新集一礦131105工作面保護(hù)層卸壓開采技術(shù)應(yīng)用

張友博

(中煤能源集團(tuán)， 北京 100120)

1 工程概況

采前預(yù)抽瓦斯是治理瓦斯災(zāi)害的根本措施，而預(yù)抽瓦斯的關(guān)鍵在于煤層透氣性能否大幅度地提高。新集一礦主采煤層都是高瓦斯煤層，首采C13-1煤層為高瓦斯煤層，C13-1煤層下方平均垂距65 m的B11-2煤層按常規(guī)采用下行開采，首采C13-1厚煤層松軟，原始透氣性低，預(yù)抽瓦斯非常困難；其采、掘工作面不僅瓦斯涌出大，而且具有突出危險(xiǎn)，依靠通風(fēng)解決瓦斯超限問題已不現(xiàn)實(shí)，采用局部性防治突出的措施難以保證礦井安全生產(chǎn)，且嚴(yán)重制約了采掘速度。與主采C13-1煤層下方平均垂距65 m的B11-2煤層賦存較穩(wěn)定，煤層平均厚度為3.5 m，傾角20°左右，煤質(zhì)較好，在當(dāng)前開采水平不具有突出危險(xiǎn)。因此，優(yōu)先開采B11-2煤層使C13-1煤層卸壓，并結(jié)合抽放C13-1被保護(hù)層卸壓瓦斯，防止C13-1煤層在采掘工作中的煤與瓦斯突出，有利于礦井采用綜掘、綜采放頂煤工藝，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

新集一礦131105綜采工作面位于一水平三采區(qū)，主采B11-2煤層，工作面走向長(zhǎng)1 207.1 m，傾向長(zhǎng)144.7 m，上方平均垂距約65 m處為C13-1煤層131305工作面，現(xiàn)研究分析B11-2煤層131105工作面開采對(duì)卸壓煤層變形量及對(duì)卸壓煤層瓦斯抽采效果的影響。

2 保護(hù)層開采覆巖破壞規(guī)律

2.1 采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形規(guī)律

眾多學(xué)者的研究成果表明[1-2]，當(dāng)工作面的開采寬度處于臨界值時(shí)，工作面對(duì)應(yīng)地面區(qū)域中心點(diǎn)地表呈現(xiàn)出垂直向下的移動(dòng)軌跡，其余區(qū)域的地表移動(dòng)均是水平移動(dòng)與垂直移動(dòng)共同進(jìn)行。具體工作面開采后上覆巖層移動(dòng)曲線符合負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線，此負(fù)指數(shù)函數(shù)曲線的表達(dá)式[3]如下：

Sx=Sm(1-e-aZb)

(1)

式中：

Sx—巖層移動(dòng)基本穩(wěn)定后的位移量，m；

a、b—計(jì)算系數(shù)，其值隨著巖層與煤層間距離的變化而變化；

Sm—離以工作面位置為原點(diǎn)的走向距離為x處的位移量，m；

Z—Z=X/L，L為基本穩(wěn)定點(diǎn)離工作面的距離，m；X為巖層原本位置離工作面的距離，m.

當(dāng)煤層進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，在回采工作面前方30～40 m，巖層均會(huì)發(fā)生變形，該區(qū)域煤體的變形以水平變形為主。當(dāng)回采工作面推進(jìn)通過該區(qū)域后，此時(shí)巖層在垂直方向上的位移會(huì)大幅度增加；隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，頂板巖層必然會(huì)在該部分區(qū)域形成層間離層，隨后逐漸斷裂；當(dāng)頂板斷裂，在垮落、壓實(shí)矸石的支撐下，巖層在垂直方向的位移便會(huì)逐漸減小，此時(shí)頂板巖層的變形曲線會(huì)趨于平緩[4-5]. 具體以離開采層為24 m處巖層作為測(cè)試分析的對(duì)象，其沿走向水平和垂直方向的位移見圖1.

