上保護(hù)層開采底板卸壓規(guī)律及瓦斯治理技術(shù)

郭建行

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

我國淮南、淮北、天府、華晉、鐵法等礦區(qū)進(jìn)行保護(hù)層開采的現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了顯著成果[1]，淮南礦區(qū)保護(hù)層開采后處于微小開裂帶上緣的煤層透氣性系數(shù)增大數(shù)百倍。開采保護(hù)層是解決深部采場地壓及瓦斯問題的最有效辦法[2]，在國內(nèi)已經(jīng)廣泛采用，被認(rèn)為是釋放被保護(hù)層彈性潛能，增大煤巖透氣性[3]，提高瓦斯抽采率的最有效措施之一，通過保護(hù)層的開采的影響，使被保護(hù)層的應(yīng)力得到重新分布，處于保護(hù)范圍內(nèi)的煤巖體應(yīng)力能夠得到有效的釋放，裂隙通道大量發(fā)育，滲透系數(shù)呈數(shù)量級增加，吸附狀態(tài)瓦斯不斷轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，瓦斯涌出量劇增[4]。因此進(jìn)行保護(hù)層開采后卸壓規(guī)律和瓦斯抽采技術(shù)研究對于工作面瓦斯治理具有重要意義[5]。

關(guān)于保護(hù)層的開采，國內(nèi)學(xué)者分別從理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段開展了廣泛的研究，趙燦等[6]通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到了上保護(hù)層在開采后被保護(hù)層的垂直應(yīng)力及塑性區(qū)變化規(guī)律；徐剛等[7]采用數(shù)值模擬對被保護(hù)層應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，并對保護(hù)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)；陳亮[8]研究了下行開采疊加狀態(tài)下，不同煤層頂?shù)装鍛?yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化規(guī)律，并以此進(jìn)行了瓦斯治理實(shí)踐；李海濤等[9]通過理論分析、數(shù)值模擬的方法分析了近距離煤層群開采中上保護(hù)層開采后底板卸壓效果，并在工程實(shí)踐中對瓦斯治理效果進(jìn)行了考察；劉雨濤等[10]從卸壓、膨脹變形、滲透率變化3個方面分析上保護(hù)層開采后的卸壓增透情況，為有效、合理的瓦斯治理提供了依據(jù)。

西汾柳礦區(qū)西山煤田東于礦為近距離高瓦斯煤層群條件，03號煤層作為上保護(hù)層的開采導(dǎo)致被保護(hù)范圍內(nèi)2號煤層卸壓，大量的瓦斯涌入到03號煤層工作面和采空區(qū)自由空間內(nèi)，將嚴(yán)重影響上保護(hù)層工作面的安全高效回采。因此，開展下伏煤巖體應(yīng)力分布及卸壓規(guī)律研究對采掘巷道部署和瓦斯災(zāi)害防治工作至關(guān)重要[11，12]。本文采用數(shù)值模擬的方法，通過FLAC3D數(shù)值模擬[13]軟件對東于礦03X00工作面上保護(hù)層開采卸壓效果進(jìn)行了分析，研究了上保護(hù)層開采后下伏被保護(hù)層應(yīng)力分布情況，提出了卸壓瓦斯治理技術(shù)方案[14，15]，對礦井實(shí)現(xiàn)安全、高效開采意義重大。

1 試驗(yàn)工作面概況

東于礦03X00工作面位于一采區(qū)東翼中部，走向長度為626m，傾向長度為185m，煤層賦存從上到下依次為03、2、4號煤層，03號煤層平均厚度為1.68m，煤層傾角約為11°，下距2號煤層平均8.65m，距離4號煤層平均21.04m，為近距離煤層群條件，03、2、4號煤層位置關(guān)系如圖1所示。

