上保護層保護范圍確定及效果考察研究

摘" 要：以發(fā)耳煤礦為例，采用理論與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法確定3煤上保護層開采的保護范圍，并對保護效果進行分析。上保護層3煤開采后，通過測定被保護層的殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力和被保護層膨脹變形量，得出被保護層5-2，5-3煤層殘余瓦斯含量均小于突出臨界指標8.0m3/t，5-2，5-3煤層膨脹變形量均大于3‰，5-2，5-3和7煤層殘余瓦斯壓力降幅明顯，表明在卸壓范圍內(nèi)被保護層無突出危險性。5-2煤層走向卸壓角為60°，5-2煤層傾向卸壓角為75°；5-3煤層走向卸壓角為60°，5-3煤層傾向卸壓角為75°；7煤層走向卸壓角為60°，7煤層傾向卸壓角為75°。

關鍵詞：煤與瓦斯突出 保護層保護范圍 效果研究

保護層開采是為了消除或減小相鄰煤層的地應力及突出危險性而預先開采鄰近無突出危險煤層或突出危險較小的煤層[1]。保護層開采使得上、下煤巖體產(chǎn)生強烈拉張破壞，采空區(qū)上方巖體冒落并形成自然冒落拱，采空區(qū)下方巖體向采空區(qū)膨脹形成裂隙，地應力得到有效釋放，煤層透氣性增高，為瓦斯解吸提供了條件[2]。上保護層保護范圍的確定不僅能有效防止煤層開采引起的地表塌陷，保護地表穩(wěn)定性，還能為合理規(guī)劃采煤區(qū)域，保障煤層開采效益提供理論依據(jù)。本文以發(fā)耳煤礦3煤層作為5-2、5-3和7煤層的上保護層進行開采，基于《保護層開采技術規(guī)范》（AQ1050-2008），測定殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、煤層膨脹變形量等瓦斯動力參數(shù)，確定上保護層保護范圍，并進行保護效果考察。

1.研究區(qū)域基本情況

貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤水市南部，直距25km。發(fā)耳煤礦五采區(qū)位于貴州高原西部，地形迭宕起伏，發(fā)耳河和北盤江切割強烈，最高處位于五采區(qū)北側(cè)中寨，標高+1536.9m；最低處位于五采區(qū)西側(cè)北盤江河床，標高約+900m；相對高差636.90m。3煤層距1煤層14.65m，煤層總厚0.76-4.14m，平均1.77m，一般1.20～2.30m，其中大于1.30m占76%，屬中厚穩(wěn)定型煤層；5-2煤層上距3煤12.7m，煤厚0.65～3.32m，平均1.76m；5-3煤層：距5-2煤層10.54m，煤層總厚0.29-2.77m，平均1.33m；7煤層距5-3煤層22. 59m，煤層總厚1.00～3.43m，平均2.33m，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定型煤層。

目前，該礦五采區(qū)采用3煤作為上保護層開采，結(jié)合順層鉆孔預抽3煤回采區(qū)域瓦斯，利用穿層鉆孔預抽被保護層區(qū)域瓦斯，實現(xiàn)對5-2、5-3和7煤層的瓦斯災害防治。

2.上保護層保護范圍確定

2.1 上保護層理論保護范圍

發(fā)耳煤礦煤層傾角為11°左右，傾斜方向理論保護卸壓角均為75°，走向卸壓角為60°。因此，保護層3煤對被保護層工作面沿傾向的保護范圍對應于工作面始采線、采止線卸壓角按照75°劃定。3煤和5-2煤保護范圍在傾向上內(nèi)錯5.18m；3煤和5-3煤保護范圍在傾向上內(nèi)錯12.9m；3煤和7煤保護范圍在傾向上內(nèi)錯25.15m。保護層3煤對被保護層工作面沿走向的保護范圍對應于工作面始采線、采止線卸壓角按照60°劃定，3煤和5-2煤保護范圍在走向上內(nèi)錯7.77m；3煤和5-3煤保護范圍在走向上內(nèi)錯17.88m；3煤和7煤保護范圍在走向上內(nèi)錯30.06m。上保護層走向及傾向理論卸壓保護范圍見圖2-1。

