申志勇 蘇靜 蔣興義 李久錇 歐一昌 王曉雙

摘要：保護(hù)層開采是指開采煤層群的情況下，首選無突出危險(xiǎn)或突出危險(xiǎn)較小的煤層來開采，利用其產(chǎn)生的采動(dòng)影響，來降低或消除有突出危險(xiǎn)煤層的危險(xiǎn)性的開采方式。遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采后，頂?shù)装鍘r層向采空區(qū)方向移動(dòng)和變形，應(yīng)力重新分布，在卸壓保護(hù)范圍內(nèi)，被保護(hù)層應(yīng)力降低，在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生離層裂隙和穿層裂隙，為瓦斯涌出提供了通道，同時(shí)卸壓使得被保護(hù)層的透氣性增大，若結(jié)合合理的被保護(hù)層瓦斯抽采技術(shù)，預(yù)抽被保護(hù)層卸壓瓦斯，大大降低被保護(hù)層的瓦斯壓力和含量，從而實(shí)現(xiàn)高瓦斯被保護(hù)層的卸壓防突。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離;保護(hù)層;卸壓開采;瓦斯治理

0引言

目前，我國國有煤礦大多是瓦斯礦井煤層群開采，且高瓦斯礦井占50%以上，其中300多對(duì)礦井為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)為世界之最?，F(xiàn)有的瓦斯礦井主要特點(diǎn)是開采深度大、瓦斯壓力大、瓦斯含量高，具有低透氣性、可壓密性和易流變性“三性”特征。我國大部分的高瓦斯礦區(qū)都為低透氣煤層，以淮南礦區(qū)為例，煤層透氣性系數(shù)僅為0.001～0.008 m2/（MPa2·d），煤層瓦斯不易在采前預(yù)抽，但在采掘過程中煤層瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定條件下易發(fā)生煤與瓦斯突出，且突出規(guī)模大，有的礦井煤與瓦斯突出甚至超過1萬t，瓦斯涌出或煤與瓦斯突出控制不當(dāng)將可能導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生，從而造成更大的災(zāi)難。低透氣性煤層，致使煤層瓦斯抽采的效果較差。開采實(shí)踐表明，保護(hù)層開采仍然是最有效、最經(jīng)濟(jì)的煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害區(qū)域性防治措施。通過保護(hù)層開采技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鄰近煤層的卸壓增透，從而提高被保護(hù)層瓦斯抽采的效果。

1工程概況

某典型礦區(qū)礦井原設(shè)計(jì)能力60萬t/年，服務(wù)年限100年，1993～1997年礦井進(jìn)行改擴(kuò)建，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬噸/年，服務(wù)年限46年。由于改擴(kuò)建時(shí)沒有對(duì)主斜井（箕斗提升）進(jìn)行改造，主提升能力沒有達(dá)到120萬噸/年的擴(kuò)建要求，2006年礦井核定生產(chǎn)能力為90萬t/年。大河邊煤礦于1966年1月設(shè)計(jì)，1966年3月破土動(dòng)工，采用斜井多水平開拓、采區(qū)上山大聯(lián)合、區(qū)段集中巷的聯(lián)合布置方式，主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井及區(qū)段集運(yùn)大巷均布置在煤系底板的一次噴發(fā)玄武巖內(nèi)。現(xiàn)開采標(biāo)高為+1300m～+1376m，+1376m標(biāo)高以上已全部回采完畢。礦井現(xiàn)有1個(gè)綜采工作面，2個(gè)半煤巖掘進(jìn)工作面，掘進(jìn)工作面均為炮掘工作面。

S1303工作面為13號(hào)煤層的綜采工作面，位于南采區(qū)S+1317新回風(fēng)石門以南，工作面上限標(biāo)高+1391m，下限標(biāo)高+1312m，南以切眼為界，北以預(yù)計(jì)停采線為界。S1303工作面上覆S1101、S1101中工作面采空區(qū)，工作面距采空區(qū)法向距離4m，上區(qū)段為S1301、S1301中工作面采空區(qū)，工作面地面對(duì)應(yīng)位置為段家?guī)r往東350～1200m，地面為表土不厚的順向坡堆積物。工作面距地表垂深560～645m。S1303工作面位于南采區(qū)S+1317新回風(fēng)石門以南，工作面上限標(biāo)高+1391m，下限標(biāo)高+1312m，南以切眼為界，北以預(yù)計(jì)停采線為界。S1303工作面布置示意圖如圖1所示。

2遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采基本理論

保護(hù)層開采是指開采煤層群的情況下，首選無突出危險(xiǎn)或突出危險(xiǎn)較小的煤層來開采，利用其產(chǎn)生的采動(dòng)影響，來降低或消除有突出危險(xiǎn)煤層的危險(xiǎn)性的開采方式。1）按保護(hù)層與被保護(hù)層的空間關(guān)系來劃分，可分為上保護(hù)層和下保護(hù)層，處于豎直方向的上方且用來保護(hù)其下部煤層的叫上保護(hù)層，反之為下保護(hù)層;2）依據(jù)護(hù)層與被保護(hù)層的層間距離的差異來劃分，當(dāng)兩者的層間距滿足條件10m時(shí)為近距離保護(hù)層、層間距符合10m<h≤50m條件時(shí)為中距離保護(hù)層、當(dāng)層間距離h>50m時(shí)稱遠(yuǎn)程保護(hù)層。隨著煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展和對(duì)保護(hù)層開采理論和應(yīng)用技術(shù)研究的重視，國內(nèi)外專家學(xué)者己經(jīng)對(duì)保護(hù)層開采的卸壓機(jī)理、卸壓保護(hù)范圍的劃分等已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)。

下保護(hù)層開采后，頂?shù)装鍘r層向采空區(qū)方向移動(dòng)和變形，應(yīng)力重新分布，在卸壓保護(hù)范圍內(nèi)，被保護(hù)層應(yīng)力降低，在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生離層裂隙和穿層裂隙，為瓦斯涌出提供了通道，同時(shí)卸壓使得被保護(hù)層的透氣性增大，若結(jié)合合理的被保護(hù)層瓦斯抽采技術(shù)，預(yù)抽被保護(hù)層卸壓瓦斯，大大降低被保護(hù)層的瓦斯壓力和含量，從而實(shí)現(xiàn)高瓦斯被保護(hù)層的卸壓防突。保護(hù)層開采采動(dòng)影響卸壓因素變化順序?yàn)椋洪_采保護(hù)層一煤和圍巖層移動(dòng)一被保護(hù)煤層產(chǎn)生卸壓效應(yīng)（地應(yīng)力降低、煤層膨脹變形、煤巖層裂隙發(fā)育）一煤層透氣性增加、煤層吸附瓦斯開始解吸一煤巖層瓦斯運(yùn)移能力增高一抽放瓦斯?jié)舛?、抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯氣體流量大幅增高一被保護(hù)煤層的殘余瓦斯壓力明顯下降一卸壓煤層瓦斯氣體的含量大大減少一煤體的強(qiáng)度得到顯著提高一地應(yīng)力再度下降。保護(hù)層開采被保護(hù)層卸壓防突的技術(shù)原理如圖2所示。

3 保護(hù)層采動(dòng)影響下圍巖應(yīng)力分布特征

已經(jīng)釆出的煤層在其周圍會(huì)形成一定范圍的開采空間，這時(shí)開采空間圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)重新分布，導(dǎo)致原始應(yīng)力狀態(tài)向新的采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化。受到地應(yīng)力的影響，其上覆巖體在跨落后充填到下方的采空區(qū)里，此時(shí)自然壓力拱形成于采空區(qū)上方，在進(jìn)行采的過程中，壓力開始向采空區(qū)周圍的巖層傳遞，與此同時(shí)釆場(chǎng)的圍巖也會(huì)向采空區(qū)移動(dòng)和變形。

在采面不斷向前推進(jìn)的過程中，若干應(yīng)力區(qū)間形成于保護(hù)層開采的層面上：應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)以及應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。工程實(shí)踐表明：在不同開采條件條件下，在開采過程中重新分布的應(yīng)力其變化規(guī)律大致相同，同時(shí)具有基本一致的空間形態(tài)，具體分區(qū)如圖3所示。

（1）原巖應(yīng)力區(qū)：因處于距離保護(hù)層采面前方較遠(yuǎn)的地方，暫時(shí)沒有受到其后方的采動(dòng)影響，各層煤巖體其受力狀態(tài)可視為原始應(yīng)力下的受力，在此區(qū)間內(nèi)的煤層瓦斯其動(dòng)力學(xué)參數(shù)相對(duì)地保持不變。

（2）應(yīng)力集中區(qū)：通常情況下，該區(qū)的位置處于回采面后方25m到前方55m遠(yuǎn)的地方，其最大壓力支承點(diǎn)出現(xiàn)在采面前方3～32m的范圍內(nèi)。壓力拱在覆巖垮落后伴隨著工作面的推進(jìn)也向前不斷延伸，拱腳（支承端）附近的煤巖體相對(duì)承受較大的覆巖重量，由此產(chǎn)生了應(yīng)力集中。煤體在應(yīng)力集中區(qū)被壓縮，其中的裂隙、孔隙因?yàn)槭艿綁嚎s而封閉，導(dǎo)致煤層的透氣性降低，而煤巖體的應(yīng)力相對(duì)較大，煤與瓦斯的突出危險(xiǎn)性增大。

