申晉豪　李潤求　王剛

摘 要：上保護層開采后鄰近煤層瓦斯涌入工作面后造成工作面瓦斯超限，通過對瓦斯來源以及瓦斯運移分析提出了相關(guān)的降低保護層瓦斯超限的方法；提出不同層間距對被保護層和保護層的抽采鉆孔的鉆孔布置時機的影響分析和相應的解決方法。

關(guān)鍵詞：上保護層；瓦斯抽采；瓦斯超限；鉆孔布置；抽采鉆孔

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0060-03

Abstract： The overrun of gas in the working face is caused by the influx of gas from the adjacent coal seam after the upper protective layer is mined. Through the analysis of the gas source and gas migration， the related methods for reducing the overrun of the gas in the protective layer are put forward. The analysis of the influence of different interval spacing on the drilling time of the protected layer and the extraction borehole of the protective layer， and the corresponding solving methods.

Keywords： upper protective layer； gas drainage； gas overrun； borehole layout； drainage borehole

引言

我國是世界上煤與瓦斯突出災害最嚴重的國家之一，自上世紀五十年代年吉林省遼源礦務局富國西二坑發(fā)生第一次有記錄突出以來，我國礦井不斷發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出事故，雖然近年來國家加強煤礦安全投入，但煤與瓦斯突出事故還是時有發(fā)生。一方面是由于煤礦對安全問題的疏忽，另一方面也是因為經(jīng)過多年來的開采我國大部分礦井已經(jīng)進入深部開采，深部開采時代的到來造成很多低瓦斯煤礦變?yōu)楦咄咚沟V井，高瓦斯礦井的煤與瓦斯突出問題更加嚴重。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》在開采具有突出危險性煤層群時應首選保護層開采作為區(qū)域防突措施[1]。

保護層開采技術(shù)最早用于防治煤與瓦斯突出是在法國，之后在各個主要采煤國得到廣泛運用和改進。我國自上世紀中后期以來進行了大量保護層開采的試驗研究，先后在北票、天府、中梁山等礦區(qū)開展了實驗性研究，取得了一系列成果。我國煤炭賦存多以煤層群賦存，這就為保護層開采提供了條件。

國家要求強制開采保護層，做到可保盡保、并抽采瓦斯降低瓦斯壓力?？梢姳Ｗo層開采結(jié)合被保護層卸壓瓦斯抽采已成為我國煤礦優(yōu)先使用的一種區(qū)域性瓦斯災害治理技術(shù)。本文重點闡述了當前上保護層開采中的兩大問題并對其問題的原因進行了分析并提出了應該重視的現(xiàn)場施工問題以及相應的處理辦法。

1 被保護層瓦斯運移原因和影響因素

為消除鄰近煤層的突出危險而先開采的煤層稱為保護層。位于被保護的煤層上方稱為上保護層。煤層開采后煤層周圍因為受采動影響導致煤層卸壓，彈性潛能釋放，產(chǎn)生大量裂隙，煤巖層透氣性增大，這就為瓦斯的解析和運移提供了通道和瓦斯?jié)舛炔?，再通過人工手段進行強化抽采進而消除煤與瓦斯突出危險。

保護層開采后，由于改變了保護層下方的平衡狀態(tài)，采空區(qū)底板一定范圍內(nèi)的煤巖層發(fā)生了底鼓變形和破壞，底板下方由于受煤巖層性質(zhì)以及到采空區(qū)距離影響，出現(xiàn)了兩個分帶即底鼓裂隙帶和底鼓變形帶[2]。底鼓裂隙帶內(nèi)的裂隙主要是由于煤巖層離層后產(chǎn)生的順層裂隙和由于煤巖層斷裂而產(chǎn)生的垂直、斜交的穿層裂隙，底鼓裂隙帶中的順層裂隙和穿層裂隙都為瓦斯運移和濃度差的產(chǎn)生提供了條件，穿層裂隙的產(chǎn)生為煤巖層瓦斯向采空區(qū)的運移提供了通道。底鼓變形帶內(nèi)的裂隙主要以沿煤巖層層理形成的順層裂隙為主。

