陳 軍 張文清 張 振

（1．淮河能源控股集團(tuán)潘二煤礦，安徽 淮南 232000；2．安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

國(guó)內(nèi)外瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)表明，開(kāi)采保護(hù)層并結(jié)合瓦斯抽放是消除煤層突出危險(xiǎn)性、防治瓦斯災(zāi)害最有效和經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施，在具有保護(hù)層開(kāi)采條件的礦區(qū)都應(yīng)優(yōu)先采取這一措施。我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》中也明確規(guī)定“在突出礦井開(kāi)采煤層群時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇開(kāi)采保護(hù)層防治突出措施”“開(kāi)采保護(hù)層時(shí)，應(yīng)同時(shí)抽采被保護(hù)層瓦斯”。淮南礦區(qū)基本上為煤層群賦存，客觀上具備開(kāi)采保護(hù)層的條件，并在多個(gè)礦井進(jìn)行過(guò)保護(hù)層開(kāi)采的實(shí)踐，取得了很好的保護(hù)效果。

潘二煤礦自上而下依次開(kāi)采13-1、11-2、8、7-1、6-1、5-2、4-2、4-1、3、1煤層，其中11-2、8、4-2、4-1、3、1煤層為突出煤層。4-1煤層厚度為0.72m～8.48m，平均煤厚3.70m，煤層瓦斯含量為0.16m3/t～10.65m3/t。經(jīng)鑒定，將4煤在井田開(kāi)采范圍內(nèi)劃為突出危險(xiǎn)區(qū)。在其上8m賦存另一可采煤層5-2煤層，平均厚度1.60m，煤層瓦斯含量為0.16m3/t～10.46m3/t。從煤層賦存關(guān)系上看，具備開(kāi)采5-2煤層、保護(hù)4-1煤層的客觀條件。為了有效消除或者降低4-1煤層的突出危險(xiǎn)性，在4-1煤層開(kāi)采前先開(kāi)采其上部的保護(hù)層5-2煤層，并對(duì)其下的被保護(hù)4-1煤層進(jìn)行卸壓瓦斯抽采。

1 保護(hù)層的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

所謂保護(hù)層一般是指突出礦井在煤層群中首先開(kāi)采的非突出煤層或弱突出煤層，該煤層開(kāi)采后，能使鄰近的突出煤層喪失或降低突出危險(xiǎn)性，進(jìn)而達(dá)到防止煤與瓦斯突出的目的。為考察18125工作面關(guān)鍵保護(hù)層回采后被保護(hù)層18124工作面所在的4煤的卸壓范圍，通過(guò)18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向保護(hù)范圍考察孔。其中，走向保護(hù)范圍考察孔布置在開(kāi)切眼附近的預(yù)計(jì)保護(hù)邊界線兩側(cè)；傾向保護(hù)范圍考察孔布置在上、下順槽附近預(yù)計(jì)保護(hù)邊界線兩側(cè)。

1.1 走向考察孔布置

走向方向的卸壓范圍是指開(kāi)采煤層18124工作面的始采線與停采線相對(duì)18125工作面始采線與停采線向里內(nèi)錯(cuò)的距離。4煤層與5煤層間距平均取12m，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》和《保護(hù)層開(kāi)采規(guī)范》的規(guī)定，始采線走向方向卸壓角取60°，經(jīng)計(jì)算18124工作面始采線相對(duì)18125工作面始采線位置內(nèi)錯(cuò)8.1m。

1.2 傾向考察孔布置

傾斜方向的卸壓范圍為18124工作面上部卸壓邊界和下部卸壓邊界相對(duì)18125工作面上順槽和下順槽的內(nèi)錯(cuò)距離。4煤層與5煤層間距取12m，傾角平均取8°。根據(jù)《保護(hù)層開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定，上下部卸壓角均取75°，經(jīng)計(jì)算18124工作面上部卸壓區(qū)相對(duì)18125工作面上順槽位置內(nèi)錯(cuò)3.6m，下部卸壓區(qū)相對(duì)18125工作面下順槽位置內(nèi)錯(cuò)7.6m。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)考察方案設(shè)計(jì)

通過(guò)18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向保護(hù)范圍考察孔，采用深部基點(diǎn)法測(cè)定煤層頂?shù)装逑鄬?duì)變形。其中，走向保護(hù)范圍考察孔布置在開(kāi)切眼附近的預(yù)計(jì)保護(hù)邊界線兩側(cè)；傾向保護(hù)范圍考察孔布置在上、下順槽附近預(yù)計(jì)保護(hù)邊界線兩側(cè)，如圖1所示。

圖1 保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍考察鉆孔設(shè)計(jì)布置圖（單位：m）

為考察18125工作面關(guān)鍵保護(hù)層回采后被保護(hù)層18124工作面所在的4煤的卸壓范圍，分別沿走向和傾向方向布置A、B、C三個(gè)主要實(shí)驗(yàn)考察地點(diǎn)。其中，走向方向保護(hù)范圍考察孔布置在A區(qū)，共設(shè)置6個(gè)鉆孔，孔間距為5m；傾向方向保護(hù)范圍考察孔布置在B、C區(qū)，每個(gè)區(qū)分布設(shè)置5個(gè)鉆孔，孔間距為5m。

