王行莊煤礦近距離保護(hù)層開采防突效果考察

田坤云，　孫光中

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院， 河南 鄭州　451191)

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王行莊煤礦近距離保護(hù)層開采防突效果考察

田坤云，孫光中

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院， 河南 鄭州451191)

以河南新能開發(fā)有限公司王行莊煤礦為研究背景，介紹了保護(hù)層開采理論，考察了采取保護(hù)層開采措施前后同一測試地點的瓦斯參數(shù)，主要包括瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層的透氣性系數(shù)及突出預(yù)測指標(biāo)。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采取保護(hù)層開采措施后，被保護(hù)層區(qū)域瓦斯壓力及含量大幅降低，瓦斯涌出量及突出預(yù)測指標(biāo)明顯下降，煤層透氣性系數(shù)大幅增加。

保護(hù)層開采； 透氣性系數(shù)； 煤層瓦斯含量； 煤層瓦斯壓力； 瓦斯涌出量

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0　引言

隨著煤炭開采深度不斷加大，煤與瓦斯突出已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害，嚴(yán)重地制約著煤礦的高效、安全生產(chǎn)。在眾多防突措施中，保護(hù)層開采已被證實為最有效的區(qū)域防突措施[1]。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》明確指出：具備開采保護(hù)層條件的礦井應(yīng)優(yōu)先開采保護(hù)層作為區(qū)域防突措施。曹成平[2]對近距離上保護(hù)層開采條件下的瓦斯治理方法進(jìn)行了研究，提出在保護(hù)層設(shè)計走向鉆孔對鄰近層瓦斯進(jìn)行抽放。馬占國等[3]通過物理模擬試驗對下保護(hù)層推進(jìn)過程中被保護(hù)層的瓦斯抽采防突效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，下保護(hù)層開采后，上覆煤層將充分卸壓，瓦斯可得以充分抽采。陳思等[4]對保護(hù)層開采過程中增透效果及卸壓范圍進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，保護(hù)層開采后，過渡卸壓區(qū)內(nèi)煤體膨脹率為1.85%，煤層透氣性系數(shù)可增大到原來的70倍。劉三均等[5]對下保護(hù)層開采上覆煤巖裂隙變形進(jìn)行了相似模擬，提出了三位一體的立體綜合瓦斯治理新模式，多角度地對保護(hù)層開采的效果進(jìn)行了系統(tǒng)評價。可見保護(hù)層開采技術(shù)的瓦斯治理效果已被大量實踐證明，并得到了廣泛的應(yīng)用。本文以河南新能開發(fā)有限公司王行莊煤礦為研究背景，考察了保護(hù)層開采后被保護(hù)層區(qū)域的瓦斯含量、壓力、煤層透氣性系數(shù)及掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量等指標(biāo)，進(jìn)一步印證了保護(hù)層開采防突措施的有效性。

1　保護(hù)層開采理論

保護(hù)層內(nèi)的工作面回采后，兩層煤體間的巖體會形成自由空間，原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，巖體在地應(yīng)力的作用下會向保護(hù)層中的采空區(qū)方向運移[6]。采空區(qū)的頂(底)板煤巖體遭到破壞后發(fā)生移動、變形，煤巖的應(yīng)力狀態(tài)及內(nèi)部裂隙重新分布，被保護(hù)層區(qū)域的煤(巖)體會發(fā)生卸壓、膨脹；保護(hù)層及被保護(hù)層間巖石的裂隙大量增加，巖體的透氣性急劇增大[7]。被保護(hù)層煤體內(nèi)部的瓦斯充分釋放后，瓦斯壓力及瓦斯含量下降，達(dá)到了消除被保護(hù)層煤體突出危險性的目的。

由于近距離保護(hù)層開采兩煤層之間的層間距小，保護(hù)層及被保護(hù)層間的大部分裂縫呈垂直狀態(tài)，在距保護(hù)層一定的距離內(nèi)，裂縫之間相互溝通，最終與保護(hù)層內(nèi)部煤層的采空區(qū)相貫通，大大增加了被保護(hù)層瓦斯涌向保護(hù)層開采空間的通道[8]。同時，在被保護(hù)層回采過程中，采空區(qū)內(nèi)部巖層的裂隙也會與保護(hù)層的采空區(qū)相互溝通，為被保護(hù)層煤采空區(qū)內(nèi)部瓦斯涌向保護(hù)層采空區(qū)提供了大量的通道[9]。保護(hù)層開采防突機(jī)理如圖1所示。

