千米級深井上保護層開采下伏煤層卸壓效果研究

代志旭，劉 強

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦，河南 平頂山 467000；2.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065）

由于我國煤層普遍具有低滲透、強吸附、高瓦斯(瓦斯壓力高、瓦斯含量大)的特點，各類煤與瓦斯突出事故對煤礦安全高效生產(chǎn)造成諸多不利影響[1-4]。一直以來，國內(nèi)眾多學者對保護層開采方式下被保護層卸壓效果進行了大量相關研究[5-11]。從研究范圍上看，目前有關保護層開采方式下被保護層卸壓效果的研究大都基于淺埋煤層，而煤層賦存深度對被保護層卸壓效果影響顯著；從研究手段上看，同類研究只進行數(shù)值模擬或室內(nèi)相似模擬試驗，缺少全方位現(xiàn)場監(jiān)測，無法準確指導瓦斯抽采工作[12-14]。為深入研究千米級深井上保護層開采下伏煤層卸壓效果，以埋深超千米的平煤十二礦己14-31070工作面為依托，利用YHW19礦用本安型頂?shù)装逦灰票O(jiān)測儀對其下伏己15煤層的膨脹變形量進行監(jiān)測，對采動影響下伏煤層卸壓效果進行系統(tǒng)分析評價，為現(xiàn)場瓦斯高效抽采提供科學指導。

1 試驗背景及方案設計

1.1 現(xiàn)場試驗工作面概況

平頂山礦區(qū)地處華北地塊南緣帶，礦區(qū)整體位于區(qū)域構造李口向斜的南西翼，地質構造線展布主要方向與李口向斜軸近似平行。平煤十二礦井田范圍內(nèi)較大的褶曲構造3個，大中型斷層（落差≥20 m）3條，因受到復雜構造環(huán)境的影響，為典型的煤與瓦斯突出礦井。平煤礦區(qū)地質構造圖如圖1。

圖1 平煤礦區(qū)地質構造圖

己14-31070工作面賦存深度約994~1 100 m，走向長約642 m，傾斜長約145 m，工作面平均煤厚約0.7 m，屬于結構較復雜的薄煤層，煤層傾角3°～5°。工作面所采煤層直接頂為8m左右厚的砂質泥巖，基本頂為10 m厚的細砂巖，底板為6.5 m厚砂質泥巖。己14煤層下距己15煤層約為12～14 m，試驗主要對下伏己15煤層的膨脹變形量進行監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場地質資料分析，該區(qū)域內(nèi)己15煤層平均煤厚3.2 m，煤層傾角3°～7°。己15煤層直接頂為灰色砂質泥巖，厚約4.5 m，直接底為黑色泥巖，厚約1.2 m。試驗區(qū)域巖性綜合柱狀圖如圖2。

1.2 現(xiàn)場試驗設備與試驗方案

采用YHW19礦用本安型頂?shù)装逦灰票O(jiān)測儀以實現(xiàn)煤層膨脹變形量長時檢測，該儀器測量精度高達0.028 mm，且1次最多可以測量100個錨固頭的位置，且可自動計算相鄰2個測量錨固頭之間的位移情況。

圖2 試驗區(qū)域巖性綜合柱狀圖

通過分析工作面回采情況，選擇在己14-31070下進風巷距老切眼230 m處測定煤層膨脹變形量，實現(xiàn)保護層開采下伏己15煤層卸壓效果考察。在下進風巷采煤幫靠近底板位置共施工5個φ89 mm穿層鉆孔，鉆孔深度均為15 m，鉆孔角度均為-85°，在鉆孔內(nèi)己15煤層上部與下部安裝測試磁環(huán)，磁環(huán)安裝完成后封孔并進行第1組數(shù)據(jù)測試，并將該值作為煤層厚度初始值。通過測試磁環(huán)間距變化，近似算出保護層開采條件下煤層膨脹變形量，其中：膨脹變形量v=磁環(huán)間距變化值△/磁環(huán)間距初始值S，煤層膨脹變形量測定鉆孔布置如圖3。

