分析堅硬厚煤層上分層開采后對下分層卸壓保護作用

王超

（河南能源化工集團焦作煤業（集團）有限責任公司趙固二礦，河南 輝縣 453633）

一、卸壓消突研究基礎

在巷道掘進過程中，巷道周圍煤層中的瓦斯壓力平衡狀態不斷遭到破壞，使瓦斯壓力重新分布、煤體透氣性增加而形成卸壓帶。由于煤體內部到煤壁之間存在著瓦斯壓力梯度，卸壓帶內的煤體中瓦斯沿煤體裂隙及孔隙向巷道涌出，瓦斯涌出強度隨著煤壁暴露時間的增加而降低。巷道預排瓦斯等值寬度受原始瓦斯含量、排放時間、巷道規格、支護形式等多種因素影響，應根據礦井實測資料確定，如果無實測數據，可采用下式計算確定。

預排瓦斯等值寬度計算公式：

低變質煤：0.808×t0.55；高變質煤：（13.85×0.0183t）/（1+0.0183t）

根據預排瓦斯等值寬度計算公式，分別計算低、高變質煤煤壁暴露1500 天巷道預排瓦斯等值寬度，并繪制變化曲線，見圖1。

圖1 不同變質程度煤體巷道預排瓦斯等值寬度隨時間變化情況

由圖1 可見，低變質程度煤體巷道預排瓦斯等值寬度隨煤壁暴露時間呈現持續增大趨勢，但變化趨勢逐漸趨緩；高變質程度煤體巷道預排瓦斯等值寬度在160 天以內呈快速增大趨勢，之后緩慢增大，在300 天后逐漸趨于穩定。在高變質程度煤體內巷道成巷后隨煤壁暴露時間延長，巷道預排瓦斯等值寬度存在極限寬度，且極限寬度出現在巷道煤壁暴露300 天以上，即高變質程度煤體內巷道煤壁暴露300 天以上時，其巷道預排瓦斯等值寬度基本不再增大。

二、上分層開采后卸壓保護作用范圍防突效果

瓦斯的吸附和游離狀態在煤層中達到了一種動態平衡。若瓦斯壓力下降，則吸附的瓦斯數量將小于解吸的瓦斯量，動態平衡朝著游離瓦斯增加的方向偏移，從而出現游離瓦斯量上升的表現。在應力集中區域的瓦斯壓力相對偏高，空隙以及相關的裂縫位置在遭受較大氣壓環境下產生閉合，透氣性逐漸下降；相對于應力集中帶而言，卸壓帶區域呈現出來的瓦斯氣壓就相對偏小，已有的裂隙也對應維持其擴大以及張開的狀態，極易出現最新的裂隙，整體的透氣效果得到很好的增強。

三、上分層開采卸壓作用有效保護范圍測定方法

（一）鉆屑法測定

采用現場打鉆測定鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆屑解吸指標方法進行。測定時施工一組φ42mm 順煤層鉆孔若干個，單孔長度不小于15m。

（二）鉆孔應力法

在巷道中垂直煤層走向布置一組若干個φ42mm 順煤層鉆孔，鉆孔間隔不小于2m，鉆孔深度根據測定需要設計。所有鉆孔施工結束后，在鉆孔不同孔深位置分別安裝鉆孔應力計，進行鉆孔圍巖應力變化觀測，觀測周期為30 天，實時記錄數據，每7 天進行一次數據采集和分析。利用不同深度處鉆孔應力變化情況考察和判斷煤層巷旁卸壓帶的寬度。

四、試驗地區煤層賦存特征

趙固二礦主采的二1 煤層賦存于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖（Ss）45.64～81.25m，平均60.18m；下距L8 石灰巖19.65～40.24m，平均27.01m。二1煤層厚度4.73～6.77m，平均煤厚6.16m，結構比較簡單，層位穩定，屬穩定型厚煤層，煤質變化小，煤類單一，全區可采。區內二1 煤層以塊煤為主，軟分層不發育，礦井開拓及生產過程中未發生過煤與瓦斯動力現象。

五、現場測試與考察

（一）考察方法及鉆孔布置

根據現場實際情況，本次上分層開采后對下分層卸壓保護作用影響效果測定選擇瓦斯參數法（即鉆屑量與鉆屑解吸指標法）以及鉆孔應力法進行現場的測定，采用多種方法進行綜合評判。

（二）參數測定方案

1.鉆屑量法和鉆屑指標法測定

鉆孔施工期間，自鉆孔3～4m 深處開始，每2m 測定鉆孔的鉆屑量，并用MD-2 型煤鉆屑瓦斯解吸儀測定一次鉆孔的鉆屑解吸指標（△h2 或K1），同時測定一次鉆孔瓦斯涌出初速度，直至21m 深處。

