摘 要：本文推導(dǎo)出上保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)范圍計(jì)算公式，并將其運(yùn)用在7414工作面，設(shè)計(jì)了被保護(hù)范圍驗(yàn)證點(diǎn)，并反算出驗(yàn)證鉆孔的詳細(xì)參數(shù)，通過(guò)比較驗(yàn)證鉆孔中瓦斯壓力和瓦斯含量的測(cè)算數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該計(jì)算公式和卸壓角選擇的正確性。因此本文對(duì)于指導(dǎo)保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)范圍劃分，以及培養(yǎng)煤礦三維空間立體感都有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：保護(hù)層；被保護(hù)層；被保護(hù)范圍；瓦斯壓力；瓦斯含量；

中圖分類號(hào)：X752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-05-00239-03

一、概述

（一）井田概述?；幢钡V業(yè)股份有限公司童亭煤礦位于淮北平原中部，安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮(zhèn)境內(nèi)，北距淮北市42km，東距宿州市30km。東西走向長(zhǎng)10km，南北傾向?qū)?～4km，礦井面積約24.15km2。 礦井于1989年11月30日正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 Mt/a。核定生產(chǎn)能力140 Mt/a，礦井地質(zhì)條件綜合評(píng)定為Ⅲ-Ⅲa，Ⅱd，Ⅲeg。

（二）瓦斯地質(zhì)。童亭煤礦地壓大、瓦斯壓力大、含量高，地壓、瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。 自投產(chǎn)以來(lái)，童亭礦已發(fā)生6次煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。2005年由煤科總院撫順?lè)衷簩?duì)童亭煤礦重新進(jìn)行了瓦斯等級(jí)鑒定，經(jīng)安徽省經(jīng)貿(mào)委批準(zhǔn)童亭煤礦為突出礦井，7、82煤層為突出危險(xiǎn)煤層。

（三）主采煤層賦存情況。1、7煤： 7煤層屬中厚、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、較穩(wěn)定煤層，煤厚0.7～3.0m，平均2.1m，平均傾角16°；下距82煤16～35m，平均25m；7煤～82煤之間多為砂巖。2、82煤：82煤層屬中厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不穩(wěn)定煤層，煤厚0.8～2.9m，平均1.8m，平均傾角16°。下距10煤70～125m，平均100m。82煤～10煤之間多為砂巖。3、10煤：10煤層屬薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不穩(wěn)定煤層，煤厚0.3～2.0m，平均0.8m，大部分不可采，平均傾角16°。

（四）上保護(hù)層開(kāi)采方法的選擇。依據(jù)我礦各煤層賦存基本情況（圖1-1），我礦選擇7煤為保護(hù)層，其主要原因有四點(diǎn)：

1、我礦7、82煤層為突出煤層，6～7煤層間距僅7m左右（間距太小，遇見(jiàn)斷層可能會(huì)直接揭露7煤突出煤層），所以不可選擇6煤做為保護(hù)層開(kāi)采。5～7煤層間距127m左右，不符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十八條規(guī)定。

2、82煤層下覆有一層局部可采煤層10煤層，為非突出煤層，按照區(qū)域性治理的一般原則，應(yīng)先開(kāi)采10煤層（下保護(hù)層）以實(shí)現(xiàn)解放7、82煤層，但是10煤層上距82煤的層間距為100m，不符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十八條規(guī)定。且10煤層有大面積不可采區(qū)，無(wú)法連續(xù)開(kāi)采形成連續(xù)保護(hù)區(qū)域。

3、我礦7、82煤層均為弱突出煤層，據(jù)實(shí)測(cè)瓦斯壓力表明，82煤瓦斯壓力大于7煤瓦斯壓力。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十六條第三項(xiàng)“選擇危險(xiǎn)程度較小的煤層做為保護(hù)層先行開(kāi)采”規(guī)定。故應(yīng)選擇上保護(hù)層開(kāi)采。

只要做好7煤作為保護(hù)層開(kāi)采的工作，就有可能清除82煤層煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性，變?nèi)跬怀?、高瓦斯煤層為非突出、低瓦斯煤層?？蔀槲业V節(jié)約用于區(qū)域綜合防突措施的部分巨額資金，并提高82煤層工作面的單產(chǎn)，從而全面提高我礦的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

