東林煤礦保護(hù)層開(kāi)采瓦斯抽采影響因素分析

李棟　黃昌文　任梅青

[摘 要]為了提高東林煤礦保護(hù)層開(kāi)采卸壓瓦斯抽采率，從地質(zhì)構(gòu)造、煤層特征、瓦斯賦存和方面涌出分析了東林煤礦急傾斜煤層賦存特征，分析得出巖層間巖石性質(zhì)、相對(duì)層間距離及保護(hù)作用時(shí)間等因素影響被保護(hù)層瓦斯抽采率。

[關(guān)鍵詞]采礦工程；保護(hù)層開(kāi)采；卸壓瓦斯；影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：F670 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0153-01

1、礦井基本情況

東林煤礦是我國(guó)稀有的優(yōu)質(zhì)主焦煤生產(chǎn)礦井之一。礦井核定生產(chǎn)能力400kt/a，井田走向長(zhǎng)度7.5km，采用豎井多水平分采區(qū)開(kāi)拓。目前開(kāi)采的水平為+100m至-200m。礦井開(kāi)采深度大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，涌水量大，瓦斯自然災(zāi)害特別嚴(yán)重，共發(fā)生過(guò)突出事故200余次，嚴(yán)重制約礦井安全高效共采。

2、保護(hù)層開(kāi)采情況

東林煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層賦存狀況不穩(wěn)定，屬突出礦井。主采4#和6#煤層，平均傾角65°，埋深440～480m。4#煤層厚度2.5m，6#煤層厚度1.5m，層間距為38m。

由于4#煤層和6#煤層均具有突出危險(xiǎn)性，采用區(qū)域措施防突，首先對(duì)6#煤層進(jìn)行網(wǎng)格鉆孔預(yù)抽瓦斯，待其突出危險(xiǎn)性降低后，作為下保護(hù)層開(kāi)采，4#煤層作為被保護(hù)層滯后開(kāi)采。

3、急傾斜煤層的賦存特點(diǎn)

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

急傾斜煤田在形成以后遭受過(guò)比較劇烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。因此，無(wú)論是在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方面還是井田地質(zhì)構(gòu)造方面，都要比緩傾斜和傾斜煤層復(fù)雜。特別是我國(guó)西南地區(qū)，急傾斜煤層煤田絕大多數(shù)分布在山前褶皺帶或是斷裂帶附近，且地質(zhì)構(gòu)造更為復(fù)雜，甚至有些出現(xiàn)直立和倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

3.2 煤層特征

急傾斜煤層由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的揉皺、錯(cuò)動(dòng)甚至破壞，故一般急傾斜煤層節(jié)理發(fā)育，變質(zhì)程度高，開(kāi)采時(shí)易冒落。另外，由于煤炭變質(zhì)的主要因素與急傾斜的成因一致，所以即使是同一成煤時(shí)期的煤田，其遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的頻度和強(qiáng)度不同，煤種也會(huì)有很大的差異。

3.3 瓦斯的賦存和涌出情況

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)急傾斜煤層瓦斯含量的影響隨具體情況的不同而不同。當(dāng)頂板為脆性巖層時(shí)，在開(kāi)放性的斷層和褶皺附近，有利于瓦斯的釋放，該處瓦斯含量較少，但在封閉性的斷層和褶皺附近，瓦斯含量增多。所以急傾斜煤層的斷層或是背斜附近容易積聚瓦斯。急傾斜煤層由于構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，突出事故和瓦斯爆炸事故多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)的小褶皺附近、強(qiáng)烈擠壓的褶皺帶，以及在傾角變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)等處。

4、被保護(hù)層瓦斯抽采率影響因素

4.1 層間巖石性質(zhì)

采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)工作面推進(jìn)85m時(shí)，距離煤層28m處硬巖層與其下巖層間出現(xiàn)明顯的離層，與其上巖層之間沒(méi)有明顯離層（圖1（a））；當(dāng)工作面推進(jìn)120m時(shí)，該巖層斷裂失穩(wěn)并伴隨較大范圍的巖層垮落，直到距離煤層80m處堅(jiān)硬巖層為止，此處又形成較大范圍離層（圖1（b））；工作面推進(jìn)到180m時(shí)，該堅(jiān)硬巖層斷裂，由此波及到地面（圖1（c））。由此可見(jiàn)，即使被保護(hù)煤層位于距離開(kāi)采煤層80m，只要開(kāi)采煤層回采范圍足夠大，堅(jiān)硬巖層也將斷裂垮落，這一層堅(jiān)硬巖層將不能對(duì)被保護(hù)層的卸壓起到屏障作用。若保護(hù)層開(kāi)采范圍較小，則上部堅(jiān)硬巖層將不會(huì)斷裂垮落，這一層堅(jiān)硬巖層將對(duì)其上煤層的卸壓起到屏障作用，因此保護(hù)層與被保護(hù)層之間的堅(jiān)硬巖層是否對(duì)卸壓起屏障作用主要決定于在開(kāi)采過(guò)程中或開(kāi)采后一定時(shí)間內(nèi)堅(jiān)硬巖層是否斷裂。

