五溝煤礦保護(hù)層開采技術(shù)及卸壓范圍探討①

焦殿志 王志亮

(1.安徽皖北煤電集團(tuán)公司五溝煤礦，安徽淮北 235157;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

五溝煤礦保護(hù)層開采技術(shù)及卸壓范圍探討①

焦殿志1②王志亮2

(1.安徽皖北煤電集團(tuán)公司五溝煤礦，安徽淮北 235157;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，保護(hù)層開采和預(yù)抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施。對(duì)于采用保護(hù)層開采技術(shù)的礦井，首先必須計(jì)算出其卸壓范圍，然后才能在該區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)瓦斯抽采系統(tǒng)和布置作業(yè)工作面。本文依據(jù)煤巖卸壓變形理論和煤層瓦斯賦存特性，結(jié)合安徽皖北煤電公司五溝煤礦保護(hù)層開采的實(shí)踐應(yīng)用，確定了本礦煤層開采的合理順序，得出保護(hù)層開采后的卸壓范圍.研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)瓦斯防治提供參考依據(jù)。

保護(hù)層開采;煤與瓦斯突出;卸壓范圍;瓦斯防治

長(zhǎng)期的理論研究和突出危險(xiǎn)煤層的開采實(shí)踐證明，開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施［1］。具有突出危險(xiǎn)性的礦井，只要有保護(hù)層，一般都采用這項(xiàng)技術(shù)。保護(hù)層開采后，在其上、下一定范圍內(nèi)的煤層會(huì)發(fā)生變形、位移、卸壓、透氣性增大、瓦斯壓力和瓦斯含量下降等現(xiàn)象，大量高壓瓦斯得以釋放，突出煤層的應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力參數(shù)發(fā)生重大變化，由此而喪失或降低突出危險(xiǎn)性［2，3］，該范圍稱之為保護(hù)范圍。在保護(hù)層開采實(shí)施前，需要預(yù)先確定保護(hù)范圍，以便在被保護(hù)層卸壓區(qū)域內(nèi)合理設(shè)計(jì)瓦斯抽放系統(tǒng)和布置作業(yè)工作面。為此，本文結(jié)合五溝煤礦的煤層賦存條件，對(duì)其保護(hù)層開采的機(jī)理和卸壓范圍進(jìn)行探討，為現(xiàn)場(chǎng)瓦斯防治工程提供理論依據(jù)。

1 保護(hù)層開采卸壓機(jī)理

在煤層群開采條件下，選擇瓦斯含量低、無(wú)突出危險(xiǎn)(或突出危險(xiǎn)性較小)的煤層作為首采煤層，即保護(hù)層。由于保護(hù)層開采后的卸壓作用，采動(dòng)形成的煤(巖)體變形、破裂和裂隙伸張將大幅度地提高煤(巖)體瓦斯運(yùn)移的透氣性，產(chǎn)生“卸壓增透增流”效應(yīng)，形成瓦斯“解吸一擴(kuò)散一滲流”活化流動(dòng)的條件，卸壓瓦斯得以排放，瓦斯壓力和瓦斯含量下降，煤體變硬，進(jìn)而達(dá)到消除煤層突出危險(xiǎn)性的目的［4-10］。由于處在不同區(qū)域內(nèi)的煤(巖)裂隙分布不同，瓦斯的解吸及流動(dòng)條件不同，若在保護(hù)層開采的前提下，對(duì)被保護(hù)層采用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系統(tǒng)，則可實(shí)現(xiàn)煤層群開采條件下煤與瓦斯資源高效安全共采的綜合體系。保護(hù)層開采卸壓消突的技術(shù)原理可用圖1來(lái)表示。

圖1 保護(hù)層開采防治煤與瓦斯突出技術(shù)原理示意圖

2 保護(hù)層卸壓范圍

2.1 走向保護(hù)邊界

在保護(hù)層始采停采線處，工作面雖已停采，但巖層的移動(dòng)過(guò)程并未隨之結(jié)束，只是隨著時(shí)間的推移，其強(qiáng)度逐漸有所減弱。對(duì)停采的保護(hù)層工作面，停采時(shí)間超過(guò)3個(gè)月、且卸壓比較充分，該保護(hù)層工作面的始采線、停采線和煤柱留設(shè)對(duì)被保護(hù)層沿走向的保護(hù)范圍可按卸壓角δ5=56°～60°劃定，如圖2所示。

