近距離多煤層下保護層開采卸壓范圍及卸壓瓦斯治理研究

冉紹祥 余豪偉

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業(yè)分公司 重慶 400052）

近距離多煤層下保護層開采卸壓范圍及卸壓瓦斯治理研究

冉紹祥 余豪偉

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業(yè)分公司 重慶 400052）

瓦斯突出是煤礦井下最嚴(yán)重的災(zāi)害，為了避免煤和瓦斯突出，必須開采可靠的保護層。在保護層開采之后，卸壓瓦斯灰永祥采空區(qū)和回采工作面，嚴(yán)重威脅著施工安全。本文結(jié)合下保護層卸壓范圍的研究，提出了近距離多煤層下保護層開采卸壓瓦斯涌出治理方法。

多煤層；卸壓范圍；卸壓瓦斯治理

國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的卸壓瓦斯研究工作，圍繞下保護層開采過程中卸壓范圍和瓦斯涌出規(guī)律，提出了一些瓦斯抽采技術(shù)。雖然考慮了開采煤層導(dǎo)致的卸壓增透作用，但是在近距離多煤層開采過程中相鄰煤層卸壓瓦斯涌出規(guī)律較為復(fù)雜，無法準(zhǔn)確判斷采區(qū)周圍的卸壓瓦斯范圍，在瓦斯災(zāi)害治理過程中只能憑借已有的經(jīng)驗和方法，造成一定的浪費，加上采煤工作面上隅角容易導(dǎo)致瓦斯集聚，極易出現(xiàn)安全事故。因此開展近距離多煤層下保護層開采卸壓范圍研究和瓦斯治理研究十分必要。

1 卸壓瓦斯治理過程中研究的重點

我國以煤層保護范圍作為重要的依據(jù)，作為下保護層開采后的上覆煤巖層瓦斯的卸壓范圍，在大量的理論分析和數(shù)值模擬之后，目前取得了一定的成就。但由于礦區(qū)開采環(huán)境的差異，開采保護層過程中形成的卸壓范圍表現(xiàn)出較大的差異，必須進行具體分析。在工程實踐的過程中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)保護層開采確定出的煤層卸壓范圍往往要小于煤層卸壓瓦斯釋放出的瓦斯區(qū)域，因此研究的重點是要尋求更大的卸壓瓦斯范圍，保證瓦斯抽采工作的進行。

目前在治理卸壓瓦斯的過程中，主要應(yīng)用抽采和通風(fēng)的方式。但是在近距離多煤層下保護層開采過程中，相鄰的煤層的卸壓瓦斯容易進入工作面，最終瓦斯超過限定值，因此必須結(jié)合實際礦區(qū)環(huán)境進行卸壓瓦斯治理。

2 下保護層開采卸壓范圍

2.1 下保護層開采覆巖“三帶”

保護層開采之后，上覆巖層出現(xiàn)一定程度的位移和變形，在不同位置的被保護層，其變形狀況存在一定的差異，為了對被保護層瓦斯治理提供可靠的依據(jù)，必須對覆巖分布規(guī)律進行研究。覆巖破壞和位移具有一定的分帶特點，根據(jù)破壞和位移情況的不同，將覆巖分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，如圖1所示。

冒落帶位于覆巖的最下端，緊貼著煤層，脫離巖層母體，連續(xù)性不足，呈現(xiàn)出不規(guī)則的巖塊特點，并且?guī)r塊逐漸向采空區(qū)冒落。保護層開采之后，上覆巖層失去平衡，直接頂板巖層開始冒落，開采空間被冒落的巖塊充滿，冒落帶下部巖層的破壞性較大，在采空區(qū)內(nèi)雜亂堆積，成為不規(guī)則的冒落帶。冒落巖層體積與冒落前相比會有所增大，一般利用碎脹系數(shù)表示巖層增大的比例，但是碎脹系數(shù)與煤層巖性有著較大的聯(lián)系，一般硬巖部分的碎脹系數(shù)較大，平均碎脹系數(shù)為1.1～1.5。由于在一般情況下的冒落巖塊碎脹性將導(dǎo)致冒落帶逐漸向上層發(fā)展。由于冒落帶內(nèi)的沿塊空隙較多，連通性較好，成為地下水集聚和瓦斯涌出的關(guān)鍵地帶。