圖1　保護(hù)層開采防突機(jī)理

2　保護(hù)層及被保護(hù)層確定

王行莊煤礦位于鄭州東南部，隨著開采深度不斷增加，該礦已由高瓦斯礦井升級為突出礦井，且煤與瓦斯突出有加重的趨勢。近年來，該礦井采取了煤層瓦斯預(yù)抽、超前排放鉆孔等防突措施，由于礦井煤層松軟、賦存極不穩(wěn)定、透氣性系數(shù)極低等原因，防治煤與瓦斯突出效果不夠理想。由于瓦斯防治人力、物力成本較高，造成了噸煤成本增加，很大程度上制約了礦井的經(jīng)濟(jì)效益，同時也極易造成礦井生產(chǎn)接替緊張。

王行莊煤礦主要可采煤層為二1煤層及其上部的二3煤層。二1煤層厚度為0～21m，平均厚度為6.8m。二3煤層與二1煤層的平均間距約為23m。二3煤層厚度為0～6.54m，平均厚度為1.54m，大部可采。二1煤層為典型的“三軟”煤層(頂板、底板及煤體松軟)，煤層透氣性系數(shù)極低，煤層瓦斯抽放難度較大。

在瓦斯含量高、透氣性差的二1煤層回采之前，選擇合適的保護(hù)層優(yōu)先進(jìn)行開采，對消除本煤層的煤與瓦斯突出威脅意義重大[9]。一7煤層和一5煤層位于二1煤層下方，煤層厚度較小，理論上可作為二1煤層的保護(hù)層，但由于兩煤層底板下部具有高壓承壓水，開采風(fēng)險很大且開采經(jīng)濟(jì)效益較差，所以不能作為二1煤層的保護(hù)層進(jìn)行開采。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，多煤層開采時應(yīng)選擇無突出危險性或者突出危險性相對較小的煤層作為保護(hù)層首先開采[10]。根據(jù)現(xiàn)場實測得知，二3煤層瓦斯含量較二1煤層要小，相應(yīng)的突出危險性也小。因此，選擇突出危險性相對較小且處于二1煤層上部的二3煤層作為上保護(hù)層來進(jìn)行開采。

3　現(xiàn)場試驗方案確定

首先在上保護(hù)煤層二3煤層中布置11053工作面進(jìn)行回采，在下部被保護(hù)層二1煤層中布置11051綜放工作面，采區(qū)內(nèi)煤層厚度為1.8～11.45m，平均厚度為5.4m，煤層傾角為17～23°，煤層賦存穩(wěn)定。保護(hù)層與被保護(hù)層工作面平面、剖面分別如圖2、圖3所示。

圖2　保護(hù)層與被保護(hù)層工作面布置平面

4　上保護(hù)層開采保護(hù)效果理論分析及現(xiàn)場考察

4.1保護(hù)效果理論分析

保護(hù)層開采后，周圍的煤(巖)層向采空區(qū)變形和移動，地應(yīng)力重新分布。采空區(qū)上、下方的巖體向采空區(qū)膨脹變形，地應(yīng)力向開采空間周圍轉(zhuǎn)移，從而使采空區(qū)上、下方煤巖體應(yīng)力降低[11-13]。另外，卸壓帶范圍內(nèi)的煤(巖)層中產(chǎn)生新的裂隙，原有裂隙也張開擴(kuò)大，使得透氣性系數(shù)增大，瓦斯解吸、擴(kuò)散時間縮短，滲流量迅速增大，產(chǎn)生“卸壓增流效應(yīng)”，煤(巖)層瓦斯排放能力提高，瓦斯壓力降低，瓦斯含量減少，煤的機(jī)械強度提高，進(jìn)而降低或者消除被保護(hù)層的突出危險性[14]。

圖3　保護(hù)層與被保護(hù)層工作面布置剖面

4.2保護(hù)范圍的確定

4.2.1工作面回采方向保護(hù)范圍

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，如果保護(hù)層回采工作面停采的時間超過3個月并且卸壓比較充分，那么該保護(hù)層回采工作面對被保護(hù)層沿其回采方向的卸壓角度應(yīng)該按照δ5=56～60°來劃定。對于試驗礦井11051工作面而言，上距保護(hù)層二3煤層平均20m，計算可知，保護(hù)層二3煤層應(yīng)該超前被保護(hù)層工作面11.60～13.56m進(jìn)行開采才能起到保護(hù)效果。

4.2.2工作面布置方向保護(hù)范圍

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，沿工作面布置方向的保護(hù)范圍可以按照卸壓角δ3，δ4來確定。試驗礦井煤層傾角為8～24°，平均傾角為17°。經(jīng)過計算，沿工作面布置方向的卸壓角δ3=δ4=75°，根據(jù)試驗礦井保護(hù)層與被保護(hù)層的平均間距為20m，得到二3煤層11053工作面開采后對被保護(hù)層沿其布置方向的超前距約為5.45m。