2.2 沿煤層走向的保護范圍

3煤層工作面回采后煤層走向殘余瓦斯含量見表2-1，建立5-2、5-3、7煤考察鉆孔所測煤層殘余瓦斯含量與距理論卸壓線位移的關系如圖2-2所示。通過線性插值，得出瓦斯含量為8m3/t的卸壓線與理論卸壓線的相對位置為：5-2煤實測走向卸壓線位于理論卸壓線之外1.77m，對應上保護層5-2煤走向卸壓角為65°；5-3煤實測走向卸壓線位于理論卸壓線之外0.68m，對應上保護層5-3煤走向卸壓角為61°；7煤實測走向卸壓線位于理論卸壓線之外0.87m，對應上保護層7煤走向卸壓角為61°。

2.3 沿煤層傾向的保護范圍

3煤層工作面回采后煤層傾向殘余瓦斯含量見表2-2，建立55-2、5-3、7煤考察鉆孔所測3煤理論卸壓線區(qū)域煤層瓦斯含量與距理論卸壓線位移的關系見圖2-3，通過線性插值，得出瓦斯含量為8m3/t的卸壓線與理論卸壓線的相對位置為：5-2煤實測傾向卸壓線位于理論卸壓線之外1.65m，對應上保護層5-2煤傾向卸壓角為77°；5-3煤實測傾向卸壓線位于理論卸壓線之內(nèi)1.4m，對應上保護層5-3煤傾向卸壓角為75°；7煤實測傾向卸壓線位于理論卸壓線之外2.77m，對應上保護層7煤傾向卸壓角為76°。

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場實測瓦斯參數(shù)得出的5-2煤、5-3煤和7煤的走向及傾向卸壓角匯總于表2-3。

由表2-3可知， 5-2煤理論走向卸壓角為60°，實測走向卸壓角為65°；5-2煤理論傾向卸壓角理為75°，實測傾向卸壓角為77°。5-3煤理論走向卸壓角理為60°，實測走向卸壓角為61°；5-3煤理論傾向卸壓角理為75°，實測傾向卸壓角為75°。7煤理論走向卸壓角理為60°，實測走向卸壓角為61°；7煤理論傾向卸壓角理為75°，實測傾向卸壓角為76°。綜上所述，發(fā)耳煤礦3煤作為上保護層開采對被保護層5-2煤，5-3煤及7煤走向及傾向保護范圍如圖2-4所示。

考慮到測定誤差，并留有一定的安全系數(shù)，因此建議發(fā)耳煤礦五采區(qū)上保護層開采的卸壓角分別為：5-2煤走向卸壓角為60°，5-2煤傾向卸壓角為75°；5-3煤走向卸壓角為60°，5-3煤傾向卸壓角為75°；7煤走向卸壓角為60°，7煤傾向卸壓角為75°。

3.被保護層保護效果考察

3.1 被保護層卸壓瓦斯涌出量理論計算

目前鄰近層瓦斯涌出量預測方法有近十種，它們之間的基本區(qū)別在于確定各涌出源瓦斯涌出率的數(shù)學模型不同，圖3-1為國外不同學者提出的鄰近層瓦斯涌出率與到開采層距離的關系曲線，它們各不相同是因為其物理模型不一樣。本文分別用德國溫特爾法、蘇聯(lián)李金法、重慶煤研所-陽泉礦務局科研所法對3#煤層工作面回采階段，被保護層5-2、5-3、7煤層的瓦斯涌出量進行分析計算。

（1）德國溫特爾法

該法鄰近層瓦斯涌出量如式（3-1）所示：

式中：上鄰近層瓦斯涌出率Cl應這樣來確定；距開采層20m以內(nèi)者取100，其余取100exp（20- h1）u，其中h為鄰近層到開采層的垂距（m），u取決于地層流動阻力的大小，根據(jù)地層流動阻力大小可取0.012、0.014或0.016。下鄰近層瓦斯涌出率Cl：距開采層8m以內(nèi)取100，其余取100exp（8-hl）u，其中hl為下鄰近層到開采層的距離，m、u視地層流動阻力大小取0.03或0.05。

5-2煤層與3煤層的層間距為12.7m，因此，Cl取90；5-3煤層與3煤層間距為23.24m，此時，Cl取80；7煤層與3煤層間距為46.32m，由于間距大于40m，7煤層不參與瓦斯涌出量計算。

