低滲高突煤層開采保護層的可行性研究

霍晶晶

(潞安化工集團 寺家莊煤業公司，山西 晉中 045300)

保護層開采基于巖層運動[1]，在釋放被保護層彈性潛能、解除被保護層突出危險性、增大煤層透氣性、提高瓦斯抽采率等方面被國內外學者認為是最有效的區域防突措施[2]，《防治煤與瓦斯突出細則》和《煤礦安全規程》均將開采保護層作為區域防突措施的首選。前蘇聯是最早進行保護層開采研究的國家之一，自從1933年法國開始進行保護層開采試驗研究以來，德國和波蘭等國家也開始應用保護層開采技術防治煤與瓦斯突出。從1958年開始，我國在重慶和北票地區進行試驗，目前已有26%的突出礦井采用此法來解決突出危險煤層的開采問題。袁亮[3]研究分析保護層開采后對巖層的移動變化分布、瓦斯運移規律等進行科學歸納總結，并形成系統成熟的保護層開采后煤層瓦斯抽采理論與技術；秦汝祥[4]、尹錫峰[5]、師景勤[6]等人運用FLAC3D數值模擬分析保護層開采對被保護層的垂直應力場影響與卸壓范圍，并用現場直接實測的方法分析對瓦斯抽采的相關參數影響；許燦榮[7]等運用COMSOL多物理場軟件，對近距離下保護層開采條件的瓦斯流動建立耦合模型；李麗[8]、王海峰[9]等利用井下實測數據，對近距離上保護層開采工作面瓦斯運移規律進行研究，為抽采參數優化提供指導；黃友金等[10]為防治保護層開采過程上隅角瓦斯超限問題，采用高位鉆孔抽采采空區瓦斯、穿層鉆孔預抽臨近煤層瓦斯的綜合抽采治理措施。

本文結合某礦現有揭露煤層的突出情況與實際開采技術條件，采用UDEC數值模擬對不同情況保護層開采進行分析，開展保護層開采可行性論證，為低滲透高瓦斯突出煤層的區域防突措施提供理論依據。

1 工程研究背景

某礦含煤地層有山西組與太原組，共18層，由上而下編號為1號、2號、3號、4號、5號、6號、81號、82號、84號、9上號、9號、11號、12號、13號、14號、14下號、15及16號，1～6號煤層屬于山西組，81～16號煤層屬于太原組，其中9號、11號、13號、14號、15號煤層均為突出煤層，屬于典型的突出煤層群開采條件；81號、84號、9號煤層為局部可采煤層，為一個煤組；15號煤層為全區可采煤層，為一個煤組。煤層瓦斯參數情況見表1，目前主要開采的是15號煤層，15號煤層透氣性系數在0.099 4～0.135 09 m2/MPa2·d，屬于低滲透煤層。

表1 煤層參數測定結果

目前主要在15號煤層進行采掘活動，所以優先研究15號煤層作為被保護層的可行性。根據《防治煤與瓦斯突出細則》中要求的有效保護垂距范圍，81號、84號煤層距15號煤層垂直距離平均在77.58～86.98 m，故初步判定81號、84號煤層不宜作為15號煤層的保護層，而11、12、13、14、14下等煤層較薄，均屬不穩定的全區不可采煤層，且11號、13號、14號煤層(瓦斯壓力1.2 MPa)均為強突出煤層，不具備作為保護層的開采條件。9號煤層屬于較穩定的大部可采煤層，理論上可以作為15號煤層的上保護層。

另一方面，在距離15號煤層底板3.05 m的16號煤層屬于不穩定的全區不可采煤層，與15號煤層間距過近，會威脅保護層工作面安全和破壞煤層開采條件，不宜作為15號煤層的下保護層。