當前保護層瓦斯的抽采效果除了受抽采方法和瓦斯賦存狀況影響外，主要是受被保護層透氣性、保護層和被保護層之間的煤巖層透氣性的影響。透氣性增加倍數(shù)的變化大小直接影響了后期的瓦斯抽采效果。受保護層采動影響范圍內(nèi)的煤巖層性質(zhì)、被保護層和保護層的層間距以及被保護層的煤層傾角都直接影響著透氣性增加倍數(shù)。

根據(jù)多年的生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，上保護層開采造成的底板裂隙帶的高度為18-20倍采高[2]。當保護層處于被保護層底板中的底鼓裂隙帶中下部時，被保護層的的裂隙雖然發(fā)育，透氣性增加，但未完全形成溝通的通道，卸壓瓦斯只有一部分能自然排放，大部分瓦斯還需要進行瓦斯抽采，才能消除突出危險。當被保護層處于底鼓彎曲帶時，煤巖層中形成了大量的順層裂隙，而穿層裂隙很少，這樣被保護層中的瓦斯很難做到自然排放。

2 被保護層瓦斯涌向保護層工作面造成瓦斯超限

在上保護層開采及卸壓瓦斯抽采的過程中存在最大的問題就是當保護層開采后處于底鼓裂隙帶中的被保護層由于順層裂隙和穿層裂隙發(fā)育，造成大量的吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，從底板遠端到保護層工作面產(chǎn)生了瓦斯?jié)舛葔毫Σ?，裂隙的發(fā)育又為瓦斯的運移提供了大量的通道，造成被保護層的卸壓瓦斯大量向保護層工作面涌來如圖1，這就造成了保護層工作面瓦斯超限，為保護層的正常開采帶了巨大的安全隱患。以青東煤礦上保護層開采為例，保護層回采工作面的瓦斯涌出量69%來源于被保護層的卸壓瓦斯[1]，如果這些瓦斯不及時采取辦法處理將會造成很大的安全事故。

當前處理被保護層瓦斯向保護層工作面涌出的問題，主要是通過攔截瓦斯和降低被保護層瓦斯含量。攔截瓦斯可在保護層與被保護層中間的巖層中開鑿抽采巷道或在保護層底板開鑿巖巷通過穿層鉆孔進行抽采攔截，穿層鉆孔可以同時抽采保護層瓦斯，抽采成本將會降低。如果保護層和被保護層層間距較小不能在之間開鑿巷道或其他條件不滿足，也可從保護層向被保護層打鉆孔、在被保護層底板開鑿底板巖巷向被保護層打穿層鉆孔抽采進而降低被保護層的瓦斯含量。

對于被保護層涌出的瓦斯造成工作面或采空區(qū)瓦斯超限的問題時，應在保護層瓦斯治理的時候進行綜合治理。由于工作面瓦斯不僅僅只有被保護層瓦斯，還有部分本煤層瓦斯，在進行保護層工作面瓦斯超限進行治理時多使用采空區(qū)埋管抽采、采空區(qū)長立管抽采、上隅角插管抽采、底板巖巷上向網(wǎng)格式穿層鉆孔等方法綜合運用進行治理。大部分礦井在采取以上方法進行綜合治理后都取得了很好的效果。

如汪家寨煤礦在應對11號被保護層瓦斯向8號上保護層的X40806工作面涌出，造成保護層工作面瓦斯超限的瓦斯涌出問題時，通過在工作面的運輸巷和回風巷布置底板穿層鉆孔對鄰近煤層的卸壓瓦斯進行攔截抽采，同時結(jié)合回風巷留管抽采采空區(qū)瓦斯，有效的解決了X40806工作面的瓦斯突出危險，抽采率達到了84.6%，杜絕了瓦斯超限[3]。

3 被保護層抽采鉆孔布置時機及位置把控

在煤層走向方向由于保護層工作面的推進改變了煤巖層的原有應力分布情況，采空區(qū)底板巖層發(fā)生移動變形，圍巖應力重新分布。在走向方向形成了原始應力區(qū)、支撐應力區(qū)、卸壓區(qū)和應力逐漸恢復區(qū)如圖2所示。四個應力區(qū)的被保護層透氣性大小為：卸壓區(qū)>應力逐漸恢復區(qū)>原始應力區(qū)>支撐應力區(qū)。

