分析堅(jiān)硬厚煤層上分層開采后對(duì)下分層卸壓保護(hù)作用

王超

（河南能源化工集團(tuán)焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司趙固二礦，河南 輝縣 453633）

一、卸壓消突研究基礎(chǔ)

在巷道掘進(jìn)過程中，巷道周圍煤層中的瓦斯壓力平衡狀態(tài)不斷遭到破壞，使瓦斯壓力重新分布、煤體透氣性增加而形成卸壓帶。由于煤體內(nèi)部到煤壁之間存在著瓦斯壓力梯度，卸壓帶內(nèi)的煤體中瓦斯沿煤體裂隙及孔隙向巷道涌出，瓦斯涌出強(qiáng)度隨著煤壁暴露時(shí)間的增加而降低。巷道預(yù)排瓦斯等值寬度受原始瓦斯含量、排放時(shí)間、巷道規(guī)格、支護(hù)形式等多種因素影響，應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)測(cè)資料確定，如果無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可采用下式計(jì)算確定。

預(yù)排瓦斯等值寬度計(jì)算公式：

低變質(zhì)煤：0.808×t0.55；高變質(zhì)煤：（13.85×0.0183t）/（1+0.0183t）

根據(jù)預(yù)排瓦斯等值寬度計(jì)算公式，分別計(jì)算低、高變質(zhì)煤煤壁暴露1500 天巷道預(yù)排瓦斯等值寬度，并繪制變化曲線，見圖1。

圖1 不同變質(zhì)程度煤體巷道預(yù)排瓦斯等值寬度隨時(shí)間變化情況

由圖1 可見，低變質(zhì)程度煤體巷道預(yù)排瓦斯等值寬度隨煤壁暴露時(shí)間呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)逐漸趨緩；高變質(zhì)程度煤體巷道預(yù)排瓦斯等值寬度在160 天以內(nèi)呈快速增大趨勢(shì)，之后緩慢增大，在300 天后逐漸趨于穩(wěn)定。在高變質(zhì)程度煤體內(nèi)巷道成巷后隨煤壁暴露時(shí)間延長(zhǎng)，巷道預(yù)排瓦斯等值寬度存在極限寬度，且極限寬度出現(xiàn)在巷道煤壁暴露300 天以上，即高變質(zhì)程度煤體內(nèi)巷道煤壁暴露300 天以上時(shí)，其巷道預(yù)排瓦斯等值寬度基本不再增大。

二、上分層開采后卸壓保護(hù)作用范圍防突效果

瓦斯的吸附和游離狀態(tài)在煤層中達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡。若瓦斯壓力下降，則吸附的瓦斯數(shù)量將小于解吸的瓦斯量，動(dòng)態(tài)平衡朝著游離瓦斯增加的方向偏移，從而出現(xiàn)游離瓦斯量上升的表現(xiàn)。在應(yīng)力集中區(qū)域的瓦斯壓力相對(duì)偏高，空隙以及相關(guān)的裂縫位置在遭受較大氣壓環(huán)境下產(chǎn)生閉合，透氣性逐漸下降；相對(duì)于應(yīng)力集中帶而言，卸壓帶區(qū)域呈現(xiàn)出來的瓦斯氣壓就相對(duì)偏小，已有的裂隙也對(duì)應(yīng)維持其擴(kuò)大以及張開的狀態(tài)，極易出現(xiàn)最新的裂隙，整體的透氣效果得到很好的增強(qiáng)。

三、上分層開采卸壓作用有效保護(hù)范圍測(cè)定方法

（一）鉆屑法測(cè)定

采用現(xiàn)場(chǎng)打鉆測(cè)定鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆屑解吸指標(biāo)方法進(jìn)行。測(cè)定時(shí)施工一組φ42mm 順煤層鉆孔若干個(gè)，單孔長(zhǎng)度不小于15m。