我礦為驗(yàn)證7煤保護(hù)層開(kāi)采的保護(hù)效果，在不同采區(qū)不同工作面多次對(duì)82煤的保護(hù)范圍進(jìn)行研究與驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，經(jīng)7煤保護(hù)層開(kāi)采后82煤的瓦斯壓力和瓦斯含量大大降低，變高瓦斯、突出煤層為低瓦斯、非突出煤層。下面就以7414工作面為例對(duì)82下采區(qū)（原84下采區(qū)）7煤上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)82煤層的保護(hù)范圍進(jìn)行研究與驗(yàn)證。

二、被保護(hù)范圍公式推導(dǎo)與驗(yàn)證鉆孔設(shè)計(jì)

（一）保護(hù)層工作面概況。7414工作面位于82下采區(qū)（原84下采區(qū)），上區(qū)段為已回采結(jié)束的7412工作面，下區(qū)段為正在回采的7214里工作面，西靠84下采區(qū)邊界F10斷層煤柱，東靠82下采區(qū)7212工作面的采空區(qū)。可采儲(chǔ)量約22萬(wàn)t。開(kāi)采方法為后退式走向長(zhǎng)壁頂板自然垮落法。

（二）被保護(hù)范圍公式推導(dǎo)。被保護(hù)范圍是指保護(hù)層開(kāi)采后，在空間上使突出危險(xiǎn)煤層完全消除突出危險(xiǎn)的有效范圍。我礦無(wú)被保護(hù)范圍實(shí)際考察結(jié)果，暫依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D數(shù)據(jù)。

1、走向方向被保護(hù)范圍。走向方向被保護(hù)范圍為保護(hù)層工作面走向長(zhǎng)度減去工作面切眼和停采線卸壓角形成的內(nèi)錯(cuò)距離。我礦82煤層走向方向被保護(hù)范圍計(jì)算如圖2-1《沿走向方向被保護(hù)范圍計(jì)算圖》所示。本次考察了停采線的被保護(hù)范圍。停采線的走向方向被保護(hù)范圍按卸壓角劃定，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D，δ5按56°～60°劃定。本次卸壓角分別取55°、60°、65°進(jìn)行驗(yàn)證。

2、傾斜方向被保護(hù)范圍。傾斜方向的被保護(hù)范圍為保護(hù)層工作面傾向長(zhǎng)度減去工作面上部（風(fēng)巷）卸壓角和工作面下部（機(jī)巷）卸壓角形成的內(nèi)錯(cuò)距離。傾斜方向被保護(hù)范圍如圖2-2《沿傾斜方向被保護(hù)范圍示意圖》所示。我礦82煤傾斜方向被保護(hù)范圍計(jì)算見(jiàn)圖2-3《上保護(hù)層開(kāi)采沿傾斜方向被保護(hù)范圍計(jì)算圖》。

本次考察了下部（機(jī)巷）被保護(hù)范圍。此處煤層傾角16°，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D，下部卸壓臨界角取75°，本次分別取70°、75°、80°進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上得出：沿走向方向被保護(hù)范圍平移距離計(jì)算公式為△y=h/tgδ5，得：下保護(hù)層走向被保護(hù)范圍By=L走向-2h/tgδ5

沿傾斜方向被保護(hù)范圍平移距離計(jì)算公式為：

△x1=（h/sinδ3）*，△x2=（h/sinδ4）*得：下保護(hù)層傾向保護(hù)范圍

B x= L傾向-（h/sinδ3）*-（h/sinδ4）*

其中：h為層間距；α為煤層真傾角；δ5為上保護(hù)層開(kāi)采沿走向方向的卸壓角；δ3、δ4為上保護(hù)層開(kāi)采沿傾向方向的卸壓角。

（三）驗(yàn)證鉆孔設(shè)計(jì)

1、考察內(nèi)容

（1）7煤層7414工作面停采線沿走向方向的臨界卸壓角。

（2）7煤層7414工作面下部（機(jī)巷）沿傾斜方向的卸壓角。

（3）被保護(hù)層（82煤層）卸壓范圍及效果考察。

（4）7煤層7414工作面開(kāi)采，引起被保護(hù)層（82煤層）瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)的變化。

2、鉆孔設(shè)計(jì)

在8212巖石集中巷集16點(diǎn)開(kāi)設(shè)的鉆場(chǎng)（3m×3 m×2 m）處，向7414停采線沿走向方向、下部?jī)A斜方向各卸壓角對(duì)應(yīng)的卸壓點(diǎn)施工驗(yàn)證孔，分別為1#、2#、3#、4#、5#；。各鉆孔見(jiàn)82煤底板坐標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

（1）走向方向取不同卸壓角時(shí)分別得出平移距△y停采線沿走向方向的被保護(hù)范圍平移距離的計(jì)算公式為△y=h/tgδ5。h取29m，δ5分別取55°、60°、65°，得△y分別為20.3m、16.7m、13.5m。

