突出危险。所以应

15、严格煤柱的管理，对于确实需要留煤柱时，应履行审批程序，并作好记录。而且鉴于煤柱影响区没有有效的保护作用，所以还应采取其他的区域防突措施。,六、开采保护层的要求,当保护层留有不规则煤柱时，按照其最外缘的轮廓划出平直轮廓 线，并根据保护层与被保护层之间的层间距变化，确定煤柱影响范围。在 被保护层进行采掘工作时，还应当根据采掘瓦斯动态及时修改。 如果保护层煤柱区的边界线是不规则的，那么就很难计算、划定其影响范围。所以为方便、可靠地划定煤柱影响区，可用一段或数段直线代替煤柱区边界线，并使煤柱区最外的边缘线均处于该直线划定的煤柱区范围内，然后根据这个由直线组成的煤柱区边缘线计算、划定其影响区范围界线。,

16、六、开采保护层的要求,第五十一条 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（应符合本规定第四十二条要 求的程序）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。 残余瓦斯压力、残余瓦斯含量：反映煤层开采保护层后的实际瓦斯赋存水平； 顶底板位移量及煤层透气性的变化：反映煤层卸压程度。 此外，作为卸压结果之一，开采保护层期间及前后，煤层透气性的变化也反映了煤层的卸压程度，也可作为辅助判断指标。,七、保护层保护效果检验,当采用残余瓦斯压力、残余瓦斯含量检验时，应当根据实测的最大残 余瓦斯压力或者最大残余瓦斯含量按本规定第四十三条第（三

17、）项的方法 对预计被保护区域的保护效果进行判断。若检验结果仍为突出危险区，保 护效果为无效。 残余瓦斯压力、残余瓦斯含量是防突规定允许使用的保护效果检验指标。在采用这些指标进行检验时，应按照规定第四十三条第（三）项的方法判断开采保护层的保护效果，但判断所主要依据的指标应是措施实施区域的直接实测值，而其他的间接数据和参数等仅能用于辅助判断或参考。例如，顶底板位移量（或煤层最大膨胀量）、透气性增加倍数等，只能说明保护层的开采对被保护层有了卸压效果，但不能直接说明是否达到防突效果。当然，在同一保护层组合的其他工作面是否还要进行保护效果检验，需要依据顶底板位移量做出判断。,七、保护层保护效果检验,第四

18、十条 突出矿井首次开采某个保护层时，应当对被保护层进行 区域措施效果检验及保护范围的实际考察。如果被保护层的最大膨胀变形 量大于3，则检验和考察结果可适用于其他区域的同一保护层和被保护 层；否则，应当对每个预计的被保护区域进行区域措施效果检验。此外， 若保护层与被保护层的层间距离、岩性及保护层开采厚度等发生了较大变 化时，应当再次进行效果检验和保护范围考察。 为确认开采保护层的效果，可考察被保护层的顶底板位移量，如果根据顶底板位移量计算出煤层的最大膨胀变形量大于煤层厚度的3，说明开采保护层对被保护层起到了卸压保护效果，则本矿井再次出现这个保护层与被保护层的组合时就可以不经再次考察即采用上次考察的结论和参数。实际上，膨胀变形量不仅反映了泄放瓦斯的效果，也是地应力缓和降低的重要指标。但如果最大膨胀变形量小于或等于3，则说明卸压保护效果较小或不足，说明即使本次考察的被保护层没有突出危险，也难保证下一个同一组合的被保护层工作面煤层没有危险。所以在这种情况下