保護(hù)層開采后，被保護(hù)層沿2個方向的保護(hù)范圍如圖4所示。

圖4　保護(hù)層開采保護(hù)范圍投影

4.3保護(hù)效果現(xiàn)場考察

在11051工作面回風(fēng)巷道及沒有進(jìn)行保護(hù)層開采且與11051工作面地質(zhì)條件相似并相鄰的11011工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行瓦斯含量、壓力、煤層透氣性系數(shù)測定，并統(tǒng)計兩工作面回風(fēng)巷道掘進(jìn)期間的瓦斯涌出及突出預(yù)測指標(biāo)情況。11011工作面回風(fēng)巷道的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)可作為11051工作面回風(fēng)巷道的參考依據(jù)。

4.3.1瓦斯壓力測試結(jié)果及對比

在11011工作面回風(fēng)巷道施工6個鉆場進(jìn)行瓦斯壓力測試，在煤層埋藏深度相近的11051工作面回風(fēng)巷道也施工6個鉆場進(jìn)行瓦斯壓力測試。11011工作面回風(fēng)巷道與11051工作面回風(fēng)巷道同編號鉆場的埋深基本接近。取每個測壓鉆孔瓦斯壓力的最大值繪制成圖，如圖5所示。

圖5　保護(hù)層開采前后瓦斯壓力對比

由圖5可以看出，經(jīng)過保護(hù)層開采卸壓后，11051工作面巷道6個鉆場的平均瓦斯壓力為0.18MPa，較未經(jīng)過保護(hù)層開采卸壓的11011工作面回風(fēng)巷道6個鉆場的平均瓦斯壓力0.52MPa(煤層原始瓦斯壓力)要小得多。

4.3.2瓦斯含量測試結(jié)果及對比

在11011工作面回風(fēng)巷道及11051工作面回風(fēng)巷道6個鉆場內(nèi)進(jìn)行瓦斯含量測試，取每個鉆孔瓦斯含量的最大值繪制成圖，如圖6所示。

圖6　保護(hù)層開采前后瓦斯含量對比

由圖6可看出，經(jīng)過保護(hù)開采卸壓后，11051工作面回風(fēng)巷道鉆場的平均瓦斯含量為4.64m3/t，較未經(jīng)過保護(hù)層開采卸壓的11011回風(fēng)巷道6個鉆場的平均瓦斯含量11.52m3/t(煤層原始瓦斯含量)也要小很多。

4.3.3煤層透氣性系數(shù)測試結(jié)果及對比

11011及11051工作面回風(fēng)巷道鉆場內(nèi)所施工鉆孔的直徑均為75mm，煤孔施工長度均為15m，煤層瓦斯含量系數(shù)可取α=9.13m3/(t·MPa1/2)，煤層原始瓦斯壓力取11051工作面回風(fēng)巷道6個測壓鉆孔的平均實測值0.52MPa。根據(jù)11051工作面回風(fēng)巷道流量的實測值計算不同地點的煤層透氣性系數(shù)。11051工作面回風(fēng)巷道內(nèi)煤層透氣性系數(shù)隨二3煤層11053工作面推進(jìn)的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7　被保護(hù)層煤層透氣性系數(shù)隨保護(hù)層工作面推進(jìn)距離的變化曲線

從圖7可以看出，二1煤層原始透氣性系數(shù)約為0.03m2/(MPa2·d)，隨著工作面11053的推進(jìn)，二1煤層透氣性系數(shù)有一定上升。隨著二3煤層繼續(xù)推進(jìn)，二1煤層受到集中應(yīng)力的影響，透氣性系數(shù)迅速衰減。當(dāng)保護(hù)層工作面推進(jìn)至某一距離時，透氣性系數(shù)上升至高峰值35.68m2/(MPa2·d)，比原始透氣性系數(shù)增加了近1 200倍，隨后逐漸衰減并趨于穩(wěn)定。

4.3.4掘進(jìn)區(qū)間瓦斯涌出情況對比

統(tǒng)計保護(hù)層11053工作面(二3煤層)、被保護(hù)層11051工作面(二1煤層)及與11051地質(zhì)條件相似但是未受保護(hù)層卸壓影響的11011工作面(二1煤層)3條回風(fēng)巷道的瓦斯涌出量，繪制瓦斯涌出量變化情況，如圖8所示。

