李臣武
(貴州職業(yè)技術學院建筑工程學院,貴州 貴陽 550023)
瓦斯是影響礦井安全生產(chǎn)的重要制約因素,特別是近距離煤層群瓦斯給礦井安全開采帶來的困難尤為明顯,尋找近距離煤層群瓦斯治理的有效方法迫在眉睫[1]。開采保護層是我國井工煤礦主要區(qū)域防突技術措施之一,保護層開采能降低煤與瓦斯突出危險,增大煤層透氣性,有利于瓦斯抽采[2]。保護層分為上保護層和下保護層,下保護層開采能極大改善被保護層的應力狀態(tài),卸壓增透效果明顯,大大降低瓦斯含量,有效地控制煤與瓦斯突出危險性[3]。金源煤礦下保護層M9 煤層已開采,需對其上覆煤層M5 煤層的保護效果進行判定,同時也是決定M5 煤層被保護范圍是否繼續(xù)采取區(qū)域防突措施的關鍵問題。
金源煤礦主要可采煤層從上往下依次為M5、M9、M13 煤層,M5、M9、M13 煤層相鄰間距分別為11.23 m、27.43 m。礦井瓦斯等級為煤與瓦斯突出礦井,礦井采用斜井開拓方式,全礦井劃分為1 個水平3 個采區(qū),水平標高+1080 m。一采區(qū)采用聯(lián)合布置,開采一采區(qū)下山南側的M5、M13 煤層,二采區(qū)、三采區(qū)分層布置,二采區(qū)開采M5 煤層(+1150 m 至一采區(qū)下山北側的煤層),三采區(qū)開采M13 煤層(+1080 m 至一采區(qū)下山北側煤層)。礦井范圍M9 煤層已開采結束,正在回采M5 煤層,一采區(qū)10501、10503 工作面已開采完,10505、10507、10509 工作面切眼已貫通。M9 與M5 煤層間距7.98~16.10 m,平均11.23 m。M5 煤層的下保護層M9 煤層已開采,經(jīng)現(xiàn)場調查M5 煤層未受到破壞。
《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定緩傾斜和傾斜煤層下保護層的最大保護垂距為100 m[3],M5 與M9 煤層間距為11.23 m,小于100 m,M5 煤層處于M9 煤層的有效保護垂距范圍內。
保護層沿傾斜的保護范圍可按卸壓角劃定,卸壓角與煤層傾角、開采深度、地層巖性等因素有關。
金源煤礦M5 煤層傾角為4°,M5 煤層與M9煤層間距為11.23 m,根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》選取卸壓角δ1=79°,δ2=81°。M9 煤層開采后,M5 煤層沿傾斜方向的保護范圍如圖1。
圖1 M9 煤層對M5 煤層沿傾斜方向的保護范圍
M9 煤層采煤工作面停采時間已遠超3 個月,卸壓比較充分,則采煤工作面對被保護層(M5 煤層)沿走向的保護范圍對應于始采線、采止線及所留煤柱邊緣位置的邊界線可按卸壓角56°~60°進行取值,該次取58°。走向方向保護范圍如圖2。
圖2 M9 保護層工作面沿走向方向對M5 煤層保護范圍
金源煤礦采取開采M9 煤層保護層作為區(qū)域防突措施,根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》第六十八條規(guī)定,以煤層殘余瓦斯壓力實測值為主要指標,以煤層殘余瓦斯含量及其他指標為輔助指標,綜合判定M5 煤層被保護范圍內保護效果。
結合金源煤礦井下巷道實際狀況,現(xiàn)場考察瓦斯壓力測定鉆孔布置如下:在10509 運輸巷距切眼52 m 上幫布置1#孔,距回風繞道口向里100 m 上幫布置2#孔,在10509 回風巷距切眼50 m 下幫布置3#孔,距回風繞道口向里100 m 下幫布置4#孔,在10511 運輸巷距開口20 m 處上幫布置5#孔、下幫6#孔,10511 回風巷距開口18 m 處上幫布置7#孔、下幫8#孔,四個觀測點共布置8 個鉆孔測定M5 煤層瓦斯壓力。鉆孔封孔24 h 后,開始安裝壓力表,此時各表數(shù)字均為零,經(jīng)過一段時間觀測瓦斯壓力趨于穩(wěn)定。各測定鉆孔瓦斯壓力觀測數(shù)據(jù)及變化曲線如圖3。
圖3 安裝壓力表后時間與壓力關系圖
由上述各測壓孔瓦斯壓力數(shù)據(jù)及曲線圖分析可知,1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#號鉆孔自裝上壓力表時開始測壓,1#鉆孔初始壓力為0 MPa,達到0.25 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;2#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0 MPa 到0.19 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;3#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力為0 