（2）傾斜方向取不同卸壓角時(shí)分別得出平移距△x工作面下部沿傾向方向被保護(hù)范圍平移距離計(jì)算公式為：△x1=（h/sinδ3）* 。h取29m，α為16°，δ3分別取70°、75°、80°，得△x1分別為18.1m、15.5m、13.4m。

（3）設(shè)計(jì)鉆孔見(jiàn)煤底板坐標(biāo)。設(shè)停采線與下部（機(jī)巷）交點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y）。1#鉆孔：δ5取60°，δ3取75°（依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D提供數(shù)據(jù)）時(shí)走向方向被保護(hù)范圍臨界線與傾斜方向被保護(hù)范圍臨界線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)82煤底板坐標(biāo)做為1#鉆孔的見(jiàn)煤坐標(biāo)。則1#鉆孔見(jiàn)煤坐標(biāo)為（x-15.5，y-16.7）。

2#鉆孔：考察走向卸壓角δ5取55°的卸壓效果，設(shè)計(jì)2#鉆孔見(jiàn)煤坐標(biāo)為（x-35.5，y-20.3）。

3#鉆孔：考察走向卸壓角δ5取65°的卸壓效果，設(shè)計(jì)3#鉆孔見(jiàn)煤坐標(biāo)為（x-55.5，y-13.5）。

4#鉆孔：考察傾向卸壓角δ3取70°的卸壓效果，設(shè)計(jì)4#鉆孔見(jiàn)煤坐標(biāo)為（x-18.1，y-36.7）。

5#鉆孔：考察走向卸壓角δ3取80°的卸壓效果，設(shè)計(jì)5#鉆孔見(jiàn)煤坐標(biāo)為（x-13.4，y-56.7）。

3、驗(yàn)證鉆孔參數(shù)計(jì)算：1#孔：開(kāi)孔位置為8212巖石集中巷集16點(diǎn)底板上1.7m，開(kāi)孔標(biāo)高為-630.8m。

根據(jù)1：1000圖測(cè)得出1#孔平距d1=28m；82煤底板標(biāo)高Z1底=-610+（-13×tg16°）=-613.7m（底板等高線圖計(jì)算得出）； △z1=630.8-613.7=17.1m

如圖（2-5）計(jì)算得出：L1=32.8m；α1=31.5°；設(shè)計(jì)終孔標(biāo)高Z1終=Z1底+2+1=-610.7m（預(yù)計(jì)82煤厚2m ，82煤頂板1m終孔）終孔距離L1終=32.8+3/sin31.5°=38.5m。

圖2-5 1#鉆孔參數(shù)計(jì)算圖

綜上得出1#鉆孔參數(shù)：276°（圖上量得）∠31.5° 38.5m終孔。

2#孔：同理得出d2=35.5m，Z2底=-608.0m， △z2=22.8m，L2=42.2 m，α2=32.7°，Z2終=-605.0m， L2終=47.8m。 2#孔鉆孔參數(shù)：242°∠32.7° 47.8m。

3#孔： d3=44m，Z3底=-602.8m， △z3=28.0m，L3=52.2 m，α3=32.5°，Z3終=-599.8m， L3終=57.8m。 3#孔鉆孔參數(shù)：213°∠32.5° 57.8m。

4#孔： d4=56m，Z4底=-614.0m， △z4=16.8m，L4=58.5 m，α4=16.7°，Z4終= -611.0m， L4終=68.9m。 4#孔鉆孔參數(shù)：280°∠16.7° 68.9m。

5#孔：同理得出d5=71m，Z5底=-616.5m， △z5=14.3m，L5=72.5 m，α5=11.4°，Z5終= -613.5m， L5終=87.7m。 5#孔鉆孔參數(shù)：：288°∠11.4° 87.7m。

4、鉆孔施工工藝。

（1）本次考察方案共設(shè)計(jì)了5個(gè)考察鉆孔，鉆孔施工采用SGZ-ID型鉆機(jī)，Φ50mm鉆桿配合Ф113mm鉆頭開(kāi)孔11m，下Ф108mm套管10m后，采用SGB6-10灌漿泵注425#水泥漿（水灰比1：0.7）封堵圍巖裂隙。48小時(shí)后，用Ф75mm鉆頭掃孔至距離設(shè)計(jì)揭煤位置10m時(shí)停止打鉆，等5個(gè)孔都鉆好后，所有鉆孔同時(shí)注漿封堵圍巖裂隙（水灰比1：0.7），壓力不少于3MPa，48小時(shí)后重新掃孔打鉆，鉆至煤層頂板以上1.0m終孔。