綜上所述，需要對9號和15號煤層分別作為保護層的可行性進行論證。

2 上保護層開采可行性論證

煤與瓦斯突出是地應力、煤中的瓦斯以及煤的結構和力學性質綜合作用的動力現象。瓦斯壓力是發生突出的主要能量來源，當煤的強度、煤與圍巖的摩擦力低時，地應力造成的變形潛能使煤體破碎。

由表1所示的瓦斯參數來看，9號煤層與15號煤層的破壞類型均為III類，其瓦斯含量相近，9號煤層的瓦斯壓力是15號煤層的近4倍，瓦斯放散初速度要比15號煤層要大20%，堅固性系數是15號煤層的0.5倍。由此可見，除了煤的破壞類型以外，9號煤層的其他突出危險性預測指標值比15號煤層要更加遠離指標臨界值(特別是反映突出動能大小的瓦斯壓力指標值)，這表明9號煤層的突出危險程度要遠大于15號煤層。

2.1 保護范圍及卸壓效果分析

1) 最大保護垂距。9號煤層傾角為3～19°，一般8°，屬于緩傾斜煤層。按照表2所示的保護層與被保護層之間的最大保護垂距，某礦開采上保護層9號煤層的最大保護垂距為50 m。

表2 保護層與被保護層之間的最大保護垂距

保護層與被保護層之間的最大保護垂距計算公式如下：

S上=S'上β1β2

(1)

式中：S'上為保護層的理論最大保護垂距，m。它與工作面長度L和開采深度H有關，可參照表2取值。當L>0.3H時，取L=0.3H，但L不得大于250 m；β1為保護層開采的影響系數，當M≤M0時，β1=M/M0，當M>M0時，β1=1；M為保護層的開采厚度，m；M0為保護層的最小有效厚度，m。M0可參照圖2確定；β2為層間硬巖(砂巖、石灰巖)含量系數，以η表示在層間巖石中所占百分比，當η≥50%時，β2=1～0.4，η/100，當η<50%時，β2=1。

9號煤層厚度平均1.33 m。根據式(1)計算可得，開采上保護層9號煤層的最大保護垂距為61 m。

15號煤層上距9號煤層54.5～71.57 m，平均63.74 m，然而，由方法1和方法2確定的最大有效作用垂距為50～61 m。根據《防治煤與瓦斯突出細則》規定，此時被保護層15號煤層只有一少部分在保護層9號煤層的有效作用范圍內，尚有大部分區域處于有效作用范圍之外。

2) 被保護層15號煤層的應力釋放規律。根據地質條件，對開采9號煤層后被保護層15號煤層的應力釋放與膨脹變形規律利用UDEC進行數值模擬，9號煤層開采長度為400 m，采高為1.33 m，9號煤層與15號煤層之間垂距分別為52 m、62 m、72 m，得到不同層間距條件下被保護層15號煤層的應力釋放規律見圖1。

圖1 在不同層間距條件下被保護層15號煤層的應力釋放規律

如圖1所示，在層間距72 m、保護層開采范圍50 m的情況下，被保護層15號煤層應力釋放率最大為46%.隨著層間距的降低，保護層開采范圍的增大，保護層開采趨于充分采動，在層間距52 m、保護層開采范圍200 m的情況下，被保護層15號煤層的應力釋放率最大為85%.

3) 被保護層15號煤層的膨脹變形規律如圖2所示。在層間距為72 m、保護層開采范圍為50 m的情況下，被保護層15號煤層得到卸壓，頂底板相對變形量最大為0.9%.隨著層間距的降低，保護層開采范圍的增加，保護層開采趨于充分采動，在層間距為52 m、保護層開采范圍為200 m的情況下，頂底板相對變形量最大為3.6%.