MPa 達到0.26 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;4#鉆孔自裝上壓力表時開始測壓,壓力從初始壓力0 MPa 到0.18 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;5#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0.1 MPa 達到0.14 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;6#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0 MPa 達到0.17 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;7#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0.06 MPa 達到0.22 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變;8#鉆孔瓦斯壓力從初始壓力0.10 MPa 下降到0.08 MPa 后,壓力基本保持穩(wěn)定不變。各鉆孔壓力最大值見表1。
表1 M5 煤層瓦斯壓力測定值
煤層瓦斯含量測定方法分為直接測定法和間接測定法。直接法測瓦斯含量操作簡便,是當前井下普遍采用的瓦斯含量測定方法[],該次煤層瓦斯含量測定采用直接法。經(jīng)過現(xiàn)場考察確定M5 煤層瓦斯含量測定地點為10509 采面回風巷、10511 運輸巷和10511 回風巷,三個地點共布置8 個鉆孔12個煤樣測定瓦斯含量。煤樣在井下初步解吸后,升井到地面實驗室再進行測定,測定結果見表2。經(jīng)過對比分析,在10509 回風巷距切眼60 m 處所取煤樣瓦斯含量最大,最大值為5.202 m3/t。
表2 M5 煤層瓦斯含量測試結果表
在10509 采面、10511 運輸巷和10511 回風巷分別采集M5 煤層全層樣1 組,煤樣采取新暴露的M5 煤層沿煤層厚度的上、中、下部各采取塊度為100 mm 左右的煤樣兩塊,煤樣送資質單位瓦斯實驗室進行堅固性系數(shù)指標f 值的測定,測定結果見表3。
表3 M5 煤層的放散初速度及堅固性系數(shù)結果表
在10509 采面運輸巷、10509 采面回風巷、10511 運輸巷和10511 回風巷對M5 煤層進行宏觀觀察,煤體整體光澤度為暗淡-半亮型,層理清楚,節(jié)理平整,較有秩序,硬度中等,用手難以掰開,綜合判定M5 煤層煤體的破壞類型為Ⅱ類。
M5煤層實測殘余瓦斯含量為2.908~5.202 m3/t,采用直接測壓法現(xiàn)場測得M5 煤層的殘余瓦斯壓力為0.08~0.26 MPa,利用實測的煤層瓦斯含量計算M5 煤層殘余瓦斯壓力為0.148~0.292 MPa,測定的堅固性系數(shù)指標f 值最小值為1.42,放散初速度值△P為8.6 mmHg。根據(jù)M5 煤層掘進期間突出危險性效果檢驗統(tǒng)計表及通風瓦斯報表顯示,工作面掘進期間瓦斯涌出量較小,最大值為0.50 m3/min,工作面突出危險性預測值(K1值)最大為0.15 mL/g.min1/2,鉆屑量最大值為1.7 kg/m,未發(fā)現(xiàn)指標超過臨界值現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)對比和分析認為該次測得M5 煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力等數(shù)據(jù)可靠性較高,可以作為保護效果判定的依據(jù)。
金源煤礦M5 煤層采取開采保護層M9 煤層區(qū)域防突措施后,經(jīng)效果檢驗,采用直接測壓法現(xiàn)場測得M5 煤層最大殘余瓦斯壓力為0.26 MPa,小于0.74 MPa,采用直接測定煤層瓦斯含量法,實測得M5煤層最大殘余瓦斯含量為5.202 m3/t,小于8 m3/t,最大殘余瓦斯壓力和瓦斯含量均小于《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定的臨界值,同時參考測定的瓦斯放散初速度、堅固性系數(shù)等輔助指標,并結合M5煤層掘進期間的瓦斯涌出情況,綜合判定金源煤礦M5 煤層被保護范圍的保護效果有效,即M5 煤層的區(qū)域防突措施達到效果。在M5 煤層被保護范圍內進行采掘活動,需進行區(qū)域驗證并采取“四位一體”的局部綜合防突措施后方可進行采煤工作面回采工作。