2.鉆孔應力測定

所有鉆孔施工結束后，在1#～10#鉆孔孔深9m、12m、15m、18m、21m 處，分別安裝鉆孔應力計，進行鉆孔圍巖應力變化觀測。觀測周期為30 天，實時記錄數據，每7 天進行一次數據采集和分析。

（三）鉆屑法考察分析

1.鉆孔鉆屑測試情況

鉆孔施工期間，分別測定了各鉆孔不同深度處鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2和鉆孔瓦斯涌出初速度q 值，試驗區域瓦斯含量整體偏低，在進行鉆孔瓦斯涌出初速度q 測定期間，所有測點測定結果均小于1.5L/min（流量計測定量程最小值為1.5L/min），試驗區域煤層對鉆孔瓦斯涌出初速度指標不敏感，測定結果無法有效判斷出上分層開采后對下分層卸壓保護作用影響范圍。

2.鉆屑量結果分析

根據測定的數據，通過統計回歸，得到鉆孔的鉆屑量S（kg/m）與孔深（m）關系曲線圖，如圖2 所示。

圖2 各鉆孔不同孔深鉆屑量變化情況

由圖2 可見，各鉆孔鉆屑量S 均隨孔深增加呈增大趨勢，其中：

1#、2#、3#、4#、5#鉆孔各測點鉆屑量隨孔深基本符合線性回歸曲線，其中：1#鉆孔孔深18m 處鉆屑量開始明顯增大，之后鉆屑量整體高于18m 之前的鉆屑量，孔深21m 時有所下降，21m 以外的深部鉆屑量數值呈增加趨勢；2#、3#鉆孔孔深16m處鉆屑量開始明顯增大，孔深22m 時有所下降，孔深22m 后的深部，鉆屑量數值有所增減；4#鉆孔孔深17m 處鉆屑量開始明顯增大，在孔深23m、24m 時有所下降；5#鉆孔不同孔深鉆屑量總體變化較小，S 值在2.6kg/m 以內，數值也較小，無能判斷出應力集中帶范圍。

綜合對比分析5個試驗鉆孔不同鉆孔深度（m）與鉆屑量（kg/m）的關系曲線圖可知，采用鉆屑量指標法考察，趙固二礦12042 上順槽應力集中帶在巷幫16～18m 以深位置。

3.鉆屑解吸指標結果分析

受試驗區域整體瓦斯含量偏低影響，1#、2#、3#、4#、5#孔測點數值均較小。1#鉆孔孔深18m 位置、2#鉆孔孔深16m 位置、3#鉆孔孔深19m 位置、4#鉆孔孔深20m 位置，鉆屑解吸指標達到峰值，在峰值前總體呈增大趨勢，峰值后總體呈減小或者穩定趨勢。5#鉆孔僅有兩個數據且數值為10pa，數值較小故不做參考。

分析判斷，趙固二礦12042 上順槽應力集中帶在巷幫16～20m 以深位置，即順槽側上分層開采后形成的卸壓作用有效保護范圍寬度為16m。

（四）鉆孔應力法考察分析

1.鉆孔應力計安裝及測試情況

本次考察在12042 上順槽試驗地點按照設計各施工完成5 個鉆孔后，沿鉆孔不同孔深位置分別安設鉆孔應力計。

2.鉆孔應力測定結果分析

各鉆孔應力計在一個月的觀測期內應力變化趨于穩定，均未出現高于初始應力的情況。

本次卸壓帶的最深監測深度為21m，綜合所有數據，初步判斷12042 上順槽巷幫應力集中帶深度邊界在15m 左右，即順槽側上分層開采后形成的卸壓作用有效保護范圍寬度為15m。

（五）考察結果

結合理論分析（對于高變質程度煤體，工作面回采結束300 天以上時，預排瓦斯等值寬度基本不再增大、應力趨于穩定），確定趙固二礦二1 煤層工作面回采結束300 天以上時，順槽側上分層開采后形成的卸壓作用有效保護范圍寬度為15m，受上分層工作面開采后卸壓保護作用影響，下分層工作面已經充分卸壓。

結束語

研究表明，煤層在回采或者掘進后，工作面前方煤體應力平衡狀態被打破，在趨向新應力平衡過程中出現帶狀劃分，依次為卸壓區、應力集中區及原始應力區。卸壓區內應力經過長時間釋放，煤層透氣性增加、瓦斯不斷解吸釋放、瓦斯壓力大幅降低，逐步失去了發生瓦斯災害的動能，在該段卸壓區域的保護作用下，只要預留足夠的保護寬度，即可實現掘進期間的消突工作。由此可知，準確確定卸壓帶寬度對于快速安全掘進及瓦斯有效抽采具有重要意義。