上保護層開采保護范圍計算與《防治煤與瓦斯突出規定》卸壓角取值驗證

摘 要：本文推導出上保護層開采被保護范圍計算公式，并將其運用在7414工作面，設計了被保護范圍驗證點，并反算出驗證鉆孔的詳細參數，通過比較驗證鉆孔中瓦斯壓力和瓦斯含量的測算數據，驗證了該計算公式和卸壓角選擇的正確性。因此本文對于指導保護層開采被保護范圍劃分，以及培養煤礦三維空間立體感都有一定的參考意義。

關鍵詞：保護層；被保護層；被保護范圍；瓦斯壓力；瓦斯含量；

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-05-00239-03

一、概述

（一）井田概述。淮北礦業股份有限公司童亭煤礦位于淮北平原中部，安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮境內，北距淮北市42km，東距宿州市30km。東西走向長10km，南北傾向寬2～4km，礦井面積約24.15km2。 礦井于1989年11月30日正式投產，設計生產能力90 Mt/a。核定生產能力140 Mt/a，礦井地質條件綜合評定為Ⅲ-Ⅲa，Ⅱd，Ⅲeg。

（二）瓦斯地質。童亭煤礦地壓大、瓦斯壓力大、含量高，地壓、瓦斯災害嚴重。 自投產以來，童亭礦已發生6次煤與瓦斯動力現象。2005年由煤科總院撫順分院對童亭煤礦重新進行了瓦斯等級鑒定，經安徽省經貿委批準童亭煤礦為突出礦井，7、82煤層為突出危險煤層。

（三）主采煤層賦存情況。1、7煤： 7煤層屬中厚、結構較復雜、較穩定煤層，煤厚0.7～3.0m，平均2.1m，平均傾角16°；下距82煤16～35m，平均25m；7煤～82煤之間多為砂巖。2、82煤：82煤層屬中厚、結構復雜、不穩定煤層，煤厚0.8～2.9m，平均1.8m，平均傾角16°。下距10煤70～125m，平均100m。82煤～10煤之間多為砂巖。3、10煤：10煤層屬薄、結構簡單、不穩定煤層，煤厚0.3～2.0m，平均0.8m，大部分不可采，平均傾角16°。

（四）上保護層開采方法的選擇。依據我礦各煤層賦存基本情況（圖1-1），我礦選擇7煤為保護層，其主要原因有四點：

1、我礦7、82煤層為突出煤層，6～7煤層間距僅7m左右（間距太小，遇見斷層可能會直接揭露7煤突出煤層），所以不可選擇6煤做為保護層開采。5～7煤層間距127m左右，不符合《防治煤與瓦斯突出規定》第四十八條規定。

2、82煤層下覆有一層局部可采煤層10煤層，為非突出煤層，按照區域性治理的一般原則，應先開采10煤層（下保護層）以實現解放7、82煤層，但是10煤層上距82煤的層間距為100m，不符合《防治煤與瓦斯突出規定》第四十八條規定。且10煤層有大面積不可采區，無法連續開采形成連續保護區域。

3、我礦7、82煤層均為弱突出煤層，據實測瓦斯壓力表明，82煤瓦斯壓力大于7煤瓦斯壓力。根據《防治煤與瓦斯突出規定》第四十六條第三項“選擇危險程度較小的煤層做為保護層先行開采”規定。故應選擇上保護層開采。

只要做好7煤作為保護層開采的工作，就有可能清除82煤層煤與瓦斯突出的危險性，變弱突出、高瓦斯煤層為非突出、低瓦斯煤層。可為我礦節約用于區域綜合防突措施的部分巨額資金，并提高82煤層工作面的單產，從而全面提高我礦的社會經濟效益。

我礦為驗證7煤保護層開采的保護效果，在不同采區不同工作面多次對82煤的保護范圍進行研究與驗證。驗證結果表明，經7煤保護層開采后82煤的瓦斯壓力和瓦斯含量大大降低，變高瓦斯、突出煤層為低瓦斯、非突出煤層。下面就以7414工作面為例對82下采區（原84下采區）7煤上保護層開采對82煤層的保護范圍進行研究與驗證。

二、被保護范圍公式推導與驗證鉆孔設計

（一）保護層工作面概況。7414工作面位于82下采區（原84下采區），上區段為已回采結束的7412工作面，下區段為正在回采的7214里工作面，西靠84下采區邊界F10斷層煤柱，東靠82下采區7212工作面的采空區。可采儲量約22萬t。開采方法為后退式走向長壁頂板自然垮落法。

（二）被保護范圍公式推導。被保護范圍是指保護層開采后，在空間上使突出危險煤層完全消除突出危險的有效范圍。我礦無被保護范圍實際考察結果，暫依據《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D數據。

