王行莊煤礦近距離保護層開采防突效果考察

田坤云，　孫光中

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院， 河南 鄭州　451191)

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王行莊煤礦近距離保護層開采防突效果考察

田坤云，孫光中

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院， 河南 鄭州451191)

以河南新能開發(fā)有限公司王行莊煤礦為研究背景，介紹了保護層開采理論，考察了采取保護層開采措施前后同一測試地點的瓦斯參數(shù)，主要包括瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層的透氣性系數(shù)及突出預(yù)測指標?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采取保護層開采措施后，被保護層區(qū)域瓦斯壓力及含量大幅降低，瓦斯涌出量及突出預(yù)測指標明顯下降，煤層透氣性系數(shù)大幅增加。

保護層開采； 透氣性系數(shù)； 煤層瓦斯含量； 煤層瓦斯壓力； 瓦斯涌出量

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1011.008.html

0　引言

隨著煤炭開采深度不斷加大，煤與瓦斯突出已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害，嚴重地制約著煤礦的高效、安全生產(chǎn)。在眾多防突措施中，保護層開采已被證實為最有效的區(qū)域防突措施[1]。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》明確指出：具備開采保護層條件的礦井應(yīng)優(yōu)先開采保護層作為區(qū)域防突措施。曹成平[2]對近距離上保護層開采條件下的瓦斯治理方法進行了研究，提出在保護層設(shè)計走向鉆孔對鄰近層瓦斯進行抽放。馬占國等[3]通過物理模擬試驗對下保護層推進過程中被保護層的瓦斯抽采防突效果進行了研究，結(jié)果表明，下保護層開采后，上覆煤層將充分卸壓，瓦斯可得以充分抽采。陳思等[4]對保護層開采過程中增透效果及卸壓范圍進行了研究，結(jié)果表明，保護層開采后，過渡卸壓區(qū)內(nèi)煤體膨脹率為1.85%，煤層透氣性系數(shù)可增大到原來的70倍。劉三均等[5]對下保護層開采上覆煤巖裂隙變形進行了相似模擬，提出了三位一體的立體綜合瓦斯治理新模式，多角度地對保護層開采的效果進行了系統(tǒng)評價。可見保護層開采技術(shù)的瓦斯治理效果已被大量實踐證明，并得到了廣泛的應(yīng)用。本文以河南新能開發(fā)有限公司王行莊煤礦為研究背景，考察了保護層開采后被保護層區(qū)域的瓦斯含量、壓力、煤層透氣性系數(shù)及掘進期間的瓦斯涌出量等指標，進一步印證了保護層開采防突措施的有效性。

1　保護層開采理論

保護層內(nèi)的工作面回采后，兩層煤體間的巖體會形成自由空間，原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，巖體在地應(yīng)力的作用下會向保護層中的采空區(qū)方向運移[6]。采空區(qū)的頂(底)板煤巖體遭到破壞后發(fā)生移動、變形，煤巖的應(yīng)力狀態(tài)及內(nèi)部裂隙重新分布，被保護層區(qū)域的煤(巖)體會發(fā)生卸壓、膨脹；保護層及被保護層間巖石的裂隙大量增加，巖體的透氣性急劇增大[7]。被保護層煤體內(nèi)部的瓦斯充分釋放后，瓦斯壓力及瓦斯含量下降，達到了消除被保護層煤體突出危險性的目的。

由于近距離保護層開采兩煤層之間的層間距小，保護層及被保護層間的大部分裂縫呈垂直狀態(tài)，在距保護層一定的距離內(nèi)，裂縫之間相互溝通，最終與保護層內(nèi)部煤層的采空區(qū)相貫通，大大增加了被保護層瓦斯涌向保護層開采空間的通道[8]。同時，在被保護層回采過程中，采空區(qū)內(nèi)部巖層的裂隙也會與保護層的采空區(qū)相互溝通，為被保護層煤采空區(qū)內(nèi)部瓦斯涌向保護層采空區(qū)提供了大量的通道[9]。保護層開采防突機理如圖1所示。