圖1 覆巖分帶示意圖

裂隙帶在冒落帶上部，該地帶具有較多的裂隙，會直接與采空區(qū)相連，裂隙帶的通透性較強，導(dǎo)氣性良好。在采空區(qū)擴大的過程中，裂隙帶不斷上移，采空區(qū)擴大到一定程度后，裂隙帶將不再向上發(fā)展，而后移動趨于穩(wěn)定，上部的裂隙也會逐漸閉合，高度逐漸降低。通常情況下，采空區(qū)形成兩個月左右，裂隙帶將發(fā)育至最強階段。

彎曲下沉帶位于裂隙帶頂部接近地表的位置，彎曲下沉帶內(nèi)巖層一般不會出現(xiàn)較大程度的變形，在自重的影響下會產(chǎn)生較小的法向彎曲量，巖體可以對原有地層的整體性進行一定程度的保護，彎曲下沉帶內(nèi)如果出現(xiàn)松散的巖層，則會在垂直剖面上形成一定的沉降。彎曲下沉帶高度會由于巖性的不同而產(chǎn)生一定的變化，如果巖層較為脆弱，彎曲下沉帶的高度為移動帶的3～5倍，如果巖層較為軟弱時，彎曲下沉帶的高度約為規(guī)則移動帶的10倍，一般會延伸到地表。

冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶表現(xiàn)出不同的特征，掌握巖層的破壞特征，對布置抽放鉆孔和保護層開采工作具有重要指導(dǎo)意義[1]。如果保護層在冒落帶內(nèi)，保護層中的瓦斯會進入到保護層采空區(qū)，保護層瓦斯可以充分釋放。如果保護層位于彎曲下沉帶，巖體將形成較為自由的空間，將打破原有巖層應(yīng)力的平衡，應(yīng)力也會重新分布，巖體向采空區(qū)靠攏，被保護區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)卸壓和膨脹，產(chǎn)生一定程度的層間裂隙，煤層的透氣性也將增大。

2.2 下保護層開采理論卸壓范圍

下保護層開采的卸壓高度一般與巖層裂隙帶的發(fā)展有關(guān)，結(jié)合現(xiàn)場考察結(jié)果，確定出下保護層開采對被保護層的有效保護范圍。例如下保護層的開采深度在550m以下，采煤工作面的長度在120m以下，針對急傾斜煤層，提前抽采瓦斯和未提前抽采瓦斯的下保護層開采有效垂距分別為80m和50m；針對緩傾斜和傾斜煤層，提前抽采瓦斯和未提前抽采瓦斯的下保護層開采有效垂距分別為100磨合80m。

下保護層開采結(jié)束之后，上覆煤巖層的卸壓移動并沒有停止，在時間延長的過程中，卸壓范圍也將逐漸增大，支道上覆煤巖層形成穩(wěn)定狀態(tài)，卸壓范圍也才能基本穩(wěn)定。如果下保護層工作面停止開采，停止開采時間超過3個月的，上覆被保護巖層的保護范圍可以按照卸壓角56～60°進行劃定。

3 近距離多煤層下保護層開采卸壓瓦斯涌出分析和預(yù)測

3.1 卸壓瓦斯運移分析

卸壓瓦斯在1μm以內(nèi)或者0.1μm以內(nèi)的小孔中擴散，分子在濃度梯度的影響下，高濃度分子逐漸向低濃度移動。設(shè)瓦斯的濃度梯度為，在dt時間內(nèi)，在單位面積內(nèi)單項擴散的瓦斯量記為dm，則dm服從費克定律，則：

式中：D為擴散系數(shù)，單位均取標(biāo)準(zhǔn)單位，負(fù)號表明擴散與濃度增加的方向相反。

下保護層開采之后，采空區(qū)頂板出現(xiàn)一定程度的變形，上覆煤巖層也會出現(xiàn)移動和變形，煤巖層的透氣性逐漸增強，此時會解析出大量的卸壓瓦斯。煤巖層斷裂和下沉的過程中將為卸壓瓦斯的運動體用良好的通路，在空隙壓力的作用下，較多的卸壓瓦斯會擴散到采空區(qū)[2]。

