保護層開采效果測評方法研究①

王志亮 焦殿志 彭 輝

(1.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601;2.安徽皖北煤電集團公司五溝煤礦，安徽 淮北 235157)

保護層開采效果測評方法研究①

王志亮1②焦殿志2彭 輝2

(1.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601;2.安徽皖北煤電集團公司五溝煤礦，安徽 淮北 235157)

為深入分析保護層開采的實施效果，依據煤巖卸壓變形理論和瓦斯運移特性，建立了保護層開采測評指標體系，對效果測評指標的現場實測方法進行分析。研究結果表明:測評體系包括保護范圍和保護效果兩部分，其中瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數、煤層頂底板相對變形、瓦斯抽放量、突出指標的變化等因素可作為效果考察的現場測評指標。保護層開采后，應首先明確其保護范圍，然后再對保護效果分別從煤體力學特性、煤層瓦斯特性和煤層開采動力特性3方面進行綜合分析，按照現場實測值與指標臨界值的對比，即可系統地定量評價保護層開采的效果。

保護層開采;煤與瓦斯突出;指標體系;測評方法

長期的理論研究和突出危險煤層的開采實踐證明，開采保護層是防治煤與瓦斯突出最有效、最經濟的區域性措施【1，2】。具有突出危險性的礦井，只要有保護層，一般都采用這項技術。但對保護層開采后的效果測評方法卻沒有統一標準，大部分礦井僅僅在被保護煤層實施采掘作業過程中采用某些突出指標進行消突效果驗證，若指標超限則繼續補充防突措施，直至指標值降低至突出臨界值以下才進行生產;有的礦井為了生產進度，甚至超指標作業，這不僅大大降低生產效率，影響生產計劃和銜接，而且給礦井瓦斯事故埋下極大隱患。在保護層開采實施前，需要預先確定保護范圍，保護層開采后，需要對卸壓范圍和保護效果進行考察和分析，以便在被保護層的有效卸壓區域內合理布置作業工作面。本文依據保護層開采相關理論，詳細分析了保護層開采后的效果測評指標，并對其現場實施方法進行探討，從而建立較為系統和完善的效果測評方法，為現場瓦斯防治提供參考依據，同時也進一步完善了保護層開采理論體系。

1 保護層開采效果測評指標體系

由于保護層開采后的卸壓作用，采動形成的煤(巖)體變形、破裂和裂隙伸張將大幅度地提高煤(巖)體瓦斯運移的透氣性，產生“卸壓增透增流”效應，形成瓦斯“解吸-擴散-滲流”活化流動的條件，卸壓瓦斯得以排放，瓦斯壓力和瓦斯含量下降，煤體變硬，進而達到消除煤層突出危險性的目的［3-6］，此時被保護范圍內突出煤層的應力變形狀態和瓦斯動力參數發生重大變化［7-10］，由此而喪失或降低其突出危險性。保護層開采的卸壓范圍決定了被保護煤層設計采區及工作面布置區域，其卸壓效果決定了被保護層工作面生產過程中瓦斯涌出量的大小，直接影響到工作面生產效率和安全狀況。因此，在保護層開采措施實施前，需要劃定保護范圍;保護層開采后，需要對保護效果進行考察和分析，以檢驗措施的有效性。建立科學合理的保護層開采測評指標體系并對開采效果進行評估，可為礦井合理組織生產、優化抽采設計、保證礦井產量和安全生產提供依據。依據保護層開采相關理論，保護層開采效果測評指標體系如圖1所示。

圖1 保護層開采效果測評指標體系

2 保護范圍的測評方法

保護層保護范圍考察方法因煤層賦存情況，保護層與被保護層相對位置關系和被保護層卸壓瓦斯抽采方法等不同需采取針對性考察技術方案。文中介紹底板巖巷上向穿層鉆孔考察被保護層的保護范圍，其原理是通過底板巖石巷道布置2組考察鉆孔，通過測定被保護層原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力來考察走向和傾向保護邊界，保護范圍的測評方法見圖2所示。

圖2 保護范圍考察方案示意圖

走向保護范圍考察鉆孔布置在被保護層預計的走向保護邊界線兩側。1號鉆孔布置在預計走向保護范圍外15 m，2號鉆孔布置在預計走向保護范圍處，3號鉆孔布置在預計走向保護范圍內15 m，通過測定3個不同位置處被保護層的原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力對比，可以考察走向保護范圍的邊界線。

傾向保護范圍考察鉆孔布置在被保護層預計的傾向保護邊界線兩側。4號鉆孔布置在預計傾向保護范圍外15 m，5號鉆孔布置在預計傾向保護范圍處，6號鉆孔布置在預計傾向保護范圍內15 m，通過測定3個不同位置處被保護層的原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力對比，可以考察傾向保護范圍的邊界線。

