突出煤層保護層開采效果考察研究*

張 玥

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

0 引言

煤與瓦斯突出對煤礦安全生產具有嚴重的危害性，需要對有突出危險性的煤層進行防突處理[1]。保護層開采是突出危險區防治煤與瓦斯突出的首選，對安全高效開采具有重要意義，但關鍵問題是如何科學、準確地確定被保護層受到采動作用后的防突效果。

國內外研究學者主要從開采保護層消突機理、消突效果等方面進行研究。結合蹬槽煤礦的工程實際情況，主要從蹬槽煤礦22041煤層工作面的煤層變形量[24]、透氣性系數[56]、瓦斯抽采量[7]3個方面對保護層卸壓效果進行分析考察，確定保護層對被保護層的防突效果，為保護層效果考察提供依據。

1 煤層及工作面概況

磴槽煤礦屬于煤與瓦斯突出危險的礦井，且具有煤層群賦存特征，二1、一5、一3煤層為可采煤層。其中，礦井的主要開采煤層為二1煤層，煤層平均厚度為4.99 m；一5、一3煤層屬于局部開采煤層，均位于二1煤層下部，一5、一3煤層分別上距二1煤層42.1 m和52.86 m。該礦井22采區一5煤層不具有煤與瓦斯突出危險性，且該煤層平均厚度為0.8 m，具備了開采保護層的條件。因此，磴槽煤礦將一5煤層22521工作面設計為保護層進行開采，同時被保護二1煤層22041工作面利用鉆孔對22041工作面的瓦斯進行抽采，以此來降低被保護層22041工作面的瓦斯含量。磴槽煤礦本次試驗區域為22采區的一5煤層的22521保護層工作面與二1煤層的22041被保護層工作面，煤層間距為42.1 m。其中，22521保護層工作面布置在22采區，標高為-126.8～-203.7 m，走向長249 m，傾斜長120 m，煤層傾角平均為30°，煤層厚度為0.6～1.2 m，平均煤厚為0.8 m。22041被保護層工作面位于22采區上部，設計走向長度350 m，傾向長度143 m，工作面由西向東進行回采。22041工作面二1煤層為較穩定煤層，煤層厚度為0.5～5 m，平均煤厚為3.3 m，煤層結構單一，不含夾矸，回采率按93%計算。煤層中西部厚東部薄、北部厚南部薄。煤層傾向為345°～355°，煤層傾角為28°～30°，平均傾角為29°。

2 保護層開采效果考察方案

2.1 煤層膨脹量考察方案

隨著保護層22521工作面的開采，采空區頂板巖層冒落，引起巖層卸壓，被保護層22041工作面將發生膨脹變形，膨脹變形量越大，說明被保護層22041工作面的卸壓效果越好。為了考察保護層開采后被保護層最大卸壓程度，在邊界巷向22041工作面中部布置了2個膨脹變形測試鉆孔，考察保護層保護邊界附近的卸壓程度，測定地點。1#孔在距22041底抽巷口向外102 m處，2#孔在距22041底抽巷口向外147 m處。具體位置如圖1所示，膨脹變形量考察鉆孔剖面如圖2所示，具體鉆孔測量方法如圖3所示。

圖1 膨脹變形考察鉆孔平面布置Fig.1 Plane layout of drilling for expansion deformation investigation

圖2 膨脹變形量考察鉆孔剖面圖(1#、2#)Fig.2 Drilling section for expansion deformation investigation(1#、2#)

圖3 深部基點結構示意Fig.3 Schematic diagram of deep base point structure

2.2 透氣性系數計算方案

鉆孔流量法，煤層瓦斯徑向流動的主要無量綱相似準數有流量準數Y與時間準數F0，其表達式為

(1)

(2)

式中，λ為煤層透氣性系數，m2/(MPa2·d)；q為t時刻的鉆孔煤壁單位面積流量，q=Q/(2πr1L)，m3/(m2·d)；r1為鉆孔半徑，m；Q為在時間t時刻鉆孔瓦斯流量，m3/d；L為鉆孔煤壁長度，m；p0為原始煤層原始瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔排瓦斯時的瓦斯壓力，一般為0.1 MPa；t為從瓦斯排放到測量瓦斯流量q時的時間間隔，d；α為煤層瓦斯含量系數，α=X/P0.5，m3/(m3·MPa0.5)；X為煤層瓦斯含量，m3/m3；P為煤層瓦斯壓力，MPa；r為流場特征長度，m。

流量準數與時間準數的關系為

(3)

由于關系的復雜性，對于不同的取值范圍，根據鉆孔流量法，F0、ɑ、b具體取值和對應的透氣性系數計算式見表1。

表1 鉆孔徑向流量法計算煤層透氣性系數

2.3 瓦斯抽采原理

磴槽煤層結合礦井實際情況，利用22041底板抽采巷、22051西底板抽采巷及底抽巷聯巷向22041工作面施工穿層鉆孔，預抽二1煤層瓦斯；在22521工作面回采期間，同時利用穿層鉆孔抽采二1煤層的卸壓瓦斯。其抽采原理如圖4所示。

