突出煤層保護(hù)層開采效果考察研究*

張 玥

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

0 引言

煤與瓦斯突出對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有嚴(yán)重的危害性，需要對(duì)有突出危險(xiǎn)性的煤層進(jìn)行防突處理[1]。保護(hù)層開采是突出危險(xiǎn)區(qū)防治煤與瓦斯突出的首選，對(duì)安全高效開采具有重要意義，但關(guān)鍵問(wèn)題是如何科學(xué)、準(zhǔn)確地確定被保護(hù)層受到采動(dòng)作用后的防突效果。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要從開采保護(hù)層消突機(jī)理、消突效果等方面進(jìn)行研究。結(jié)合蹬槽煤礦的工程實(shí)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(shù)[56]、瓦斯抽采量[7]3個(gè)方面對(duì)保護(hù)層卸壓效果進(jìn)行分析考察，確定保護(hù)層對(duì)被保護(hù)層的防突效果，為保護(hù)層效果考察提供依據(jù)。

1 煤層及工作面概況

磴槽煤礦屬于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)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(qū)一5煤層不具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，且該煤層平均厚度為0.8 m，具備了開采保護(hù)層的條件。因此，磴槽煤礦將一5煤層22521工作面設(shè)計(jì)為保護(hù)層進(jìn)行開采，同時(shí)被保護(hù)二1煤層22041工作面利用鉆孔對(duì)22041工作面的瓦斯進(jìn)行抽采，以此來(lái)降低被保護(hù)層22041工作面的瓦斯含量。磴槽煤礦本次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?2采區(qū)的一5煤層的22521保護(hù)層工作面與二1煤層的22041被保護(hù)層工作面，煤層間距為42.1 m。其中，22521保護(hù)層工作面布置在22采區(qū)，標(biāo)高為-126.8～-203.7 m，走向長(zhǎng)249 m，傾斜長(zhǎng)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(hù)層工作面位于22采區(qū)上部，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度350 m，傾向長(zhǎng)度143 m，工作面由西向東進(jìn)行回采。22041工作面二1煤層為較穩(wěn)定煤層，煤層厚度為0.5～5 m，平均煤厚為3.3 m，煤層結(jié)構(gòu)單一，不含夾矸，回采率按93%計(jì)算。煤層中西部厚東部薄、北部厚南部薄。煤層傾向?yàn)?45°～355°，煤層傾角為28°～30°，平均傾角為29°。

2 保護(hù)層開采效果考察方案

2.1 煤層膨脹量考察方案

隨著保護(hù)層22521工作面的開采，采空區(qū)頂板巖層冒落，引起巖層卸壓，被保護(hù)層22041工作面將發(fā)生膨脹變形，膨脹變形量越大，說(shuō)明被保護(hù)層22041工作面的卸壓效果越好。為了考察保護(hù)層開采后被保護(hù)層最大卸壓程度，在邊界巷向22041工作面中部布置了2個(gè)膨脹變形測(cè)試鉆孔，考察保護(hù)層保護(hù)邊界附近的卸壓程度，測(cè)定地點(diǎn)。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(cè)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(diǎn)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of deep base point structure

2.2 透氣性系數(shù)計(jì)算方案

鉆孔流量法，煤層瓦斯徑向流動(dòng)的主要無(wú)量綱相似準(zhǔn)數(shù)有流量準(zhǔn)數(shù)Y與時(shí)間準(zhǔn)數(shù)F0，其表達(dá)式為

(1)

(2)

式中，λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；q為t時(shí)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(shí)間t時(shí)刻鉆孔瓦斯流量，m3/d；L為鉆孔煤壁長(zhǎng)度，m；p0為原始煤層原始瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔排瓦斯時(shí)的瓦斯壓力，一般為0.1 MPa；t為從瓦斯排放到測(cè)量瓦斯流量q時(shí)的時(shí)間間隔，d；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，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(chǎng)特征長(zhǎng)度，m。

流量準(zhǔn)數(shù)與時(shí)間準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系為

(3)

由于關(guān)系的復(fù)雜性，對(duì)于不同的取值范圍，根據(jù)鉆孔流量法，F(xiàn)0、ɑ、b具體取值和對(duì)應(yīng)的透氣性系數(shù)計(jì)算式見(jiàn)表1。

表1 鉆孔徑向流量法計(jì)算煤層透氣性系數(shù)

2.3 瓦斯抽采原理

磴槽煤層結(jié)合礦井實(shí)際情況，利用22041底板抽采巷、22051西底板抽采巷及底抽巷聯(lián)巷向22041工作面施工穿層鉆孔，預(yù)抽二1煤層瓦斯；在22521工作面回采期間，同時(shí)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(hù)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(jié)果分析

