基于雙重保護(hù)層開(kāi)采條件下的區(qū)域防突效果評(píng)價(jià)*

蔡敏博,劉 軍,汪萬(wàn)里

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)公司下峪口煤礦,陜西 渭南 715400;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引言

保護(hù)層開(kāi)采后,上下煤巖體膨脹變形、應(yīng)力降低,煤巖透氣性成倍增加,為煤層瓦斯解吸、運(yùn)移提供便利[1-2],對(duì)于降低煤層瓦斯壓力、瓦斯含量有極大的促進(jìn)作用,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)可的最有效、最經(jīng)濟(jì)的預(yù)防煤與瓦斯突出措施之一[3-4]。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)保護(hù)層開(kāi)采的作用機(jī)理有了非常充分的研究,劉林[5]通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),確定合理的保護(hù)參數(shù),進(jìn)一步完善保護(hù)層開(kāi)采效果考察方法。任中華等[6]針對(duì)多煤層遠(yuǎn)距離重疊開(kāi)采條件,分析留設(shè)煤柱及采空區(qū)對(duì)底板卸壓效果的影響。范東旭等[7]采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法對(duì)被保護(hù)層工作面布置方式進(jìn)行研究,解決多重采動(dòng)影響下煤柱資源浪費(fèi)問(wèn)題。李楊等[8]研究多煤層開(kāi)采中間巖層對(duì)覆巖移動(dòng)的影響,認(rèn)為中間厚硬巖層的破斷對(duì)上覆巖層移動(dòng)起決定性作用。周銀波等[9]研究下伏被保護(hù)層雙重采動(dòng)影響下覆巖瓦斯富集規(guī)律,并取得良好的瓦斯治理效果。

近距離煤層群多煤層開(kāi)采,被保護(hù)層經(jīng)過(guò)多重卸壓,加之上覆煤柱的應(yīng)力集中影響,應(yīng)力分布規(guī)律變得更為復(fù)雜,目前,對(duì)于該方面的研究很少,對(duì)于多重保護(hù)層開(kāi)采的防突效果評(píng)價(jià)更是少之又少。以下峪口煤礦23306下工作面為例,利用現(xiàn)有的卸壓保護(hù)理論結(jié)合煤柱應(yīng)力集中范圍分析,現(xiàn)場(chǎng)考察雙重保護(hù)條件下的工作面防突效果,為工作面采掘活動(dòng)提供依據(jù)。

1 下峪口煤礦雙重保護(hù)層開(kāi)采概況

下峪口煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.50 Mt/a,2號(hào)、3號(hào)煤層為突出煤層。礦井2-3采區(qū)北翼3號(hào)煤層因沉積過(guò)程中分叉,局部區(qū)域存在可采3下煤層;煤層傾角3°～5°,平均4°。該區(qū)域煤層開(kāi)采順序?yàn)閺纳系较乱来伍_(kāi)采,即2號(hào)煤層→3號(hào)煤層→3下煤層,2號(hào)煤層平均煤厚1.0 m,3號(hào)、3下煤層平均煤厚均為2.5 m,2號(hào)、3號(hào)煤層間距10.0～15.0 m,3號(hào)、3下煤層間距7.0～8.0 m,屬極近距離煤層群開(kāi)采。上覆2號(hào)煤層已經(jīng)全部開(kāi)采,3號(hào)煤層正在回采23308工作面;開(kāi)采2號(hào)煤層時(shí)考察了3號(hào)煤層的被保護(hù)效果,走向方向卸壓角60°,傾斜上方卸壓角75°,傾斜下方卸壓角78°;未對(duì)3下煤層的被保護(hù)效果進(jìn)行考察,現(xiàn)需要根據(jù)雙重保護(hù)層開(kāi)采情況劃定3下煤層有效保護(hù)范圍,并評(píng)價(jià)其防突效果,采掘位置關(guān)系示意如圖1所示。

