突出礦井保護層開采后掘進工作面卸壓范圍劃定計算應用

何星江

（貴州誠搏煤業有限公司天合煤礦，貴州 習水 564600）

1 概況

貝勒礦設計生產能力45萬t/a，礦區面積6.2718km2，開采深度+650m，含礦層為二疊系上統龍潭組（P3l），礦層總厚24.34～40.29m，平均總厚33.28m，含礦系數9.4%。全區可采、大部分可采及局部可采礦層9層，可采礦層5層，編號為M1、M4、M5、M6、M7，該礦為突出礦井。1603運輸巷布置在M6礦層，上覆M5礦層1503工作面于2011年已回采結束，對1603運輸巷預掘條帶氣體壓力進行了釋放。以1503工作面采空區卸壓范圍對1603運輸巷掘進工作面的保護范圍進行劃定。有效預壓層能夠對礦山開采層及鄰近層進行有效防護，防御層之間有間距，其作用是控制開采高度達到上限，并且可以確定保護層是否有效，通過工程技術實例理論計算走向、傾向卸壓范圍和有效保護層間距，對突出礦層掘進工作面具有一定指導意義。

2 保護層開采基本原理

保護層開采后，上下礦體應力重新分布，周圍礦層向采空區移動。采空區上方的礦體形成了自然落拱。采空區膨脹形成裂隙，引起采空區上下礦體應力、透氣性、氣壓、位移等變化。研究保護層開采后頂底巖體應力重分布規律具有重要意義。了解頂板和底板的變形和破壞特征，確定保護層的泄壓范圍是非常重要的。

3 保護層開采卸壓范圍

保護層開采后，被保護層的應力狀態和礦井氣體動力參數發生很大變化，卸壓范圍包括沿工作面走向(回采方向)和沿工作面傾向上的兩種。

3.1 保護層沿傾向的卸壓保護角及保護范圍劃定

沿傾斜方向保護范圍可按卸壓角劃定。卸壓角大小與礦層傾角，開采深度，層間巖性等因素有關，保護層工作面沿傾斜方向的保護范圍按卸壓角劃定，卸壓角δ與礦層傾角劃定，貝勒礦此次保護層開采沿傾向方向的保護范圍參考的數據。礦井西翼一區段礦層傾角26°，按30°取值，則δ3為77°、δ4為70°。根據揭露資料，西翼一區段M6礦層距M5礦層法線距離11.8～14.8m，按最大值14.8m取值。計算沿傾向的卸壓范圍的上下部內錯和沿走向的卸壓范圍的內錯。對M6礦層沿傾向的卸壓范圍為保護層相對被保護層下部；

下部相對內錯距 ：L1=h/tan（δ3）=14.8/tan（77°）=3.42

1603礦井運輸巷水平內退距離L內退=sin[90°-（77°-26°）]*L卸=sin39° *14.8/cos（90° -77°）=9.55m ；

上部相對內錯 ：L2=h/tan（δ3）=14.8/tan（70°）=5.39

根據三角函數，可以求得1503采空區對1603礦井運輸巷水平內退距離，如下

L內退=cos（64+20）*L卸=cos84 ° *14.8/cos（90 ° -70 °）=1.63m

3.2 保護層沿走向的卸壓保護角及保護范圍劃定

由于地面壓力的傳遞，保護層的有效保護范圍應小于保護層的保護范圍。受保護層的起始線和停止線應與受保護層的起始線和停止線保持一定距離，這與層之間的垂直距離有關。根據測試，上保護層之間的垂直距離是層之間的垂直距離的0.55-0.67倍。建議將壓力釋放角度保持在56到61之間，并且應在實踐中調查具體數據。貝勒礦1503工作面于2011年回采結束，對其礦井內氣體壓力進行了釋放，沿走向方向的保護范圍劃定上部外錯 ；對M6礦層 ：水平內錯 ：L2=h/tan（δ5）=14.8/ tan（56°）=9.98m。

4 保護層的有效保護層間距

根據大量試驗資料統計分析認為，在采深小于550m，回采面長度小于120m條件下，保護層的有效保護層間垂距為：急傾斜礦層上保護層60m，下保護層80m，緩傾斜和傾斜礦層上保護層50m，下保護層100m。選擇保護層時應根據保護層厚度、頂板管理方法，回采工作面長度和開采深度等因素確定有效垂距。

M6礦層傾角為26°，劃定卸壓角δ1為77°。根據最大保護垂距緩傾斜礦層最大保護垂距上保護層小于50m，下保護層小于100m的規定。

式中：β1、β2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，取L=0.3H，但L不得大于250m；

β1－保護層開采的影響系數，當M≤M0時，β1= M/M0，當M＞M0時，β1=1；

M－保護層的開采厚度，m；

M0－保護層的最小有效厚度，m。M0

β2－層間硬巖體（砂巖、石灰巖）含量系數，以η表示在層間巖體中所占的百分比，當η≥50%時，β2=1-0.4η/100，當η＜50%時，β2=1。

經計算M6礦層作為被保護礦層，最大保護垂距為66m。貝勒礦M6礦層與M5礦層間距，因此最大保護垂距取50m。M6礦層與M5礦層層間距為11.8～14.8m，M6礦層上覆巖層在開采上保護層（M5礦層）后卸壓，在生產實踐中，開采后的工作面底板發生底鼓膨脹，出現裂隙，因此透氣性增加，形成底鼓變形帶，當礦層間距小于50m時，在其保護范圍內，被保護層（M6、M7礦層）均可以消除突出危險。

5 防治效果

由于1603礦井運輸巷上覆M5礦層的1503工作面已開采，對1603運輸巷掘進條帶形成了保護，礦井氣體得到了很好的釋放，1603礦井運輸巷在掘進過程中已采取了區域措施效果檢驗和區域驗證，在保護范圍的循環區域措施效果檢驗過程中，實測M6礦層預掘條帶最高礦井氣體壓力為0.26MPa，最高礦井內氣體含量為3.2506m3/t。區域驗證及工作面突出危險性預測60次，60次均未超過臨界值，其中平均鉆屑量S值為2.4kg/m，最高鉆屑量S值為2.6kg/m，鉆屑礦井內氣體解析指標K1值平均為0.15 g·min1/2，最高時為0.24g·min1/2。

6 結語

總之，保護層（首采層）工作面和被保護層工作面礦井內氣體治理，其中首采層工作面礦井內氣體治理是關鍵所在。突出礦井巷掘進工作面氣體防治方法有多種，需要根據工作面的氣體涌出量、氣體涌出形式、礦層透氣性系數和地質條件等采取針對性措施，各種防治技術還需要進一步摸索、完善和總結，一是減少保護層開采時的氣體涌出量，同時也加大了對被保護層的保護效果。加大指標考察力度，特別是礦井內氣體壓力、鉆孔氣體流量及抽放量、透氣性系數、礦層相對變形參數的變化情況。在突出礦層開采過程中，優先選用開采上保護層，有效釋放突出礦層易燃氣體，確保礦礦安全生產。