（2）蘇聯(lián)科學院礦業(yè)研究所法

該方法在計算鄰近層瓦斯涌出量時采用式（3-2）進行計算：

式中：x0為瓦斯源所在煤層的原始瓦斯含量，m3/t；x1為運到地面煤的殘余瓦斯含量，m3/t；h1為第l鄰近層距開采層的層間垂距，m；hj為鄰近層涌出瓦斯的極限距離，即瓦斯涌出等于零的鄰近層距開采層最近的層間垂距，對于上鄰近層Hj=Kdgml（1.2+cosa），對于換傾斜、傾斜煤層的下鄰近層hj=40m，對于急傾斜下鄰近層，Hj=Kdgml（1.2-cosa），Kdg決定于頂板管理方法的系數(shù)，a為煤層傾角。

（3）重慶煤研所—陽泉礦務局科研所法

重慶煤研所與陽泉礦務局科研所合作研究得出鄰近層瓦斯涌出量預測式如式（3-3）所示：

式中：x0，1為鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；Cl為第l鄰近層瓦斯涌出率，由圖3-2可查得。

應用3種方法計算得到：3煤層工作面回采階段，下鄰近層5-2、5-3煤層瓦斯涌出量、殘余瓦斯含量及煤瓦斯涌出率結(jié)果匯總于表3-1。

德國溫特爾法、蘇聯(lián)李金法、重慶煤研所-陽泉礦務局科研所法三種方法計算的結(jié)果相近，重慶煤研所-陽泉礦務局科研所法計算得到5-2煤層殘余瓦斯含量最大為4.91m3/t，5-3煤層殘余瓦斯含量最大為5.48m3/t，均小于突出臨界指標8.0m3/t。

3.2 保護效果分析

（1）走向殘余瓦斯壓力測定結(jié)果分析

A1#～A3#、B1#～B3#鉆孔為5-2煤層走向殘余瓦斯壓力測定孔， E1#～E3#、F1#～F3#鉆孔為5-3煤層走向殘余瓦斯壓力測定孔，I1#～I3#、J1#～J3#鉆孔為7煤層走向殘余瓦斯壓力測定孔，5-2、5-3和7煤層走向殘余瓦斯壓力與3煤層回采時間之間關系曲線如圖3-3所示。

對于5-2、5-3和7煤層，從圖3-3可以看出，被保護層受采動影響，位于走向理論卸壓線以外15m處鉆孔瓦斯壓力gt;位于走向理論卸壓線上鉆孔瓦斯壓力gt;位于走向理論卸壓線內(nèi)鉆孔瓦斯壓力。5-2煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa，5-3煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa ，7煤層原始瓦斯壓力為1.23MPa。位于走向理論卸壓線上鉆孔瓦斯壓力，5-2煤層瓦斯壓力降至0.18～0.51MPa，最大降幅為83.9%；5-3煤層瓦斯壓力降至0.25～0.52MPa，最大降幅為77.6%；7煤層瓦斯壓力降至0.38～0.66MPa，最大降幅為69.1%，表明被保護層走向范圍內(nèi)煤層瓦斯得到了一定程度的釋放和逸散，煤與瓦斯突出的危險性進一步降低。

（2）傾向殘余瓦斯壓力測定結(jié)果分析

C1#～C3#、D1#～D3#鉆孔為5-2煤層傾向殘余瓦斯壓力測定孔，G1#～G3#、H1#～H3#鉆孔為5-3煤層傾向殘余瓦斯壓力測定孔， K1#～K3#、L1#～L3#鉆孔為7煤層傾向殘余瓦斯壓力測定孔，5-2、5-3和7煤層傾向殘余瓦斯壓力與3煤層回采時間之間關系曲線如圖3-4所示。

由圖3-4可知，對于5-2、5-3和7煤層位于傾向理論卸壓線以外15m處鉆孔瓦斯壓力gt;位于傾向理論卸壓線上的鉆孔瓦斯壓力gt;位于傾向理論卸壓線上的鉆孔瓦斯壓力。5-2煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa，5-3煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa，7煤層原始瓦斯壓力為1.23MPa 。5-2煤層瓦斯壓力降至0.18～0.69Pa，最大降幅為83.9%； 5-3煤層瓦斯壓力降至0.23～0.77MPa，最大降幅為74.1%；7煤層瓦斯壓力降至0.4～0.74MPa，最大降幅為67.4%，表明被保護層傾向范圍內(nèi)與走向卸壓范圍一樣，在理論傾向卸壓線內(nèi)受3煤保護層開采的保護。

