劉光明

保護(hù)層開采以后，周圍巖體的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力重新分布，進(jìn)而周圍煤巖體就會(huì)向采空區(qū)方向移動(dòng)，特別是下保護(hù)層開采后，首先導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層的應(yīng)力降低，進(jìn)而破斷發(fā)生垂直位移，同時(shí)發(fā)生膨脹變形并在被保護(hù)層內(nèi)部產(chǎn)生很多的微裂隙，被保護(hù)層的煤層透氣性就會(huì)成千上萬(wàn)倍的增加，同時(shí)這些微裂隙也為煤層瓦斯的流動(dòng)提供了通道，如果被保護(hù)層的瓦斯含量較大，這樣被保護(hù)層的吸附狀態(tài)的瓦斯就會(huì)不斷的解吸，直到下降到平衡，此時(shí)再配合被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽放對(duì)增加被保護(hù)層的保護(hù)范圍[1-2]。因此，研究保護(hù)層開采機(jī)理，判別保護(hù)層與被保護(hù)層的層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的初次破斷及周期破斷規(guī)律，對(duì)研究下保護(hù)層開采的卸壓保護(hù)范圍有著十分重要的意義[3]。

1 工程概況

二1煤層為礦井主采煤層，位于二迭系山西組下部，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤厚4.0～15.0 m，平均7.3 m，煤層傾角為5°～25°，平均20°。二1煤底板下50 m以內(nèi)存在4層煤，如果對(duì)其進(jìn)行回采，形成下位保護(hù)層，上覆二1煤層將會(huì)得到卸壓，出現(xiàn)裂隙，煤層透氣性系數(shù)將會(huì)增加，非常有利于二1煤層瓦斯的抽采和消突，對(duì)二1煤層回采區(qū)域的安全、高效生產(chǎn)產(chǎn)生積極的作用。

采區(qū)主要巖層及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

序號(hào) 巖性 厚度/m體積力(MN/m3)抗拉強(qiáng)度σb/MPa彈性模量/MPa 13 中粒砂巖 4.6 0.023 25000 7 12 砂質(zhì)泥巖 7.3 0.026 11000 2 11 中粒砂巖 3 0.023 25000 7 10 石灰?guī)r 0.7 0.024 22000 5 9 煤線 0.2 0.015 2000 0.2 8 砂質(zhì)泥巖 1.5 0.026 11000 2 7 中粒砂巖 2 0.023 25000 7 6 砂質(zhì)泥巖 2 0.026 11000 2 5 中粒砂巖 2.5 0.023 25000 7 4 砂質(zhì)泥巖 5 0.026 11000 2 3 石灰?guī)r 4.5 0.024 22000 5 2 煤線 0.3 0.015 2000 0.2 1 砂質(zhì)泥巖 4 2 0.026 11000 0 一8煤層 1.2 0.015 2000 0.2

根據(jù)礦方開采設(shè)計(jì)，選擇一8煤層先行開采，作為二1煤層的保護(hù)煤層，利用保護(hù)層開采產(chǎn)生的頂板裂隙對(duì)二1煤層瓦斯進(jìn)行釋放，達(dá)到二1煤層安全開采的目的。

2 保護(hù)層開采高度的確定

由于一8煤層平均厚度僅有0.8 m，局部煤層厚度0.2～0.3 m，因此需要開采一部分偽頂或砂質(zhì)泥巖直接頂保證被保護(hù)層的卸壓效果。當(dāng)采高分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m時(shí)可根據(jù)冒落帶及裂隙帶的公式求得冒落帶及裂隙的高度[4]，如表2所示。

表2 不同采高的冒落帶及裂隙帶高度

由表4可知，一8煤層開采1.0 m時(shí)，二1煤層完全處在彎曲下沉帶中，煤層的增透效果不好；一8煤層開采1.2 m時(shí)，二1煤層完全處在裂隙帶及彎曲下沉的交界處，煤層有一定的增透效果；一8煤層開采1.5 m時(shí)，二1煤層有一部分處在裂隙帶內(nèi)，煤層的增透效果較好。但若開采高度為1.5 m時(shí)，就會(huì)開采平均0.7 m的矸石，經(jīng)濟(jì)上不合理，故一8煤層的采高可定為1.2 m。

