保護(hù)層開采在潘二煤礦的現(xiàn)場實踐與效果考察

陳 軍 張文清 張 振

（1．淮河能源控股集團(tuán)潘二煤礦，安徽 淮南 232000；2．安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

國內(nèi)外瓦斯治理經(jīng)驗表明，開采保護(hù)層并結(jié)合瓦斯抽放是消除煤層突出危險性、防治瓦斯災(zāi)害最有效和經(jīng)濟的區(qū)域性措施，在具有保護(hù)層開采條件的礦區(qū)都應(yīng)優(yōu)先采取這一措施。我國《煤礦安全規(guī)程》中也明確規(guī)定“在突出礦井開采煤層群時，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護(hù)層防治突出措施”“開采保護(hù)層時，應(yīng)同時抽采被保護(hù)層瓦斯”?；茨系V區(qū)基本上為煤層群賦存，客觀上具備開采保護(hù)層的條件，并在多個礦井進(jìn)行過保護(hù)層開采的實踐，取得了很好的保護(hù)效果。

潘二煤礦自上而下依次開采13-1、11-2、8、7-1、6-1、5-2、4-2、4-1、3、1煤層，其中11-2、8、4-2、4-1、3、1煤層為突出煤層。4-1煤層厚度為0.72m～8.48m，平均煤厚3.70m，煤層瓦斯含量為0.16m3/t～10.65m3/t。經(jīng)鑒定，將4煤在井田開采范圍內(nèi)劃為突出危險區(qū)。在其上8m賦存另一可采煤層5-2煤層，平均厚度1.60m，煤層瓦斯含量為0.16m3/t～10.46m3/t。從煤層賦存關(guān)系上看，具備開采5-2煤層、保護(hù)4-1煤層的客觀條件。為了有效消除或者降低4-1煤層的突出危險性，在4-1煤層開采前先開采其上部的保護(hù)層5-2煤層，并對其下的被保護(hù)4-1煤層進(jìn)行卸壓瓦斯抽采。

1 保護(hù)層的現(xiàn)場實施

所謂保護(hù)層一般是指突出礦井在煤層群中首先開采的非突出煤層或弱突出煤層，該煤層開采后，能使鄰近的突出煤層喪失或降低突出危險性，進(jìn)而達(dá)到防止煤與瓦斯突出的目的。為考察18125工作面關(guān)鍵保護(hù)層回采后被保護(hù)層18124工作面所在的4煤的卸壓范圍，通過18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向保護(hù)范圍考察孔。其中，走向保護(hù)范圍考察孔布置在開切眼附近的預(yù)計保護(hù)邊界線兩側(cè)；傾向保護(hù)范圍考察孔布置在上、下順槽附近預(yù)計保護(hù)邊界線兩側(cè)。

1.1 走向考察孔布置

走向方向的卸壓范圍是指開采煤層18124工作面的始采線與停采線相對18125工作面始采線與停采線向里內(nèi)錯的距離。4煤層與5煤層間距平均取12m，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》和《保護(hù)層開采規(guī)范》的規(guī)定，始采線走向方向卸壓角取60°，經(jīng)計算18124工作面始采線相對18125工作面始采線位置內(nèi)錯8.1m。

1.2 傾向考察孔布置

傾斜方向的卸壓范圍為18124工作面上部卸壓邊界和下部卸壓邊界相對18125工作面上順槽和下順槽的內(nèi)錯距離。4煤層與5煤層間距取12m，傾角平均取8°。根據(jù)《保護(hù)層開采規(guī)范》規(guī)定，上下部卸壓角均取75°，經(jīng)計算18124工作面上部卸壓區(qū)相對18125工作面上順槽位置內(nèi)錯3.6m，下部卸壓區(qū)相對18125工作面下順槽位置內(nèi)錯7.6m。

1.3 現(xiàn)場考察方案設(shè)計

通過18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向保護(hù)范圍考察孔，采用深部基點法測定煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃?。其中，走向保護(hù)范圍考察孔布置在開切眼附近的預(yù)計保護(hù)邊界線兩側(cè)；傾向保護(hù)范圍考察孔布置在上、下順槽附近預(yù)計保護(hù)邊界線兩側(cè)，如圖1所示。

圖1 保護(hù)層開采保護(hù)范圍考察鉆孔設(shè)計布置圖（單位：m）

為考察18125工作面關(guān)鍵保護(hù)層回采后被保護(hù)層18124工作面所在的4煤的卸壓范圍，分別沿走向和傾向方向布置A、B、C三個主要實驗考察地點。其中，走向方向保護(hù)范圍考察孔布置在A區(qū)，共設(shè)置6個鉆孔，孔間距為5m；傾向方向保護(hù)范圍考察孔布置在B、C區(qū)，每個區(qū)分布設(shè)置5個鉆孔，孔間距為5m。