圖1 采掘位置關(guān)系示意

2 3下煤層卸壓保護(hù)效果分析

試驗(yàn)區(qū)域上覆2號(hào)與3號(hào)煤層層間距為10.0～15.0 m,主要巖性為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖;3號(hào)與3下煤層間距7.0～8.0 m,主要巖性為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖。開(kāi)采23206工作面期間,對(duì)23306工作面保護(hù)效果進(jìn)行了考察,經(jīng)考察,23306工作面3號(hào)煤層最大膨脹變形量為12.9‰,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的3‰。開(kāi)采2號(hào)煤層保護(hù)3號(hào)煤層時(shí),2號(hào)煤層采高1.5 m,開(kāi)采3號(hào)煤層保護(hù)3下煤層時(shí),3號(hào)煤層采高2.5 m,由此分析,3號(hào)煤層采高大于2號(hào)煤層采高,2號(hào)煤層與3號(hào)煤層間距大于3號(hào)煤層與3下煤層間距,且?guī)r性相同,同時(shí)3下煤層受2號(hào)、3號(hào)煤層雙重保護(hù)。因此,3下煤層得到充分卸壓,可以采用《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦的卸壓角臨界值或者開(kāi)采2號(hào)煤層保護(hù)層3號(hào)煤層考察的卸壓角臨界值劃定3下煤層的有效保護(hù)范圍,可以采用殘余瓦斯含量或者殘余瓦斯壓力考察防突效果。煤層參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 煤層參數(shù)對(duì)比

3 23306下工作面有效保護(hù)范圍分析

下峪口煤礦2-3采區(qū)北翼3下煤層同時(shí)受2號(hào)、3號(hào)煤層保護(hù),可以以2號(hào)煤層或者3號(hào)煤層開(kāi)采卸壓角劃定3下煤層有效保護(hù)范圍,但要綜合考慮3號(hào)煤層保護(hù)煤柱產(chǎn)生的集中應(yīng)力影響。

3.1 開(kāi)采2號(hào)煤層對(duì)3下煤層的保護(hù)范圍

下峪口煤礦2-3采區(qū)保護(hù)層21203工作面與23206工作面之間留有6 m煤柱,23206工作面與23208工作面之間采用沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采。保護(hù)層2號(hào)煤層平均煤厚1 m,采高1.5 m,試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)2號(hào)煤層底板與3下煤層頂板間距13～24 m,平均15.5 m。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果,2號(hào)煤層作為下伏3號(hào)煤層保護(hù)層開(kāi)采,對(duì)3號(hào)煤層走向、傾向上方、傾向下方的卸壓保護(hù)角分別為60°、78°、75°;《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》附錄E中,近水平煤層在走向、傾斜上方、傾斜下方的卸壓保護(hù)角分別為56°～60°、75°、75°。而在開(kāi)采保護(hù)層時(shí)未對(duì)3下煤保護(hù)效果進(jìn)行考察,為保障安全生產(chǎn),現(xiàn)參照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》附錄E推薦值劃定2號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)3下煤層的保護(hù)范圍。

在走向方向上,卸壓角取60°,被保護(hù)層3下煤層在走向方向保護(hù)范圍邊界線相對(duì)于保護(hù)層23206工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)錯(cuò)16.19 m,如圖2所示。

圖2 2號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)3下煤層走向保護(hù)范圍剖面

在傾向方向上,傾向上方、傾向下方卸壓角分別取75°、75°,被保護(hù)層3下煤層在傾向方向保護(hù)范圍邊界線相對(duì)于保護(hù)層23206工作面切眼及停采線位置分別內(nèi)錯(cuò)4.74 m、8.09 m,如圖3所示。