（二）鉆孔應(yīng)力法

在巷道中垂直煤層走向布置一組若干個(gè)φ42mm 順煤層鉆孔，鉆孔間隔不小于2m，鉆孔深度根據(jù)測(cè)定需要設(shè)計(jì)。所有鉆孔施工結(jié)束后，在鉆孔不同孔深位置分別安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，進(jìn)行鉆孔圍巖應(yīng)力變化觀測(cè)，觀測(cè)周期為30 天，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每7 天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集和分析。利用不同深度處鉆孔應(yīng)力變化情況考察和判斷煤層巷旁卸壓帶的寬度。

四、試驗(yàn)地區(qū)煤層賦存特征

趙固二礦主采的二1 煤層賦存于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖（Ss）45.64～81.25m，平均60.18m；下距L8 石灰?guī)r19.65～40.24m，平均27.01m。二1煤層厚度4.73～6.77m，平均煤厚6.16m，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，層位穩(wěn)定，屬穩(wěn)定型厚煤層，煤質(zhì)變化小，煤類單一，全區(qū)可采。區(qū)內(nèi)二1 煤層以塊煤為主，軟分層不發(fā)育，礦井開拓及生產(chǎn)過程中未發(fā)生過煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

五、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與考察

（一）考察方法及鉆孔布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次上分層開采后對(duì)下分層卸壓保護(hù)作用影響效果測(cè)定選擇瓦斯參數(shù)法（即鉆屑量與鉆屑解吸指標(biāo)法）以及鉆孔應(yīng)力法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定，采用多種方法進(jìn)行綜合評(píng)判。

（二）參數(shù)測(cè)定方案

1.鉆屑量法和鉆屑指標(biāo)法測(cè)定

鉆孔施工期間，自鉆孔3～4m 深處開始，每2m 測(cè)定鉆孔的鉆屑量，并用MD-2 型煤鉆屑瓦斯解吸儀測(cè)定一次鉆孔的鉆屑解吸指標(biāo)（△h2 或K1），同時(shí)測(cè)定一次鉆孔瓦斯涌出初速度，直至21m 深處。

2.鉆孔應(yīng)力測(cè)定

所有鉆孔施工結(jié)束后，在1#～10#鉆孔孔深9m、12m、15m、18m、21m 處，分別安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，進(jìn)行鉆孔圍巖應(yīng)力變化觀測(cè)。觀測(cè)周期為30 天，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每7 天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集和分析。

（三）鉆屑法考察分析

1.鉆孔鉆屑測(cè)試情況

鉆孔施工期間，分別測(cè)定了各鉆孔不同深度處鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和鉆孔瓦斯涌出初速度q 值，試驗(yàn)區(qū)域瓦斯含量整體偏低，在進(jìn)行鉆孔瓦斯涌出初速度q 測(cè)定期間，所有測(cè)點(diǎn)測(cè)定結(jié)果均小于1.5L/min（流量計(jì)測(cè)定量程最小值為1.5L/min），試驗(yàn)區(qū)域煤層對(duì)鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)不敏感，測(cè)定結(jié)果無法有效判斷出上分層開采后對(duì)下分層卸壓保護(hù)作用影響范圍。

2.鉆屑量結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)定的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)回歸，得到鉆孔的鉆屑量S（kg/m）與孔深（m）關(guān)系曲線圖，如圖2 所示。

圖2 各鉆孔不同孔深鉆屑量變化情況

由圖2 可見，各鉆孔鉆屑量S 均隨孔深增加呈增大趨勢(shì)，其中：

1#、2#、3#、4#、5#鉆孔各測(cè)點(diǎn)鉆屑量隨孔深基本符合線性回歸曲線，其中：1#鉆孔孔深18m 處鉆屑量開始明顯增大，之后鉆屑量整體高于18m 之前的鉆屑量，孔深21m 時(shí)有所下降，21m 以外的深部鉆屑量數(shù)值呈增加趨勢(shì)；2#、3#鉆孔孔深16m處鉆屑量開始明顯增大，孔深22m 時(shí)有所下降，孔深22m 后的深部，鉆屑量數(shù)值有所增減；4#鉆孔孔深17m 處鉆屑量開始明顯增大，在孔深23m、24m 時(shí)有所下降；5#鉆孔不同孔深鉆屑量總體變化較小，S 值在2.6kg/m 以內(nèi)，數(shù)值也較小，無能判斷出應(yīng)力集中帶范圍。