圖2 沿走向方向的卸壓范圍和卸壓角關(guān)系

2.2 傾向保護(hù)邊界

保護(hù)層工作面沿傾斜方向的保護(hù)范圍按卸壓角δ劃定，卸壓角的大小與煤層傾角α、煤系地層的巖石力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)，但主要取決于煤層傾角，各礦井應(yīng)通過(guò)實(shí)地考察來(lái)確定，見圖3。

圖3 沿傾向方向的卸壓范圍和卸壓角關(guān)系

2.3 有效層間垂距

保護(hù)層開采后，開采層周圍的巖層和煤層向采空區(qū)方向移動(dòng)和變形，根據(jù)卸壓程度的大小，在保護(hù)層垂直層面方向上可劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，因此保護(hù)作用的有效層間垂距即為彎曲下沉帶的上邊界至保護(hù)層的層間垂距，按如下公式進(jìn)行計(jì)算［10］:

下保護(hù)層的最大保護(hù)垂距:

上保護(hù)層的最大保護(hù)垂距:

式中:S'下、S'上分別為下保護(hù)層和上保護(hù)層的理論最大保護(hù)垂距，m。它與工作面長(zhǎng)度L和開采深度 H有關(guān)。當(dāng) L＞0.3H時(shí)，則取 L=0.3H，但L不得大于250m;β1為保護(hù)層開采的影響系數(shù)，當(dāng) M≤M0時(shí)，β1=M/M0，當(dāng) M ＞M0時(shí)，β1=1。M為保護(hù)層的開采厚度，m;M0為保護(hù)層的最小有效厚度，m;β2為層間硬巖(砂巖、石灰?guī)r)含量系數(shù)，以η表示在層間硬巖所占的百分比，當(dāng)η≥50%時(shí)，β2=1-0.4η/100，當(dāng)η ＜50%時(shí)，β2=1。

2.4 開采下保護(hù)層的最小層間距

開采下保護(hù)層時(shí)，上部被保護(hù)層不被破壞的最小層間距離可參用下式確定［10］:

式中:H—允許采用的最小層間距，m;M—保護(hù)層的開采厚度，m;α—煤層傾角，度;K—頂板管理系數(shù)。冒落法管理頂板時(shí)，K采用10，充填法管理頂板時(shí)，K采用6。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 礦井概況

五溝煤礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，井田南北走向長(zhǎng)約3.3km，東西寬3km～5km，面積約15km2。區(qū)內(nèi)共含10 個(gè)煤組，其中72、81、82、10 煤層為主要可采煤層，賦存比較穩(wěn)定，平均厚為1.90m～3.66m。礦井10 煤瓦斯含量較低，72、81、82煤層瓦斯含量較高，經(jīng)鑒定具有突出危險(xiǎn)性。目前礦井正在回采10煤層，礦井煤層賦存條件及瓦斯參數(shù)見表1所示。

3.2 確定保護(hù)層

五溝礦72、81、82煤層具有突出危險(xiǎn)性，目前開采的10煤層為非突出煤層。當(dāng)開采72、81、82煤層前須采取開采保護(hù)層或預(yù)抽煤層瓦斯等綜合防突措施，并對(duì)突出煤層經(jīng)效果檢驗(yàn)確定有效后方可進(jìn)行回采。按照保護(hù)層理論，首先應(yīng)將瓦斯含量較低且無(wú)突出危險(xiǎn)性的下煤組 10 煤作為中煤組(72、81、82煤)的保護(hù)層，由于10煤與中煤組間距為80m，而作為下保護(hù)層開采時(shí)上部煤層不被破壞的最小間距為36m，因此，10煤作為中組煤的下保護(hù)層是合理的。

表1 五溝煤礦煤層賦存條件及瓦斯參數(shù)表

對(duì)于中煤組，由于72與81煤層的平均間距為13m，81和82煤層的平均間距為10m，按照保護(hù)層開采理論，結(jié)合煤層賦存條件，若采用82煤作為下保護(hù)層開采時(shí)，被保護(hù)層不被破壞的最小層間距離為25.5m;若采用81煤作為下保護(hù)層，被保護(hù)層不被破壞的最小層間距離為24m;最小層間距均大于中組煤各煤層之間的平均距離，因此中組煤不具備下保護(hù)層開采的基本條件，只能采用上保護(hù)層開采，即選擇72煤層作為81和82煤層的上保護(hù)層。

3.3 保護(hù)層卸壓范圍

按照礦井煤層賦存條件和地質(zhì)特征，不同煤層及采區(qū)內(nèi)工作面布置參數(shù)不同，為便于分析和對(duì)比保護(hù)層開采的卸壓范圍，保護(hù)層工作面參照目前正在回采的工作面參數(shù)布置。