（2）在測(cè)壓鉆孔內(nèi)插入聯(lián)結(jié)壓力表的鋼管，管徑為14mm，進(jìn)入煤層孔1m，煤層內(nèi)管路為花管，測(cè)壓管和注漿管采用馬麗散和鐵絲進(jìn)行固定，注漿管長(zhǎng)度不得小于3m，封孔長(zhǎng)度不得低于1m。

（3）采用水泥漿液或固化材料進(jìn)行封孔充填，充填量以測(cè)壓管返漿時(shí)停止。

（4）安裝壓力表：封孔完畢24小時(shí)后，安裝孔口裝置和壓力表。

所有鉆孔在7414工作面回采結(jié)束前完工，在7414回采的過(guò)程中每三天采集一次數(shù)據(jù)。

三、保護(hù)層開(kāi)采效果研究

（一）煤層瓦斯壓力分析?；夭汕案縻@孔瓦斯壓力穩(wěn)定在1.34MP左右，以后每三天采集一次數(shù)據(jù)，直至回采結(jié)束后70天左右各鉆孔瓦斯壓力開(kāi)始穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)以往的數(shù)據(jù)研究結(jié)果表明：

1、隨著采動(dòng)影響，各鉆孔瓦斯壓力均有大幅下降，大大降低了被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性。

2、3#和5#孔瓦斯壓力較高（0 .6MP左右），1#、2#、4#孔瓦斯壓力低（0 .13MP左右）。這說(shuō)明3#和5#孔為非卸壓區(qū)，1#、2#、4#孔為卸壓區(qū)。即卸壓角δ5取 60°、δ3取75°最為合適（與《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D一致）。

3、采動(dòng)前瓦斯壓力穩(wěn)定在1.34MP左右，上保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)范圍瓦斯壓力穩(wěn)定在0.13MP左右，被保護(hù)范圍保護(hù)效果很好。

（二）煤層瓦斯含量分析

煤的瓦斯含量是指單位質(zhì)量煤體中所含的瓦斯量（m3/t），本次采用間接法計(jì)算得出。即通過(guò)測(cè)定煤層的瓦斯壓力和實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的煤層吸附常數(shù)值（b=0.84MPa-1），采用朗格繆爾方程計(jì)算出煤層的瓦斯含量。

上保護(hù)層開(kāi)采前被保護(hù)層（82煤層）的瓦斯壓力取1.34MP，用間接法計(jì)算得出煤層瓦斯含量為7.94m3/t。

上保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層（82煤層）的瓦斯壓力取0.13MP，用間接法計(jì)算得出煤層瓦斯含量為1.41m3/t。

四、結(jié)論

通過(guò)本次論述，得出以下結(jié)論：

（一）童亭煤礦82下采區(qū)上保護(hù)層開(kāi)采走向卸壓角劃定為60°，傾向卸壓角劃定為75°。與《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D一致。

（二）通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出上保護(hù)層開(kāi)采后82煤層被保護(hù)區(qū)瓦斯壓力由1.34MPa降為0.13MPa；通過(guò)計(jì)算得出上保護(hù)層開(kāi)采后82煤被保護(hù)區(qū)瓦斯含量由7.94m3/ t降為1.41m3/t；大大降低了被保護(hù)層被保護(hù)范圍的突出危險(xiǎn)性。

（三）本次成功的對(duì)7414工作面上保護(hù)層開(kāi)采進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用同樣方法在不同采區(qū)不同工作面多次對(duì)82煤的保護(hù)范圍進(jìn)行研究與驗(yàn)證。一系列驗(yàn)證結(jié)果表明：經(jīng)7煤保護(hù)層開(kāi)采后82煤的瓦斯壓力和瓦斯含量大大降低，變高瓦斯、突出煤層為低瓦斯、非突出煤層。形成了一套適合童亭煤礦的保護(hù)層開(kāi)采瓦斯治理技術(shù)方案，確保了82煤層的安全回采，并為我礦節(jié)約用于區(qū)域綜合防突措施的部分巨額資金，從而全面提高了我礦的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

（四）通過(guò)比較驗(yàn)證鉆孔中瓦斯壓力和瓦斯含量的測(cè)算數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該計(jì)算公式和卸壓角選擇的正確性。因此本文對(duì)于指導(dǎo)保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)范圍劃分，以及培養(yǎng)煤礦三維空間立體感都有一定的參考意義。

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