下保護層開采工作面參數設計

2018-03-13 11:58:59劉光明

江西煤炭科技 2018年1期

劉光明

保護層開采以后，周圍巖體的原巖應力平衡狀態受到破壞，引起應力重新分布，進而周圍煤巖體就會向采空區方向移動，特別是下保護層開采后，首先導致采空區上覆巖層的應力降低，進而破斷發生垂直位移，同時發生膨脹變形并在被保護層內部產生很多的微裂隙，被保護層的煤層透氣性就會成千上萬倍的增加，同時這些微裂隙也為煤層瓦斯的流動提供了通道，如果被保護層的瓦斯含量較大，這樣被保護層的吸附狀態的瓦斯就會不斷的解吸，直到下降到平衡，此時再配合被保護層的卸壓瓦斯抽放對增加被保護層的保護范圍[1-2]。因此，研究保護層開采機理，判別保護層與被保護層的層間關鍵層結構，并預測層間關鍵層結構的初次破斷及周期破斷規律，對研究下保護層開采的卸壓保護范圍有著十分重要的意義[3]。

1 工程概況

二1煤層為礦井主采煤層，位于二迭系山西組下部，賦存穩定，結構簡單，煤厚4.0～15.0 m，平均7.3 m，煤層傾角為5°～25°，平均20°。二1煤底板下50 m以內存在4層煤，如果對其進行回采，形成下位保護層，上覆二1煤層將會得到卸壓，出現裂隙，煤層透氣性系數將會增加，非常有利于二1煤層瓦斯的抽采和消突，對二1煤層回采區域的安全、高效生產產生積極的作用。

采區主要巖層及物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數

序號巖性厚度/m體積力(MN/m3)抗拉強度σb/MPa彈性模量/MPa 13 中粒砂巖 4.6 0.023 25000 7 12 砂質泥巖 7.3 0.026 11000 2 11 中粒砂巖 3 0.023 25000 7 10 石灰巖 0.7 0.024 22000 5 9 煤線 0.2 0.015 2000 0.2 8 砂質泥巖 1.5 0.026 11000 2 7 中粒砂巖 2 0.023 25000 7 6 砂質泥巖 2 0.026 11000 2 5 中粒砂巖 2.5 0.023 25000 7 4 砂質泥巖 5 0.026 11000 2 3 石灰巖 4.5 0.024 22000 5 2 煤線 0.3 0.015 2000 0.2 1 砂質泥巖 4 2 0.026 11000 0 一8煤層 1.2 0.015 2000 0.2

根據礦方開采設計，選擇一8煤層先行開采，作為二1煤層的保護煤層，利用保護層開采產生的頂板裂隙對二1煤層瓦斯進行釋放，達到二1煤層安全開采的目的。

2 保護層開采高度的確定

由于一8煤層平均厚度僅有0.8 m，局部煤層厚度0.2～0.3 m，因此需要開采一部分偽頂或砂質泥巖直接頂保證被保護層的卸壓效果。當采高分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m時可根據冒落帶及裂隙帶的公式求得冒落帶及裂隙的高度[4]，如表2所示。

表2 不同采高的冒落帶及裂隙帶高度

由表4可知，一8煤層開采1.0 m時，二1煤層完全處在彎曲下沉帶中，煤層的增透效果不好；一8煤層開采1.2 m時，二1煤層完全處在裂隙帶及彎曲下沉的交界處，煤層有一定的增透效果；一8煤層開采1.5 m時，二1煤層有一部分處在裂隙帶內，煤層的增透效果較好。但若開采高度為1.5 m時，就會開采平均0.7 m的矸石，經濟上不合理，故一8煤層的采高可定為1.2 m。

3 保護層工作面合理長度的確定

保護層工作面的長度決定著被保護層的解放范圍，保護層工作面長度越大，上部被保護層解放的范圍就越大；又由于下保護層工作面為首采工作面，鶴壁礦區對薄煤層開采解放層的技術還處于摸索階段，故下保護層工作面長度不宜過大，認為下保護層3307工作面合理長度應該為能夠解放二1煤層工作面平均長度為宜。

3.1 最小工作面長度

3307工作面的最小長度Lmin應該為保護層工作面開采后，上覆巖層不斷運移最后達到平衡，二1煤層恰好處在被解放范圍的上部，見圖1。

圖1 工作面最小長度

故最小長度Lmin為：

式中：KM、JN為保護層與被保護層的絕對垂距，平均46 m；δ1、δ2為下保護層開采后對上被保護層的卸壓角，°，如表3所示。

表3 保護層沿傾斜的卸壓角

故最小長度：

3.2 煤層巷道兩幫瓦斯卸壓帶寬度

二1煤層工作面上下順槽在開掘后，在順槽的兩幫都有一定的瓦斯卸壓范圍，可認為這個卸壓范圍安全不會發生瓦斯突出。

該礦在許多開采過的順槽做過測試，即向順槽的兩幫打鉆孔測兩幫鉆孔內的瓦斯壓力和相對瓦斯含量，歷次測試數據如表4所示。

表4 被保護層順槽鉆孔測試參數

由上表可知，測得不同工作面順槽兩幫15 m范圍內的煤層瓦斯壓力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于8 m3/t，在《防治煤與瓦斯突出規定》規定的范圍之內。由于該礦煤層瓦斯覆巖情況變化不大，可認為3307工作面上部的二1煤層順槽在掘進之后兩幫15 m以內的煤層瓦斯壓力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于 8 m3/t。