圖4 底抽巷抽采被保護層卸壓瓦斯示意Fig.4 Schematic diagram of gas extraction from the protected layer for pressure relief in bottom-draining tunnel

3 考察結果分析

3.1 煤層膨脹量結果分析

為了考察保護層22521工作面開采后被保護層22041工作面的最大卸壓程度，在邊界巷向22041工作面中部布置了2個膨脹變形測試鉆孔，考察保護層保護邊界附近的卸壓程度。1#孔在距底抽巷口向外102 m處，2#孔在距底抽巷口向外147 m處。1#孔與2#孔的頂底板變形量隨保護層22521工作面進尺的變化曲線如圖5、6所示。

圖5 1#孔所測定的變形量隨工作面進尺變化曲線Fig.5 Variation curve of the measured deformation of the 1# hole with the working face footage

圖6 2#孔所測定的變形量隨工作面進尺變化曲線Fig.6 Variation curve of the measured deformation of the 2# hole with the working face footage

從圖5可以看出，當工作面未采過該鉆孔時，1#考察孔膨脹量在處于壓縮變形狀態，最大壓縮量0.67 cm，達到被保護煤層的2.03‰，當工作面采過1#觀測孔8.3 m左右時，被保護層開始發生膨脹變形，隨著工作面繼續開采，1#觀測孔在工作面采過該孔19.5 m時，膨脹量達到最大值，為4.98 cm，相對膨脹變形15.09‰。

從圖6可以看出，2#考察孔膨脹量在工作面未采過該鉆孔時，最大壓縮量0.61 cm，達到被保護煤層的1.84‰。當工作面采過2#觀測孔6.8 m左右時，被保護層開始發生膨脹變形，2#觀測孔在工作面采過17.6 m時，膨脹量達到最大值，為3.32 cm，相對膨脹變形10.06‰。

結果表明，保護層22521工作面回采后，被保護層22041工作面最大膨脹變形量達到4.98 cm，相對膨脹變形達到15.09‰，大于3‰，卸壓效果明顯。

3.2 透氣性系數計算結果分析

按照煤層透氣性系數測定方法，測定了保護層保護層開采前后，被保護層工作面的原始瓦斯壓力、殘余瓦斯壓力及鉆孔流量，并結合式(1)～式(3)，計算了被保護層工作面的透氣性系數，計算過程中用到的相關參數見表2。經計算可得，保護層開采前后，被保護層透氣性系數由0.06～0.217 4 m2/(MPa2·d)增大到3.454 7～15.188 4 m2/(MPa2·d)，透氣系數增長了57.5～69.8倍。

表2 計算透氣性系數相關參數

3.3 瓦斯抽采結果分析

如圖7所示，被保護層所施工的穿層鉆孔中，約有588個鉆孔抽采的是保護層開采后未被保護區域的瓦斯，約有380個鉆孔抽采的被保護層卸壓瓦斯。根據鉆孔個數及表2所示的鉆孔抽采量，可確定出卸壓瓦斯抽采量占總瓦斯抽采量的79%。基于此，通過22521工作面回采期間被保護層瓦斯總的抽采量，隨后乘以0.79，即可得出被保護層卸壓鉆孔所抽采的瓦斯量，具體數值如圖8所示。

圖7 穿層鉆孔施工情況Fig.7 Construction of drilling through layers

22521工作面回采初期煤體受到應力集中的影響而壓縮，二1煤的透氣性和瓦斯抽采量會逐漸減小，工作面推進到約28 m處，穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采量開始增大。隨著保護層工作面的推進，被保護層卸壓范圍逐漸增加，當工作面推進距離大于80 m后，被保護層卸壓抽采量在390 m3/d左右波動。被保護層瓦斯抽采總量達153 206 m3，其中，被保護層卸壓瓦斯抽采量達121 033 m3。

圖8 工作面回采期間被保護層卸壓鉆孔所抽采的瓦斯量Fig.8 Gas volume extracted by the pressure relief drilling of the protective layer during working face mining

4 結論

(1)被保護層22041工作面會隨著保護層22521工作面的回采發生變形。在工作面采過鉆孔19.5 m時，膨脹量達到最大，為4.98 cm，相對膨脹變形15.09‰，卸壓效果明顯。

(2)保護層開采前后，被保護層的透氣性系數由0.06～0.217 4 m2/(MPa2·d)增大到3.454 7～15.188 4 m2/(MPa2·d)，增長了57.5～69.8倍。

(3)利用22041底板抽采巷、22051西底板抽采巷及底抽巷聯巷對22041煤層工作面進行瓦斯抽采，被保護層22041工作面瓦斯抽采總量達153 206 m3，其中，被保護層卸壓瓦斯抽采量達121 033 m3，保護層開采區域防突效果良好。