圖2 在不同層間距條件下被保護層15號煤層的膨脹變形規律

綜上所述，9號煤層開采后被保護層的卸壓效果一般，被保護的15號煤層大部分區域處于有效保護范圍之外，不能消除突出危險性，不能作為15號煤層的上保護層。

3 下保護層開采可行性分析

1) 最大保護垂距。15號煤層傾角為2～20°，平均8.5°，屬于緩傾斜煤層。按照表2所示的保護層與被保護層之間的最大保護垂距，某礦北一盤區開采下保護層15號煤層的最大保護垂距為100 m。根據式(1)計算可得，開采下保護層15號煤層的最大保護垂距為155 m，故下保護層15號煤層開采后的最大有效保護垂距為100～155 m。

2) 最小層間距。根據《防治煤與瓦斯突出細則》第六十一條的規定，選擇下保護層開采時，不得破壞被保護層的開采條件。開采下保護層時，不破壞上部被保護層的最小層間距可參用式(2)或者式(3)確定：

當α<60°時，H=KMcosα

(2)

當α≥60°時，H=KMsin(α/2 )

(3)

式中：H為允許采用的最小層間距，m；M為保護層的開采厚度，m；α為煤層傾角，°；K為頂板管理系數。垮落法管理頂板時，K取10；充填法管理頂板時，K取6。

15號煤層的厚度為3.20～6.41 m，平均5.14 m；煤層傾角為2～20°，平均8.5°；工作面采用垮落法管理頂板，頂板管理系數K取值10。則，由式(2)計算可得，開采下保護層15號煤層的允許最小層間距為30.1～64.1 m。

3) 采厚比。根據國內采用全部垮落法管理頂板的經驗，在受一個煤層采動影響后，只要柱厚(兩層煤之間的巖層厚度)/采高比達到7.5以上，具備以下條件之一即可上行開采。經過計算得到9號煤層與15號煤層的柱厚與采高比最小為54.5/6.41=8.5，大于7.5。

4) 影響范圍。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》提供的導水裂隙帶高度計算公式，下部15號煤層開采后的最大影響高度小于兩層煤層的間距。

(4)

式中：H為最大影響高度，m；M為下部煤層采高，m。

15號煤層采高最大為6.41 m，由式(4)計算，H=46.26 m，即下部15號煤層開采后的最大影響高度為51.86 m，小于盤區內9號與15號煤層的平均層間距63.74 m，15號煤層的開采不會影響上部9號煤層的開采條件。

5) 層間巖性及巖層結構。上、下煤層間巖層的巖性及巖層的結構是控制采動影響的重要因素，15號煤層直接頂板為砂質泥巖、粉砂巖。15號煤層與9號煤層之間的巖性主要以灰巖、砂巖為主，泥巖為輔，形成了軟硬巖層相間的結構。因此，15號煤層與9號煤層之間的層間巖性及巖層結構有利于上行開采。

6) 采煤方法及采凈程度。下層煤的采煤方法及采凈程度對上部煤層的破壞程度有重要影響，下部煤層中殘留煤柱是造成上部煤層掘進和回采困難的原因之一。一方面，下部15號煤層的采煤方法為一次采全高走向長壁綜采法，采凈程度較高，能較好地降低對上部煤層的破壞影響；另一方面，15號煤層使用小煤柱巷道布置方法，使得殘留煤柱較少，從而減輕殘留煤柱對上部煤層的開采影響。

根據上述分析，15號煤層突出危險性小于9號煤層，優先作為保護層開采，15號煤層開采后的最大有效保護垂距為100～155 m，被保護層的9號煤層在有效作用范圍內；15號煤層作為下保護層開采后，對上部9號煤層開采影響較小。總之，15號煤層作為9號煤層的下保護層先行開采，是可行的。

4 結 語

1) 某礦9號煤層的突出危險程度大于15號煤層，且開采后被保護的15號煤層大部分區域處于有效保護范圍之外，不能消除突出危險性，不能作為15號煤層的上保護層。

2) 15號煤層的最大有效保護垂距、允許最小層間距、采厚比、影響范圍、層間巖性及巖層結構、采煤方法及采凈程度等都滿足要求，可以作為9號煤層的下保護層開采。