高瓦斯煤層群開(kāi)采保護(hù)層效果及有效保護(hù)范圍研究

王 鎮(zhèn) 顏葉成

（山東省三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

1 概況

東于煤業(yè)有限公司為高瓦斯礦井， 自上而下逐層開(kāi)采03#、2#、4#、5#、6#、8#、9#煤層。03#煤層的03304 工作面為上保護(hù)層工作面，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面走向長(zhǎng)768.4 m，傾向長(zhǎng)196.5 m。03#煤層平均煤厚1.6 m，直接頂為灰色砂質(zhì)泥巖，基本頂為灰黑色泥巖，直接底為灰色細(xì)砂巖，基本底為灰黑色泥巖。2#煤層作為被保護(hù)層，平均煤厚2.5 m，煤層傾角平均9°，距03#煤層平均7 m。

2 保護(hù)層效果考察方案

2.1 考察內(nèi)容及方法

上保護(hù)層開(kāi)采使得周?chē)膸r層及煤層朝著采空區(qū)方向出現(xiàn)位移和變形，地應(yīng)力出現(xiàn)變化，被保護(hù)層卸壓，煤層膨脹變形產(chǎn)生裂隙，瓦斯解吸、透氣性增高，進(jìn)而引起下鄰近層內(nèi)瓦斯壓力和瓦斯含量發(fā)生變化[1]。向被保護(hù)層施工鉆孔，安設(shè)相應(yīng)的儀器和設(shè)備，定期觀測(cè)煤層瓦斯壓力、含量等數(shù)據(jù)。為避免對(duì)正常生產(chǎn)時(shí)造成影響，選擇在03304 工作面停采線以外的膠帶順槽、軌道順槽鉆場(chǎng)內(nèi)布置穿層考察鉆孔，測(cè)定分析03#煤層回采后其下方2#煤層瓦斯壓力、含量等相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而確定03#煤層開(kāi)采對(duì)2#煤層的保護(hù)范圍，并對(duì)保護(hù)效果進(jìn)行分析。

2.2 2#煤層考察鉆孔的布置

1 號(hào)、2 號(hào)鉆場(chǎng)布置在03304 工作面膠帶順槽和軌道順槽停采線邊緣處，在兩個(gè)鉆場(chǎng)共計(jì)施工穿層鉆孔16 個(gè)，鉆孔進(jìn)入2#煤層底板1 m。其中1、2 號(hào)鉆孔用來(lái)測(cè)定2#煤層原始瓦斯含量；3 號(hào)鉆孔在03304 工作面回采結(jié)束2 個(gè)月后測(cè)定2#煤層殘余瓦斯含量；4 號(hào)鉆孔用來(lái)分析2#煤層的變形規(guī)律；5～8 號(hào)鉆孔用來(lái)分析03#煤層在傾斜上部對(duì)2#煤層的保護(hù)效果及保護(hù)范圍；9～12 號(hào)鉆孔用來(lái)分析03#煤層在傾斜下部對(duì)2#煤層的保護(hù)效果及保護(hù)范圍；13～16 號(hào)鉆孔用來(lái)分析03#煤層在走向上對(duì)2#煤層的保護(hù)效果及保護(hù)范圍[2]。在滿(mǎn)足鉆孔施工要求的同時(shí)，減少鉆孔裂隙對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響，鉆孔采用Φ94 mm 鉆頭施工，并嚴(yán)格按“兩堵一注”的封孔工藝對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔。鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔施工參數(shù)表

