[发明专利]煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法

说明书

技术领域

    本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法。 

背景技术

根据近年来煤矿瓦斯事故数据统计可以看出，我国煤矿瓦斯事故虽然在逐年减少，但是重特大瓦斯事故仍然没有得到有效的遏制，煤与瓦斯突出事故排在近两年来煤矿瓦斯重特大事故的首位，煤与瓦斯突出事故呈严重趋势。2009年国家安全监督管理局颁布了《防治煤与瓦斯突出规定》，在规定中明确提出：煤与瓦斯突出防治工作坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则，未采取区域综合防突措施并未达到指标要求的区域严禁进行采掘活动。 

区域防突方法措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯，对于单一突出煤层及其它不具备开采保护层的突出煤层，目前区域防突只能采取预抽煤层瓦斯方法措施。但是由于突出煤层往往为渗透性极差、强度极低的碎粒煤和糜棱煤，直接预抽煤层瓦斯不仅钻进困难，钻孔抽采半径小，抽采效果差，而且瓦斯抽采时间长，往往以密集布孔、高工程投入为代价进行预抽。为了增加预抽煤层瓦斯的效率，目前主要采用高压水射流扩孔、深孔松动爆破、水力压裂、水力冲孔、高压磨料射流割缝等方法进行强化抽采，这些方法的研究虽然取得了较大的进展，但是推广应用还存在诸多问题，如有可能造成局部应力集中、不能均匀地区域性卸压，技术应用成本较高，技术工艺过程较复杂，工艺过程存在一定的安全隐患等问题。 

开采保护层能够有效地对被保护的突出煤层瓦斯预抽和区域消突，《防治煤与瓦斯突出规定》四十五条规定，对于具备开采保护层条件的突出矿井必须优先采用开采保护层措施；不具备开采保护层条件的，必须预抽煤层瓦斯。 

开采保护层能均匀地使被保护的突出煤层区域性卸压和消突，技术工艺过程较成熟简单，安全可靠，应用成本一般不高，而对于其应用和推广最大的问题包括两方面：一方面是国内很多矿区的突出煤层为单一煤层或煤层间距太大，找不到适合的保护层进行开采；另一方面是当开采的保护层本身具有突出危险或煤层太薄赋存不稳定时，保护层本身开采难度较大。因此，极需要找到一种新开采保护层开采方法，以突破保护层开采条件的局限。 

现有的保护层开采技术

我国煤炭储量丰富，同时也是世界上煤层瓦斯资源最丰富的国家之一。我国煤层瓦斯资源为美国的3倍，但瓦斯抽采量与美国相差甚远，这主要是我国煤层瓦斯储存特征所决定的，其特点是“两低一高”，即煤层瓦斯压力低、煤层透气性低、煤层瓦斯吸附能力高，这一特点给煤层开采和瓦斯抽放带来了较大困难。我国多年的科研和生产实践，尤其煤矿瓦斯抽放经验表明，瓦斯只是在煤体直接被开采和围岩体在采动影响下变形、破断后才会有大量的运移，包括瓦斯的渗流、扩散、升浮，向采场涌出、突出等，由于煤层本身赋存条件和经济技术因素，不能有效地大规模进行地面钻井抽放瓦斯，而应该着力于研究采动过程中层状岩体应力分布状态和型隙分布与煤层瓦斯运移的特点，研究有效控制瓦斯运移的技术。

    预防煤与瓦斯突出措施按作用范围来划分，有区域性措施和局部性措施，其中开采保护层是预防突出最有效、最经济的区域性措施。几乎所有发生煤与瓦斯突出的国家，只要有保护层，都采用这项措施。我国从1958年起成功地使用了开采保护层的技术。 

    在突出矿井中，预先开采的，并能使其他相邻的有突出危险煤层受到采动影响而减少或丧失危险的煤(岩)层称为保护层，即危险煤层掘进和回采之前，在时间上和空间上都超前开采位于危险煤层顶扳或底扳内的煤(岩)层。保护层与被保护层之间的层间距若合适，开采保护层才能使突出危险煤层的应力—应变状态和瓦斯动力状态发生改变，以达到预防煤与瓦斯突出的目的。 

开采薄保护层起防护作用的条件是保护层的采高要大于围岩的总形变量，当其他因素相同时，主要取决于开采深度和回来参数(工作面长度和顶板控制方法)。若保护层太薄，采空区披岩石自行充填，或在保护层变形带留下煤柱，开采保护层所起的保护作用影响范围就缩小了，因为在上或下保护层产生保护作用之前．采空区的顶板利底板已闭合。 

开采保护层方法的选取，首先决定于煤系地层的结构——煤系中含有的煤层数，以及是否有可作为保护层的煤层；其次是保护层与被保护层之间的岩层厚度，这些岩层的岩石成分和物理力学性质对保护效果具有实质性的影响。 

按瓦斯因素，保护的范围是保护层和被保护层之间的层间距相适应。在层间距合适时可以消除瓦斯因素(危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量)对煤与瓦斯突出势态造成的影响。当突出危险煤层的应力—应变和瓦斯动力状态发生人为变化时，保护作用才能表现出来。