卸壓區(qū)是由于受保護層開采產(chǎn)生應力轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)頂板或底板一定范圍的煤巖層內(nèi)形成的應力降低區(qū)，最大卸壓點在保護層工作面后方20-130m處[2]，它的位置是隨著工作面的推進而改變的，此區(qū)域的被保護層的煤體發(fā)生膨脹變形，原生裂隙張開，隨著煤巖體的移動形成次生裂隙，被保護層透氣性呈幾何級倍數(shù)增大，為被保護層的卸壓瓦斯抽采提供了有利條件。卸壓區(qū)的范圍主要受層間巖性、層間距的影響，它是隨工作面的移動而移動的。所以在抽采被保護層瓦斯時由于卸壓區(qū)的透氣性成幾何倍增加，這就為被保護層的卸壓瓦斯抽采提供了有利條件，只有這樣才能實現(xiàn)保護層開采技術(shù)的應用效果的最大化。

因此在保護層卸壓瓦斯抽采過程中對卸壓區(qū)的位置的確定將會很重要，以祁東煤礦上保護層開采為例，由于未發(fā)現(xiàn)被保護層卸壓區(qū)滯后20-25m，在鉆孔施工時出現(xiàn)了噴孔、夾鉆、鉆孔突出、并出現(xiàn)保護層回采動壓破壞封孔段漏氣、煤孔段塌孔等重大安全隱患[4]。因此卸壓區(qū)的位置確定在保護層開采卸壓瓦斯的應用中非常重要。

目前被保護層底板穿層抽采鉆孔普遍都是超前保護層工作面施工的，如果不能合理把控鉆孔的打孔時機和鉆孔位置，那么在突出嚴重的煤層中施工鉆孔不僅會造成噴孔、卡鉆等問題，還會由于保護層的開采引起前方應力集中，容易造成鉆孔切斷或鉆孔變形進而對后面的瓦斯抽采造成影響，嚴重的將不能達到消除突出的目的。因此對鉆孔位置和時機的把握在保護層及卸壓瓦斯抽采中是至關(guān)重要的。

經(jīng)過多年來的現(xiàn)場研究表明，在近距離上保護層開采過程中，由于保護層和被保護層之間層間距較小，被保護層受集中應力影響較大，也為了防止鄰近層卸壓瓦斯大量涌向保護層工作面和采空區(qū)，可以超前上保護層工作面施工穿層鉆孔；在中遠距離上保護層開采過程中，為保障底板穿層鉆孔的安全施工和瓦斯的高效抽采，可以滯后上保護層工作面15-20m施工抽采鉆孔；再遠距離上保護層開采過程中如果被保護層的突出危險性較大，鉆孔施工則需要滯后上保護層采煤工作面20-30m，如果被保護層突出危險性較小，則可以超前上保護層工作面施工鉆孔[5]。

4 結(jié)論

（1）上保護層開采造成被保護層瓦斯涌向保護層工作面造成瓦斯超限，可采用采空區(qū)埋管抽采、采空區(qū)長立管抽采、上隅角插管抽采、底板巖巷上向網(wǎng)格式穿層鉆孔等方法綜合運用進行治理，治理后可使工作面瓦斯超限問題得到解決。

（2）對被保護層瓦斯抽采鉆孔布置時機和位置的把控不當將會造成的問題進行了分析，得出了保護層和被保護層的層間距為近距離時可以超前上保護層工作面施工穿層鉆孔，中遠距離可以滯后上保護層工作面15-20m施工抽采鉆，遠距離時需要滯后上保護層采煤工作面20-30m施工抽采鉆孔。

參考文獻：

[1]陳延可，戴廣龍，汪大全.上保護層開采卸壓瓦斯治理技術(shù)研究[J].煤炭科學技術(shù)，2013，41（3）：77-80.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992：92-97.

[3]石琨.近距離煤層群上保護層煤與瓦斯共采技術(shù)研究[J].煤炭工程，2018，50（7）：64-66.

[4]孟賢正，李成成，張永將，等.上保護層開采卸壓時空效應及被保護層抽采鉆孔優(yōu)化研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（1）：26-31.

[5]黃旭超.遠距離上保護層開采瓦斯治理創(chuàng)新技術(shù)[J].煤炭開采，2010，15（6）：86-90.