圖1 開采后上覆巖層沿走向水平與垂直移動(dòng)軌跡圖

由圖1可知，沿走向，測(cè)點(diǎn)會(huì)逐漸向采空區(qū)方向移動(dòng)，在巖層移動(dòng)曲線到達(dá)拐點(diǎn)處時(shí)，巖層的移動(dòng)曲線又逐漸向工作面的推進(jìn)方向移動(dòng)，并且?guī)r層移動(dòng)后的位置與巖層原本未移動(dòng)時(shí)的位置不同。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是工作面回采后，上覆巖層斷裂，會(huì)在橫向上產(chǎn)生松散膨脹。從圖1可以看到，斷裂巖層松散膨脹后的位置超過巖層原有位置約為100 mm.

2.2 保護(hù)層開采模擬分析

根據(jù)131105綜采工作面的具體地質(zhì)資料及C13-1厚煤層的各項(xiàng)參數(shù)建立數(shù)值模擬模型，模型長(zhǎng)400 m×寬300 m×高300 m，劃分為385 100單元，設(shè)置工作面推進(jìn)方向前后留煤柱40 m，模型建立完后進(jìn)行工作面的回采作業(yè)，具體分析保護(hù)層工作面開采后覆巖塑性區(qū)的發(fā)育情況，及對(duì)被保護(hù)層應(yīng)力及變形特性的影響。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出保護(hù)層上工作面即為開采C13-1煤層回采后塑性區(qū)分布云圖見圖2a)、b)，保護(hù)層下工作面即為開采B11-2煤層回采后塑性區(qū)分布云圖見圖2c)、d).

圖2 上下工作面回采后覆巖塑性區(qū)分布云圖

由圖2可知上覆巖層傾向、走向塑性區(qū)發(fā)育高度，以此計(jì)算得出，保護(hù)層上工作面回采后，上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育的最大高度(與煤層垂直方向的高度)約為65 m. 巖層產(chǎn)生塑性破壞的主要形態(tài)為拉剪破壞；工作面上方煤巖體及保護(hù)層主要受到剪切力的作用，出現(xiàn)剪切破壞；當(dāng)保護(hù)層下工作面回采后，在傾斜方向下工作面巖層間的塑性區(qū)會(huì)相互貫通，另外煤柱在剪應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)破碎嚴(yán)重的情況；由于保護(hù)層回采作業(yè)的進(jìn)行，被保護(hù)層在剪應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)剪切破壞，且煤體內(nèi)的裂隙會(huì)逐漸擴(kuò)展與增多，有效增大了煤層的透氣性。

基于上述分析可知，能夠根據(jù)圖2數(shù)值模擬得出圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況的模擬結(jié)果，繪制出覆巖破壞的大致曲線，得出卸壓角等參數(shù)。在工作面走向上，保護(hù)層卸壓角約為55°；在工作面傾斜上，保護(hù)層上方卸壓角約為87°，保護(hù)層下方卸壓角約為68°. 另外，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，采場(chǎng)中間為壓實(shí)區(qū)域，四周為未壓實(shí)區(qū)域，采場(chǎng)形成 “O”形圈，該范圍內(nèi)的煤巖體由于節(jié)理裂隙較為發(fā)育，能夠?yàn)橥咚惯\(yùn)移提供通道。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 煤層變形量分析

為有效分析131105工作面回采后對(duì)C13-1煤層的影響，采用基點(diǎn)法進(jìn)行煤層變形的監(jiān)測(cè)作業(yè)，該方法為在煤層頂?shù)装鍘r層中安設(shè)基點(diǎn)觀測(cè)兩測(cè)點(diǎn)間相對(duì)位移，進(jìn)而分析得出煤層的變形量。

在131305工作面專用傾斜巷道及底板巷內(nèi)布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，走向上布置的監(jiān)測(cè)鉆孔d75 mm，仰角61°，鉆孔穿煤層頂板1 m，煤孔段長(zhǎng)為10.2 m. 在煤層傾斜方向布置的監(jiān)測(cè)鉆孔d75 mm，仰角65°，鉆孔穿煤層頂板1 m，煤孔段長(zhǎng)為9.8 m，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠得出131305工作面C13-1煤層變形趨勢(shì)圖，見圖3.

