五溝煤礦保護層開采技術及卸壓范圍探討①

焦殿志 王志亮

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

五溝煤礦保護層開采技術及卸壓范圍探討①

焦殿志1②王志亮2

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

理論研究和現場應用表明，保護層開采和預抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出最有效、最經濟的區域性措施。對于采用保護層開采技術的礦井，首先必須計算出其卸壓范圍，然后才能在該區域內設計瓦斯抽采系統和布置作業工作面。本文依據煤巖卸壓變形理論和煤層瓦斯賦存特性，結合安徽皖北煤電公司五溝煤礦保護層開采的實踐應用，確定了本礦煤層開采的合理順序，得出保護層開采后的卸壓范圍.研究結果可為現場瓦斯防治提供參考依據。

保護層開采;煤與瓦斯突出;卸壓范圍;瓦斯防治

長期的理論研究和突出危險煤層的開采實踐證明，開采保護層和預抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出最有效、最經濟的區域性措施［1］。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。保護層開采后，在其上、下一定范圍內的煤層會發生變形、位移、卸壓、透氣性增大、瓦斯壓力和瓦斯含量下降等現象，大量高壓瓦斯得以釋放，突出煤層的應力狀態和瓦斯動力參數發生重大變化，由此而喪失或降低突出危險性［2，3］，該范圍稱之為保護范圍。在保護層開采實施前，需要預先確定保護范圍，以便在被保護層卸壓區域內合理設計瓦斯抽放系統和布置作業工作面。為此，本文結合五溝煤礦的煤層賦存條件，對其保護層開采的機理和卸壓范圍進行探討，為現場瓦斯防治工程提供理論依據。

1 保護層開采卸壓機理

在煤層群開采條件下，選擇瓦斯含量低、無突出危險(或突出危險性較小)的煤層作為首采煤層，即保護層。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“解吸一擴散一滲流”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［4-10］。由于處在不同區域內的煤(巖)裂隙分布不同，瓦斯的解吸及流動條件不同，若在保護層開采的前提下，對被保護層采用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系統，則可實現煤層群開采條件下煤與瓦斯資源高效安全共采的綜合體系。保護層開采卸壓消突的技術原理可用圖1來表示。

圖1 保護層開采防治煤與瓦斯突出技術原理示意圖

2 保護層卸壓范圍

2.1 走向保護邊界

在保護層始采停采線處，工作面雖已停采，但巖層的移動過程并未隨之結束，只是隨著時間的推移，其強度逐漸有所減弱。對停采的保護層工作面，停采時間超過3個月、且卸壓比較充分，該保護層工作面的始采線、停采線和煤柱留設對被保護層沿走向的保護范圍可按卸壓角δ5=56°～60°劃定，如圖2所示。

圖2 沿走向方向的卸壓范圍和卸壓角關系

2.2 傾向保護邊界

保護層工作面沿傾斜方向的保護范圍按卸壓角δ劃定，卸壓角的大小與煤層傾角α、煤系地層的巖石力學性質等因素有關，但主要取決于煤層傾角，各礦井應通過實地考察來確定，見圖3。

圖3 沿傾向方向的卸壓范圍和卸壓角關系

2.3 有效層間垂距

保護層開采后，開采層周圍的巖層和煤層向采空區方向移動和變形，根據卸壓程度的大小，在保護層垂直層面方向上可劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，因此保護作用的有效層間垂距即為彎曲下沉帶的上邊界至保護層的層間垂距，按如下公式進行計算［10］:

下保護層的最大保護垂距:

上保護層的最大保護垂距:

式中:S'下、S'上分別為下保護層和上保護層的理論最大保護垂距，m。它與工作面長度L和開采深度 H有關。當 L＞0.3H時，則取 L=0.3H，但L不得大于250m;β1為保護層開采的影響系數，當 M≤M0時，β1=M/M0，當 M ＞M0時，β1=1。M為保護層的開采厚度，m;M0為保護層的最小有效厚度，m;β2為層間硬巖(砂巖、石灰巖)含量系數，以η表示在層間硬巖所占的百分比，當η≥50%時，β2=1-0.4η/100，當η ＜50%時，β2=1。

2.4 開采下保護層的最小層間距

開采下保護層時，上部被保護層不被破壞的最小層間距離可參用下式確定［10］:

式中:H—允許采用的最小層間距，m;M—保護層的開采厚度，m;α—煤層傾角，度;K—頂板管理系數。冒落法管理頂板時，K采用10，充填法管理頂板時，K采用6。

3 現場應用

3.1 礦井概況

五溝煤礦位于淮北市濉溪縣境內，井田南北走向長約3.3km，東西寬3km～5km，面積約15km2。區內共含10 個煤組，其中72、81、82、10 煤層為主要可采煤層，賦存比較穩定，平均厚為1.90m～3.66m。礦井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。目前礦井正在回采10煤層，礦井煤層賦存條件及瓦斯參數見表1所示。