3.3.1 下保護(hù)層10煤

工作面布置參數(shù):工作面傾向150 m，走向長(zhǎng)1500 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法，地面標(biāo)高+27.0 m左右，煤層埋藏深度最深可達(dá)700 m，10煤回采上限標(biāo)高-330 m，10煤與中組煤巖層間硬巖含量系數(shù)按照50%考慮。則按照保護(hù)層開采卸壓理論，下保護(hù)層10煤開采后的卸壓范圍如表2所示。

3.3.2 上保護(hù)層72煤

工作面布置參數(shù):工作面傾向150 m，走向長(zhǎng)1500 m，地面標(biāo)高+27.0 m左右，72煤層回采上限標(biāo)高-300 m，煤層埋藏深度最深按600 m計(jì)算。則上保護(hù)層開采后的卸壓范圍如表3所示。

表2 五溝礦下保護(hù)層10煤卸壓范圍計(jì)算表

表3 五溝礦上保護(hù)層72煤層卸壓范圍計(jì)算表

4 結(jié)論

結(jié)合五溝煤礦煤層賦存條件和保護(hù)層開采實(shí)際，可得如下結(jié)論:

1)依據(jù)保護(hù)層開采理論，采用10煤作為中組煤的下保護(hù)層技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，是礦井保護(hù)層開采的首選。

2)由于中組煤各煤層間距較近，小于下保護(hù)層開采的最小層間距，因此中組煤不具備下保護(hù)層開采的條件，只能采用72煤作為中組煤的上保護(hù)層;

3)從保護(hù)層開采的卸壓范圍來(lái)看，距離保護(hù)層間距越遠(yuǎn)，走向上和傾向上卸壓范圍越小;圍巖的卸壓角要在礦井生產(chǎn)過(guò)程中不斷實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析來(lái)確定，不斷積累現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)參數(shù);

4)由于10煤的最大卸壓垂距為92m，僅能對(duì)82煤層起到一定的卸壓作用，因此必須結(jié)合瓦斯抽采措施對(duì)81煤層和72煤層的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，如可在10煤層設(shè)計(jì)上向穿層長(zhǎng)鉆孔抽采系統(tǒng)、在中組煤底板布置巖石瓦斯抽放專用巷進(jìn)行抽采或采用地面鉆孔進(jìn)行抽采等，具體選擇何種預(yù)抽方式，需對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后才能確定。

［1］ 馬雷舍夫［俄］.煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法和防治措施［M］.魏風(fēng)清，張建國(guó)譯.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003

［2］ 李建敏.煤與瓦斯突出防治技術(shù)手冊(cè)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］ 袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004

［4］ 何學(xué)秋.含瓦斯煤巖流變動(dòng)力學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995

［5］ 孫月庚.改變煤層透氣性防突措施及應(yīng)用［J］.煤礦安全，2005 ，36(09):56-57

［6］ 陳遠(yuǎn)平，俞啟香.煤層群煤與瓦斯安全高效共采體系及應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(05):471-475

［7］ 馬躍龍，林柏泉.煤層透氣性系數(shù)的測(cè)定及其分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998，17(03):240-243

［8］ 李樹剛，錢鳴高.我國(guó)煤層與甲烷安全共采技術(shù)的可行性［J］. 科技導(dǎo)報(bào)，2000，(06):39-41

［9］ 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1999

［10］ 國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009

Study on protection layer exploiting technology and press released area of wugou coal mine

JIAO Dianzhi1，WANG Zhiliang2

(1.Wugou coal mineAnhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157;2.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

It was testified based on theory research and spot application that exploiting protection layer and pre-draining gas were the best effectively and economically measures for region coal and gas outburst control.For the mines that are applying this technology，the first step is obtaining press released area，then gas drainage system and working faces can be designed.According as distortion mechanism of wall rock and occurrence characteristic of gas，with a view to practice application of protection layer exploiting in Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，reasonable coal seam mining sequence is analyzed and press released area is calculated out in this paper.The research result will provide some reference basis for gas control in spot.

protection layer exploiting;coal and gas outburst;press released area;gas control

TD713+.31

A

1672-7169(2012)01-0036-04

2011-12-16?；痦?xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(項(xiàng)目編號(hào):AQ1201B)。

焦殿志(1972-)，男，安徽淮北人，碩士，高級(jí)工程師，皖北煤電公司五溝煤礦總工程師。