圖3 131305工作面C13-1煤層變形趨勢(shì)圖

由圖3可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)鉆孔工作面前方25 m時(shí)，監(jiān)測(cè)鉆孔在支撐壓力作用下的最大壓縮位移量為7 mm；在監(jiān)測(cè)鉆孔滯后回采工作面120 m時(shí)，監(jiān)測(cè)鉆孔的最大膨脹位移量為202 mm.

針對(duì)測(cè)試得出的煤層變形量的具體值，需將其轉(zhuǎn)化為垂直于煤層層面方向上的具體變形量，其轉(zhuǎn)化表達(dá)式為：

(2)

式中：

ε—鉆孔任意方向的相對(duì)變形量，ε=U/L，U為頂?shù)装寤c(diǎn)在鉆孔方向的位移量，m；L為頂?shù)装寤c(diǎn)間的初始距離，m；

ε0—垂直煤層層面方向的相對(duì)變形量；

β—鉆孔偏角，(°)；

α—煤層傾角，(°)；

γ—鉆孔仰角，(°).

通過分析計(jì)算得出在支承壓力的作用下，C13-1被保護(hù)層的最大壓縮變形率及充分卸壓后的最大膨脹率分別為-0.722‰和20.42‰. 相關(guān)研究結(jié)果和工程實(shí)踐表明[6-8]，當(dāng)被保護(hù)突出煤層法向變形大于6‰時(shí)便能夠得到保護(hù)，故基于此分析可知，C13-1被保護(hù)層處于B11-2下保護(hù)層的有效保護(hù)范圍內(nèi)。

3.2 131105工作面開采對(duì)卸壓煤層瓦斯抽采的影響

C13-1煤層131305底板巷布置在工作面上方東段，底板巷抽采鉆孔在C13-1煤層中部保護(hù)范圍內(nèi)按照20 m×20 m投影網(wǎng)格的方式布置；保護(hù)范圍外C13-1煤層原則按10 m×10 m網(wǎng)格布置抽采鉆孔，共計(jì)在131305工作面底板巷中布置抽采鉆孔12組，具體底板巷中瓦斯抽采鉆孔的布置形式見圖4.

圖4 131305底板巷傾向鉆孔布置示意圖

在131305底板巷鉆孔抽采期間，通過對(duì)瓦斯抽采數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，得出瓦斯抽采量-工作面推進(jìn)距離曲線，見圖5.

圖5 131105工作面推進(jìn)距離與瓦斯抽采量關(guān)系圖

由圖5可知，由于受131105工作面采動(dòng)影響，131105工作面推進(jìn)至800 m的位置處，131305工作面瓦斯抽采鉆孔的平均抽采混合量、平均瓦斯?jié)舛染霈F(xiàn)了較大幅度的增大，隨著131105工作面的持續(xù)推進(jìn)，底抽巷抽采鉆孔的平均瓦斯抽采濃度進(jìn)一步增大，C13-1煤層受到131105工作面采動(dòng)影響后抽采瓦斯?jié)舛忍岣吡?～5倍，瓦斯抽采量大幅度提高。基于此可知，C13-1煤層在受到采動(dòng)影響后，對(duì)煤層形成了有效的卸壓作用，增大了煤體的透氣性，保護(hù)層開采效果良好。

4 結(jié) 論

根據(jù)C13-1煤層的瓦斯賦存情況及地質(zhì)條件，確定在131305工作面回采前，先進(jìn)行131105工作面的回采作業(yè)，對(duì)C13-1被保護(hù)層進(jìn)行有效的卸壓增透。基于數(shù)值模擬結(jié)果可知，保護(hù)層上、下工作面回采完成后，塑性區(qū)最大發(fā)育高度為65 m左右；被保護(hù)層采場(chǎng)形成“O”形圈，是瓦斯運(yùn)移的通道；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)卸壓開采效果驗(yàn)證得出， C13-1被保護(hù)層在支承壓力作用下，最大壓縮變形率和膨脹率分別為-0.722‰和20.42‰，C13-1被保護(hù)層處于B11-2下保護(hù)層的有效保護(hù)范圍內(nèi)；采動(dòng)影響后瓦斯抽采效果得到大幅提升，實(shí)現(xiàn)了瓦斯安全高效抽采。