保護層開采被保護層卸壓增透效果的應(yīng)用研究

馮擁軍 周玉軍 張喜傳

（1.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院采礦工程系，河南省焦作市，454000；2.河南能源化工焦煤集團寶雨山煤業(yè)公司，河南省洛陽市，471300）

1 工作面概況

河南能化焦煤集團寶雨山煤業(yè)公司井田位于登封煤田的最西端，主采二1煤層，礦井采用立井二水平上、下山開拓，采深69～354m，正常涌水量312～426m3／h。2012年二1煤層鑒定為煤與瓦斯突出煤層，瓦斯含量3.26～6.52m3／t，瓦斯壓力最大0.78 MPa。目前揭露的11采區(qū)和12采區(qū)的二1煤層和一7煤層經(jīng)鑒定均為三類不易自燃煤層。

由于寶雨山煤業(yè)公司二1煤層原始煤體的透氣性差、煤體結(jié)構(gòu)松軟、煤層瓦斯吸附能力強等原因，在原始煤體條件下預(yù)抽煤層瓦斯很難達到理想的消突效果，實踐證明采取開采保護層結(jié)合被保護層卸壓瓦斯強化抽采技術(shù)能夠區(qū)域性消除二1煤層的突出危險性，將高瓦斯突出煤層轉(zhuǎn)變?yōu)榈屯咚篃o突出煤層，實現(xiàn)寶雨山煤業(yè)公司安全高效生產(chǎn)。

寶雨山煤業(yè)公司12采區(qū)西翼有二1煤層和一7煤層2層煤可采。一7煤層平均厚度0.5 m，煤層傾角20°，屬不穩(wěn)定煤層，瓦斯含量不大，煤層無突出危險，局部能構(gòu)成工作面，因此可作為保護層開采。二1煤層為厚度4m 左右賦存穩(wěn)定的突出煤層，煤層傾角20°，煤層瓦斯壓力0.67～0.81 MPa，瓦斯含量7.03～8 m3／t，因此開采前應(yīng)采取區(qū)域性防突措施。根據(jù) 《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，在具備開采保護層的條件下，采用保護層開采技術(shù)治理煤層瓦斯。因此12采區(qū)西翼的瓦斯治理選擇一7煤層作為下保護層，開采一7 煤層保護二1煤層。二1煤層和一7煤層平均層間距為20m。

一7煤層開采12B06 工作面，工作面走向長650m，傾斜長185 m。二1 煤層開采12112 工作面，工作面走向長650m，工作面傾斜長115m。

2 被保護層卸壓增透效果考察設(shè)計方案

寶雨山煤業(yè)公司在12B06 工作面下巷道所測第一個被保護層工作面二1煤層的瓦斯含量最大為6.52m3／t，因 此 在12B06 工 作 面 中 巷 道370 ～590m之間布置10個鉆場，在下巷道120 ～300m之間布置10個鉆場，施工穿層鉆孔對被保護層二1煤層進行抽采，考察瓦斯抽采參數(shù)。鉆場及鉆孔平面布置如圖1所示。1號鉆場剖面圖如圖2所示。

圖1 12B06中巷道10個鉆場及鉆孔平面布置圖

圖2 12B06中巷道1號鉆場鉆孔剖面圖

本次考察方案共設(shè)計了22個考察鉆孔 （這是考察工作必需的鉆孔數(shù)目），其中6 個測壓孔、7個變形孔和9個瓦斯抽采鉆孔。

變形孔用于測定保護層開采及卸壓瓦斯抽放過程中二1煤層頂?shù)装宓南鄬ψ冃危筮M入煤層頂板1m；測壓孔用于測定保護層工作面開采及卸壓瓦斯抽放過程中，二1煤層瓦斯壓力、瓦斯含量和煤層透氣性等參數(shù)的變化，并經(jīng)進一步分析得出保護層開采及卸壓瓦斯抽采的影響程度。