東于礦井為高瓦斯礦井，煤層瓦斯壓力和含量相對較高，從上到下呈現(xiàn)增加趨勢，03X00工作面實(shí)測煤層最大瓦斯壓力為0.72MPa，最大瓦斯含量7.10m3/t，預(yù)測工作面絕對瓦斯涌出量高達(dá)32.69m3/min，本煤層占比39%，鄰近層占比61%，因此鄰近層瓦斯治理為重中之重，各煤層瓦斯參數(shù)指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 瓦斯參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)近距離煤層群的賦存條件和特征，同時考慮到開采保護(hù)層不能對被保護(hù)層的開采產(chǎn)生破壞的原則，結(jié)合各個煤層瓦斯參數(shù)指標(biāo)，選擇將瓦斯含量較小的03號煤層作為上保護(hù)層開采。

2 上保護(hù)層開采后底板卸壓規(guī)律分析

2.1 上保護(hù)層開采后底板破壞深度

隨著上保護(hù)層工作面的不斷推進(jìn)，采場周圍煤巖體的應(yīng)力會重新分布，底板的彈性潛能得到釋放，煤巖體破壞變形，底板煤巖體的塑性區(qū)域邊界，如圖2所示。

底板煤巖層塑性區(qū)可以認(rèn)為是最大裂隙帶深度[16]，采用塑性力學(xué)中滑移線場理論，由式(1)計(jì)算得出底板最大裂隙帶深度hmax。

式中，H為開采深度，m；φ0為底板平均內(nèi)摩擦角，(°)。

03X00工作面開采深度約為400m，底板平均內(nèi)摩擦角為40°，通過計(jì)算底板最大裂隙帶深度為14.08m，大于8.65m。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，由式(2)計(jì)算上保護(hù)層最大保護(hù)垂距：

因此，對比以上數(shù)據(jù)按照取小原則來看，03X00工作面開采后，下部2號煤層也完全處于底板破壞范圍內(nèi)，因此03X00工作面作為保護(hù)層開采是合理的。

2.2 傾向卸壓范圍

為了減小被保護(hù)層巷道掘進(jìn)期間瓦斯治理的壓力，通常選擇將被保護(hù)層的巷道布置在卸壓范圍內(nèi)，因此需要對上保護(hù)層開采后沿傾向保護(hù)范圍進(jìn)行考察，03號煤層為緩傾斜煤層，傾向上表現(xiàn)的卸壓角度相等，卸壓角度為75°，卸壓范圍較大，2號煤層的保護(hù)范圍為03X00工作面兩巷內(nèi)錯2.32m，具體范圍劃分如圖3所示。可以看出在03X00鄰近工作面回采后，在2號煤層卸壓保護(hù)范圍內(nèi)布置底抽巷和鄰近工作面運(yùn)輸巷，保證了2號煤層采掘巷道均布置在03號煤層的卸壓保護(hù)范圍內(nèi)。

2.3 被保護(hù)層應(yīng)力分布規(guī)律研究

通過以上分析可知，03X00工作面開采后，底板的破壞深度，傾向的卸壓范圍均能使2號煤層得到有效保護(hù)，但具體卸壓程度還需要進(jìn)一步量化。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)建立上保護(hù)層開采的三維數(shù)值模擬模型，模擬出上保護(hù)層開采后底板的應(yīng)力變化進(jìn)而可知被保護(hù)層卸壓程度和范圍，達(dá)到與理論計(jì)算相互印證，應(yīng)力分布如圖4所示。在03X00工作面開采后，下伏煤巖層受到擾動應(yīng)力會重新分布，其中垂直應(yīng)力最能反應(yīng)下伏煤巖層卸壓情況，根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出沿傾向采空區(qū)底板垂直應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱性倒拱形分布，采空區(qū)底板部位形成煤巖體應(yīng)力釋放區(qū)，運(yùn)輸巷和軌道巷兩段煤柱均形成應(yīng)力集中區(qū)。