用深部基點法測定煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃?，變形鉆孔施工時要求鉆孔穿透煤層進(jìn)入頂板。在煤層頂板及底板各安裝一組多點位移計，用于測量煤層頂?shù)装逦灰?，進(jìn)而計算煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃瘟颗c變形率。為了避免垮孔，考察孔施工完畢后，立即趕赴現(xiàn)場安裝多點位移計。

測試孔施工及測試步驟如下。1） 鉆孔施工，見煤后0.5m取樣測瓦斯含量。2） 鉆孔穿頂板1.0m，終孔。3） 待18125工作面推過，卸壓后，測變形。4）測殘余瓦斯含量。

2 效果考察與分析

2.1 走向變形孔效果考察

從保護(hù)層18125工作面準(zhǔn)備回采開始對變形考察孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，頻率為每兩天一次，待保護(hù)層18125工作面推過考察點50m后，改為三天觀測一次，一直持續(xù)到工作面推過130m，停止觀測。走向保護(hù)范圍變形考察孔A1、A2、A3、A4、A5、A6的煤層變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著保護(hù)層工作面的回采，各孔位置所在的煤層均發(fā)生不同程度的膨脹變形，當(dāng)工作面超前該鉆孔30m左右時達(dá)到最大值，其中20m～80m時，煤層膨脹變形處于穩(wěn)定發(fā)展階段，隨后煤層出現(xiàn)膨脹變形變小，并最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。走向變形孔觀測結(jié)果見表1。

圖2 A區(qū)觀測孔變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線

表1 走向變形孔觀測結(jié)果匯總

由表1可知，A1、A2、A3號孔變形顯著，最大相對變形分別達(dá)到了7.75‰、7.05‰和4.375‰，其最大相對變形率均大于3‰，這一點表明該區(qū)域卸壓效果顯著。而A4、A5、A6號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于3‰，說明鉆孔所在的被保護(hù)層區(qū)域并未實現(xiàn)充分卸壓。

2.2 上部保護(hù)邊界變形孔考察

當(dāng)保護(hù)層18125工作面回采至B組考察孔30m左右時，開始對變形考察孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測。觀測頻率為每兩天一次，待保護(hù)層18125工作面推過考察點50m后，改為三天觀測一次，一直持續(xù)到工作面推過130m，停止觀測。

由圖3可以看出，保護(hù)層18125工作面未采過觀測鉆孔時，被保護(hù)層處于壓縮變形狀態(tài)。當(dāng)工作面超過鉆孔10m左右時，煤層開始發(fā)生明顯的膨脹變形，直到工作面推過30m左右時，膨脹達(dá)到最大值，觀測結(jié)果見表2。

圖3 B區(qū)觀測孔膨脹變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線

表2 上部傾向變形孔觀測結(jié)果匯總

由表2可知，B1、B2和B3的相對變形率均大于3‰，這一點表明該區(qū)域卸壓效果顯著。而B4和B5號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于3‰，說明鉆孔所在的被保護(hù)層區(qū)域并未實現(xiàn)充分卸壓。

2.3 下部保護(hù)邊界變形孔考察

當(dāng)保護(hù)層18125工作面回采至C組考察孔30m左右時，開始對變形考察孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測。觀測頻率為每兩天一次，待保護(hù)層18125工作面推過考察點50m后，改為三天觀測一次，一直持續(xù)到工作面推過130m，停止觀測。

由圖4可以看出，保護(hù)層18125工作面未采過觀測鉆孔時，被保護(hù)層處于壓縮變形狀態(tài)。當(dāng)工作面超過鉆孔5m左右時，煤層開始發(fā)生明顯的膨脹變形，直到工作面推過30m左右時，膨脹達(dá)到最大值，觀測結(jié)果見表3。

圖4 C區(qū)觀測孔膨脹變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線

表3 下部傾向變形孔觀測結(jié)果匯總

由表3可知，C2和C3的相對變形率均大于3‰，表明該區(qū)域卸壓效果顯著。而C4和C5號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于3‰，說明鉆孔所在的被保護(hù)層區(qū)域并未實現(xiàn)充分卸壓。

