突出煤層開采近距離下保護層保護效果研究

李臣武

（貴州職業技術學院建筑工程學院，貴州 貴陽 550023）

瓦斯是影響礦井安全生產的重要制約因素，特別是近距離煤層群瓦斯給礦井安全開采帶來的困難尤為明顯，尋找近距離煤層群瓦斯治理的有效方法迫在眉睫[1]。開采保護層是我國井工煤礦主要區域防突技術措施之一，保護層開采能降低煤與瓦斯突出危險，增大煤層透氣性，有利于瓦斯抽采[2]。保護層分為上保護層和下保護層，下保護層開采能極大改善被保護層的應力狀態，卸壓增透效果明顯，大大降低瓦斯含量，有效地控制煤與瓦斯突出危險性[3]。金源煤礦下保護層M9 煤層已開采，需對其上覆煤層M5 煤層的保護效果進行判定，同時也是決定M5 煤層被保護范圍是否繼續采取區域防突措施的關鍵問題。

1 工程概況

金源煤礦主要可采煤層從上往下依次為M5、M9、M13 煤層，M5、M9、M13 煤層相鄰間距分別為11.23 m、27.43 m。礦井瓦斯等級為煤與瓦斯突出礦井，礦井采用斜井開拓方式，全礦井劃分為1 個水平3 個采區，水平標高+1080 m。一采區采用聯合布置，開采一采區下山南側的M5、M13 煤層，二采區、三采區分層布置，二采區開采M5 煤層（+1150 m 至一采區下山北側的煤層），三采區開采M13 煤層（+1080 m 至一采區下山北側煤層）。礦井范圍M9 煤層已開采結束，正在回采M5 煤層，一采區10501、10503 工作面已開采完，10505、10507、10509 工作面切眼已貫通。M9 與M5 煤層間距7.98～16.10 m，平均11.23 m。M5 煤層的下保護層M9 煤層已開采，經現場調查M5 煤層未受到破壞。

2 保護層保護范圍確定

2.1 沿鉛垂方向的保護范圍

《防治煤與瓦斯突出細則》規定緩傾斜和傾斜煤層下保護層的最大保護垂距為100 m[3]，M5 與M9 煤層間距為11.23 m，小于100 m，M5 煤層處于M9 煤層的有效保護垂距范圍內。

2.2 沿傾斜方向的保護范圍

保護層沿傾斜的保護范圍可按卸壓角劃定，卸壓角與煤層傾角、開采深度、地層巖性等因素有關。

金源煤礦M5 煤層傾角為4°，M5 煤層與M9煤層間距為11.23 m，根據《防治煤與瓦斯突出細則》選取卸壓角δ1=79°，δ2=81°。M9 煤層開采后，M5 煤層沿傾斜方向的保護范圍如圖1。

圖1 M9 煤層對M5 煤層沿傾斜方向的保護范圍

2.3 沿走向方向的保護范圍

M9 煤層采煤工作面停采時間已遠超3 個月，卸壓比較充分，則采煤工作面對被保護層（M5 煤層）沿走向的保護范圍對應于始采線、采止線及所留煤柱邊緣位置的邊界線可按卸壓角56°～60°進行取值，該次取58°。走向方向保護范圍如圖2。

圖2 M9 保護層工作面沿走向方向對M5 煤層保護范圍

3 保護層開采的防突措施效果檢驗

金源煤礦采取開采M9 煤層保護層作為區域防突措施，根據《防治煤與瓦斯突出細則》第六十八條規定，以煤層殘余瓦斯壓力實測值為主要指標，以煤層殘余瓦斯含量及其他指標為輔助指標，綜合判定M5 煤層被保護范圍內保護效果。

3.1 M5 煤層瓦斯壓力測定

結合金源煤礦井下巷道實際狀況，現場考察瓦斯壓力測定鉆孔布置如下：在10509 運輸巷距切眼52 m 上幫布置1#孔，距回風繞道口向里100 m 上幫布置2#孔，在10509 回風巷距切眼50 m 下幫布置3#孔，距回風繞道口向里100 m 下幫布置4#孔，在10511 運輸巷距開口20 m 處上幫布置5#孔、下幫6#孔，10511 回風巷距開口18 m 處上幫布置7#孔、下幫8#孔，四個觀測點共布置8 個鉆孔測定M5 煤層瓦斯壓力。鉆孔封孔24 h 后，開始安裝壓力表，此時各表數字均為零，經過一段時間觀測瓦斯壓力趨于穩定。各測定鉆孔瓦斯壓力觀測數據及變化曲線如圖3。