3 卸壓效果的測評方法

3.1 煤體物理力學特性效果測評

3.1.1 煤層透氣性系數

煤層透氣性系數是煤層瓦斯流動難易程度的標志，反映了煤體卸壓后裂隙網絡的發育程度，是評價煤層瓦斯可抽性和煤與瓦斯突出危險性的重要指標之一。對煤層透氣性系數的測定方法分為實驗室測定和現場測定，由于實驗室條件下很難模擬井下的實際情況，故實驗室只能進行定性的和規律性的研究;要準確獲得井下煤層的透氣性系數，必須進行現場實際測定［11］。目前，現場測定煤層透氣性系數主要采用鉆孔徑向流量法，該方法以瓦斯在煤層中徑向不穩定流動理論為基礎，依據達西定律和質量守恒準則來建立數學模型，采用相似準數推導出煤層透氣性系數的計算公式，其理論基礎可靠，測定結果準確，現場實用性較好，因此在我國得到廣泛應用。

3.1.2 圍巖相對變形量

保護層開采后圍巖的卸壓效果用應力和應變來衡量，由于現場應力測定較為困難且準確度相對較低，因此，通常采用被保護層頂底板相對變形量反映卸壓效果。在現場通常采用深部基點法測定煤層頂底板相對變形，測定原理為:在煤層的頂、底板巖石中分別安設測點，通過觀測2個測點之間的相對位移來確定煤層的變形量。圖3為現場測定煤層變形的一種方式，變形鉆孔施工時要求鉆孔進入煤層頂板1.0 m，在煤層頂板及底板各安裝一對鋼楔固定深部基點，鋼楔由鋼管和鋼板做成，形狀如倒楔形錨桿。煤層頂板的鋼楔焊接一根10mm鋼筋，穿過煤層底板的鋼楔至孔口。煤層底板的鋼楔焊有一根直徑15 mm的無縫鋼管，套在與頂板鋼楔相聯的鋼筋上。用千分卡尺測定鋼管與鋼筋的相對位移，然后計算煤層頂底板相對變形。

圖3 深部基點法測定煤層頂底板變形裝置示意圖

3.2 煤層瓦斯特性效果測評

3.2.1 原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力考察

保護層工作面開采前，在預計保護范圍內，從被保護層底板瓦斯抽采巷向被保護層工作面施工穿層鉆孔，鉆孔封孔工作結束后，接好壓力表開始壓力測定，鉆孔內瓦斯壓力逐漸升高，待壓力穩定后測定的值即為被保護煤層原始瓦斯壓力。

在保護層工作面開采和被保護層卸壓瓦斯抽采之后，測壓裝置最終顯示的瓦斯壓力即為被保護層殘余瓦斯壓力。具體操作方法可按AQ/T1047—2007的規定測定被保護層瓦斯壓力，為了減少鉆孔內瓦斯壓力的平衡時間，盡快測出煤層原始瓦斯壓力，可采用向鉆孔內注氮氣的方法。

3.2.2 原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量考察

采用測定的被保護層原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力，按式(1)計算被保護層的原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量［4，8］。

式中:W為被保護層原始瓦斯含量或殘余瓦斯含量，m3/t;a為煤的瓦斯吸附常數，表示試驗溫度下煤的極限吸咐量，cm3/g;b為煤的瓦斯吸附常數，MPa-1;P為被保護層原始瓦斯壓力或殘余瓦斯壓力，MPa;Ad為煤的灰分，%;Mad為煤的水分，%;n為煤的孔隙率，m3/m3;γ為煤的容重(假比重)，t/m3。

3.2.3 瓦斯抽采量考察

單位時間內百米鉆孔瓦斯抽采量是計算煤層透氣性系數的主要參數，也是衡量保護層開采的卸壓程度，以及卸壓瓦斯抽放的重要指標。被保護層卸壓瓦斯抽采量考察包括3部分，分別為單個鉆孔瓦斯抽采量、單個鉆場瓦斯抽采量和被保護層工作面總的瓦斯抽采量。單個鉆孔瓦斯抽采量和單個鉆場瓦斯抽采量的考察可選擇代表性的鉆孔和鉆場進行，在被保護層工作面瓦斯抽采系統的總干管上安設瓦斯監測裝置，考察總的瓦斯抽采量變化。瓦斯抽采量考察可采用孔板流量計或瓦斯抽采監測裝置，主要測定參數為抽采管路混合流量、瓦斯濃度和抽采負壓，每日至少記錄一次測定參數，用于測評被保護層卸壓瓦斯的抽采效果和進行被保護層區域性消除突出危險性認證。

3.3 煤層開采動力特性效果測評

在被保護層保護范圍內進行采掘作業時，對被保護層區域性消除突出危險性的效果檢驗可采用最大鉆屑量Smax，鉆屑解吸指標K1和Δh2、鉆孔瓦斯涌出初速度qm、煤的普氏系數f等單項指標及其組合的綜合指標來進行消突效果考察［12］。

3.3.1 最大鉆屑量Smax

鉆屑量是預測煤層突出危險性指標之一，鉆屑量可用重量法或容量法測定。重量法:每鉆進1 m鉆孔，收集全部鉆屑，用彈簧秤稱重，單位kg/m;容量法:每鉆進1m鉆孔，收集全部鉆屑，用量袋或量杯計量鉆屑容積，單位L/m。