在被保護范圍內(nèi)通過測定二1煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)、煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃危疾毂Ｗo層開采對被保護層卸壓瓦斯抽采的影響。

3 卸壓增透效果及其分析

3.1 二1煤層透氣性考察

在考察鉆孔中選取4號鉆場1＃、2＃及3＃鉆孔來考察煤層自然瓦斯流量，本次考察遠離采動影響，即在測定瓦斯壓力后，卸下壓力表，測其在自然狀態(tài)下的瓦斯流量，具體流量如圖3所示。

圖3 鉆孔自然瓦斯流量隨時間的變化

3個鉆孔的自然瓦斯流量參數(shù)、瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)及鉆孔參數(shù)如表1所示。

通常測得的煤層透氣性系數(shù)均在煤礦井下實測，本文測定方法采用中國礦業(yè)大學(xué)的方法。這種方法較為簡便，是在煤層瓦斯向鉆孔流動的狀態(tài)屬徑向不穩(wěn)定流動的基礎(chǔ)上建立的，該方法需要打鉆時測定煤層的原始瓦斯壓力、卸壓后的鉆孔瓦斯自然流量及測定煤層的瓦斯含量系數(shù)。通過鉆孔徑向不穩(wěn)定計算公式來進行煤層透氣性系數(shù)計算，原始透氣性測定結(jié)果見表2所示。

由表2 看出，二1 煤層透氣性為0.0154～0.0203m2／ （MPa2·d），平均0.02m2／ （MPa2·d），屬于難以抽采煤層。

保護層一7煤層開采后，被保護層二1煤層發(fā)生卸壓膨脹變形，二1煤層的透氣性也發(fā)生相應(yīng)變化，透氣性大大增加。圖4為保護層開采后鉆孔瓦斯流量隨工作面位置變化曲線。

表1 原始煤層透氣性測定參數(shù)

表2 原始煤層透氣性測定計算結(jié)果

圖4中坐標原點代表鉆孔所處在工作面的位置，坐標左側(cè)為工作面超前鉆孔前方的位置，坐標右側(cè)位置為工作面推過鉆孔后方的位置。由圖4可以看出，1＃、2＃、3＃鉆孔自然瓦斯流量基本趨于一致，大體呈現(xiàn)先下降→上升→下降→上升→趨于穩(wěn)定→下降。

圖4 保護層開采后鉆孔瓦斯流量隨工作面位置變化曲線

由圖4可知，在采面距鉆孔20m 時，鉆孔瓦斯流量開始上升，在此位置處，表明一7煤層開采對二1煤層的開采開始產(chǎn)生了卸壓變形，煤層透氣性增大，瓦斯解吸及涌出速度加快，自然瓦斯量增大，越來越多的瓦斯涌向鉆孔；當采面推進到鉆孔位置時候，鉆孔自然瓦斯流量達到了極大值；當采面推過到鉆孔后20m 位置，自然瓦斯流量開始有小的波動，隨著工作面的繼續(xù)推進，流量趨于穩(wěn)定，至工作面推過鉆孔90m 位置時，自然瓦斯流量開始變得很小，說明煤層發(fā)生了收縮變形，也可能是頂板的裂隙帶與鉆孔導(dǎo)通，也可能為二1煤層中的游離態(tài)瓦斯已逸散至保護層工作面后方的采空區(qū)及裂隙帶的孔隙裂隙中，二1煤層自身的瓦斯量已經(jīng)很少。

將二1煤層卸壓后的透氣性與卸壓前的透氣性進行比較，可以深入了解保護層開采前后二1煤層所發(fā)生的變化。二1煤層卸壓后的透氣性測定方法與測定原始透氣性系數(shù)相同，所不同的是需要代入煤層的殘余瓦斯壓力和測定殘余瓦斯壓力鉆孔打開后測定的鉆孔瓦斯流量。