圖83個工作面回風(fēng)巷道瓦斯涌出情況

從圖8可以看出，在11053工作面回采過程中，底板圍巖受到卸壓而產(chǎn)生裂隙，被保護(hù)層卸壓后，瓦斯大量釋放，沿著裂隙涌入到11053工作面，導(dǎo)致11053工作面瓦斯涌出量增大，被保護(hù)層二1煤層11051工作面瓦斯涌出量減少。11053工作面瓦斯涌出量約為11051工作面瓦斯涌出量的3倍，被保護(hù)層的瓦斯大約有50%都已經(jīng)涌入到保護(hù)層工作面。11011工作面瓦斯涌出量約為11051工作面瓦斯涌出量的2倍。被保護(hù)層的大量瓦斯釋放到保護(hù)層后，有效地降低了被保護(hù)層的瓦斯含量，降低甚至消除了其突出危險性。

4.3.5掘進(jìn)區(qū)間突出預(yù)測指標(biāo)統(tǒng)計對比

試驗礦井為煤與瓦斯突出礦井，巷道掘進(jìn)期間嚴(yán)格執(zhí)行“四位一體”的局部防突措施，預(yù)測預(yù)報指標(biāo)采用鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑量指標(biāo)(S)，其臨界值分別為4.5L/min和6kg/m。統(tǒng)計11011工作面回風(fēng)巷道及11051工作面回風(fēng)巷道各50個循環(huán)的預(yù)測指標(biāo)，其中11011工作面回風(fēng)巷道的預(yù)測指標(biāo)可視為11051工作面未受保護(hù)開采影響時的預(yù)測指標(biāo)，如圖9所示。

圖9保護(hù)層開采前后突出預(yù)測指標(biāo)對比

從圖9可以看出，采取保護(hù)層開采措施前，煤巷掘進(jìn)工作面的預(yù)測指標(biāo)基本都在臨界值以上，必須采取局部防突措施，待指標(biāo)下降到臨界值后方可進(jìn)行掘進(jìn)，大大影響了掘進(jìn)的進(jìn)尺。而采取保護(hù)層開采卸壓后，11051回風(fēng)巷道工作面預(yù)測指標(biāo)基本上都不超標(biāo)，掘進(jìn)效率大大提高。

5　結(jié)語

通過采取近距離上保護(hù)層開采區(qū)域防突出措施，試驗礦井被保護(hù)層二1煤層得到了充分的卸壓，煤體瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)發(fā)生了很大改變，瓦斯得到了充分有效的釋放，卸壓區(qū)內(nèi)被保護(hù)層煤體的突出危險性得到了有效降低甚至消除。具體卸壓效果如下：① 被保護(hù)層二1煤層的平均瓦斯壓力由0.52MPa降到0.18MPa，平均瓦斯含量由11.52m3/t降到4.64m3/t。② 被保護(hù)層二1煤層工作面瓦斯涌出量大幅減少，接近50%的瓦斯通過煤巖體裂隙涌入到保護(hù)層二3煤層工作面；二1煤層原始透氣性系數(shù)約為0.03m2/(MPa2·d)，充分卸壓后最大透氣性系數(shù)達(dá)35.68m2/(MPa2·d)，增加了近1 200倍。③ 卸壓后鉆孔瓦斯涌出初速度q及鉆屑量指標(biāo)S基本都降到臨界值以下。

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Study on outburst prevention effect of short range protective seamminingofWangxingzhuangCoalMine

TIAN Kunyun，SUN Guangzhong

(SchoolofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

ThepapertookWangxingzhuangCoalMineofHenanNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd.asresearchbackground,introducedprotectiveseamminingtheory,andinvestigatedgasparametersinthesametestsitebeforeandaftertakingprotectivelayerminingmeasures,includinggascontent,gaspressure,coalseampermeabilitycoefficientandoutburstpredictiveindex.Fieldtestresultsshowthataftertakingprotectivelayerminingmeasures,gaspressureandcontentoftheprotectedlayerregionreducesignificantly,thegasemissionamountandoutburstpredictiveindexdecreaseobviously,andseampermeabilitycoefficientincreasesgreatly.

protectiveseammining;permeabilitycoefficient;coalseamgascontent;coalseamgaspressure;gasemissionquantity

1671-251X(2016)09-0033-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.008

2016-01-25；

2016-07-12；責(zé)任編輯：胡嫻。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51174082)；河南工程學(xué)院博士基金項目(D2015025)。

田坤云(1981-)，男，河南臺前人，副教授，博士，主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測與防治方面的教學(xué)及科研工作，E-mail:tky1153@163.com。

TD713.31

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-02 10:11

田坤云，孫光中.王行莊煤礦近距離保護(hù)層開采防突效果考察[J].工礦自動化，2016,42(9)：33-37.