03X00工作面開采后下部2號煤層傾向應(yīng)力分布曲線如圖5所示。由于煤層傾角較小，下伏煤巖體應(yīng)力分布雖存在差異性但差別較小，基本呈現(xiàn)對稱分布。2號煤層應(yīng)力呈現(xiàn)明顯卸壓狀態(tài)，相對原始煤體應(yīng)力卸壓率達(dá)到92%，下部2號煤層卸壓區(qū)為03號煤層雙巷垂向內(nèi)錯3～4m，卸壓范圍達(dá)到94%。

3 “一面三巷”卸壓瓦斯治理技術(shù)研究

3.1 卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

03X00工作面開采屬于近距離高瓦斯煤層群開采，工作面的開采會導(dǎo)致頂?shù)装逯g形成自由空間，同時由于卸壓作用導(dǎo)致底板彈性潛能得到充分釋放，發(fā)生膨脹變形破壞，形成大量的采動裂隙，使得下伏煤巖體透氣性系數(shù)成百上千倍增加，如圖6所示。

由于03X00工作面的開采，會使得應(yīng)力得到重新分布，在充分卸壓帶范圍內(nèi)的2號煤層，距離2號煤層12.39m的下鄰近4號煤層以及下部處于卸壓區(qū)域的煤層大量的吸附態(tài)瓦斯變?yōu)橛坞x態(tài)[17]，經(jīng)過裂隙通道向上流動[18]，此時在該區(qū)域?qū)ν咚惯M(jìn)行攔截抽采，阻止瓦斯涌入03X00工作面采空區(qū)是瓦斯治理的關(guān)鍵所在。

3.2 工作面采掘巷道設(shè)計(jì)

03X00工作面采用“一面三巷”布置，03X00工作面軌道巷、運(yùn)輸巷和底抽巷，底抽巷后期可作為2號煤層的運(yùn)輸巷，達(dá)到“一巷兩用”的目的，其中底抽巷布置在03X00鄰近工作采空區(qū)下部卸壓的2號煤層中，由切眼向工作面巷道口方向反向掘進(jìn)而成，上部03X00工作面采完后內(nèi)錯03X00軌道巷25m反向掘進(jìn)2號煤層工作面的軌道巷，進(jìn)而與2號煤層的運(yùn)輸巷(底抽巷)形成2號煤層工作面，保證了2號煤層的采掘一直處于03X00工作面的卸壓保護(hù)范圍內(nèi)，工作面“一面三巷”布置如圖7所示。

3.3 瓦斯治理技術(shù)方案

03號煤層作為上保護(hù)層進(jìn)行開采，軌道巷和運(yùn)輸巷采用千米定向鉆機(jī)進(jìn)行順層條帶預(yù)抽[19，20]，抽采達(dá)標(biāo)后掘進(jìn)形成單“U”工作面布置方式。2號煤層底抽巷在卸壓保護(hù)區(qū)域反向掘進(jìn)而形成。工作面采用“一面三巷”布置后，為了減少工作面回采時本煤層和鄰近層瓦斯大量涌入回采工作面，在03X00工作面軌道巷和運(yùn)輸巷采用雙向?qū)Υ蝽槍宇A(yù)抽鉆孔的方式進(jìn)行本煤層瓦斯抽采，鉆孔設(shè)計(jì)長度為100m，直徑113mm，間距3m，中間重疊15m。同時在底抽巷施工2號煤層攔截瓦斯抽采鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)長度160m，直徑113mm，間距4m，覆蓋03X00工作面73%的區(qū)域，瓦斯治理技術(shù)方案如圖8所示。

4 瓦斯治理效果分析

4.1 被保護(hù)層保護(hù)效果考察

為了考察作為上保護(hù)層的03X00工作面開采后的保護(hù)效果，在03X00工作面開采時對被保護(hù)的2號煤層進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，并對被保護(hù)的2號煤層采用殘余瓦斯含量與原始瓦斯含量對比的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，在03X00工作面推進(jìn)300m時，在底抽巷水平距離03X00工作面切眼50m(H1號孔)、100m(H2號孔)、150m(H3號孔)、200m(H4號孔)位置進(jìn)行考察，四處位置已經(jīng)屬于采動后穩(wěn)定區(qū)域，測定的殘余瓦斯含量結(jié)果見表2。