2.4 合理超前距分析

上保護(hù)層18125工作面開采后，在其底板形成地應(yīng)力卸壓區(qū)，底板煤巖層應(yīng)力減小，卸壓區(qū)煤巖層向上發(fā)生移動和變形，由于距開采層距離的不同，移動與變形量存在差距，表現(xiàn)為靠近開采層近，變形大，進(jìn)而使被保護(hù)層發(fā)生膨脹變形，層內(nèi)裂隙增生，大大提高了煤層的透氣性能。同時，地應(yīng)力減小為吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)創(chuàng)造了條件，產(chǎn)生的裂隙也為瓦斯在煤體內(nèi)流動提供了通道，進(jìn)而增加了煤層瓦斯排放能力，降低了煤層瓦斯壓力。從現(xiàn)場煤層膨脹變形觀測結(jié)果可以看出，保護(hù)層18125工作面回采后，被保護(hù)層18124工作面的煤層相對變形發(fā)生了明顯的變化，可以將被保護(hù)層劃分為如下幾個帶。1） 正常壓力帶。從距離工作面前方約40m以前，被保護(hù)層變形量為零，未觀測到煤體受壓或膨脹變形，該區(qū)域應(yīng)為原始應(yīng)力區(qū)。2） 集中應(yīng)力帶。距工作面前方40m～5m范圍內(nèi)，保護(hù)層內(nèi)的煤層頂?shù)装寰嚯x減小，煤層發(fā)生受壓變形，是采動應(yīng)力集中區(qū)域，其中距離工作面前方約18m是壓縮變形最大位置，也就是應(yīng)力峰值區(qū)域。3） 卸壓帶。當(dāng)保護(hù)層18125工作面在超前測點5m以內(nèi)時，被保護(hù)層工作面煤層開始出現(xiàn)膨脹變形。當(dāng)工作面推過測點約30m后，膨脹變形達(dá)到最大，距離工作面約60m后，膨脹變形出現(xiàn)明顯減小，當(dāng)工作面推過測點約100m后，膨脹變形穩(wěn)定至最小值。從觀測結(jié)果看，工作面后方30m～60m是被保護(hù)層卸壓抽采瓦斯的最佳區(qū)域。

2.5 卸壓瓦斯抽采分析

隨著保護(hù)層18125工作面的回采，下伏煤巖層膨脹變形，裂隙發(fā)育，為被保護(hù)層瓦斯提供通道，瓦斯抽采量迅速增大。瓦斯抽采的變化可分為初采抽采期、過渡抽采期、卸壓充分抽采期和穩(wěn)定下降期四個階段。1） 初采抽采期。保護(hù)層18125工作面初采期間，被保護(hù)層還沒有得到足夠的卸壓，層間裂隙還未形成，被保護(hù)層的瓦斯未進(jìn)入保護(hù)層工作面，工作面瓦斯主要來自保護(hù)層本煤層和鄰近巖層。2） 過渡抽采期。當(dāng)保護(hù)層18125工作面推進(jìn)到10m即一倍層間距后，瓦斯抽采量開始迅速提高，說明被保護(hù)層得到了相應(yīng)卸壓，在層間形成了一定裂隙。3） 卸壓充分抽采期。當(dāng)保護(hù)層18125工作面推進(jìn)到60m～100m左右時，瓦斯抽采量達(dá)到了較為穩(wěn)定的峰值。瓦斯抽采總量平均約為21m/min，而本煤層瓦斯抽采量約為3m/min，被保護(hù)層瓦斯抽采量達(dá)到了約18m/min。這說明層間形成豐富的裂隙，被保護(hù)層得到了充分卸壓。4） 穩(wěn)定下降期。當(dāng)保護(hù)層18125工作面推進(jìn)超過100m時，被保護(hù)層瓦斯抽采量開始逐漸下降。這是由于保護(hù)層開采影響的被保護(hù)層區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯含量降低到一定值，導(dǎo)致卸壓瓦斯抽采瓦斯量降低。

3 結(jié)論

采用現(xiàn)場考察可知，18125工作面關(guān)鍵保護(hù)層開采后卸壓保護(hù)范圍為走向卸壓角為60°，傾向卸壓角為75°。從現(xiàn)場煤層膨脹變形觀測結(jié)果可以看出，保護(hù)層工作面回采后，被保護(hù)層18124工作面的壓力分布為正常壓力帶（距離工作面前方約40m以前）、集中應(yīng)力帶（距工作面前方40m～5m）和卸壓帶（超前5m至工作面后方100m）。其中，工作面后方30m～60m是被保護(hù)層卸壓抽采瓦斯的最佳區(qū)域。