綜合對(duì)比分析5個(gè)試驗(yàn)鉆孔不同鉆孔深度（m）與鉆屑量（kg/m）的關(guān)系曲線圖可知，采用鉆屑量指標(biāo)法考察，趙固二礦12042 上順槽應(yīng)力集中帶在巷幫16～18m 以深位置。

3.鉆屑解吸指標(biāo)結(jié)果分析

受試驗(yàn)區(qū)域整體瓦斯含量偏低影響，1#、2#、3#、4#、5#孔測(cè)點(diǎn)數(shù)值均較小。1#鉆孔孔深18m 位置、2#鉆孔孔深16m 位置、3#鉆孔孔深19m 位置、4#鉆孔孔深20m 位置，鉆屑解吸指標(biāo)達(dá)到峰值，在峰值前總體呈增大趨勢(shì)，峰值后總體呈減小或者穩(wěn)定趨勢(shì)。5#鉆孔僅有兩個(gè)數(shù)據(jù)且數(shù)值為10pa，數(shù)值較小故不做參考。

分析判斷，趙固二礦12042 上順槽應(yīng)力集中帶在巷幫16～20m 以深位置，即順槽側(cè)上分層開采后形成的卸壓作用有效保護(hù)范圍寬度為16m。

（四）鉆孔應(yīng)力法考察分析

1.鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝及測(cè)試情況

本次考察在12042 上順槽試驗(yàn)地點(diǎn)按照設(shè)計(jì)各施工完成5 個(gè)鉆孔后，沿鉆孔不同孔深位置分別安設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)。

2.鉆孔應(yīng)力測(cè)定結(jié)果分析

各鉆孔應(yīng)力計(jì)在一個(gè)月的觀測(cè)期內(nèi)應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，均未出現(xiàn)高于初始應(yīng)力的情況。

本次卸壓帶的最深監(jiān)測(cè)深度為21m，綜合所有數(shù)據(jù)，初步判斷12042 上順槽巷幫應(yīng)力集中帶深度邊界在15m 左右，即順槽側(cè)上分層開采后形成的卸壓作用有效保護(hù)范圍寬度為15m。

（五）考察結(jié)果

結(jié)合理論分析（對(duì)于高變質(zhì)程度煤體，工作面回采結(jié)束300 天以上時(shí)，預(yù)排瓦斯等值寬度基本不再增大、應(yīng)力趨于穩(wěn)定），確定趙固二礦二1 煤層工作面回采結(jié)束300 天以上時(shí)，順槽側(cè)上分層開采后形成的卸壓作用有效保護(hù)范圍寬度為15m，受上分層工作面開采后卸壓保護(hù)作用影響，下分層工作面已經(jīng)充分卸壓。

結(jié)束語

研究表明，煤層在回采或者掘進(jìn)后，工作面前方煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在趨向新應(yīng)力平衡過程中出現(xiàn)帶狀劃分，依次為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原始應(yīng)力區(qū)。卸壓區(qū)內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間釋放，煤層透氣性增加、瓦斯不斷解吸釋放、瓦斯壓力大幅降低，逐步失去了發(fā)生瓦斯災(zāi)害的動(dòng)能，在該段卸壓區(qū)域的保護(hù)作用下，只要預(yù)留足夠的保護(hù)寬度，即可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)期間的消突工作。由此可知，準(zhǔn)確確定卸壓帶寬度對(duì)于快速安全掘進(jìn)及瓦斯有效抽采具有重要意義。