圖3 2號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)3下煤層傾向保護(hù)范圍剖面

3.2 開(kāi)采3號(hào)煤層對(duì)3下煤層的保護(hù)范圍

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果,2號(hào)煤層作為下伏3號(hào)煤層保護(hù)層開(kāi)采,對(duì)3號(hào)煤層走向、傾向上方、傾向下方的卸壓保護(hù)角分別為60°、78°、75°,2號(hào)煤層與3號(hào)煤層最大層間距15.0 m。因此,被保護(hù)層3號(hào)煤層在走向方向保護(hù)范圍邊界線相對(duì)于保護(hù)層23206工作面運(yùn)順內(nèi)錯(cuò)10.77 m;被保護(hù)層3號(hào)煤層在傾向方向保護(hù)范圍邊界線相對(duì)于保護(hù)層23206、23208工作面切眼及停采線位置分別內(nèi)錯(cuò)4.59 m、1.92 m。但23306工作面設(shè)計(jì)時(shí),23306進(jìn)順、切眼、停采線實(shí)際分別內(nèi)錯(cuò)23206運(yùn)順12 m、23206切眼46 m、23206停采線81.84 m,如圖4、圖5所示。在開(kāi)采2號(hào)、3號(hào)煤層保護(hù)層時(shí)未對(duì)3下煤保護(hù)效果進(jìn)行考察,現(xiàn)參考《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》附錄E劃定3號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)3下煤層的保護(hù)范圍。

圖4 3號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)3下煤層走向保護(hù)范圍剖面

圖5 開(kāi)采23306工作面對(duì)3下煤層傾向保護(hù)范圍剖面

在走向方向上,卸壓角取56°,被保護(hù)層3下煤層在走向方向保護(hù)范圍邊界線相對(duì)于保護(hù)層23306進(jìn)順內(nèi)錯(cuò)4.62 m,如圖4所示。

在傾向方向上,傾向上方、傾向下方卸壓角均為75°,被保護(hù)層3下煤層在傾向方向保護(hù)范圍邊界線相對(duì)于保護(hù)層23306工作面切眼及停采線位置分別內(nèi)錯(cuò)2.53 m、1.49 m,如圖5所示。

3.3 保護(hù)煤柱應(yīng)力影響分析

煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果,煤礦井下的采掘活動(dòng)破壞了原有的應(yīng)力平衡,使得應(yīng)力重新分配達(dá)到一種新的平衡。煤柱兩側(cè)的采空區(qū)在持續(xù)垮落、壓實(shí)過(guò)程中,其上方尚未垮落的巖體和采掘過(guò)程中超前支撐壓力作用在煤柱上,形成應(yīng)力疊加,產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。應(yīng)力集中作用在煤體上,使煤中孔隙縮小,降低煤的透氣性,阻礙煤層內(nèi)部瓦斯向外排放,形成高瓦斯區(qū)。

23306工作面與23308工作面之間留有10 m的護(hù)巷煤柱,煤柱上方為2號(hào)煤層采空區(qū),煤柱兩側(cè)分別為23306工作面、23308工作面采空區(qū),煤柱下方為3下實(shí)體煤,三層煤從上到下層間距分別為10～15 m、7～8 m。根據(jù)“煤柱影響帶的確定”理論[3],23306工作面與23308工作面之間煤柱造成的應(yīng)力在底板傳遞深度d2約為32 m,對(duì)底板兩側(cè)的影響范圍根據(jù)圖6確定,為煤柱兩側(cè)2.81 m,即對(duì)3下煤層影響寬度約15.6 m,同時(shí),上方2號(hào)煤層開(kāi)采后形成采空區(qū),煤柱形成后大部分應(yīng)力向上方采空區(qū)自由面?zhèn)鬟f,小部分應(yīng)力傳遞給底板。另一方面,在開(kāi)采2號(hào)煤層、23306、23308工作面的采動(dòng)影響下,煤柱區(qū)域經(jīng)歷了3次應(yīng)力平衡,在此過(guò)程中,煤柱下方煤巖反復(fù)變形破壞,使煤體充分卸壓。

