摘" 要：以發(fā)耳煤礦為例，采用理論與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法確定3煤上保護(hù)層開采的保護(hù)范圍，并對保護(hù)效果進(jìn)行分析。上保護(hù)層3煤開采后，通過測定被保護(hù)層的殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力和被保護(hù)層膨脹變形量，得出被保護(hù)層5-2，5-3煤層殘余瓦斯含量均小于突出臨界指標(biāo)8.0m3/t，5-2，5-3煤層膨脹變形量均大于3‰，5-2，5-3和7煤層殘余瓦斯壓力降幅明顯，表明在卸壓范圍內(nèi)被保護(hù)層無突出危險性。5-2煤層走向卸壓角為60°，5-2煤層傾向卸壓角為75°；5-3煤層走向卸壓角為60°，5-3煤層傾向卸壓角為75°；7煤層走向卸壓角為60°，7煤層傾向卸壓角為75°。

關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出 保護(hù)層保護(hù)范圍 效果研究

保護(hù)層開采是為了消除或減小相鄰煤層的地應(yīng)力及突出危險性而預(yù)先開采鄰近無突出危險煤層或突出危險較小的煤層[1]。保護(hù)層開采使得上、下煤巖體產(chǎn)生強烈拉張破壞，采空區(qū)上方巖體冒落并形成自然冒落拱，采空區(qū)下方巖體向采空區(qū)膨脹形成裂隙，地應(yīng)力得到有效釋放，煤層透氣性增高，為瓦斯解吸提供了條件[2]。上保護(hù)層保護(hù)范圍的確定不僅能有效防止煤層開采引起的地表塌陷，保護(hù)地表穩(wěn)定性，還能為合理規(guī)劃采煤區(qū)域，保障煤層開采效益提供理論依據(jù)。本文以發(fā)耳煤礦3煤層作為5-2、5-3和7煤層的上保護(hù)層進(jìn)行開采，基于《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》（AQ1050-2008），測定殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、煤層膨脹變形量等瓦斯動力參數(shù)，確定上保護(hù)層保護(hù)范圍，并進(jìn)行保護(hù)效果考察。

1.研究區(qū)域基本情況

貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤水市南部，直距25km。發(fā)耳煤礦五采區(qū)位于貴州高原西部，地形迭宕起伏，發(fā)耳河和北盤江切割強烈，最高處位于五采區(qū)北側(cè)中寨，標(biāo)高+1536.9m；最低處位于五采區(qū)西側(cè)北盤江河床，標(biāo)高約+900m；相對高差636.90m。3煤層距1煤層14.65m，煤層總厚0.76-4.14m，平均1.77m，一般1.20～2.30m，其中大于1.30m占76%，屬中厚穩(wěn)定型煤層；5-2煤層上距3煤12.7m，煤厚0.65～3.32m，平均1.76m；5-3煤層：距5-2煤層10.54m，煤層總厚0.29-2.77m，平均1.33m；7煤層距5-3煤層22. 59m，煤層總厚1.00～3.43m，平均2.33m，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定型煤層。

目前，該礦五采區(qū)采用3煤作為上保護(hù)層開采，結(jié)合順層鉆孔預(yù)抽3煤回采區(qū)域瓦斯，利用穿層鉆孔預(yù)抽被保護(hù)層區(qū)域瓦斯，實現(xiàn)對5-2、5-3和7煤層的瓦斯災(zāi)害防治。

2.上保護(hù)層保護(hù)范圍確定

2.1 上保護(hù)層理論保護(hù)范圍

發(fā)耳煤礦煤層傾角為11°左右，傾斜方向理論保護(hù)卸壓角均為75°，走向卸壓角為60°。因此，保護(hù)層3煤對被保護(hù)層工作面沿傾向的保護(hù)范圍對應(yīng)于工作面始采線、采止線卸壓角按照75°劃定。3煤和5-2煤保護(hù)范圍在傾向上內(nèi)錯5.18m；3煤和5-3煤保護(hù)范圍在傾向上內(nèi)錯12.9m；3煤和7煤保護(hù)范圍在傾向上內(nèi)錯25.15m。保護(hù)層3煤對被保護(hù)層工作面沿走向的保護(hù)范圍對應(yīng)于工作面始采線、采止線卸壓角按照60°劃定，3煤和5-2煤保護(hù)范圍在走向上內(nèi)錯7.77m；3煤和5-3煤保護(hù)范圍在走向上內(nèi)錯17.88m；3煤和7煤保護(hù)范圍在走向上內(nèi)錯30.06m。上保護(hù)層走向及傾向理論卸壓保護(hù)范圍見圖2-1。