圖1　保護層開采防突機理

2　保護層及被保護層確定

王行莊煤礦位于鄭州東南部，隨著開采深度不斷增加，該礦已由高瓦斯礦井升級為突出礦井，且煤與瓦斯突出有加重的趨勢。近年來，該礦井采取了煤層瓦斯預(yù)抽、超前排放鉆孔等防突措施，由于礦井煤層松軟、賦存極不穩(wěn)定、透氣性系數(shù)極低等原因，防治煤與瓦斯突出效果不夠理想。由于瓦斯防治人力、物力成本較高，造成了噸煤成本增加，很大程度上制約了礦井的經(jīng)濟效益，同時也極易造成礦井生產(chǎn)接替緊張。

王行莊煤礦主要可采煤層為二1煤層及其上部的二3煤層。二1煤層厚度為0～21m，平均厚度為6.8m。二3煤層與二1煤層的平均間距約為23m。二3煤層厚度為0～6.54m，平均厚度為1.54m，大部可采。二1煤層為典型的“三軟”煤層(頂板、底板及煤體松軟)，煤層透氣性系數(shù)極低，煤層瓦斯抽放難度較大。

在瓦斯含量高、透氣性差的二1煤層回采之前，選擇合適的保護層優(yōu)先進行開采，對消除本煤層的煤與瓦斯突出威脅意義重大[9]。一7煤層和一5煤層位于二1煤層下方，煤層厚度較小，理論上可作為二1煤層的保護層，但由于兩煤層底板下部具有高壓承壓水，開采風(fēng)險很大且開采經(jīng)濟效益較差，所以不能作為二1煤層的保護層進行開采。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，多煤層開采時應(yīng)選擇無突出危險性或者突出危險性相對較小的煤層作為保護層首先開采[10]。根據(jù)現(xiàn)場實測得知，二3煤層瓦斯含量較二1煤層要小，相應(yīng)的突出危險性也小。因此，選擇突出危險性相對較小且處于二1煤層上部的二3煤層作為上保護層來進行開采。

3　現(xiàn)場試驗方案確定

首先在上保護煤層二3煤層中布置11053工作面進行回采，在下部被保護層二1煤層中布置11051綜放工作面，采區(qū)內(nèi)煤層厚度為1.8～11.45m，平均厚度為5.4m，煤層傾角為17～23°，煤層賦存穩(wěn)定。保護層與被保護層工作面平面、剖面分別如圖2、圖3所示。

圖2　保護層與被保護層工作面布置平面

4　上保護層開采保護效果理論分析及現(xiàn)場考察

4.1保護效果理論分析

保護層開采后，周圍的煤(巖)層向采空區(qū)變形和移動，地應(yīng)力重新分布。采空區(qū)上、下方的巖體向采空區(qū)膨脹變形，地應(yīng)力向開采空間周圍轉(zhuǎn)移，從而使采空區(qū)上、下方煤巖體應(yīng)力降低[11-13]。另外，卸壓帶范圍內(nèi)的煤(巖)層中產(chǎn)生新的裂隙，原有裂隙也張開擴大，使得透氣性系數(shù)增大，瓦斯解吸、擴散時間縮短，滲流量迅速增大，產(chǎn)生“卸壓增流效應(yīng)”，煤(巖)層瓦斯排放能力提高，瓦斯壓力降低，瓦斯含量減少，煤的機械強度提高，進而降低或者消除被保護層的突出危險性[14]。

圖3　保護層與被保護層工作面布置剖面

4.2保護范圍的確定

4.2.1工作面回采方向保護范圍

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，如果保護層回采工作面停采的時間超過3個月并且卸壓比較充分，那么該保護層回采工作面對被保護層沿其回采方向的卸壓角度應(yīng)該按照δ5=56～60°來劃定。對于試驗礦井11051工作面而言，上距保護層二3煤層平均20m，計算可知，保護層二3煤層應(yīng)該超前被保護層工作面11.60～13.56m進行開采才能起到保護效果。

4.2.2工作面布置方向保護范圍

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，沿工作面布置方向的保護范圍可以按照卸壓角δ3，δ4來確定。試驗礦井煤層傾角為8～24°，平均傾角為17°。經(jīng)過計算，沿工作面布置方向的卸壓角δ3=δ4=75°，根據(jù)試驗礦井保護層與被保護層的平均間距為20m，得到二3煤層11053工作面開采后對被保護層沿其布置方向的超前距約為5.45m。

