千米級(jí)深井上保護(hù)層開采下伏煤層卸壓效果研究

代志旭，劉 強(qiáng)

（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(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

由于我國煤層普遍具有低滲透、強(qiáng)吸附、高瓦斯(瓦斯壓力高、瓦斯含量大)的特點(diǎn)，各類煤與瓦斯突出事故對(duì)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(xué)者對(duì)保護(hù)層開采方式下被保護(hù)層卸壓效果進(jìn)行了大量相關(guān)研究[5-11]。從研究范圍上看，目前有關(guān)保護(hù)層開采方式下被保護(hù)層卸壓效果的研究大都基于淺埋煤層，而煤層賦存深度對(duì)被保護(hù)層卸壓效果影響顯著；從研究手段上看，同類研究只進(jìn)行數(shù)值模擬或室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)，缺少全方位現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)瓦斯抽采工作[12-14]。為深入研究千米級(jí)深井上保護(hù)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(cè)儀對(duì)其下伏己15煤層的膨脹變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)采動(dòng)影響下伏煤層卸壓效果進(jìn)行系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)，為現(xiàn)場(chǎng)瓦斯高效抽采提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)背景及方案設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(gòu)造李口向斜的南西翼，地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造3個(gè)，大中型斷層（落差≥20 m）3條，因受到復(fù)雜構(gòu)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(zhì)構(gòu)造圖如圖1。

圖1 平煤礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

己14-31070工作面賦存深度約994~1 100 m，走向長(zhǎng)約642 m，傾斜長(zhǎng)約145 m，工作面平均煤厚約0.7 m，屬于結(jié)構(gòu)較復(fù)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(zhì)泥巖，基本頂為10 m厚的細(xì)砂巖，底板為6.5 m厚砂質(zhì)泥巖。己14煤層下距己15煤層約為12～14 m，試驗(yàn)主要對(duì)下伏己15煤層的膨脹變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)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(zhì)泥巖，厚約4.5 m，直接底為黑色泥巖，厚約1.2 m。試驗(yàn)區(qū)域巖性綜合柱狀圖如圖2。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

采用YHW19礦用本安型頂?shù)装逦灰票O(jiān)測(cè)儀以實(shí)現(xiàn)煤層膨脹變形量長(zhǎng)時(shí)檢測(cè)，該儀器測(cè)量精度高達(dá)0.028 mm，且1次最多可以測(cè)量100個(gè)錨固頭的位置，且可自動(dòng)計(jì)算相鄰2個(gè)測(cè)量錨固頭之間的位移情況。

圖2 試驗(yàn)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(jìn)風(fēng)巷距老切眼230 m處測(cè)定煤層膨脹變形量，實(shí)現(xiàn)保護(hù)層開采下伏己15煤層卸壓效果考察。在下進(jìn)風(fēng)巷采煤幫靠近底板位置共施工5個(gè)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(cè)試磁環(huán)，磁環(huán)安裝完成后封孔并進(jìn)行第1組數(shù)據(jù)測(cè)試，并將該值作為煤層厚度初始值。通過測(cè)試磁環(huán)間距變化，近似算出保護(hù)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(cè)定鉆孔布置如圖3。

2 千米級(jí)深井煤層膨脹量及卸壓效果分析

煤層膨脹變形量測(cè)試時(shí)間跨度約為1個(gè)月，己15煤層膨脹變形量與據(jù)采面距離及推進(jìn)速度相關(guān)變化如圖4。

分析可知，隨著采面不斷推進(jìn)，1#～5#鉆孔內(nèi)煤層膨脹變形量呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，主要經(jīng)歷了初期平緩增長(zhǎng)，中期迅速增長(zhǎng)，后期趨于穩(wěn)定3個(gè)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(hù)層開采主要影響區(qū)域，該卸壓區(qū)內(nèi)被保護(hù)煤層膨脹變形量增加顯著，且在該范圍內(nèi)工作面推進(jìn)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(jìn)影響較好符合一元三次多項(xiàng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)國內(nèi)外的開采實(shí)踐，當(dāng)煤層膨脹量達(dá)到3‰～5‰時(shí),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(cè)被保護(hù)層的最大膨脹變形量均大于臨界值3‰，說明被保護(hù)層煤層在保護(hù)層開采過程中達(dá)到充分卸壓，并且驗(yàn)證了己15-31070工作面保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)的己15煤層的保護(hù)效果及保護(hù)范圍，考察結(jié)果可適用于礦井其他區(qū)域的同一保護(hù)層和被保護(hù)層。

圖3 煤層膨脹變形量測(cè)定鉆孔布置圖

圖4 己15煤層膨脹變形量變化曲線圖

在對(duì)己15煤層膨脹變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，對(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)上保護(hù)層開采下伏己15煤層整體卸壓效果。1個(gè)月監(jiān)測(cè)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(jìn)，單孔瓦斯?jié)舛扰c瓦斯抽放總量在監(jiān)測(cè)初期略有下降，在監(jiān)測(cè)中期整體上顯著提高，小范圍內(nèi)有所波動(dòng)，在監(jiān)測(cè)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(cè)初期隨著上部煤層開采擾動(dòng)，下部煤層內(nèi)應(yīng)力重新調(diào)整分布導(dǎo)致煤層出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，部分原生裂隙閉合導(dǎo)致煤體透氣系數(shù)下降，抽采孔內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档汀ｋS著采面向前推進(jìn)至卸壓影響區(qū)域，保護(hù)層開采擾動(dòng)使得被保護(hù)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(hù)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(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)較好符合一元三次多項(xiàng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)，這一現(xiàn)象也表明，隨著上部保護(hù)層的開采，下伏被保護(hù)層卸壓特征明顯，透氣性增加顯著，若配合合理的人工強(qiáng)化瓦斯抽采措施，可消除下伏卸壓煤層突出危險(xiǎn)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(jié)論

1）隨著己14保護(hù)層工作面不斷推進(jìn)，下伏己15煤層膨脹變形量經(jīng)歷了初期平緩增長(zhǎng)，中期迅速增長(zhǎng)，后期趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，距離采面15～45 m區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)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(hù)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(cè)初期略有下降，在監(jiān)測(cè)中期整體上顯著提高，在監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)均較好符合一元三次多項(xiàng)式的增長(zhǎng)趨勢(shì)，保護(hù)層開采下伏被保護(hù)層卸壓特征明顯，卸壓效果顯著。