1、走向方向被保護范圍。走向方向被保護范圍為保護層工作面走向長度減去工作面切眼和停采線卸壓角形成的內錯距離。我礦82煤層走向方向被保護范圍計算如圖2-1《沿走向方向被保護范圍計算圖》所示。本次考察了停采線的被保護范圍。停采線的走向方向被保護范圍按卸壓角劃定，依據《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D，δ5按56°～60°劃定。本次卸壓角分別取55°、60°、65°進行驗證。

2、傾斜方向被保護范圍。傾斜方向的被保護范圍為保護層工作面傾向長度減去工作面上部（風巷）卸壓角和工作面下部（機巷）卸壓角形成的內錯距離。傾斜方向被保護范圍如圖2-2《沿傾斜方向被保護范圍示意圖》所示。我礦82煤傾斜方向被保護范圍計算見圖2-3《上保護層開采沿傾斜方向被保護范圍計算圖》。

本次考察了下部（機巷）被保護范圍。此處煤層傾角16°，根據《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D，下部卸壓臨界角取75°，本次分別取70°、75°、80°進行驗證。

綜上得出：沿走向方向被保護范圍平移距離計算公式為△y=h/tgδ5，得：下保護層走向被保護范圍By=L走向-2h/tgδ5

沿傾斜方向被保護范圍平移距離計算公式為：

△x1=（h/sinδ3）*，△x2=（h/sinδ4）*得：下保護層傾向保護范圍

B x= L傾向-（h/sinδ3）*-（h/sinδ4）*

其中：h為層間距；α為煤層真傾角；δ5為上保護層開采沿走向方向的卸壓角；δ3、δ4為上保護層開采沿傾向方向的卸壓角。

（三）驗證鉆孔設計

1、考察內容

（1）7煤層7414工作面停采線沿走向方向的臨界卸壓角。

（2）7煤層7414工作面下部（機巷）沿傾斜方向的卸壓角。

（3）被保護層（82煤層）卸壓范圍及效果考察。

（4）7煤層7414工作面開采，引起被保護層（82煤層）瓦斯壓力、瓦斯含量等參數的變化。

2、鉆孔設計

在8212巖石集中巷集16點開設的鉆場（3m×3 m×2 m）處，向7414停采線沿走向方向、下部傾斜方向各卸壓角對應的卸壓點施工驗證孔，分別為1#、2#、3#、4#、5#；。各鉆孔見82煤底板坐標設計如下：

（1）走向方向取不同卸壓角時分別得出平移距△y停采線沿走向方向的被保護范圍平移距離的計算公式為△y=h/tgδ5。h取29m，δ5分別取55°、60°、65°，得△y分別為20.3m、16.7m、13.5m。

（2）傾斜方向取不同卸壓角時分別得出平移距△x工作面下部沿傾向方向被保護范圍平移距離計算公式為：△x1=（h/sinδ3）* 。h取29m，α為16°，δ3分別取70°、75°、80°，得△x1分別為18.1m、15.5m、13.4m。

（3）設計鉆孔見煤底板坐標。設停采線與下部（機巷）交點坐標為（x，y）。1#鉆孔：δ5取60°，δ3取75°（依據《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D提供數據）時走向方向被保護范圍臨界線與傾斜方向被保護范圍臨界線的交點對應82煤底板坐標做為1#鉆孔的見煤坐標。則1#鉆孔見煤坐標為（x-15.5，y-16.7）。

2#鉆孔：考察走向卸壓角δ5取55°的卸壓效果，設計2#鉆孔見煤坐標為（x-35.5，y-20.3）。

3#鉆孔：考察走向卸壓角δ5取65°的卸壓效果，設計3#鉆孔見煤坐標為（x-55.5，y-13.5）。

4#鉆孔：考察傾向卸壓角δ3取70°的卸壓效果，設計4#鉆孔見煤坐標為（x-18.1，y-36.7）。

5#鉆孔：考察走向卸壓角δ3取80°的卸壓效果，設計5#鉆孔見煤坐標為（x-13.4，y-56.7）。

3、驗證鉆孔參數計算：1#孔：開孔位置為8212巖石集中巷集16點底板上1.7m，開孔標高為-630.8m。

根據1：1000圖測得出1#孔平距d1=28m；82煤底板標高Z1底=-610+（-13×tg16°）=-613.7m（底板等高線圖計算得出）； △z1=630.8-613.7=17.1m

如圖（2-5）計算得出：L1=32.8m；α1=31.5°；設計終孔標高Z1終=Z1底+2+1=-610.7m（預計82煤厚2m ，82煤頂板1m終孔）終孔距離L1終=32.8+3/sin31.5°=38.5m。

圖2-5 1#鉆孔參數計算圖

綜上得出1#鉆孔參數：276°（圖上量得）∠31.5° 38.5m終孔。

2#孔：同理得出d2=35.5m，Z2底=-608.0m， △z2=22.8m，L2=42.2 m，α2=32.7°，Z2終=-605.0m， L2終=47.8m。 2#孔鉆孔參數：242°∠32.7° 47.8m。

