保護層開采在潘二煤礦的現場實踐與效果考察

陳 軍 張文清 張 振

（1．淮河能源控股集團潘二煤礦，安徽 淮南 232000；2．安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

國內外瓦斯治理經驗表明，開采保護層并結合瓦斯抽放是消除煤層突出危險性、防治瓦斯災害最有效和經濟的區域性措施，在具有保護層開采條件的礦區都應優先采取這一措施。我國《煤礦安全規程》中也明確規定“在突出礦井開采煤層群時，應優先選擇開采保護層防治突出措施”“開采保護層時，應同時抽采被保護層瓦斯”。淮南礦區基本上為煤層群賦存，客觀上具備開采保護層的條件，并在多個礦井進行過保護層開采的實踐，取得了很好的保護效果。

潘二煤礦自上而下依次開采13-1、11-2、8、7-1、6-1、5-2、4-2、4-1、3、1煤層，其中11-2、8、4-2、4-1、3、1煤層為突出煤層。4-1煤層厚度為0.72m～8.48m，平均煤厚3.70m，煤層瓦斯含量為0.16m3/t～10.65m3/t。經鑒定，將4煤在井田開采范圍內劃為突出危險區。在其上8m賦存另一可采煤層5-2煤層，平均厚度1.60m，煤層瓦斯含量為0.16m3/t～10.46m3/t。從煤層賦存關系上看，具備開采5-2煤層、保護4-1煤層的客觀條件。為了有效消除或者降低4-1煤層的突出危險性，在4-1煤層開采前先開采其上部的保護層5-2煤層，并對其下的被保護4-1煤層進行卸壓瓦斯抽采。

1 保護層的現場實施

所謂保護層一般是指突出礦井在煤層群中首先開采的非突出煤層或弱突出煤層，該煤層開采后，能使鄰近的突出煤層喪失或降低突出危險性，進而達到防止煤與瓦斯突出的目的。為考察18125工作面關鍵保護層回采后被保護層18124工作面所在的4煤的卸壓范圍，通過18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向保護范圍考察孔。其中，走向保護范圍考察孔布置在開切眼附近的預計保護邊界線兩側；傾向保護范圍考察孔布置在上、下順槽附近預計保護邊界線兩側。

1.1 走向考察孔布置

走向方向的卸壓范圍是指開采煤層18124工作面的始采線與停采線相對18125工作面始采線與停采線向里內錯的距離。4煤層與5煤層間距平均取12m，根據《防治煤與瓦斯突出細則》和《保護層開采規范》的規定，始采線走向方向卸壓角取60°，經計算18124工作面始采線相對18125工作面始采線位置內錯8.1m。

1.2 傾向考察孔布置

傾斜方向的卸壓范圍為18124工作面上部卸壓邊界和下部卸壓邊界相對18125工作面上順槽和下順槽的內錯距離。4煤層與5煤層間距取12m，傾角平均取8°。根據《保護層開采規范》規定，上下部卸壓角均取75°，經計算18124工作面上部卸壓區相對18125工作面上順槽位置內錯3.6m，下部卸壓區相對18125工作面下順槽位置內錯7.6m。

1.3 現場考察方案設計

通過18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向保護范圍考察孔，采用深部基點法測定煤層頂底板相對變形。其中，走向保護范圍考察孔布置在開切眼附近的預計保護邊界線兩側；傾向保護范圍考察孔布置在上、下順槽附近預計保護邊界線兩側，如圖1所示。

圖1 保護層開采保護范圍考察鉆孔設計布置圖（單位：m）

為考察18125工作面關鍵保護層回采后被保護層18124工作面所在的4煤的卸壓范圍，分別沿走向和傾向方向布置A、B、C三個主要實驗考察地點。其中，走向方向保護范圍考察孔布置在A區，共設置6個鉆孔，孔間距為5m；傾向方向保護范圍考察孔布置在B、C區，每個區分布設置5個鉆孔，孔間距為5m。

用深部基點法測定煤層頂底板相對變形，變形鉆孔施工時要求鉆孔穿透煤層進入頂板。在煤層頂板及底板各安裝一組多點位移計，用于測量煤層頂底板位移，進而計算煤層頂底板相對變形量與變形率。為了避免垮孔，考察孔施工完畢后，立即趕赴現場安裝多點位移計。

測試孔施工及測試步驟如下。1） 鉆孔施工，見煤后0.5m取樣測瓦斯含量。2） 鉆孔穿頂板1.0m，終孔。3） 待18125工作面推過，卸壓后，測變形。4）測殘余瓦斯含量。

2 效果考察與分析

2.1 走向變形孔效果考察

從保護層18125工作面準備回采開始對變形考察孔進行數據觀測，頻率為每兩天一次，待保護層18125工作面推過考察點50m后，改為三天觀測一次，一直持續到工作面推過130m，停止觀測。走向保護范圍變形考察孔A1、A2、A3、A4、A5、A6的煤層變形率隨工作面進尺變化曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著保護層工作面的回采，各孔位置所在的煤層均發生不同程度的膨脹變形，當工作面超前該鉆孔30m左右時達到最大值，其中20m～80m時，煤層膨脹變形處于穩定發展階段，隨后煤層出現膨脹變形變小，并最終處于穩定狀態。走向變形孔觀測結果見表1。

圖2 A區觀測孔變形率隨工作面進尺變化曲線

表1 走向變形孔觀測結果匯總

由表1可知，A1、A2、A3號孔變形顯著，最大相對變形分別達到了7.75‰、7.05‰和4.375‰，其最大相對變形率均大于3‰，這一點表明該區域卸壓效果顯著。而A4、A5、A6號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于3‰，說明鉆孔所在的被保護層區域并未實現充分卸壓。