2.2 沿煤層走向的保護(hù)范圍

3煤層工作面回采后煤層走向殘余瓦斯含量見表2-1，建立5-2、5-3、7煤考察鉆孔所測煤層殘余瓦斯含量與距理論卸壓線位移的關(guān)系如圖2-2所示。通過線性插值，得出瓦斯含量為8m3/t的卸壓線與理論卸壓線的相對位置為：5-2煤實測走向卸壓線位于理論卸壓線之外1.77m，對應(yīng)上保護(hù)層5-2煤走向卸壓角為65°；5-3煤實測走向卸壓線位于理論卸壓線之外0.68m，對應(yīng)上保護(hù)層5-3煤走向卸壓角為61°；7煤實測走向卸壓線位于理論卸壓線之外0.87m，對應(yīng)上保護(hù)層7煤走向卸壓角為61°。

2.3 沿煤層傾向的保護(hù)范圍

3煤層工作面回采后煤層傾向殘余瓦斯含量見表2-2，建立55-2、5-3、7煤考察鉆孔所測3煤理論卸壓線區(qū)域煤層瓦斯含量與距理論卸壓線位移的關(guān)系見圖2-3，通過線性插值，得出瓦斯含量為8m3/t的卸壓線與理論卸壓線的相對位置為：5-2煤實測傾向卸壓線位于理論卸壓線之外1.65m，對應(yīng)上保護(hù)層5-2煤傾向卸壓角為77°；5-3煤實測傾向卸壓線位于理論卸壓線之內(nèi)1.4m，對應(yīng)上保護(hù)層5-3煤傾向卸壓角為75°；7煤實測傾向卸壓線位于理論卸壓線之外2.77m，對應(yīng)上保護(hù)層7煤傾向卸壓角為76°。

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場實測瓦斯參數(shù)得出的5-2煤、5-3煤和7煤的走向及傾向卸壓角匯總于表2-3。

由表2-3可知， 5-2煤理論走向卸壓角為60°，實測走向卸壓角為65°；5-2煤理論傾向卸壓角理為75°，實測傾向卸壓角為77°。5-3煤理論走向卸壓角理為60°，實測走向卸壓角為61°；5-3煤理論傾向卸壓角理為75°，實測傾向卸壓角為75°。7煤理論走向卸壓角理為60°，實測走向卸壓角為61°；7煤理論傾向卸壓角理為75°，實測傾向卸壓角為76°。綜上所述，發(fā)耳煤礦3煤作為上保護(hù)層開采對被保護(hù)層5-2煤，5-3煤及7煤走向及傾向保護(hù)范圍如圖2-4所示。

考慮到測定誤差，并留有一定的安全系數(shù)，因此建議發(fā)耳煤礦五采區(qū)上保護(hù)層開采的卸壓角分別為：5-2煤走向卸壓角為60°，5-2煤傾向卸壓角為75°；5-3煤走向卸壓角為60°，5-3煤傾向卸壓角為75°；7煤走向卸壓角為60°，7煤傾向卸壓角為75°。

3.被保護(hù)層保護(hù)效果考察

3.1 被保護(hù)層卸壓瓦斯涌出量理論計算

目前鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測方法有近十種，它們之間的基本區(qū)別在于確定各涌出源瓦斯涌出率的數(shù)學(xué)模型不同，圖3-1為國外不同學(xué)者提出的鄰近層瓦斯涌出率與到開采層距離的關(guān)系曲線，它們各不相同是因為其物理模型不一樣。本文分別用德國溫特爾法、蘇聯(lián)李金法、重慶煤研所-陽泉礦務(wù)局科研所法對3#煤層工作面回采階段，被保護(hù)層5-2、5-3、7煤層的瓦斯涌出量進(jìn)行分析計算。

（1）德國溫特爾法

該法鄰近層瓦斯涌出量如式（3-1）所示：

式中：上鄰近層瓦斯涌出率Cl應(yīng)這樣來確定；距開采層20m以內(nèi)者取100，其余取100exp（20- h1）u，其中h為鄰近層到開采層的垂距（m），u取決于地層流動阻力的大小，根據(jù)地層流動阻力大小可取0.012、0.014或0.016。下鄰近層瓦斯涌出率Cl：距開采層8m以內(nèi)取100，其余取100exp（8-hl）u，其中hl為下鄰近層到開采層的距離，m、u視地層流動阻力大小取0.03或0.05。

5-2煤層與3煤層的層間距為12.7m，因此，Cl取90；5-3煤層與3煤層間距為23.24m，此時，Cl取80；7煤層與3煤層間距為46.32m，由于間距大于40m，7煤層不參與瓦斯涌出量計算。