表2 殘余瓦斯含量結(jié)果

同時在底抽巷水平距離03X00工作面切眼80m(Y1號孔)和160m(Y2號孔)兩處對2號煤層瓦斯壓力變化進(jìn)行觀測，瓦斯壓力變化如圖9所示。由圖可以看出，1、2、3、4號鉆孔殘余瓦斯含量均小于4m3/t，可解吸瓦斯含量下降率達(dá)到61%；瓦斯壓力開始因抽采作用緩慢下降，03X00工作面采過后急劇下降，最大殘余瓦斯壓力為0.24MPa，下降了67%。由此可見通過上保護(hù)層03X00工作面的開采使得被保護(hù)層2號煤層產(chǎn)生卸壓增透增流效應(yīng)，達(dá)到了高瓦斯煤層在相對低瓦斯?fàn)顟B(tài)下開采的目的，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯共采。

4.2 瓦斯抽采效果考察

4.2.1 抽采情況分析

03X00工作面開采期間對2號煤層卸壓瓦斯抽采5、10、15號瓦斯抽采鉆孔濃度進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，底抽巷攔截瓦斯抽采鉆孔自開始抽采后抽采濃度隨時間逐漸衰減，當(dāng)?shù)壮橄飻r截瓦斯抽采鉆孔進(jìn)入03X00工作面采空區(qū)下方卸壓區(qū)后，鉆孔瓦斯抽采濃度均有一個提升并趨于穩(wěn)定的過程，推過20m時達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，其中最高濃度達(dá)到89%，濃度最大提升60%，卸壓后鉆孔抽采純量提高了近1倍，有效地攔截了2號煤層瓦斯的向上流動，保證了03X00工作面的安全回采。

4.2.2 瓦斯涌出情況分析

03X00工作面在回采過程中對軌道巷、上隅角以及底抽巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，03X00工作面初采時由于頂板未垮落造成上隅角瓦斯?jié)舛绕?，初采后上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%～0.4%，軌道巷和底抽巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.3%，未出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸薜默F(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)礦井近距離煤層群瓦斯賦存由上到下逐漸增加的特點(diǎn)，同時考慮保護(hù)層的開采不應(yīng)破壞被保護(hù)層的原則，選擇瓦斯含量較小的03號煤層03X00工作面作為首采卸壓層。

2)通過理論對比計(jì)算得出了03X00工作面開采后底板最小破壞深度為14.08m，大于03號煤層和2號煤層之間距離8.65m，2號煤層完全處于03X00工作面的保護(hù)范圍內(nèi)；傾向卸壓范圍為03X00工作面軌道巷和運(yùn)輸巷內(nèi)錯2.32m，為2號被保護(hù)煤層巷道布置提供了依據(jù)。

3)通過數(shù)值模擬結(jié)果表明，作為上保護(hù)層的03X00工作面開采后，采空區(qū)下方的2號被保護(hù)煤層卸壓范圍達(dá)到94%，應(yīng)力卸壓率達(dá)到92%，彈性潛能得到充分的釋放，裂隙發(fā)育，形成瓦斯流動的通道，提高煤層透氣性。

4)分析了近距離煤層群首采層開采過程中的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，確定了“一面三巷”的工作面采掘巷道布置方式，設(shè)計(jì)了03X00工作面兩巷順層雙向?qū)Υ蛲咚诡A(yù)抽鉆孔和被保護(hù)2號煤層瓦斯抽采攔截鉆孔相結(jié)合的瓦斯治理技術(shù)方案。

5)通過上保護(hù)層03X00工作面的開采，被保護(hù)2號煤層瓦斯含量降低了61%，瓦斯壓力降低67%，卸壓瓦斯抽采濃度提高了60%，純量提高了近1倍；上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%～0.4%，軌道巷和底抽巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.3%，有效地降低了工作面的瓦斯涌出量，預(yù)防了瓦斯超限，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。