2.2 上部保護邊界變形孔考察

當保護層18125工作面回采至B組考察孔30m左右時，開始對變形考察孔進行數據觀測。觀測頻率為每兩天一次，待保護層18125工作面推過考察點50m后，改為三天觀測一次，一直持續到工作面推過130m，停止觀測。

由圖3可以看出，保護層18125工作面未采過觀測鉆孔時，被保護層處于壓縮變形狀態。當工作面超過鉆孔10m左右時，煤層開始發生明顯的膨脹變形，直到工作面推過30m左右時，膨脹達到最大值，觀測結果見表2。

圖3 B區觀測孔膨脹變形率隨工作面進尺變化曲線

表2 上部傾向變形孔觀測結果匯總

由表2可知，B1、B2和B3的相對變形率均大于3‰，這一點表明該區域卸壓效果顯著。而B4和B5號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于3‰，說明鉆孔所在的被保護層區域并未實現充分卸壓。

2.3 下部保護邊界變形孔考察

當保護層18125工作面回采至C組考察孔30m左右時，開始對變形考察孔進行數據觀測。觀測頻率為每兩天一次，待保護層18125工作面推過考察點50m后，改為三天觀測一次，一直持續到工作面推過130m，停止觀測。

由圖4可以看出，保護層18125工作面未采過觀測鉆孔時，被保護層處于壓縮變形狀態。當工作面超過鉆孔5m左右時，煤層開始發生明顯的膨脹變形，直到工作面推過30m左右時，膨脹達到最大值，觀測結果見表3。

圖4 C區觀測孔膨脹變形率隨工作面進尺變化曲線

表3 下部傾向變形孔觀測結果匯總

由表3可知，C2和C3的相對變形率均大于3‰，表明該區域卸壓效果顯著。而C4和C5號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于3‰，說明鉆孔所在的被保護層區域并未實現充分卸壓。

2.4 合理超前距分析

上保護層18125工作面開采后，在其底板形成地應力卸壓區，底板煤巖層應力減小，卸壓區煤巖層向上發生移動和變形，由于距開采層距離的不同，移動與變形量存在差距，表現為靠近開采層近，變形大，進而使被保護層發生膨脹變形，層內裂隙增生，大大提高了煤層的透氣性能。同時，地應力減小為吸附態瓦斯轉變為游離態創造了條件，產生的裂隙也為瓦斯在煤體內流動提供了通道，進而增加了煤層瓦斯排放能力，降低了煤層瓦斯壓力。從現場煤層膨脹變形觀測結果可以看出，保護層18125工作面回采后，被保護層18124工作面的煤層相對變形發生了明顯的變化，可以將被保護層劃分為如下幾個帶。1） 正常壓力帶。從距離工作面前方約40m以前，被保護層變形量為零，未觀測到煤體受壓或膨脹變形，該區域應為原始應力區。2） 集中應力帶。距工作面前方40m～5m范圍內，保護層內的煤層頂底板距離減小，煤層發生受壓變形，是采動應力集中區域，其中距離工作面前方約18m是壓縮變形最大位置，也就是應力峰值區域。3） 卸壓帶。當保護層18125工作面在超前測點5m以內時，被保護層工作面煤層開始出現膨脹變形。當工作面推過測點約30m后，膨脹變形達到最大，距離工作面約60m后，膨脹變形出現明顯減小，當工作面推過測點約100m后，膨脹變形穩定至最小值。從觀測結果看，工作面后方30m～60m是被保護層卸壓抽采瓦斯的最佳區域。

2.5 卸壓瓦斯抽采分析

隨著保護層18125工作面的回采，下伏煤巖層膨脹變形，裂隙發育，為被保護層瓦斯提供通道，瓦斯抽采量迅速增大。瓦斯抽采的變化可分為初采抽采期、過渡抽采期、卸壓充分抽采期和穩定下降期四個階段。1） 初采抽采期。保護層18125工作面初采期間，被保護層還沒有得到足夠的卸壓，層間裂隙還未形成，被保護層的瓦斯未進入保護層工作面，工作面瓦斯主要來自保護層本煤層和鄰近巖層。2） 過渡抽采期。當保護層18125工作面推進到10m即一倍層間距后，瓦斯抽采量開始迅速提高，說明被保護層得到了相應卸壓，在層間形成了一定裂隙。3） 卸壓充分抽采期。當保護層18125工作面推進到60m～100m左右時，瓦斯抽采量達到了較為穩定的峰值。瓦斯抽采總量平均約為21m/min，而本煤層瓦斯抽采量約為3m/min，被保護層瓦斯抽采量達到了約18m/min。這說明層間形成豐富的裂隙，被保護層得到了充分卸壓。4） 穩定下降期。當保護層18125工作面推進超過100m時，被保護層瓦斯抽采量開始逐漸下降。這是由于保護層開采影響的被保護層區域內煤層瓦斯含量降低到一定值，導致卸壓瓦斯抽采瓦斯量降低。

3 結論

采用現場考察可知，18125工作面關鍵保護層開采后卸壓保護范圍為走向卸壓角為60°，傾向卸壓角為75°。從現場煤層膨脹變形觀測結果可以看出，保護層工作面回采后，被保護層18124工作面的壓力分布為正常壓力帶（距離工作面前方約40m以前）、集中應力帶（距工作面前方40m～5m）和卸壓帶（超前5m至工作面后方100m）。其中，工作面后方30m～60m是被保護層卸壓抽采瓦斯的最佳區域。