3 保護(hù)層開(kāi)采前后2#煤層瓦斯參數(shù)變化及保護(hù)效果分析

3.1 2#煤層瓦斯含量變化分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定數(shù)據(jù)，1 號(hào)鉆孔中測(cè)定2#煤層解吸量為5.72 m3/t，損失量為1.11 m3/t，殘存量為1.95 m3/t，原始瓦斯含量為8.78 m3/t。2 號(hào)鉆孔中測(cè)定2#煤層解吸量為5.52 m3/t，損失量為1.15 m3/t，殘存量為1.95 m3/t，原始瓦斯含量為8.62 m3/t。3 號(hào)鉆孔中測(cè)定2#煤層解吸量為2.91 m3/t，損失量為0.44 m3/t，殘存量為1.95 m3/t，原始瓦斯含量5.30 m3/t。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，殘余瓦斯壓力不超過(guò)0.74 MPa、殘余瓦斯含量不超過(guò)8 m3/t 時(shí)，即可說(shuō)明區(qū)域防突措施效果有效[3]。從測(cè)定結(jié)果可以看出，2#煤層原始瓦斯含量為8.62～8.78 m3/t，3#煤層回采之后，殘余瓦斯含量降為5.30 m3/t，煤層中有3.32～3.48 m3/t 的瓦斯得到釋放，占煤層原始瓦斯含量的38%～40%。說(shuō)明03304 工作面開(kāi)采后，2#煤層出現(xiàn)卸壓，地應(yīng)力減小，煤層膨脹變形產(chǎn)生裂隙，瓦斯解吸、透氣性增高，被保護(hù)層煤層的瓦斯得到了很好的釋放。

3.2 2#煤層瓦斯壓力變化分析

3.2.1 瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果

安裝壓力表后，采用被動(dòng)測(cè)壓法每天記錄5～16號(hào)鉆孔的瓦斯壓力變化情況，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制可視化的曲線，各鉆孔曲線變化趨勢(shì)相似，其中5～8 號(hào)考察鉆孔的瓦斯壓力隨著保護(hù)層03304 工作面位置和時(shí)間的變化規(guī)律曲線如圖1、圖2。

圖1 鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

圖2 鉆孔瓦斯壓力隨工作面位置變化曲線

3.2.2 瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果分析

根據(jù)鉆孔瓦斯壓力隨工作面位置變化曲線可發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有開(kāi)采保護(hù)層03304 工作面時(shí)，被保護(hù)層煤層瓦斯壓力處于原始狀態(tài)，隨著保護(hù)層的推采，煤層瓦斯壓力開(kāi)始下降，隨著越來(lái)越接近保護(hù)層03304 工作面，被保護(hù)層受到集中應(yīng)力的影響，瓦斯壓力出現(xiàn)反彈上升現(xiàn)象，隨后瓦斯壓力逐步降到最小值并處于穩(wěn)定狀態(tài)，保護(hù)層的影響程度達(dá)到最大值。期間被保護(hù)層的鉆孔瓦斯壓力變化出現(xiàn)相似的特征，經(jīng)歷了二次卸壓的過(guò)程。

3.2.3 保護(hù)層沿傾斜的卸壓角

保護(hù)層03304 工作面開(kāi)采后，2#煤層傾斜上部考察鉆孔的瓦斯壓力均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，其中6、7、8 號(hào)鉆孔在保護(hù)層03304 工作面瓦斯壓力值分別從1.25 MPa、1.30 MPa、1.21 MPa 降為0.25 MPa、0.24 MPa、0.22 MPa，表明6、7、8 號(hào)鉆孔均已得到充分保護(hù)。2#煤層傾斜下部考察鉆孔的瓦斯壓力也都出現(xiàn)下降現(xiàn)象，其中9、10、11 號(hào)鉆孔在保護(hù)層03304 工作面瓦斯壓力值分別從1.18 MPa、1.27 MPa、1.23 MPa 降為0.19 MPa、0.21 MPa、0.23 MPa，表明9、10、11 號(hào)鉆孔均已得到充分保護(hù)。通過(guò)對(duì)煤層頂?shù)装逑鄬?duì)位移分析，得出3#煤層開(kāi)采對(duì)2#煤層沿傾斜方向的卸壓角[4]，利用插值法計(jì)算，得出保護(hù)層沿傾斜的卸壓角為80°。

3.2.4 保護(hù)層沿走向的卸壓角

保護(hù)層03304 工作面開(kāi)采后，沿著2#煤層走向方向上考察鉆孔的瓦斯壓力均出現(xiàn)下降，其中14、15、16 號(hào)鉆孔的瓦斯壓力值分別從1.10 MPa、1.13 MPa、1.18 MPa 下降到0.22 MPa、0.23 MPa、0.21 MPa，這表明14、15、16 號(hào)鉆孔均受到了保護(hù)作用。利用插值法計(jì)算，得出保護(hù)層03304 工作面沿走向的卸壓角為70°。

