下保護層開采工作面參數(shù)設(shè)計

劉光明

保護層開采以后，周圍巖體的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力重新分布，進而周圍煤巖體就會向采空區(qū)方向移動，特別是下保護層開采后，首先導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層的應(yīng)力降低，進而破斷發(fā)生垂直位移，同時發(fā)生膨脹變形并在被保護層內(nèi)部產(chǎn)生很多的微裂隙，被保護層的煤層透氣性就會成千上萬倍的增加，同時這些微裂隙也為煤層瓦斯的流動提供了通道，如果被保護層的瓦斯含量較大，這樣被保護層的吸附狀態(tài)的瓦斯就會不斷的解吸，直到下降到平衡，此時再配合被保護層的卸壓瓦斯抽放對增加被保護層的保護范圍[1-2]。因此，研究保護層開采機理，判別保護層與被保護層的層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，并預(yù)測層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的初次破斷及周期破斷規(guī)律，對研究下保護層開采的卸壓保護范圍有著十分重要的意義[3]。

1 工程概況

二1煤層為礦井主采煤層，位于二迭系山西組下部，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤厚4.0～15.0 m，平均7.3 m，煤層傾角為5°～25°，平均20°。二1煤底板下50 m以內(nèi)存在4層煤，如果對其進行回采，形成下位保護層，上覆二1煤層將會得到卸壓，出現(xiàn)裂隙，煤層透氣性系數(shù)將會增加，非常有利于二1煤層瓦斯的抽采和消突，對二1煤層回采區(qū)域的安全、高效生產(chǎn)產(chǎn)生積極的作用。

采區(qū)主要巖層及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

序號 巖性 厚度/m體積力(MN/m3)抗拉強度σb/MPa彈性模量/MPa 13 中粒砂巖 4.6 0.023 25000 7 12 砂質(zhì)泥巖 7.3 0.026 11000 2 11 中粒砂巖 3 0.023 25000 7 10 石灰?guī)r 0.7 0.024 22000 5 9 煤線 0.2 0.015 2000 0.2 8 砂質(zhì)泥巖 1.5 0.026 11000 2 7 中粒砂巖 2 0.023 25000 7 6 砂質(zhì)泥巖 2 0.026 11000 2 5 中粒砂巖 2.5 0.023 25000 7 4 砂質(zhì)泥巖 5 0.026 11000 2 3 石灰?guī)r 4.5 0.024 22000 5 2 煤線 0.3 0.015 2000 0.2 1 砂質(zhì)泥巖 4 2 0.026 11000 0 一8煤層 1.2 0.015 2000 0.2

根據(jù)礦方開采設(shè)計，選擇一8煤層先行開采，作為二1煤層的保護煤層，利用保護層開采產(chǎn)生的頂板裂隙對二1煤層瓦斯進行釋放，達(dá)到二1煤層安全開采的目的。

2 保護層開采高度的確定

由于一8煤層平均厚度僅有0.8 m，局部煤層厚度0.2～0.3 m，因此需要開采一部分偽頂或砂質(zhì)泥巖直接頂保證被保護層的卸壓效果。當(dāng)采高分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m時可根據(jù)冒落帶及裂隙帶的公式求得冒落帶及裂隙的高度[4]，如表2所示。

表2 不同采高的冒落帶及裂隙帶高度

由表4可知，一8煤層開采1.0 m時，二1煤層完全處在彎曲下沉帶中，煤層的增透效果不好；一8煤層開采1.2 m時，二1煤層完全處在裂隙帶及彎曲下沉的交界處，煤層有一定的增透效果；一8煤層開采1.5 m時，二1煤層有一部分處在裂隙帶內(nèi)，煤層的增透效果較好。但若開采高度為1.5 m時，就會開采平均0.7 m的矸石，經(jīng)濟上不合理，故一8煤層的采高可定為1.2 m。

3 保護層工作面合理長度的確定

保護層工作面的長度決定著被保護層的解放范圍，保護層工作面長度越大，上部被保護層解放的范圍就越大；又由于下保護層工作面為首采工作面，鶴壁礦區(qū)對薄煤層開采解放層的技術(shù)還處于摸索階段，故下保護層工作面長度不宜過大，認(rèn)為下保護層3307工作面合理長度應(yīng)該為能夠解放二1煤層工作面平均長度為宜。

3.1 最小工作面長度

3307工作面的最小長度Lmin應(yīng)該為保護層工作面開采后，上覆巖層不斷運移最后達(dá)到平衡，二1煤層恰好處在被解放范圍的上部，見圖1。

圖1 工作面最小長度

故最小長度Lmin為：

式中：KM、JN為保護層與被保護層的絕對垂距，平均46 m；δ1、δ2為下保護層開采后對上被保護層的卸壓角，°，如表3所示。

表3 保護層沿傾斜的卸壓角

故最小長度：

3.2 煤層巷道兩幫瓦斯卸壓帶寬度

二1煤層工作面上下順槽在開掘后，在順槽的兩幫都有一定的瓦斯卸壓范圍，可認(rèn)為這個卸壓范圍安全不會發(fā)生瓦斯突出。

該礦在許多開采過的順槽做過測試，即向順槽的兩幫打鉆孔測兩幫鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力和相對瓦斯含量，歷次測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 被保護層順槽鉆孔測試參數(shù)

由上表可知，測得不同工作面順槽兩幫15 m范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于8 m3/t，在《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的范圍之內(nèi)。由于該礦煤層瓦斯覆巖情況變化不大，可認(rèn)為3307工作面上部的二1煤層順槽在掘進之后兩幫15 m以內(nèi)的煤層瓦斯壓力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于 8 m3/t。

3.3 保護層的合理長度的確定

設(shè)3307工作面的合理長度為L18，二1煤層的長度為L21，二1煤層順槽兩幫的卸壓寬度為Lhd，則由圖2可知，3307工作面的合理長度L18為：

整理得：

圖2 下保護層工作面合理長度

二1煤層工作面長度一般為105～150 m，取平均值為120 m，則下保護層3307工作面的合理長度為：

3307工作面上下順槽寬度都是3.2 m，故3307工作面僅需106-6.4=99.6 m即可，因此取3307工作面長度為100 m。

4 結(jié)語

對比二1煤層下部四層薄煤層的條件，最終選擇了一8煤層作為保護層。通過經(jīng)驗公式計算得當(dāng)一8煤層開采高度為1.2 m時，二1煤層正好處在裂隙帶上部及彎曲下沉帶下部，最終確定了一8煤層工作面的采高為1.2 m。

〔1〕馬占國，涂 敏，馬繼剛.遠(yuǎn)距離下保護層開采煤巖體變形特征[J].采礦與安全工程學(xué)報，2008（3）：362-367.

〔2〕邵景忠.區(qū)域性防治瓦斯突出措施-解放層的分類、作用原理及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2008（6）：162-164.

〔3〕王延生.上保護層開采及卸壓瓦斯抽采的消突效果研究[J].山西焦煤科技，2017（Z1）：39-43.

〔4〕劉彥鵬.基于UDEC的近距離上保護層開采數(shù)值模擬研究[J].能源與環(huán)保，2017（9）：62-64.

〔5〕劉艷紅.晉中礦區(qū)突出煤層上保護層開采總體方案研究[J].山西焦煤科技，2017（7）：77-79.

〔6〕高 翔，龍賀.近距離上保護層采動效應(yīng)的數(shù)值模擬及分析[J].山西焦煤科技，2017（7）：47-49.