用深部基點(diǎn)法測(cè)定煤層頂?shù)装逑鄬?duì)變形，變形鉆孔施工時(shí)要求鉆孔穿透煤層進(jìn)入頂板。在煤層頂板及底板各安裝一組多點(diǎn)位移計(jì)，用于測(cè)量煤層頂?shù)装逦灰疲M(jìn)而計(jì)算煤層頂?shù)装逑鄬?duì)變形量與變形率。為了避免垮孔，考察孔施工完畢后，立即趕赴現(xiàn)場(chǎng)安裝多點(diǎn)位移計(jì)。

測(cè)試孔施工及測(cè)試步驟如下。1） 鉆孔施工，見(jiàn)煤后0.5m取樣測(cè)瓦斯含量。2） 鉆孔穿頂板1.0m，終孔。3） 待18125工作面推過(guò)，卸壓后，測(cè)變形。4）測(cè)殘余瓦斯含量。

2 效果考察與分析

2.1 走向變形孔效果考察

從保護(hù)層18125工作面準(zhǔn)備回采開(kāi)始對(duì)變形考察孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，頻率為每?jī)商煲淮?，待保護(hù)層18125工作面推過(guò)考察點(diǎn)50m后，改為三天觀測(cè)一次，一直持續(xù)到工作面推過(guò)130m，停止觀測(cè)。走向保護(hù)范圍變形考察孔A1、A2、A3、A4、A5、A6的煤層變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著保護(hù)層工作面的回采，各孔位置所在的煤層均發(fā)生不同程度的膨脹變形，當(dāng)工作面超前該鉆孔30m左右時(shí)達(dá)到最大值，其中20m～80m時(shí)，煤層膨脹變形處于穩(wěn)定發(fā)展階段，隨后煤層出現(xiàn)膨脹變形變小，并最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。走向變形孔觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 A區(qū)觀測(cè)孔變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線

表1 走向變形孔觀測(cè)結(jié)果匯總

由表1可知，A1、A2、A3號(hào)孔變形顯著，最大相對(duì)變形分別達(dá)到了7.75‰、7.05‰和4.375‰，其最大相對(duì)變形率均大于3‰，這一點(diǎn)表明該區(qū)域卸壓效果顯著。而A4、A5、A6號(hào)孔變形相對(duì)較小，最大相對(duì)變形率均低于3‰，說(shuō)明鉆孔所在的被保護(hù)層區(qū)域并未實(shí)現(xiàn)充分卸壓。

2.2 上部保護(hù)邊界變形孔考察

當(dāng)保護(hù)層18125工作面回采至B組考察孔30m左右時(shí)，開(kāi)始對(duì)變形考察孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。觀測(cè)頻率為每?jī)商煲淮?，待保護(hù)層18125工作面推過(guò)考察點(diǎn)50m后，改為三天觀測(cè)一次，一直持續(xù)到工作面推過(guò)130m，停止觀測(cè)。

由圖3可以看出，保護(hù)層18125工作面未采過(guò)觀測(cè)鉆孔時(shí)，被保護(hù)層處于壓縮變形狀態(tài)。當(dāng)工作面超過(guò)鉆孔10m左右時(shí)，煤層開(kāi)始發(fā)生明顯的膨脹變形，直到工作面推過(guò)30m左右時(shí)，膨脹達(dá)到最大值，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 B區(qū)觀測(cè)孔膨脹變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線

表2 上部?jī)A向變形孔觀測(cè)結(jié)果匯總

由表2可知，B1、B2和B3的相對(duì)變形率均大于3‰，這一點(diǎn)表明該區(qū)域卸壓效果顯著。而B(niǎo)4和B5號(hào)孔變形相對(duì)較小，最大相對(duì)變形率均低于3‰，說(shuō)明鉆孔所在的被保護(hù)層區(qū)域并未實(shí)現(xiàn)充分卸壓。

2.3 下部保護(hù)邊界變形孔考察

當(dāng)保護(hù)層18125工作面回采至C組考察孔30m左右時(shí)，開(kāi)始對(duì)變形考察孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。觀測(cè)頻率為每?jī)商煲淮?，待保護(hù)層18125工作面推過(guò)考察點(diǎn)50m后，改為三天觀測(cè)一次，一直持續(xù)到工作面推過(guò)130m，停止觀測(cè)。

由圖4可以看出，保護(hù)層18125工作面未采過(guò)觀測(cè)鉆孔時(shí)，被保護(hù)層處于壓縮變形狀態(tài)。當(dāng)工作面超過(guò)鉆孔5m左右時(shí)，煤層開(kāi)始發(fā)生明顯的膨脹變形，直到工作面推過(guò)30m左右時(shí)，膨脹達(dá)到最大值，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 C區(qū)觀測(cè)孔膨脹變形率隨工作面進(jìn)尺變化曲線