根據(jù)以上計(jì)算可知,煤柱外側(cè)2.81 m范圍內(nèi)為煤柱應(yīng)力集中影響區(qū)域,考慮到煤巷掘進(jìn)時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離煤柱應(yīng)力集中影響區(qū),結(jié)合開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)(切眼長(zhǎng)度一般為150 m左右),將23306下回順布置在煤柱外側(cè)20 m位置。綜上所述,23306下工作面切眼應(yīng)內(nèi)錯(cuò)23306工作面切眼2.53 m,進(jìn)順應(yīng)內(nèi)錯(cuò)23306進(jìn)順4.62 m,停采線應(yīng)內(nèi)錯(cuò)23306停采線1.49 m,回順距23308回順20 m,剖面如圖6所示。

4 3下煤層區(qū)域防突效果評(píng)價(jià)

4.1 鄰近工作面開(kāi)采情況

23304下工作面同樣以開(kāi)采上覆2號(hào)、3號(hào)煤層作為保護(hù)層,工作面設(shè)計(jì)寬度143 m,可采長(zhǎng)度870 m。上覆2號(hào)煤層21203工作面于2008年7月回采結(jié)束,3號(hào)煤層23304工作面于2010年11月回采結(jié)束。23304下工作面形成后,在進(jìn)順、回順每隔50 m施工一個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量,共布置28個(gè),實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量為4.88～6.13 m3/t。

23304下工作面在上覆2號(hào)、3號(hào)煤層雙重保護(hù)條件下,實(shí)測(cè)最大殘余瓦斯含量6.13 m3/t,消除了工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,回采過(guò)程中未發(fā)生過(guò)異常動(dòng)力現(xiàn)象,工作面瓦斯涌出量較小,實(shí)現(xiàn)了安全回采。

4.2 23306下工作面防突效果評(píng)價(jià)

23306下工作面為雙重保護(hù)區(qū)域,煤層瓦斯已充分卸壓,無(wú)法測(cè)得殘余瓦斯壓力,本次評(píng)價(jià)采用直接法測(cè)定法測(cè)得3下煤層殘余瓦斯含量。由于目前相關(guān)法規(guī)未明確保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層的效果檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置原則,參照區(qū)域預(yù)測(cè)布點(diǎn)方式,并適當(dāng)增加布點(diǎn)數(shù)量。在雙重保護(hù)層開(kāi)采條件下,煤柱周圍形成應(yīng)力集中,突出危險(xiǎn)性最大,本次評(píng)價(jià)在23306回順和23308回順之間的煤柱附近布置20個(gè)測(cè)點(diǎn),在工作面區(qū)域布置12個(gè)測(cè)點(diǎn),從23308回順施工效果檢驗(yàn)鉆孔。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),工作面區(qū)域殘余瓦斯含量為4.06～5.62 m3/t,煤柱周圍殘余瓦斯含量為4.16～5.73 m3/t,施工過(guò)程中無(wú)噴孔、頂鉆等異常現(xiàn)象,小于有效保護(hù)區(qū)域效果檢驗(yàn)瓦斯含量臨界值8 m3/t(未保護(hù)區(qū)域、采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)臨界值6 m3/t),因此,23306下工作面區(qū)域防突措施效果有效。

5 結(jié)論

(1)23306工作面與23308工作面之間煤柱造成的應(yīng)力在底板傳遞深度d2約為32 m,對(duì)底板兩側(cè)的影響范圍為煤柱兩側(cè)2.81 m。

(2)綜合2號(hào)煤層保護(hù)3下煤層、3號(hào)煤層保護(hù)3下煤層劃定的保護(hù)范圍及煤柱應(yīng)力影響區(qū)域,劃定了23306下工作面有效保護(hù)范圍。

(3)工作面區(qū)域測(cè)得殘余瓦斯含量4.06～5.62 m3/t,煤柱影響區(qū)域測(cè)得殘余瓦斯含量4.16～5.73 m3/t,施工過(guò)程中無(wú)噴孔、頂鉆等異常現(xiàn)象,23306下工作面基于雙重保護(hù)層開(kāi)采條件下區(qū)域防突效果有效。