（2）蘇聯(lián)科學(xué)院礦業(yè)研究所法

該方法在計算鄰近層瓦斯涌出量時采用式（3-2）進(jìn)行計算：

式中：x0為瓦斯源所在煤層的原始瓦斯含量，m3/t；x1為運到地面煤的殘余瓦斯含量，m3/t；h1為第l鄰近層距開采層的層間垂距，m；hj為鄰近層涌出瓦斯的極限距離，即瓦斯涌出等于零的鄰近層距開采層最近的層間垂距，對于上鄰近層Hj=Kdgml（1.2+cosa），對于換傾斜、傾斜煤層的下鄰近層hj=40m，對于急傾斜下鄰近層，Hj=Kdgml（1.2-cosa），Kdg決定于頂板管理方法的系數(shù)，a為煤層傾角。

（3）重慶煤研所—陽泉礦務(wù)局科研所法

重慶煤研所與陽泉礦務(wù)局科研所合作研究得出鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測式如式（3-3）所示：

式中：x0，1為鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；Cl為第l鄰近層瓦斯涌出率，由圖3-2可查得。

應(yīng)用3種方法計算得到：3煤層工作面回采階段，下鄰近層5-2、5-3煤層瓦斯涌出量、殘余瓦斯含量及煤瓦斯涌出率結(jié)果匯總于表3-1。

德國溫特爾法、蘇聯(lián)李金法、重慶煤研所-陽泉礦務(wù)局科研所法三種方法計算的結(jié)果相近，重慶煤研所-陽泉礦務(wù)局科研所法計算得到5-2煤層殘余瓦斯含量最大為4.91m3/t，5-3煤層殘余瓦斯含量最大為5.48m3/t，均小于突出臨界指標(biāo)8.0m3/t。

3.2 保護(hù)效果分析

（1）走向殘余瓦斯壓力測定結(jié)果分析

A1#～A3#、B1#～B3#鉆孔為5-2煤層走向殘余瓦斯壓力測定孔， E1#～E3#、F1#～F3#鉆孔為5-3煤層走向殘余瓦斯壓力測定孔，I1#～I(xiàn)3#、J1#～J3#鉆孔為7煤層走向殘余瓦斯壓力測定孔，5-2、5-3和7煤層走向殘余瓦斯壓力與3煤層回采時間之間關(guān)系曲線如圖3-3所示。

對于5-2、5-3和7煤層，從圖3-3可以看出，被保護(hù)層受采動影響，位于走向理論卸壓線以外15m處鉆孔瓦斯壓力gt;位于走向理論卸壓線上鉆孔瓦斯壓力gt;位于走向理論卸壓線內(nèi)鉆孔瓦斯壓力。5-2煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa，5-3煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa ，7煤層原始瓦斯壓力為1.23MPa。位于走向理論卸壓線上鉆孔瓦斯壓力，5-2煤層瓦斯壓力降至0.18～0.51MPa，最大降幅為83.9%；5-3煤層瓦斯壓力降至0.25～0.52MPa，最大降幅為77.6%；7煤層瓦斯壓力降至0.38～0.66MPa，最大降幅為69.1%，表明被保護(hù)層走向范圍內(nèi)煤層瓦斯得到了一定程度的釋放和逸散，煤與瓦斯突出的危險性進(jìn)一步降低。

（2）傾向殘余瓦斯壓力測定結(jié)果分析

C1#～C3#、D1#～D3#鉆孔為5-2煤層傾向殘余瓦斯壓力測定孔，G1#～G3#、H1#～H3#鉆孔為5-3煤層傾向殘余瓦斯壓力測定孔， K1#～K3#、L1#～L3#鉆孔為7煤層傾向殘余瓦斯壓力測定孔，5-2、5-3和7煤層傾向殘余瓦斯壓力與3煤層回采時間之間關(guān)系曲線如圖3-4所示。

由圖3-4可知，對于5-2、5-3和7煤層位于傾向理論卸壓線以外15m處鉆孔瓦斯壓力gt;位于傾向理論卸壓線上的鉆孔瓦斯壓力gt;位于傾向理論卸壓線上的鉆孔瓦斯壓力。5-2煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa，5-3煤層原始瓦斯壓力為1.12MPa，7煤層原始瓦斯壓力為1.23MPa 。5-2煤層瓦斯壓力降至0.18～0.69Pa，最大降幅為83.9%； 5-3煤層瓦斯壓力降至0.23～0.77MPa，最大降幅為74.1%；7煤層瓦斯壓力降至0.4～0.74MPa，最大降幅為67.4%，表明被保護(hù)層傾向范圍內(nèi)與走向卸壓范圍一樣，在理論傾向卸壓線內(nèi)受3煤保護(hù)層開采的保護(hù)。