3.3被保護層膨脹變形量測定

（1）變形測定儀安裝

本文選擇煤炭科學研究總院重慶分院BC-I型變形測定儀對被保護煤層的絕對位移量和相對變形量進行測定。變形儀主要由擴張式基點、鋼絲繩及重錘3部分組成。對于保護層開采效果考察來說，單一煤層考察鉆孔安裝1套變形儀，包括2個擴張式基點、4個插銷、2個固定接頭、2個重錘、直徑為2 mm及3 mm的鋼絲繩（直徑2 mm鋼絲繩為不銹鋼材質(zhì)）和若干繩卡等，其設備擴張式基點結(jié)構(gòu)。

擴張式基點組裝方法：BC-I型變形測定儀安裝之前，在地面先用臺鉗將擴張式基點壓縮，將插銷插入插銷孔，備用（安裝示意圖見圖3-5）。

測試5-2、5-3煤層工作面上位巖層消垂直向方的位移特征，以確定被保護層膨脹變形量。在50107運順底抽巷向5-2、5-3煤層工作面內(nèi)部施工鉆孔，根據(jù)深部基點法，安裝巖層變形量測定裝置。測定被保護煤層膨脹變形量，記錄各測點變形量與3煤工作面推進位置的變化關系。

（2）煤層膨脹變形量數(shù)據(jù)分析

變形儀安裝后，在孔口用2個重錘把從擴張式基點1，2引出的2條鋼絲繩分別拉緊。當煤層受到采動影響后，煤層頂?shù)装灏l(fā)生位移時，用百分表或者卡尺測量2個重錘的相對位移，即任意鉆孔方向上煤層變形量。對測得的任意鉆孔方向上的煤層變形量，需按式（3-4）換算為垂直煤層層面方向的變形量[3]：

式中：為垂直煤層層面方向上的變形量，mm；為任意鉆孔方向上煤層的變形量，即變形儀2個擴張基點上重錘的相對位移量，mm；為鉆孔傾角；為鉆孔方位與煤層走向的夾角；為煤層傾角。

根據(jù)測定煤層層面方向上的最大變形量，煤層的最大膨脹變形率如式（3-5）所示[3]。

式中：η為煤層的最大膨脹變形率，‰；Ｅ１max為垂直煤層層面方向上的最大變形量，mm；M為煤層厚度，mm。

5-2煤層、5-3煤層膨脹變形沿走向的變化情況如圖3-6所示。

在3煤保護層開采過程中，被保護層5-2、5-3煤層的變形對卸壓消突起著最有效的作用，而煤層變形量是最直觀、最重要的評價參數(shù)。從圖3-6可以看出，隨著時間推進，下部被保護層5-2、5-3煤層經(jīng)歷了由壓縮到膨脹的變形過程，符合采掘應力場的變化規(guī)律，即工作面前后應力狀態(tài)可分為原巖應力區(qū)、應力增高區(qū)和應力降低區(qū)。在有效保護范圍內(nèi)的S1、S3號孔處5-2煤層膨脹變形量為7‰，大于3‰臨界；在有效保護范圍內(nèi)的S2、S4號孔處5-3煤層膨脹變形量為5.1‰，大于3‰臨界值，說明保護層開采后被保護層5-2煤層、5-3煤層工作面保護范圍內(nèi)卸壓充分，保護效果有效。

4.結(jié)論

結(jié)合發(fā)耳煤礦五采區(qū)上保護層開采實際情況，開展3煤上保護層開采對下覆5-2煤、5-3煤、7煤的保護效果考察技術研究。通過理論分析與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，測定3煤保護層50305工作面回采期間被保護煤層5-2煤、5-3煤、7煤殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量，綜合考察3煤上保護層開采對被保護煤層5-2煤、5-3煤、7煤的保護效果，得出以下結(jié)論：

1）保護層開采后，通過測定5-2煤、5-3煤、7煤的殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量參數(shù)，根據(jù)所測數(shù)據(jù)對被保護層走向和傾向保護效果進行分析，得出5-2煤走向卸壓角為60°，5-2煤傾向卸壓角為75°；5-3煤走向卸壓角為60°，5-3煤傾向卸壓角為75°；7煤走向卸壓角為60°，7煤傾向卸壓角為75°。

2）保護層開采后，實測5-2煤、5-3煤層的膨脹變形量結(jié)果為：有效保護范圍內(nèi)的S1、S3號孔處5-2煤層膨脹變形量為7‰，有效保護范圍內(nèi)的S2、S4號孔處5-3煤層膨脹變形量為5.1‰，均大于3‰臨界值?？梢?，3煤保護層開采后，被保護層5-2煤和5-3煤能夠有效卸壓。

參考文獻

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