3 保護(hù)層工作面合理長(zhǎng)度的確定

保護(hù)層工作面的長(zhǎng)度決定著被保護(hù)層的解放范圍，保護(hù)層工作面長(zhǎng)度越大，上部被保護(hù)層解放的范圍就越大；又由于下保護(hù)層工作面為首采工作面，鶴壁礦區(qū)對(duì)薄煤層開采解放層的技術(shù)還處于摸索階段，故下保護(hù)層工作面長(zhǎng)度不宜過(guò)大，認(rèn)為下保護(hù)層3307工作面合理長(zhǎng)度應(yīng)該為能夠解放二1煤層工作面平均長(zhǎng)度為宜。

3.1 最小工作面長(zhǎng)度

3307工作面的最小長(zhǎng)度Lmin應(yīng)該為保護(hù)層工作面開采后，上覆巖層不斷運(yùn)移最后達(dá)到平衡，二1煤層恰好處在被解放范圍的上部，見圖1。

圖1 工作面最小長(zhǎng)度

故最小長(zhǎng)度Lmin為：

式中：KM、JN為保護(hù)層與被保護(hù)層的絕對(duì)垂距，平均46 m；δ1、δ2為下保護(hù)層開采后對(duì)上被保護(hù)層的卸壓角，°，如表3所示。

表3 保護(hù)層沿傾斜的卸壓角

故最小長(zhǎng)度：

3.2 煤層巷道兩幫瓦斯卸壓帶寬度

二1煤層工作面上下順槽在開掘后，在順槽的兩幫都有一定的瓦斯卸壓范圍，可認(rèn)為這個(gè)卸壓范圍安全不會(huì)發(fā)生瓦斯突出。

該礦在許多開采過(guò)的順槽做過(guò)測(cè)試，即向順槽的兩幫打鉆孔測(cè)兩幫鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力和相對(duì)瓦斯含量，歷次測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 被保護(hù)層順槽鉆孔測(cè)試參數(shù)

由上表可知，測(cè)得不同工作面順槽兩幫15 m范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于8 m3/t，在《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的范圍之內(nèi)。由于該礦煤層瓦斯覆巖情況變化不大，可認(rèn)為3307工作面上部的二1煤層順槽在掘進(jìn)之后兩幫15 m以內(nèi)的煤層瓦斯壓力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于 8 m3/t。

3.3 保護(hù)層的合理長(zhǎng)度的確定

設(shè)3307工作面的合理長(zhǎng)度為L(zhǎng)18，二1煤層的長(zhǎng)度為L(zhǎng)21，二1煤層順槽兩幫的卸壓寬度為L(zhǎng)hd，則由圖2可知，3307工作面的合理長(zhǎng)度L18為：

整理得：

圖2 下保護(hù)層工作面合理長(zhǎng)度

二1煤層工作面長(zhǎng)度一般為105～150 m，取平均值為120 m，則下保護(hù)層3307工作面的合理長(zhǎng)度為：

3307工作面上下順槽寬度都是3.2 m，故3307工作面僅需106-6.4=99.6 m即可，因此取3307工作面長(zhǎng)度為100 m。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比二1煤層下部四層薄煤層的條件，最終選擇了一8煤層作為保護(hù)層。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得當(dāng)一8煤層開采高度為1.2 m時(shí)，二1煤層正好處在裂隙帶上部及彎曲下沉帶下部，最終確定了一8煤層工作面的采高為1.2 m。

〔1〕馬占國(guó)，涂 敏，馬繼剛.遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采煤巖體變形特征[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（3）：362-367.

〔2〕邵景忠.區(qū)域性防治瓦斯突出措施-解放層的分類、作用原理及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2008（6）：162-164.

〔3〕王延生.上保護(hù)層開采及卸壓瓦斯抽采的消突效果研究[J].山西焦煤科技，2017（Z1）：39-43.

〔4〕劉彥鵬.基于UDEC的近距離上保護(hù)層開采數(shù)值模擬研究[J].能源與環(huán)保，2017（9）：62-64.

〔5〕劉艷紅.晉中礦區(qū)突出煤層上保護(hù)層開采總體方案研究[J].山西焦煤科技，2017（7）：77-79.

〔6〕高 翔，龍賀.近距離上保護(hù)層采動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬及分析[J].山西焦煤科技，2017（7）：47-49.