2 千米級深井煤層膨脹量及卸壓效果分析

煤層膨脹變形量測試時間跨度約為1個月，己15煤層膨脹變形量與據(jù)采面距離及推進速度相關變化如圖4。

分析可知，隨著采面不斷推進，1#～5#鉆孔內(nèi)煤層膨脹變形量呈現(xiàn)不斷增大趨勢，主要經(jīng)歷了初期平緩增長，中期迅速增長，后期趨于穩(wěn)定3個階段。1#、2#、3#、4#、5#鉆孔己15煤層最大膨脹變形分別為：28.9、18.6、34.0、15.4、15.2 mm，最大膨脹變形量分別為：8.06‰、5.74‰、10.28‰、5.36‰、4.66‰。己15煤層最大膨脹變形平均值為22.4 mm，最大膨脹變形量平均值為6.82‰。距離采面15～45 m范圍為保護層開采主要影響區(qū)域，該卸壓區(qū)內(nèi)被保護煤層膨脹變形量增加顯著，且在該范圍內(nèi)工作面推進速度增大，煤層膨脹變形量增速加大。通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)煤層膨脹變形量受采面推進影響較好符合一元三次多項式增長趨勢。根據(jù)國內(nèi)外的開采實踐，當煤層膨脹量達到3‰～5‰時,煤層已充分卸壓，煤層內(nèi)裂隙發(fā)育，煤層透氣性將顯著增加，此次監(jiān)測被保護層的最大膨脹變形量均大于臨界值3‰，說明被保護層煤層在保護層開采過程中達到充分卸壓，并且驗證了己15-31070工作面保護層開采對被保護的己15煤層的保護效果及保護范圍，考察結果可適用于礦井其他區(qū)域的同一保護層和被保護層。

圖3 煤層膨脹變形量測定鉆孔布置圖

圖4 己15煤層膨脹變形量變化曲線圖

在對己15煤層膨脹變形量進行監(jiān)測的同時，對己15煤層抽放管路中的單孔瓦斯?jié)舛扰c主干管路的瓦斯抽放總量進行統(tǒng)計，系統(tǒng)評價上保護層開采下伏己15煤層整體卸壓效果。1個月監(jiān)測期內(nèi)，己15煤層抽放管路單孔瓦斯?jié)舛茸兓鐖D5，主管路瓦斯抽放總量變化如圖6。

分析可知，隨著采面不斷推進，單孔瓦斯?jié)舛扰c瓦斯抽放總量在監(jiān)測初期略有下降，在監(jiān)測中期整體上顯著提高，小范圍內(nèi)有所波動，在監(jiān)測后期逐漸趨于穩(wěn)定，其中單孔瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在17.5%，瓦斯抽放總量穩(wěn)定在19 m3。造成這一現(xiàn)象的原因可能是監(jiān)測初期隨著上部煤層開采擾動，下部煤層內(nèi)應力重新調(diào)整分布導致煤層出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，部分原生裂隙閉合導致煤體透氣系數(shù)下降，抽采孔內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档?。隨著采面向前推進至卸壓影響區(qū)域，保護層開采擾動使得被保護煤層裂隙發(fā)育，次生裂隙的產(chǎn)生使得煤層透氣性系數(shù)增加，被保護層得到了有效卸壓，抽采孔內(nèi)瓦斯?jié)舛蕊@著升高。曲線擬合發(fā)現(xiàn)單孔瓦斯?jié)舛扰c瓦斯抽放總量在整個監(jiān)測周期內(nèi)較好符合一元三次多項式增長趨勢，這一現(xiàn)象也表明，隨著上部保護層的開采，下伏被保護層卸壓特征明顯，透氣性增加顯著，若配合合理的人工強化瓦斯抽采措施，可消除下伏卸壓煤層突出危險性。

圖5 己15煤層抽放管路單孔瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

圖6 己15煤層主管路瓦斯抽放總量變化圖

3 結論

1）隨著己14保護層工作面不斷推進，下伏己15煤層膨脹變形量經(jīng)歷了初期平緩增長，中期迅速增長，后期趨于穩(wěn)定3個階段，距離采面15～45 m區(qū)域為保護層開采的主要影響區(qū)域。

2）己15煤層最大膨脹變形平均值為22.4 mm，最大膨脹變形量平均值為6.82‰，整體上己15煤層最大膨脹變形量均大于臨界值3‰，說明被保護層煤層已充分卸壓。

3）單孔瓦斯?jié)舛扰c瓦斯抽放總量在監(jiān)測初期略有下降，在監(jiān)測中期整體上顯著提高，在監(jiān)測后期逐漸趨于穩(wěn)定。

4）曲線擬合顯示煤層膨脹變形量、單孔瓦斯?jié)舛扰c瓦斯抽放總量在整個監(jiān)測周期內(nèi)均較好符合一元三次多項式的增長趨勢，保護層開采下伏被保護層卸壓特征明顯，卸壓效果顯著。