表3 下部?jī)A向變形孔觀測(cè)結(jié)果匯總

由表3可知，C2和C3的相對(duì)變形率均大于3‰，表明該區(qū)域卸壓效果顯著。而C4和C5號(hào)孔變形相對(duì)較小，最大相對(duì)變形率均低于3‰，說(shuō)明鉆孔所在的被保護(hù)層區(qū)域并未實(shí)現(xiàn)充分卸壓。

2.4 合理超前距分析

上保護(hù)層18125工作面開(kāi)采后，在其底板形成地應(yīng)力卸壓區(qū)，底板煤巖層應(yīng)力減小，卸壓區(qū)煤巖層向上發(fā)生移動(dòng)和變形，由于距開(kāi)采層距離的不同，移動(dòng)與變形量存在差距，表現(xiàn)為靠近開(kāi)采層近，變形大，進(jìn)而使被保護(hù)層發(fā)生膨脹變形，層內(nèi)裂隙增生，大大提高了煤層的透氣性能。同時(shí)，地應(yīng)力減小為吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)創(chuàng)造了條件，產(chǎn)生的裂隙也為瓦斯在煤體內(nèi)流動(dòng)提供了通道，進(jìn)而增加了煤層瓦斯排放能力，降低了煤層瓦斯壓力。從現(xiàn)場(chǎng)煤層膨脹變形觀測(cè)結(jié)果可以看出，保護(hù)層18125工作面回采后，被保護(hù)層18124工作面的煤層相對(duì)變形發(fā)生了明顯的變化，可以將被保護(hù)層劃分為如下幾個(gè)帶。1） 正常壓力帶。從距離工作面前方約40m以前，被保護(hù)層變形量為零，未觀測(cè)到煤體受壓或膨脹變形，該區(qū)域應(yīng)為原始應(yīng)力區(qū)。2） 集中應(yīng)力帶。距工作面前方40m～5m范圍內(nèi)，保護(hù)層內(nèi)的煤層頂?shù)装寰嚯x減小，煤層發(fā)生受壓變形，是采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)域，其中距離工作面前方約18m是壓縮變形最大位置，也就是應(yīng)力峰值區(qū)域。3） 卸壓帶。當(dāng)保護(hù)層18125工作面在超前測(cè)點(diǎn)5m以?xún)?nèi)時(shí)，被保護(hù)層工作面煤層開(kāi)始出現(xiàn)膨脹變形。當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)約30m后，膨脹變形達(dá)到最大，距離工作面約60m后，膨脹變形出現(xiàn)明顯減小，當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)約100m后，膨脹變形穩(wěn)定至最小值。從觀測(cè)結(jié)果看，工作面后方30m～60m是被保護(hù)層卸壓抽采瓦斯的最佳區(qū)域。

2.5 卸壓瓦斯抽采分析

隨著保護(hù)層18125工作面的回采，下伏煤巖層膨脹變形，裂隙發(fā)育，為被保護(hù)層瓦斯提供通道，瓦斯抽采量迅速增大。瓦斯抽采的變化可分為初采抽采期、過(guò)渡抽采期、卸壓充分抽采期和穩(wěn)定下降期四個(gè)階段。1） 初采抽采期。保護(hù)層18125工作面初采期間，被保護(hù)層還沒(méi)有得到足夠的卸壓，層間裂隙還未形成，被保護(hù)層的瓦斯未進(jìn)入保護(hù)層工作面，工作面瓦斯主要來(lái)自保護(hù)層本煤層和鄰近巖層。2） 過(guò)渡抽采期。當(dāng)保護(hù)層18125工作面推進(jìn)到10m即一倍層間距后，瓦斯抽采量開(kāi)始迅速提高，說(shuō)明被保護(hù)層得到了相應(yīng)卸壓，在層間形成了一定裂隙。3） 卸壓充分抽采期。當(dāng)保護(hù)層18125工作面推進(jìn)到60m～100m左右時(shí)，瓦斯抽采量達(dá)到了較為穩(wěn)定的峰值。瓦斯抽采總量平均約為21m/min，而本煤層瓦斯抽采量約為3m/min，被保護(hù)層瓦斯抽采量達(dá)到了約18m/min。這說(shuō)明層間形成豐富的裂隙，被保護(hù)層得到了充分卸壓。4） 穩(wěn)定下降期。當(dāng)保護(hù)層18125工作面推進(jìn)超過(guò)100m時(shí)，被保護(hù)層瓦斯抽采量開(kāi)始逐漸下降。這是由于保護(hù)層開(kāi)采影響的被保護(hù)層區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯含量降低到一定值，導(dǎo)致卸壓瓦斯抽采瓦斯量降低。

3 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)考察可知，18125工作面關(guān)鍵保護(hù)層開(kāi)采后卸壓保護(hù)范圍為走向卸壓角為60°，傾向卸壓角為75°。從現(xiàn)場(chǎng)煤層膨脹變形觀測(cè)結(jié)果可以看出，保護(hù)層工作面回采后，被保護(hù)層18124工作面的壓力分布為正常壓力帶（距離工作面前方約40m以前）、集中應(yīng)力帶（距工作面前方40m～5m）和卸壓帶（超前5m至工作面后方100m）。其中，工作面后方30m～60m是被保護(hù)層卸壓抽采瓦斯的最佳區(qū)域。