3.3.2 鉆屑解吸指標K1和Δh2

鉆屑瓦斯解吸指標K1和△h2都是預測煤層是否具有突出危險的重要指標，綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，現場一般采用瓦斯解吸儀來測定。其測定原理為:將含瓦斯煤樣瞬間暴露于瓦斯解吸儀器中，根據等容或變容變壓解吸原理測定煤樣在不同時間段的瓦斯解吸量或不同時刻的瓦斯解吸速度，然后根據測定數據與煤樣暴露時間的關系進行相應的數學處理，得出鉆屑瓦斯解吸指標。其中，鉆屑瓦斯解吸指標K1是測定鉆屑試樣在卸壓初期一段時間(5 min)瓦斯解吸曲線的斜率，單位為cm3/g·min1/2;鉆屑瓦斯解吸指標△h2是測定鉆屑試樣在卸壓初期一段時間(2 min)瓦斯解吸而產生的壓力差，單位為Pa。

3.3.3 鉆孔瓦斯涌出初速度qm

鉆孔瓦斯涌出初速度表示測試鉆孔封孔后，單位時間內從測量室中涌出的最大瓦斯涌出量，該參數綜合反映了煤層的破壞程度、瓦斯壓力和瓦斯含量、煤體的應力狀態及透氣性，是評價突出危險性的綜合指標。現場一般采用突出危險性預報儀來測定鉆孔瓦斯涌出初速度，同時還可測定鉆孔瓦斯涌出衰減系數，二者綜合分析即可測評煤層的突出危險性。

3.3.4 煤的普氏系數f

煤的普氏系數可通過井下采取煤樣，然后在實驗室采用落錘法測定獲得，其值大小不僅能夠客觀地反映煤體強度和破壞程度，而且還能很好地體現發生瓦斯突出的氣體介質條件。大量的試驗考察結果證明，f值參數決定于煤體結構的宏觀類型，盡管其絕對值隨礦區不同而有所變化，但對于同一礦區、同一煤層來說，其數值特征主要取決于煤體的破壞程度。

4 應用實例

安徽五溝煤礦位于淮北市濉溪縣境內，井田南北走向長約3.3 km，東西寬3～5 km，面積約15 km2。區內共含 10 個煤組，其中 72、81、82、10煤層為主要可采煤層，其中10煤瓦斯含量較低，72、81、82煤層瓦斯含量較高，經鑒定具有突出危險性。經技術分析本礦確定10煤作為下保護層開采，本文選取保護層1012工作面來分析其對72煤層的保護效果。1012工作面布置參數如下:工作面傾向150 m，走向長1500 m，采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤方法，10煤與72煤層間硬巖含量系數按照50%考慮，層間距為103 m。按照上述測評方法計算結果見表1所示。

表1 五溝煤礦保護層開采后72煤層效果測評指標計算表

5 結論

1)保護層開采后的效果測評從兩方面來分析，一方面是保護范圍的考察，另一方面是保護效果的考察。保護范圍決定了被保護煤層采區及工作面設計的布置區域，保護效果決定了被保護層工作面生產過程中瓦斯涌出量的大小，直接影響到工作面生產效率和安全狀況。

2)保護范圍采用煤層原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力對比分析來確定;卸壓效果通過煤體力學特性、煤層瓦斯特性和煤層開采動力特性3方面來分析測評。

3)被保護層開采前的測評指標有:煤層透氣性系數、頂底板相對變形量、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯抽采率等;被保護層采掘作業過程中，可通過實測最大鉆屑量、鉆屑解吸指標、鉆孔瓦斯涌出初速度、煤的普氏系數等參數及其綜合指標來驗證保護效果。

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Study on Evaluation Method of appliance effect for Exploiting Protection Layer

WANG Zhiliang1，2，JIAO Dianzhi1，PENG Hui1，

(1.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157)

In order to analyze the implementation effect of protection layer exploiting，according as distortion mechanism of wall rock and moving characteristics of gas，evaluation results index system on protection layer exploiting was brought forward，and application methods of testing evaluation indexes were analyzed in locale practice area.Research result indicated that the measure system includes two pats which one is evaluation of protection scope and the other is protection effect.Those factors of gas pressure，gas content，coal seam permeability coefficient，relative deformation of coal seam roof and floor，gas drainage quantity and the change of outburst indexes can be used as the evaluation indexes in fieldwork.In accordance with the steps of effect assessment on protective layer，the protection scope should be ascertained firstly，then protection effect can be evaluated in term of coal physical properties，coal seam gas properties and dynamic characteristics in coal mining.The evaluation result can be appraised quantificationally by contrast measured values on-site and index Thresholds.

protection layer exploiting;coal and gas outburst;index system;evaluation method

TD713+.31

A

1672-7169(2012)03-0011-05

2012-04-05

王志亮(1971-)，男，山西陽泉人，博士，華北科技學院安全工程學院副教授。