（3）應(yīng)力降低區(qū)（卸壓區(qū)）：處于此區(qū)間內(nèi)的瓦斯流動(dòng)性最強(qiáng)，因上覆巖層的大部分壓力分?jǐn)偟狡渲車拿簬r層和采空區(qū)垮落的矸石上，煤體和圍巖的應(yīng)力均開始出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，裂隙在煤體內(nèi)張開并得到充分地發(fā)育，煤巖體的排放瓦斯的能力也不斷增大，且煤層的吸附瓦斯不斷解吸。通常情況下，卸壓效果開始于采煤工作面后方0～25m處，其最大卸壓位置則一般出現(xiàn)在采煤工作面后方25～125m的范圍內(nèi)。

應(yīng)力恢復(fù)區(qū)：在保護(hù)層工作面推過后的釆空區(qū)內(nèi)，距離回采工作面后方較遠(yuǎn)的地方，其煤巖層仍舊保持一定的膨脹變形，上覆巖層的壓力逐漸地過渡到從頂板挎落的矸石上，該區(qū)的應(yīng)力變化逐漸升高并趨于穩(wěn)定（最終應(yīng)力一般小于原始應(yīng)力）。

4 保護(hù)層工作面上覆巖體裂隙發(fā)育分析

因受到保護(hù)層開采的采動(dòng)影響，兩種典型的裂隙此時(shí)形成于采場(chǎng)上覆的巖層中：1）豎向裂隙（垂直或斜交于層理面），這類裂隙的產(chǎn)生是由于巖層受到下向的彎曲拉伸，豎向裂隙能夠部分或全部地穿透位于其上方和下方的巖體（稱為豎向穿層裂隙），層狀連續(xù)性依然存在于裂隙的兩邊的巖層中，煤層瓦斯通過這些采動(dòng)造成的“通道”即可實(shí)現(xiàn)層間流動(dòng);2）離層裂隙（沿著層理面），在巖層下沉的過程中，因各層巖體的巖性、巖層厚度等的差異，造成各巖層的下沉步調(diào)不一致，由此離層裂隙產(chǎn)生于各巖層之間。在保護(hù)層的開采過程中，這兩類裂隙的分布在相對(duì)采面的不同位置、不同高度上呈現(xiàn)出不均勻性，有些巖層之間出現(xiàn)離層現(xiàn)象，有些巖層之間則發(fā)生斷裂和冒落。通常情況下，離層裂隙位于穿層裂隙之上，而穿層裂隙只存在于特定的高度范圍內(nèi)。

受到保護(hù)層開采采動(dòng)的影響，覆巖分層運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)展從而形成了裂隙帶，隨著工作面的推進(jìn)裂隙帶處于不斷的發(fā)展中，裂隙帶內(nèi)縱橫交錯(cuò)著各種裂隙，大量的穿層裂隙和離層裂隙分布于其中，在卸壓瓦斯的運(yùn)移過程中，這兩類裂隙扮演了極為重要的角色，二者在裂隙帶內(nèi)的形狀類似于橄欖，稱為橢拋帶通過對(duì)保護(hù)層開采引起的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，錢鳴高在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上提出了采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層理論理論指出：煤層在采出之后，覆巖向采空區(qū)移動(dòng)變形的過程中，決定其變形移動(dòng)速率和幅度的巖層稱之為關(guān)鍵層。1）主關(guān)鍵層處在彎曲帶內(nèi)并位于橢拋帶的上方時(shí)，位于關(guān)鍵層上方的巖層表現(xiàn)為多巖層同步變形，并且和地表沉陷相對(duì)應(yīng)，此時(shí)大量離層裂隙出現(xiàn)在裂隙帶的上部，而下部破斷裂隙較為發(fā)育;2）主關(guān)鍵層位于橢拋帶內(nèi)并且貫穿其中時(shí)，橢拋帶輪廓線呈橢球臺(tái)狀且并不明顯，以豎向破斷裂隙為主的采動(dòng)裂隙出現(xiàn)在關(guān)鍵層的下方，而少量的離層裂隙和破斷裂隙在關(guān)鍵層的上方微弱發(fā)育;3）主關(guān)鍵位于裂隙帶時(shí)，在主關(guān)鍵層發(fā)生斷裂的過程中破斷裂隙開始形成，并且連通其上部的離層裂隙，形成了瓦斯運(yùn)移的通道。

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作者簡介：申志勇（1998.09-），男，仡佬族，貴州省務(wù)川縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202110977113）