3.2 確定保護層

五溝礦72、81、82煤層具有突出危險性，目前開采的10煤層為非突出煤層。當開采72、81、82煤層前須采取開采保護層或預抽煤層瓦斯等綜合防突措施，并對突出煤層經效果檢驗確定有效后方可進行回采。按照保護層理論，首先應將瓦斯含量較低且無突出危險性的下煤組 10 煤作為中煤組(72、81、82煤)的保護層，由于10煤與中煤組間距為80m，而作為下保護層開采時上部煤層不被破壞的最小間距為36m，因此，10煤作為中組煤的下保護層是合理的。

表1 五溝煤礦煤層賦存條件及瓦斯參數表

對于中煤組，由于72與81煤層的平均間距為13m，81和82煤層的平均間距為10m，按照保護層開采理論，結合煤層賦存條件，若采用82煤作為下保護層開采時，被保護層不被破壞的最小層間距離為25.5m;若采用81煤作為下保護層，被保護層不被破壞的最小層間距離為24m;最小層間距均大于中組煤各煤層之間的平均距離，因此中組煤不具備下保護層開采的基本條件，只能采用上保護層開采，即選擇72煤層作為81和82煤層的上保護層。

3.3 保護層卸壓范圍

按照礦井煤層賦存條件和地質特征，不同煤層及采區內工作面布置參數不同，為便于分析和對比保護層開采的卸壓范圍，保護層工作面參照目前正在回采的工作面參數布置。

3.3.1 下保護層10煤

工作面布置參數: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，地面標高+27.0 m左右，煤層埋藏深度最深可達700 m，10煤回采上限標高-330 m，10煤與中組煤巖層間硬巖含量系數按照50%考慮。則按照保護層開采卸壓理論，下保護層10煤開采后的卸壓范圍如表2所示。

3.3.2 上保護層72煤

工作面布置參數:工作面傾向150 m，走向長1500 m，地面標高+27.0 m左右，72煤層回采上限標高-300 m，煤層埋藏深度最深按600 m計算。則上保護層開采后的卸壓范圍如表3所示。

表2 五溝礦下保護層10煤卸壓范圍計算表

表3 五溝礦上保護層72煤層卸壓范圍計算表

4 結論

結合五溝煤礦煤層賦存條件和保護層開采實際，可得如下結論:

1)依據保護層開采理論，采用10煤作為中組煤的下保護層技術可行、安全可靠、經濟合理，是礦井保護層開采的首選。

2)由于中組煤各煤層間距較近，小于下保護層開采的最小層間距，因此中組煤不具備下保護層開采的條件，只能采用72煤作為中組煤的上保護層;

3)從保護層開采的卸壓范圍來看，距離保護層間距越遠，走向上和傾向上卸壓范圍越小;圍巖的卸壓角要在礦井生產過程中不斷實測、統計、分析來確定，不斷積累現場實測技術參數;

4)由于10煤的最大卸壓垂距為92m，僅能對82煤層起到一定的卸壓作用，因此必須結合瓦斯抽采措施對81煤層和72煤層的瓦斯進行預抽，如可在10煤層設計上向穿層長鉆孔抽采系統、在中組煤底板布置巖石瓦斯抽放專用巷進行抽采或采用地面鉆孔進行抽采等，具體選擇何種預抽方式，需對各個方案進行經濟技術比較后才能確定。

［1］ 馬雷舍夫［俄］.煤與瓦斯突出預測方法和防治措施［M］.魏風清，張建國譯.北京:煤炭工業出版社，2003

［2］ 李建敏.煤與瓦斯突出防治技術手冊［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2006

［3］ 袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2004

［4］ 何學秋.含瓦斯煤巖流變動力學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1995

［5］ 孫月庚.改變煤層透氣性防突措施及應用［J］.煤礦安全，2005 ，36(09):56-57

［6］ 陳遠平，俞啟香.煤層群煤與瓦斯安全高效共采體系及應用［J］.中國礦業大學學報，2003，32(05):471-475

［7］ 馬躍龍，林柏泉.煤層透氣性系數的測定及其分析［J］.遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，1998，17(03):240-243

［8］ 李樹剛，錢鳴高.我國煤層與甲烷安全共采技術的可行性［J］. 科技導報，2000，(06):39-41

［9］ 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論［M］.北京:煤炭工業出版社，1999

［10］ 國家煤礦安全監察局.防治煤與瓦斯突出規定［M］.北京:煤炭工業出版社，2009

Study on protection layer exploiting technology and press released area of wugou coal mine

JIAO Dianzhi1，WANG Zhiliang2

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

It was testified based on theory research and spot application that exploiting protection layer and pre-draining gas were the best effectively and economically measures for region coal and gas outburst control.For the mines that are applying this technology，the first step is obtaining press released area，then gas drainage system and working faces can be designed.According as distortion mechanism of wall rock and occurrence characteristic of gas，with a view to practice application of protection layer exploiting in Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，reasonable coal seam mining sequence is analyzed and press released area is calculated out in this paper.The research result will provide some reference basis for gas control in spot.

protection layer exploiting;coal and gas outburst;press released area;gas control

TD713+.31

A

1672-7169(2012)01-0036-04

2011-12-16。基金項目:中央高校基本科研業務費資助(項目編號:AQ1201B)。

焦殿志(1972-)，男，安徽淮北人，碩士，高級工程師，皖北煤電公司五溝煤礦總工程師。