利用上述鉆孔資料，實測在12B06 工作面回采后的二1煤層受保護區(qū)域二1煤層透氣性系數(shù)增加到16.2m2／ （MPa2·d），提高了810倍。

3.2 二1煤層頂?shù)装迮蛎涀冃?/h3>

在12B06保護層開采過程中，重點考察了被保護層頂?shù)装迮蛎涀冃瘟浚源朔治霰Ｗo層開采后被保護層的卸壓保護效果。煤層頂?shù)装迮蛎涀冃坞S開采時間變化曲線如圖5所示。

圖5 二1煤層頂?shù)装迮蛎涀冃坞S開采時間變化曲線

在12B06中巷道施工鉆孔，用深部基點法測二1煤層頂?shù)装迮蛎涀冃危@孔煤厚3.5 m，實測最大膨脹變形量為72 mm，最大膨脹變形率為20.6‰，遠超過 《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的臨界值3‰，說明保護層開采導(dǎo)致被保護煤層的地應(yīng)力有較大下降，能夠起到很好的卸壓保護作用，最大膨脹變形發(fā)生在工作面采過20m 處，說明保護層開采導(dǎo)致二1煤層的地應(yīng)力有較大下降，由于煤層卸壓膨脹變形在煤層內(nèi)形成順層張裂隙，有利于卸壓瓦斯在煤層內(nèi)流動。

4 結(jié)論

（1）上覆煤巖體為堅硬特厚灰?guī)r，產(chǎn)生整體彎曲下沉變形，上覆巖體不產(chǎn)生冒落帶；被保護層位于保護層的老頂?shù)膹澢鲁翈В挥捎诒Ｗo層開采作用，二1煤層產(chǎn)生卸壓膨脹變形的同時形成大量順層張裂隙，沿層理方向的透氣性增加。

（2）二1煤層獲得卸壓保護效果后，煤層瓦斯解吸，但是由于在煤層中形成大量順層張裂隙，所以煤層中的卸壓瓦斯沿順層張裂隙流動，少量卸壓瓦斯可能會通過采動裂隙涌入保護層工作面采空區(qū)。

（3）現(xiàn)場保護層開采試驗表明，在層間距23.4m，相對層間距達50倍條件下，保護層開采使得二1煤層瓦斯壓力由0.9 MPa降為0.12 MPa，瓦斯含量由6.52m3／t降為3.1m3／t。現(xiàn)場采用深部基點法實測二1煤層頂?shù)装逑鄬ε蛎涀冃温蔬_到20.6‰，遠超過 《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的臨界值3‰，煤層透氣性提高810倍，在卸壓區(qū)內(nèi)全面地消除了二1煤層的煤與瓦斯突出危險。

［1］ 王海峰，程遠平等.遠距離上保護層開采工作面瓦斯涌出及瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化 ［J］.煤炭學(xué)報，2010（4）

［2］ 于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

［3］ 戴廣龍，汪友清等 .保護層工作面瓦斯涌出預(yù)測［J］.煤炭學(xué)報，2007 （4）

［4］ 石必明，劉澤功 .保護層開采上覆煤層變性特征［J］.煤炭學(xué)報，2008 （1）

［5］ 汪東升，楊勝強等.近距離保護層開采瓦斯涌出規(guī)律及其治理研究 ［J］.中國煤炭，2009 （2）

［6］ 賈天讓，汪林華等.近距離保護開采層技術(shù)在平煤五礦的實踐 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006 （12）

［7］ 李青松，王兆豐等.潘二礦上保護層開采保護效果及參數(shù)研究 ［J］.煤炭工程，2007 （5）

［8］ 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存及流動理論 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997

［9］ 杜澤生，羅海珠等.保護層采空區(qū)內(nèi)研究被保護煤層透氣性變化規(guī)律 ［J］.煤礦安全，2011 （6）

［10］ 曹召丹，林柏泉等.基于鉆孔半徑的保護層卸壓效果考察 ［J］.中國煤炭，2012 （5）