圖3 安裝壓力表后時間與壓力關系圖

由上述各測壓孔瓦斯壓力數據及曲線圖分析可知，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#號鉆孔自裝上壓力表時開始測壓，1#鉆孔初始壓力為0 MPa，達到0.25 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；2#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0 MPa 到0.19 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；3#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力為0 MPa 達到0.26 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；4#鉆孔自裝上壓力表時開始測壓，壓力從初始壓力0 MPa 到0.18 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；5#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0.1 MPa 達到0.14 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；6#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0 MPa 達到0.17 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；7#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0.06 MPa 達到0.22 MPa 后，壓力基本保持穩定不變；8#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0.10 MPa 下降到0.08 MPa 后，壓力基本保持穩定不變。各鉆孔壓力最大值見表1。

表1 M5 煤層瓦斯壓力測定值

3.2 M5 煤層瓦斯含量測定

煤層瓦斯含量測定方法分為直接測定法和間接測定法。直接法測瓦斯含量操作簡便，是當前井下普遍采用的瓦斯含量測定方法[]，該次煤層瓦斯含量測定采用直接法。經過現場考察確定M5 煤層瓦斯含量測定地點為10509 采面回風巷、10511 運輸巷和10511 回風巷，三個地點共布置8 個鉆孔12個煤樣測定瓦斯含量。煤樣在井下初步解吸后，升井到地面實驗室再進行測定，測定結果見表2。經過對比分析，在10509 回風巷距切眼60 m 處所取煤樣瓦斯含量最大，最大值為5.202 m3/t。

表2 M5 煤層瓦斯含量測試結果表

3.3 瓦斯放散初速度及堅固性系數測定

在10509 采面、10511 運輸巷和10511 回風巷分別采集M5 煤層全層樣1 組，煤樣采取新暴露的M5 煤層沿煤層厚度的上、中、下部各采取塊度為100 mm 左右的煤樣兩塊，煤樣送資質單位瓦斯實驗室進行堅固性系數指標f 值的測定，測定結果見表3。

表3 M5 煤層的放散初速度及堅固性系數結果表

在10509 采面運輸巷、10509 采面回風巷、10511 運輸巷和10511 回風巷對M5 煤層進行宏觀觀察，煤體整體光澤度為暗淡-半亮型，層理清楚，節理平整，較有秩序，硬度中等，用手難以掰開，綜合判定M5 煤層煤體的破壞類型為Ⅱ類。

4 判斷指標可靠性分析

M5煤層實測殘余瓦斯含量為2.908～5.202 m3/t，采用直接測壓法現場測得M5 煤層的殘余瓦斯壓力為0.08～0.26 MPa，利用實測的煤層瓦斯含量計算M5 煤層殘余瓦斯壓力為0.148～0.292 MPa，測定的堅固性系數指標f 值最小值為1.42，放散初速度值△P為8.6 mmHg。根據M5 煤層掘進期間突出危險性效果檢驗統計表及通風瓦斯報表顯示，工作面掘進期間瓦斯涌出量較小，最大值為0.50 m3/min，工作面突出危險性預測值（K1值）最大為0.15 mL/g.min1/2，鉆屑量最大值為1.7 kg/m，未發現指標超過臨界值現象。通過數據對比和分析認為該次測得M5 煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力等數據可靠性較高，可以作為保護效果判定的依據。

5 結論

金源煤礦M5 煤層采取開采保護層M9 煤層區域防突措施后，經效果檢驗，采用直接測壓法現場測得M5 煤層最大殘余瓦斯壓力為0.26 MPa，小于0.74 MPa，采用直接測定煤層瓦斯含量法，實測得M5煤層最大殘余瓦斯含量為5.202 m3/t，小于8 m3/t，最大殘余瓦斯壓力和瓦斯含量均小于《防治煤與瓦斯突出細則》規定的臨界值，同時參考測定的瓦斯放散初速度、堅固性系數等輔助指標，并結合M5煤層掘進期間的瓦斯涌出情況，綜合判定金源煤礦M5 煤層被保護范圍的保護效果有效，即M5 煤層的區域防突措施達到效果。在M5 煤層被保護范圍內進行采掘活動，需進行區域驗證并采取“四位一體”的局部綜合防突措施后方可進行采煤工作面回采工作。