3.3被保護(hù)層膨脹變形量測定

（1）變形測定儀安裝

本文選擇煤炭科學(xué)研究總院重慶分院BC-I型變形測定儀對被保護(hù)煤層的絕對位移量和相對變形量進(jìn)行測定。變形儀主要由擴張式基點、鋼絲繩及重錘3部分組成。對于保護(hù)層開采效果考察來說，單一煤層考察鉆孔安裝1套變形儀，包括2個擴張式基點、4個插銷、2個固定接頭、2個重錘、直徑為2 mm及3 mm的鋼絲繩（直徑2 mm鋼絲繩為不銹鋼材質(zhì)）和若干繩卡等，其設(shè)備擴張式基點結(jié)構(gòu)。

擴張式基點組裝方法：BC-I型變形測定儀安裝之前，在地面先用臺鉗將擴張式基點壓縮，將插銷插入插銷孔，備用（安裝示意圖見圖3-5）。

測試5-2、5-3煤層工作面上位巖層消垂直向方的位移特征，以確定被保護(hù)層膨脹變形量。在50107運順底抽巷向5-2、5-3煤層工作面內(nèi)部施工鉆孔，根據(jù)深部基點法，安裝巖層變形量測定裝置。測定被保護(hù)煤層膨脹變形量，記錄各測點變形量與3煤工作面推進(jìn)位置的變化關(guān)系。

（2）煤層膨脹變形量數(shù)據(jù)分析

變形儀安裝后，在孔口用2個重錘把從擴張式基點1，2引出的2條鋼絲繩分別拉緊。當(dāng)煤層受到采動影響后，煤層頂?shù)装灏l(fā)生位移時，用百分表或者卡尺測量2個重錘的相對位移，即任意鉆孔方向上煤層變形量。對測得的任意鉆孔方向上的煤層變形量，需按式（3-4）換算為垂直煤層層面方向的變形量[3]：

式中：為垂直煤層層面方向上的變形量，mm；為任意鉆孔方向上煤層的變形量，即變形儀2個擴張基點上重錘的相對位移量，mm；為鉆孔傾角；為鉆孔方位與煤層走向的夾角；為煤層傾角。

根據(jù)測定煤層層面方向上的最大變形量，煤層的最大膨脹變形率如式（3-5）所示[3]。

式中：η為煤層的最大膨脹變形率，‰；Ｅ１max為垂直煤層層面方向上的最大變形量，mm；M為煤層厚度，mm。

5-2煤層、5-3煤層膨脹變形沿走向的變化情況如圖3-6所示。

在3煤保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層5-2、5-3煤層的變形對卸壓消突起著最有效的作用，而煤層變形量是最直觀、最重要的評價參數(shù)。從圖3-6可以看出，隨著時間推進(jìn)，下部被保護(hù)層5-2、5-3煤層經(jīng)歷了由壓縮到膨脹的變形過程，符合采掘應(yīng)力場的變化規(guī)律，即工作面前后應(yīng)力狀態(tài)可分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。在有效保護(hù)范圍內(nèi)的S1、S3號孔處5-2煤層膨脹變形量為7‰，大于3‰臨界；在有效保護(hù)范圍內(nèi)的S2、S4號孔處5-3煤層膨脹變形量為5.1‰，大于3‰臨界值，說明保護(hù)層開采后被保護(hù)層5-2煤層、5-3煤層工作面保護(hù)范圍內(nèi)卸壓充分，保護(hù)效果有效。

4.結(jié)論

結(jié)合發(fā)耳煤礦五采區(qū)上保護(hù)層開采實際情況，開展3煤上保護(hù)層開采對下覆5-2煤、5-3煤、7煤的保護(hù)效果考察技術(shù)研究。通過理論分析與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，測定3煤保護(hù)層50305工作面回采期間被保護(hù)煤層5-2煤、5-3煤、7煤殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量，綜合考察3煤上保護(hù)層開采對被保護(hù)煤層5-2煤、5-3煤、7煤的保護(hù)效果，得出以下結(jié)論：

1）保護(hù)層開采后，通過測定5-2煤、5-3煤、7煤的殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量參數(shù)，根據(jù)所測數(shù)據(jù)對被保護(hù)層走向和傾向保護(hù)效果進(jìn)行分析，得出5-2煤走向卸壓角為60°，5-2煤傾向卸壓角為75°；5-3煤走向卸壓角為60°，5-3煤傾向卸壓角為75°；7煤走向卸壓角為60°，7煤傾向卸壓角為75°。

2）保護(hù)層開采后，實測5-2煤、5-3煤層的膨脹變形量結(jié)果為：有效保護(hù)范圍內(nèi)的S1、S3號孔處5-2煤層膨脹變形量為7‰，有效保護(hù)范圍內(nèi)的S2、S4號孔處5-3煤層膨脹變形量為5.1‰，均大于3‰臨界值?？梢姡?煤保護(hù)層開采后，被保護(hù)層5-2煤和5-3煤能夠有效卸壓。

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