東林煤礦保護層開采瓦斯抽采影響因素分析

李棟　黃昌文　任梅青

[摘 要]為了提高東林煤礦保護層開采卸壓瓦斯抽采率，從地質構造、煤層特征、瓦斯賦存和方面涌出分析了東林煤礦急傾斜煤層賦存特征，分析得出巖層間巖石性質、相對層間距離及保護作用時間等因素影響被保護層瓦斯抽采率。

[關鍵詞]采礦工程；保護層開采；卸壓瓦斯；影響因素

中圖分類號：F670 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0153-01

1、礦井基本情況

東林煤礦是我國稀有的優質主焦煤生產礦井之一。礦井核定生產能力400kt/a，井田走向長度7.5km，采用豎井多水平分采區開拓。目前開采的水平為+100m至-200m。礦井開采深度大，地質構造復雜，涌水量大，瓦斯自然災害特別嚴重，共發生過突出事故200余次，嚴重制約礦井安全高效共采。

2、保護層開采情況

東林煤礦地質構造復雜，煤層賦存狀況不穩定，屬突出礦井。主采4#和6#煤層，平均傾角65°，埋深440～480m。4#煤層厚度2.5m，6#煤層厚度1.5m，層間距為38m。

由于4#煤層和6#煤層均具有突出危險性，采用區域措施防突，首先對6#煤層進行網格鉆孔預抽瓦斯，待其突出危險性降低后，作為下保護層開采，4#煤層作為被保護層滯后開采。

3、急傾斜煤層的賦存特點

3.1 地質構造

急傾斜煤田在形成以后遭受過比較劇烈的地質構造運動。因此，無論是在區域地質構造方面還是井田地質構造方面，都要比緩傾斜和傾斜煤層復雜。特別是我國西南地區，急傾斜煤層煤田絕大多數分布在山前褶皺帶或是斷裂帶附近，且地質構造更為復雜，甚至有些出現直立和倒轉的現象。

3.2 煤層特征

急傾斜煤層由于受到構造運動的影響，會出現不同程度的揉皺、錯動甚至破壞，故一般急傾斜煤層節理發育，變質程度高，開采時易冒落。另外，由于煤炭變質的主要因素與急傾斜的成因一致，所以即使是同一成煤時期的煤田，其遭受構造運動的頻度和強度不同，煤種也會有很大的差異。

3.3 瓦斯的賦存和涌出情況

地質構造對急傾斜煤層瓦斯含量的影響隨具體情況的不同而不同。當頂板為脆性巖層時，在開放性的斷層和褶皺附近，有利于瓦斯的釋放，該處瓦斯含量較少，但在封閉性的斷層和褶皺附近，瓦斯含量增多。所以急傾斜煤層的斷層或是背斜附近容易積聚瓦斯。急傾斜煤層由于構造相對復雜，突出事故和瓦斯爆炸事故多發生在地質構造帶內的小褶皺附近、強烈擠壓的褶皺帶，以及在傾角變化的轉折點等處。

4、被保護層瓦斯抽采率影響因素

4.1 層間巖石性質

采場上覆巖層運動過程的模擬試驗結果如圖1所示。當工作面推進85m時，距離煤層28m處硬巖層與其下巖層間出現明顯的離層，與其上巖層之間沒有明顯離層（圖1（a））；當工作面推進120m時，該巖層斷裂失穩并伴隨較大范圍的巖層垮落，直到距離煤層80m處堅硬巖層為止，此處又形成較大范圍離層（圖1（b））；工作面推進到180m時，該堅硬巖層斷裂，由此波及到地面（圖1（c））。由此可見，即使被保護煤層位于距離開采煤層80m，只要開采煤層回采范圍足夠大，堅硬巖層也將斷裂垮落，這一層堅硬巖層將不能對被保護層的卸壓起到屏障作用。若保護層開采范圍較小，則上部堅硬巖層將不會斷裂垮落，這一層堅硬巖層將對其上煤層的卸壓起到屏障作用，因此保護層與被保護層之間的堅硬巖層是否對卸壓起屏障作用主要決定于在開采過程中或開采后一定時間內堅硬巖層是否斷裂。

4.2 相對層間距離

實踐證明，保護作用與保護層厚度和層間垂距有密切聯系。因此，在討論保護作用時，往往把保護層厚度與層間垂距結合起來考慮，引入相對層間距離的概念，即層間垂距與保護層厚度的比值。把相對層間距與層間堅硬巖層結合起來可以看出：若被保護層位于開采煤層的垮落帶或礦壓破壞帶內，此時堅硬巖層對被保護層的卸壓沒有任何屏障作用，將隨著工作面的推進逐步垮落，被保護層卸壓十分充分，卸壓瓦斯大量涌入回采工作面，保護效果十分明顯；若被保護層位于開采煤層的斷裂帶或新增損傷帶，由于此時層間堅硬巖石將形成梁的結構，阻礙被保護層進一步變形，也將阻礙其進一步卸壓，保護效果也將受到一定影響；若被保護層位于開采煤層的彎曲下沉帶或原始損傷帶內，此時必須輔以抽放才能使被保護層達到卸壓的目的，至于卸壓的程度則要視堅硬巖層的厚度、彈性模量而定。因此，可將被保護層位于保護層的垮落帶或礦壓破壞帶內定為近距離煤層群，被保護層位于保護層的斷裂帶或新增損傷帶內定為中距離煤層群，被保護層位于保護層的彎曲下沉帶或原始損傷帶內定為遠距離煤層群。

4.3 保護作用的時間

保護層停采后，煤巖層的移動與變形還在一定的時間內延續進行，保護帶可得到部分擴展。但是由于保護層開采后，垮落巖石在上覆應力作用下逐漸壓實，應力逐漸恢復。對于近距離或中距離保護，被保護層卸壓和排放瓦斯都較充分，隨時間延長，被保護層瓦斯狀態和煤的力學性質不可能恢復原狀，因而保護作用也不會隨時間延長而消失。

對于遠距離保護層，由于被保護層與煤層之間大多沒有裂隙直接連通，一般均采用人工抽放瓦斯，煤層瓦斯動力參數和力學性質均不可能恢復到原有狀態，應力也不能恢復原狀。若不采用人工抽放瓦斯，則在上覆巖層作用下煤體應力逐漸增加，在應力減小時由吸附狀態解吸為游離瓦斯中一部分將在地應力作用下重新轉化為吸附瓦斯，隨著時間延長瓦斯壓力將逐步增加，保護作用將逐步消失。因此，開采遠距離保護層配合人工抽放瓦斯時，其保護作用是不可逆的過程，保護作用不會隨時間延長而消失，但隨著時間的推移被保護層承受的地應力有所增加。

5、結論

（1）從地質構造、煤層特征、瓦斯賦存和方面涌出分析了東林煤礦急傾斜煤層賦存特征。

（2）在此基礎上分析得出巖層間巖石性質、相對層間距離及保護作用時間等因素影響被保護層瓦斯抽采率。

作者簡介：李 棟（1986），男，碩士，2012年畢業于重慶大學采礦工程專業，主要從事地下工程研究工作。