3.2 卸壓瓦斯涌出預(yù)測

在預(yù)測卸壓瓦斯的過程中一般應(yīng)用分源預(yù)測法，即在礦井的生產(chǎn)過程中根據(jù)不同瓦斯涌出源和瓦斯涌出量的大小來預(yù)測不同時期內(nèi)瓦斯的涌出量。由于在實際生產(chǎn)過程中開采技術(shù)、瓦斯含量和涌出規(guī)律的差異，瓦斯涌出量的大小也會存在一定的差異。煤炭科學(xué)研究院對礦井瓦斯涌出的源和匯進行了總結(jié)，見圖2。

圖2 瓦斯涌出源、匯關(guān)系圖

針對下保護層工作面回采的瓦斯涌出量，一般包括落煤、煤壁和采空區(qū)瓦斯涌出，其中采空區(qū)的瓦斯包括圍巖瓦斯和臨近層瓦斯。

下保護層開采之后，一部分瓦斯將涌入采煤工作面，卸壓瓦斯朝采空區(qū)涌出，涌出過程也會受到人為因素和自然因素的影響。對瓦斯涌出預(yù)測的過程中，重點在于對瓦斯涌出源的分析，找出工作面瓦斯涌出量和不同煤層瓦斯涌出量，為瓦斯治理提供依據(jù)。

4 下保護層工作面卸壓瓦斯治理

結(jié)合礦井的實際發(fā)展情況，確定出合適的瓦斯抽采方法。對瓦斯的抽采可以有效降低礦井和采區(qū)瓦斯涌出量。在瓦斯的抽采過程中可以在本煤層、臨近層和采空區(qū)進行瓦斯抽采，針對不同的瓦斯涌出源，選用合適的治理方法，實現(xiàn)綜合治理。

在瓦斯抽采過程中，充分考慮現(xiàn)有煤層的賦存狀況和實際開采布置，在地質(zhì)資料和開采技術(shù)的引導(dǎo)下制定出抽采方案。盡可能采用綜合治理方法，結(jié)合瓦斯的涌出構(gòu)成，提高瓦斯的抽采效果。

在抽采過程中結(jié)合實際井巷的工程量，將巷道的開采和抽采結(jié)合起來。選擇便于巷道維護和布置的方法，以提高抽采效果和降低經(jīng)濟成本為目標(biāo)，在鉆場和鉆孔施工過程中，為抽采鉆孔提供充足的時間[3]。除了做好卸壓瓦斯的抽采之外，還需做好以下幾點工作：

①完善井巷的通風(fēng)系統(tǒng)，加強對通風(fēng)設(shè)施的管理。通風(fēng)是避免瓦斯集聚的重要方法和根本措施。在礦井生產(chǎn)過程中，必須定期幾下進行風(fēng)量核定，及時調(diào)配風(fēng)量。在氣溫較高的環(huán)境中，必須嚴(yán)格控制通風(fēng)量。②選用高精度的監(jiān)測儀器，執(zhí)行瓦斯巡回檢查制度。③企業(yè)落實安全管理工作，購進先進的設(shè)備，引進新技術(shù)，加強管理體制建設(shè)，針對員工的實際進行崗位培訓(xùn)，提升員工的技術(shù)素質(zhì)，加強安全管理，在工作中應(yīng)用正確的方法。④針對上隅角瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)控，利用引排的方式對瓦斯?jié)舛冗M行稀釋，在回采工作面拉架過程中瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控，降低拉架速度，瓦斯超過規(guī)定值時及時處理。⑤及時編制瓦斯預(yù)案處理措施，瓦斯超限時加大通風(fēng)量，停止開采，施工人員緊急撤離。

5 結(jié)束語

本文針對下保護層開采卸壓范圍的研究，對卸壓瓦斯涌出進行了分析，提出了瓦斯治理措施。在煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，瓦斯治理一直都是研究的重點，在具體治理過程中需要結(jié)合礦井的生產(chǎn)實際，及時做好瓦斯監(jiān)控工作，及時通風(fēng)，選用科學(xué)的預(yù)防措施。

[1]梅福樹.下保護層開采卸壓瓦斯治理技術(shù)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（10）：89.

[2]周磊，邢玉忠.某礦開采9#煤作為下保護層瓦斯治理研究[J].煤炭技術(shù)，2014，33（7）：131.

[3]陽 平.下保護層在采面瓦斯治理中的成功應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011，30（9）：113.

TD823

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1004-7344（2016）11-0154-02

2016-3-25