3#孔： d3=44m，Z3底=-602.8m， △z3=28.0m，L3=52.2 m，α3=32.5°，Z3終=-599.8m， L3終=57.8m。 3#孔鉆孔參數：213°∠32.5° 57.8m。

4#孔： d4=56m，Z4底=-614.0m， △z4=16.8m，L4=58.5 m，α4=16.7°，Z4終= -611.0m， L4終=68.9m。 4#孔鉆孔參數：280°∠16.7° 68.9m。

5#孔：同理得出d5=71m，Z5底=-616.5m， △z5=14.3m，L5=72.5 m，α5=11.4°，Z5終= -613.5m， L5終=87.7m。 5#孔鉆孔參數：：288°∠11.4° 87.7m。

4、鉆孔施工工藝。

（1）本次考察方案共設計了5個考察鉆孔，鉆孔施工采用SGZ-ID型鉆機，Φ50mm鉆桿配合Ф113mm鉆頭開孔11m，下Ф108mm套管10m后，采用SGB6-10灌漿泵注425#水泥漿（水灰比1：0.7）封堵圍巖裂隙。48小時后，用Ф75mm鉆頭掃孔至距離設計揭煤位置10m時停止打鉆，等5個孔都鉆好后，所有鉆孔同時注漿封堵圍巖裂隙（水灰比1：0.7），壓力不少于3MPa，48小時后重新掃孔打鉆，鉆至煤層頂板以上1.0m終孔。

（2）在測壓鉆孔內插入聯結壓力表的鋼管，管徑為14mm，進入煤層孔1m，煤層內管路為花管，測壓管和注漿管采用馬麗散和鐵絲進行固定，注漿管長度不得小于3m，封孔長度不得低于1m。

（3）采用水泥漿液或固化材料進行封孔充填，充填量以測壓管返漿時停止。

（4）安裝壓力表：封孔完畢24小時后，安裝孔口裝置和壓力表。

所有鉆孔在7414工作面回采結束前完工，在7414回采的過程中每三天采集一次數據。

三、保護層開采效果研究

（一）煤層瓦斯壓力分析。回采前各鉆孔瓦斯壓力穩定在1.34MP左右，以后每三天采集一次數據，直至回采結束后70天左右各鉆孔瓦斯壓力開始穩定。

通過對以往的數據研究結果表明：

1、隨著采動影響，各鉆孔瓦斯壓力均有大幅下降，大大降低了被保護層突出危險性。

2、3#和5#孔瓦斯壓力較高（0 .6MP左右），1#、2#、4#孔瓦斯壓力低（0 .13MP左右）。這說明3#和5#孔為非卸壓區，1#、2#、4#孔為卸壓區。即卸壓角δ5取 60°、δ3取75°最為合適（與《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D一致）。

3、采動前瓦斯壓力穩定在1.34MP左右，上保護層開采后被保護范圍瓦斯壓力穩定在0.13MP左右，被保護范圍保護效果很好。

（二）煤層瓦斯含量分析

煤的瓦斯含量是指單位質量煤體中所含的瓦斯量（m3/t），本次采用間接法計算得出。即通過測定煤層的瓦斯壓力和實驗室測出的煤層吸附常數值（b=0.84MPa-1），采用朗格繆爾方程計算出煤層的瓦斯含量。

上保護層開采前被保護層（82煤層）的瓦斯壓力取1.34MP，用間接法計算得出煤層瓦斯含量為7.94m3/t。

上保護層開采后被保護層（82煤層）的瓦斯壓力取0.13MP，用間接法計算得出煤層瓦斯含量為1.41m3/t。

四、結論

通過本次論述，得出以下結論：

（一）童亭煤礦82下采區上保護層開采走向卸壓角劃定為60°，傾向卸壓角劃定為75°。與《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D一致。

（二）通過實測數據，得出上保護層開采后82煤層被保護區瓦斯壓力由1.34MPa降為0.13MPa；通過計算得出上保護層開采后82煤被保護區瓦斯含量由7.94m3/ t降為1.41m3/t；大大降低了被保護層被保護范圍的突出危險性。

（三）本次成功的對7414工作面上保護層開采進行試驗研究，采用同樣方法在不同采區不同工作面多次對82煤的保護范圍進行研究與驗證。一系列驗證結果表明：經7煤保護層開采后82煤的瓦斯壓力和瓦斯含量大大降低，變高瓦斯、突出煤層為低瓦斯、非突出煤層。形成了一套適合童亭煤礦的保護層開采瓦斯治理技術方案，確保了82煤層的安全回采，并為我礦節約用于區域綜合防突措施的部分巨額資金，從而全面提高了我礦的社會經濟效益。

（四）通過比較驗證鉆孔中瓦斯壓力和瓦斯含量的測算數據，驗證了該計算公式和卸壓角選擇的正確性。因此本文對于指導保護層開采被保護范圍劃分，以及培養煤礦三維空間立體感都有一定的參考意義。

參考文獻：

【1】俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，1992.

【2】國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.防治煤與瓦斯突出規定.北京：煤炭工業出版社，2009

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