4.2 相對(duì)層間距離

實(shí)踐證明，保護(hù)作用與保護(hù)層厚度和層間垂距有密切聯(lián)系。因此，在討論保護(hù)作用時(shí)，往往把保護(hù)層厚度與層間垂距結(jié)合起來(lái)考慮，引入相對(duì)層間距離的概念，即層間垂距與保護(hù)層厚度的比值。把相對(duì)層間距與層間堅(jiān)硬巖層結(jié)合起來(lái)可以看出：若被保護(hù)層位于開(kāi)采煤層的垮落帶或礦壓破壞帶內(nèi)，此時(shí)堅(jiān)硬巖層對(duì)被保護(hù)層的卸壓沒(méi)有任何屏障作用，將隨著工作面的推進(jìn)逐步垮落，被保護(hù)層卸壓十分充分，卸壓瓦斯大量涌入回采工作面，保護(hù)效果十分明顯；若被保護(hù)層位于開(kāi)采煤層的斷裂帶或新增損傷帶，由于此時(shí)層間堅(jiān)硬巖石將形成梁的結(jié)構(gòu)，阻礙被保護(hù)層進(jìn)一步變形，也將阻礙其進(jìn)一步卸壓，保護(hù)效果也將受到一定影響；若被保護(hù)層位于開(kāi)采煤層的彎曲下沉帶或原始損傷帶內(nèi)，此時(shí)必須輔以抽放才能使被保護(hù)層達(dá)到卸壓的目的，至于卸壓的程度則要視堅(jiān)硬巖層的厚度、彈性模量而定。因此，可將被保護(hù)層位于保護(hù)層的垮落帶或礦壓破壞帶內(nèi)定為近距離煤層群，被保護(hù)層位于保護(hù)層的斷裂帶或新增損傷帶內(nèi)定為中距離煤層群，被保護(hù)層位于保護(hù)層的彎曲下沉帶或原始損傷帶內(nèi)定為遠(yuǎn)距離煤層群。

4.3 保護(hù)作用的時(shí)間

保護(hù)層停采后，煤巖層的移動(dòng)與變形還在一定的時(shí)間內(nèi)延續(xù)進(jìn)行，保護(hù)帶可得到部分?jǐn)U展。但是由于保護(hù)層開(kāi)采后，垮落巖石在上覆應(yīng)力作用下逐漸壓實(shí)，應(yīng)力逐漸恢復(fù)。對(duì)于近距離或中距離保護(hù)，被保護(hù)層卸壓和排放瓦斯都較充分，隨時(shí)間延長(zhǎng)，被保護(hù)層瓦斯?fàn)顟B(tài)和煤的力學(xué)性質(zhì)不可能恢復(fù)原狀，因而保護(hù)作用也不會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而消失。

對(duì)于遠(yuǎn)距離保護(hù)層，由于被保護(hù)層與煤層之間大多沒(méi)有裂隙直接連通，一般均采用人工抽放瓦斯，煤層瓦斯動(dòng)力參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)均不可能恢復(fù)到原有狀態(tài)，應(yīng)力也不能恢復(fù)原狀。若不采用人工抽放瓦斯，則在上覆巖層作用下煤體應(yīng)力逐漸增加，在應(yīng)力減小時(shí)由吸附狀態(tài)解吸為游離瓦斯中一部分將在地應(yīng)力作用下重新轉(zhuǎn)化為吸附瓦斯，隨著時(shí)間延長(zhǎng)瓦斯壓力將逐步增加，保護(hù)作用將逐步消失。因此，開(kāi)采遠(yuǎn)距離保護(hù)層配合人工抽放瓦斯時(shí)，其保護(hù)作用是不可逆的過(guò)程，保護(hù)作用不會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而消失，但隨著時(shí)間的推移被保護(hù)層承受的地應(yīng)力有所增加。

5、結(jié)論

（1）從地質(zhì)構(gòu)造、煤層特征、瓦斯賦存和方面涌出分析了東林煤礦急傾斜煤層賦存特征。

（2）在此基礎(chǔ)上分析得出巖層間巖石性質(zhì)、相對(duì)層間距離及保護(hù)作用時(shí)間等因素影響被保護(hù)層瓦斯抽采率。

作者簡(jiǎn)介：李 棟（1986），男，碩士，2012年畢業(yè)于重慶大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè)，主要從事地下工程研究工作。