保護層開采后，被保護層沿2個方向的保護范圍如圖4所示。

圖4　保護層開采保護范圍投影

4.3保護效果現(xiàn)場考察

在11051工作面回風(fēng)巷道及沒有進行保護層開采且與11051工作面地質(zhì)條件相似并相鄰的11011工作面回風(fēng)巷道進行瓦斯含量、壓力、煤層透氣性系數(shù)測定，并統(tǒng)計兩工作面回風(fēng)巷道掘進期間的瓦斯涌出及突出預(yù)測指標情況。11011工作面回風(fēng)巷道的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)可作為11051工作面回風(fēng)巷道的參考依據(jù)。

4.3.1瓦斯壓力測試結(jié)果及對比

在11011工作面回風(fēng)巷道施工6個鉆場進行瓦斯壓力測試，在煤層埋藏深度相近的11051工作面回風(fēng)巷道也施工6個鉆場進行瓦斯壓力測試。11011工作面回風(fēng)巷道與11051工作面回風(fēng)巷道同編號鉆場的埋深基本接近。取每個測壓鉆孔瓦斯壓力的最大值繪制成圖，如圖5所示。

圖5　保護層開采前后瓦斯壓力對比

由圖5可以看出，經(jīng)過保護層開采卸壓后，11051工作面巷道6個鉆場的平均瓦斯壓力為0.18MPa，較未經(jīng)過保護層開采卸壓的11011工作面回風(fēng)巷道6個鉆場的平均瓦斯壓力0.52MPa(煤層原始瓦斯壓力)要小得多。

4.3.2瓦斯含量測試結(jié)果及對比

在11011工作面回風(fēng)巷道及11051工作面回風(fēng)巷道6個鉆場內(nèi)進行瓦斯含量測試，取每個鉆孔瓦斯含量的最大值繪制成圖，如圖6所示。

圖6　保護層開采前后瓦斯含量對比

由圖6可看出，經(jīng)過保護開采卸壓后，11051工作面回風(fēng)巷道鉆場的平均瓦斯含量為4.64m3/t，較未經(jīng)過保護層開采卸壓的11011回風(fēng)巷道6個鉆場的平均瓦斯含量11.52m3/t(煤層原始瓦斯含量)也要小很多。

4.3.3煤層透氣性系數(shù)測試結(jié)果及對比

11011及11051工作面回風(fēng)巷道鉆場內(nèi)所施工鉆孔的直徑均為75mm，煤孔施工長度均為15m，煤層瓦斯含量系數(shù)可取α=9.13m3/(t·MPa1/2)，煤層原始瓦斯壓力取11051工作面回風(fēng)巷道6個測壓鉆孔的平均實測值0.52MPa。根據(jù)11051工作面回風(fēng)巷道流量的實測值計算不同地點的煤層透氣性系數(shù)。11051工作面回風(fēng)巷道內(nèi)煤層透氣性系數(shù)隨二3煤層11053工作面推進的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7　被保護層煤層透氣性系數(shù)隨保護層工作面推進距離的變化曲線

從圖7可以看出，二1煤層原始透氣性系數(shù)約為0.03m2/(MPa2·d)，隨著工作面11053的推進，二1煤層透氣性系數(shù)有一定上升。隨著二3煤層繼續(xù)推進，二1煤層受到集中應(yīng)力的影響，透氣性系數(shù)迅速衰減。當保護層工作面推進至某一距離時，透氣性系數(shù)上升至高峰值35.68m2/(MPa2·d)，比原始透氣性系數(shù)增加了近1 200倍，隨后逐漸衰減并趨于穩(wěn)定。

4.3.4掘進區(qū)間瓦斯涌出情況對比

統(tǒng)計保護層11053工作面(二3煤層)、被保護層11051工作面(二1煤層)及與11051地質(zhì)條件相似但是未受保護層卸壓影響的11011工作面(二1煤層)3條回風(fēng)巷道的瓦斯涌出量，繪制瓦斯涌出量變化情況，如圖8所示。