3.3 2#煤層變形量變化分析

2#煤層頂?shù)装宓南鄬?duì)變形采用深部基點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)定，觀測(cè)出2#煤層絕對(duì)變形量后，2#煤層絕對(duì)變形量除以煤層的厚度即為2#煤層的相對(duì)變形量。觀測(cè)并記錄4 號(hào)鉆孔穿過(guò)2#煤層60 m 時(shí)的數(shù)據(jù)，一直持續(xù)到工作面回采結(jié)束3 個(gè)月后，根據(jù)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)繪制的2#煤層變形量隨時(shí)間、工作面位置的變化曲線如圖3、圖4。

圖3 2#煤層變形量隨時(shí)間變化曲線

圖4 2#煤層變形量隨工作面位置變化曲線

由圖3、圖4 可以看出，在保護(hù)層03304 工作面回采過(guò)程中，受回采擾動(dòng)影響，2#煤層先出現(xiàn)微弱的膨脹變形，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤層開(kāi)始出現(xiàn)壓縮變形，在煤層壓縮變形至一定程度之后，開(kāi)始恢復(fù)膨脹變形并持續(xù)，直至煤層變形測(cè)定鉆孔位于工作面后方25 m 左右位置處趨于穩(wěn)定。此時(shí)推采的時(shí)間約為50 d，膨脹變形量達(dá)到最大值25 mm，計(jì)算出膨脹率為9.8‰。隨后膨脹變形量保持不變，此狀態(tài)可持續(xù)數(shù)月之久。長(zhǎng)時(shí)間的煤層膨脹變形穩(wěn)定期為瓦斯抽采迎來(lái)了良好的條件和充足時(shí)間。

4 保護(hù)層外錯(cuò)段2#煤層瓦斯抽采效果考察

在2#煤層中施工了一條03304 底抽巷（外錯(cuò)03304 膠帶順槽幫對(duì)幫20 m），并在該巷道中施工本煤層順層鉆孔對(duì)涌入03#煤層的瓦斯進(jìn)行攔截。保護(hù)層03304 工作面開(kāi)采后，傾斜方向卸壓角δ2=80°，表明03304 工作面膠帶順槽外錯(cuò)段的2 號(hào)煤層20 m 范圍內(nèi)（03304 底抽巷～03304 膠帶順槽正下方2 號(hào)煤層）沒(méi)有處于保護(hù)層有效保護(hù)范圍內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)在03304 底抽巷100 m、220 m、350 m、500 m、600 m 處分別進(jìn)行取樣測(cè)定，經(jīng)計(jì)算2 號(hào)煤層殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果分別見(jiàn)表2。

表2 瓦斯抽采后殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

從表2 的測(cè)定結(jié)果可以看出，03304 膠帶順槽外錯(cuò)段2 號(hào)煤層20 m 范圍內(nèi)，經(jīng)本煤層順層攔截鉆孔抽采后，殘余瓦斯含量最大為5.29 m3/t，不超過(guò)8 m3/t。經(jīng)計(jì)算，瓦斯抽采后煤的殘余相對(duì)瓦斯壓力為0.24 MPa，不超過(guò)0.74 MPa，說(shuō)明經(jīng)瓦斯抽采后該范圍無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

5 結(jié)論

對(duì)東于煤業(yè)有限公司03#煤層保護(hù)層03304 工作面開(kāi)采后的保護(hù)范圍和保護(hù)效果進(jìn)行了測(cè)試研究分析后，得到以下主要結(jié)論：

1）2#煤層原始瓦斯含量在8.62～8.78 m3/t 之間，03#煤層保護(hù)層開(kāi)采后，2#煤層殘余瓦斯含量下降為5.30 m3/t。

2）03#煤層對(duì)2#煤層沿傾斜方向卸壓角δ3=80°，沿走向方向卸壓角δ5=70°。

3）03#煤層作為保護(hù)層開(kāi)采，能夠顯著提高2#煤層膨脹變形量，最高值達(dá)到25 mm，膨脹率達(dá)到9.8‰，超過(guò)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中所要求的3‰，表明被保護(hù)層得到了較好的保護(hù)作用[5]。

4）經(jīng)過(guò)2#煤層本煤層順層攔截鉆孔抽采后，03304 膠帶順槽外錯(cuò)段的2#煤層20 m 范圍內(nèi)（03304底抽巷～03304 膠帶順槽正下方的2#煤層）瓦斯含量最大為5.29 m3/t，最大相對(duì)瓦斯壓力為0.24 MPa，小于8 m3/t 和0.74 MPa，該范圍經(jīng)抽采后無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。