3.1 煤層膨脹量結(jié)果分析

為了考察保護(hù)層22521工作面開采后被保護(hù)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(gè)膨脹變形測(cè)試鉆孔，考察保護(hù)層保護(hù)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?shù)装遄冃瘟侩S保護(hù)層22521工作面進(jìn)尺的變化曲線如圖5、6所示。

圖5 1#孔所測(cè)定的變形量隨工作面進(jìn)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(cè)定的變形量隨工作面進(jìn)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(dāng)工作面未采過(guò)該鉆孔時(shí)，1#考察孔膨脹量在處于壓縮變形狀態(tài)，最大壓縮量0.67 cm，達(dá)到被保護(hù)煤層的2.03‰，當(dāng)工作面采過(guò)1#觀測(cè)孔8.3 m左右時(shí)，被保護(hù)層開始發(fā)生膨脹變形，隨著工作面繼續(xù)開采，1#觀測(cè)孔在工作面采過(guò)該孔19.5 m時(shí)，膨脹量達(dá)到最大值，為4.98 cm，相對(duì)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(guò)該鉆孔時(shí)，最大壓縮量0.61 cm，達(dá)到被保護(hù)煤層的1.84‰。當(dāng)工作面采過(guò)2#觀測(cè)孔6.8 m左右時(shí)，被保護(hù)層開始發(fā)生膨脹變形，2#觀測(cè)孔在工作面采過(guò)17.6 m時(shí)，膨脹量達(dá)到最大值，為3.32 cm，相對(duì)膨脹變形10.06‰。

結(jié)果表明，保護(hù)層22521工作面回采后，被保護(hù)層22041工作面最大膨脹變形量達(dá)到4.98 cm，相對(duì)膨脹變形達(dá)到15.09‰，大于3‰，卸壓效果明顯。

3.2 透氣性系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

按照煤層透氣性系數(shù)測(cè)定方法，測(cè)定了保護(hù)層保護(hù)層開采前后，被保護(hù)層工作面的原始瓦斯壓力、殘余瓦斯壓力及鉆孔流量，并結(jié)合式(1)～式(3)，計(jì)算了被保護(hù)層工作面的透氣性系數(shù)，計(jì)算過(guò)程中用到的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。經(jīng)計(jì)算可得，保護(hù)層開采前后，被保護(hù)層透氣性系數(shù)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(shù)增長(zhǎng)了57.5～69.8倍。

表2 計(jì)算透氣性系數(shù)相關(guān)參數(shù)

3.3 瓦斯抽采結(jié)果分析

如圖7所示，被保護(hù)層所施工的穿層鉆孔中，約有588個(gè)鉆孔抽采的是保護(hù)層開采后未被保護(hù)區(qū)域的瓦斯，約有380個(gè)鉆孔抽采的被保護(hù)層卸壓瓦斯。根據(jù)鉆孔個(gè)數(shù)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%?；诖耍ㄟ^(guò)22521工作面回采期間被保護(hù)層瓦斯總的抽采量，隨后乘以0.79，即可得出被保護(hù)層卸壓鉆孔所抽采的瓦斯量，具體數(shù)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(yīng)力集中的影響而壓縮，二1煤的透氣性和瓦斯抽采量會(huì)逐漸減小，工作面推進(jìn)到約28 m處，穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采量開始增大。隨著保護(hù)層工作面的推進(jìn)，被保護(hù)層卸壓范圍逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于80 m后，被保護(hù)層卸壓抽采量在390 m3/d左右波動(dòng)。被保護(hù)層瓦斯抽采總量達(dá)153 206 m3，其中，被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采量達(dá)121 033 m3。

圖8 工作面回采期間被保護(hù)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(jié)論

(1)被保護(hù)層22041工作面會(huì)隨著保護(hù)層22521工作面的回采發(fā)生變形。在工作面采過(guò)鉆孔19.5 m時(shí)，膨脹量達(dá)到最大，為4.98 cm，相對(duì)膨脹變形15.09‰，卸壓效果明顯。

(2)保護(hù)層開采前后，被保護(hù)層的透氣性系數(shù)由0.06～0.217 4 m2/(MPa2·d)增大到3.454 7～15.188 4 m2/(MPa2·d)，增長(zhǎng)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(lián)巷對(duì)22041煤層工作面進(jìn)行瓦斯抽采，被保護(hù)層22041工作面瓦斯抽采總量達(dá)153 206 m3，其中，被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采量達(dá)121 033 m3，保護(hù)層開采區(qū)域防突效果良好。