圖83個工作面回風(fēng)巷道瓦斯涌出情況

從圖8可以看出，在11053工作面回采過程中，底板圍巖受到卸壓而產(chǎn)生裂隙，被保護層卸壓后，瓦斯大量釋放，沿著裂隙涌入到11053工作面，導(dǎo)致11053工作面瓦斯涌出量增大，被保護層二1煤層11051工作面瓦斯涌出量減少。11053工作面瓦斯涌出量約為11051工作面瓦斯涌出量的3倍，被保護層的瓦斯大約有50%都已經(jīng)涌入到保護層工作面。11011工作面瓦斯涌出量約為11051工作面瓦斯涌出量的2倍。被保護層的大量瓦斯釋放到保護層后，有效地降低了被保護層的瓦斯含量，降低甚至消除了其突出危險性。

4.3.5掘進區(qū)間突出預(yù)測指標統(tǒng)計對比

試驗礦井為煤與瓦斯突出礦井，巷道掘進期間嚴格執(zhí)行“四位一體”的局部防突措施，預(yù)測預(yù)報指標采用鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑量指標(S)，其臨界值分別為4.5L/min和6kg/m。統(tǒng)計11011工作面回風(fēng)巷道及11051工作面回風(fēng)巷道各50個循環(huán)的預(yù)測指標，其中11011工作面回風(fēng)巷道的預(yù)測指標可視為11051工作面未受保護開采影響時的預(yù)測指標，如圖9所示。

圖9保護層開采前后突出預(yù)測指標對比

從圖9可以看出，采取保護層開采措施前，煤巷掘進工作面的預(yù)測指標基本都在臨界值以上，必須采取局部防突措施，待指標下降到臨界值后方可進行掘進，大大影響了掘進的進尺。而采取保護層開采卸壓后，11051回風(fēng)巷道工作面預(yù)測指標基本上都不超標，掘進效率大大提高。

5　結(jié)語

通過采取近距離上保護層開采區(qū)域防突出措施，試驗礦井被保護層二1煤層得到了充分的卸壓，煤體瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)發(fā)生了很大改變，瓦斯得到了充分有效的釋放，卸壓區(qū)內(nèi)被保護層煤體的突出危險性得到了有效降低甚至消除。具體卸壓效果如下：① 被保護層二1煤層的平均瓦斯壓力由0.52MPa降到0.18MPa，平均瓦斯含量由11.52m3/t降到4.64m3/t。② 被保護層二1煤層工作面瓦斯涌出量大幅減少，接近50%的瓦斯通過煤巖體裂隙涌入到保護層二3煤層工作面；二1煤層原始透氣性系數(shù)約為0.03m2/(MPa2·d)，充分卸壓后最大透氣性系數(shù)達35.68m2/(MPa2·d)，增加了近1 200倍。③ 卸壓后鉆孔瓦斯涌出初速度q及鉆屑量指標S基本都降到臨界值以下。

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Study on outburst prevention effect of short range protective seamminingofWangxingzhuangCoalMine

TIAN Kunyun，SUN Guangzhong

(SchoolofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

ThepapertookWangxingzhuangCoalMineofHenanNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd.asresearchbackground,introducedprotectiveseamminingtheory,andinvestigatedgasparametersinthesametestsitebeforeandaftertakingprotectivelayerminingmeasures,includinggascontent,gaspressure,coalseampermeabilitycoefficientandoutburstpredictiveindex.Fieldtestresultsshowthataftertakingprotectivelayerminingmeasures,gaspressureandcontentoftheprotectedlayerregionreducesignificantly,thegasemissionamountandoutburstpredictiveindexdecreaseobviously,andseampermeabilitycoefficientincreasesgreatly.

protectiveseammining;permeabilitycoefficient;coalseamgascontent;coalseamgaspressure;gasemissionquantity

1671-251X(2016)09-0033-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.008

2016-01-25；

2016-07-12；責任編輯：胡嫻。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51174082)；河南工程學(xué)院博士基金項目(D2015025)。

田坤云(1981-)，男，河南臺前人，副教授，博士，主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測與防治方面的教學(xué)及科研工作，E-mail:tky1153@163.com。

TD713.31

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-02 10:11

田坤云，孫光中.王行莊煤礦近距離保護層開采防突效果考察[J].工礦自動化，2016,42(9)：33-37.