保护层开采效果测评方法研究①

王志亮 焦殿志 彭 辉

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽 淮北 235157)

保护层开采效果测评方法研究①

王志亮1②焦殿志2彭 辉2

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽 淮北 235157)

为深入分析保护层开采的实施效果，依据煤岩卸压变形理论和瓦斯运移特性，建立了保护层开采测评指标体系，对效果测评指标的现场实测方法进行分析。研究结果表明:测评体系包括保护范围和保护效果两部分，其中瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、煤层顶底板相对变形、瓦斯抽放量、突出指标的变化等因素可作为效果考察的现场测评指标。保护层开采后，应首先明确其保护范围，然后再对保护效果分别从煤体力学特性、煤层瓦斯特性和煤层开采动力特性3方面进行综合分析，按照现场实测值与指标临界值的对比，即可系统地定量评价保护层开采的效果。

保护层开采;煤与瓦斯突出;指标体系;测评方法

长期的理论研究和突出危险煤层的开采实践证明，开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性措施【1，2】。具有突出危险性的矿井，只要有保护层，一般都采用这项技术。但对保护层开采后的效果测评方法却没有统一标准，大部分矿井仅仅在被保护煤层实施采掘作业过程中采用某些突出指标进行消突效果验证，若指标超限则继续补充防突措施，直至指标值降低至突出临界值以下才进行生产;有的矿井为了生产进度，甚至超指标作业，这不仅大大降低生产效率，影响生产计划和衔接，而且给矿井瓦斯事故埋下极大隐患。在保护层开采实施前，需要预先确定保护范围，保护层开采后，需要对卸压范围和保护效果进行考察和分析，以便在被保护层的有效卸压区域内合理布置作业工作面。本文依据保护层开采相关理论，详细分析了保护层开采后的效果测评指标，并对其现场实施方法进行探讨，从而建立较为系统和完善的效果测评方法，为现场瓦斯防治提供参考依据，同时也进一步完善了保护层开采理论体系。

1 保护层开采效果测评指标体系

由于保护层开采后的卸压作用，采动形成的煤(岩)体变形、破裂和裂隙伸张将大幅度地提高煤(岩)体瓦斯运移的透气性，产生“卸压增透增流”效应，形成瓦斯“解吸-扩散-渗流”活化流动的条件，卸压瓦斯得以排放，瓦斯压力和瓦斯含量下降，煤体变硬，进而达到消除煤层突出危险性的目的［3-6］，此时被保护范围内突出煤层的应力变形状态和瓦斯动力参数发生重大变化［7-10］，由此而丧失或降低其突出危险性。保护层开采的卸压范围决定了被保护煤层设计采区及工作面布置区域，其卸压效果决定了被保护层工作面生产过程中瓦斯涌出量的大小，直接影响到工作面生产效率和安全状况。因此，在保护层开采措施实施前，需要划定保护范围;保护层开采后，需要对保护效果进行考察和分析，以检验措施的有效性。建立科学合理的保护层开采测评指标体系并对开采效果进行评估，可为矿井合理组织生产、优化抽采设计、保证矿井产量和安全生产提供依据。依据保护层开采相关理论，保护层开采效果测评指标体系如图1所示。

图1 保护层开采效果测评指标体系

2 保护范围的测评方法

保护层保护范围考察方法因煤层赋存情况，保护层与被保护层相对位置关系和被保护层卸压瓦斯抽采方法等不同需采取针对性考察技术方案。文中介绍底板岩巷上向穿层钻孔考察被保护层的保护范围，其原理是通过底板岩石巷道布置2组考察钻孔，通过测定被保护层原始瓦斯压力和残余瓦斯压力来考察走向和倾向保护边界，保护范围的测评方法见图2所示。

图2 保护范围考察方案示意图

走向保护范围考察钻孔布置在被保护层预计的走向保护边界线两侧。1号钻孔布置在预计走向保护范围外15 m，2号钻孔布置在预计走向保护范围处，3号钻孔布置在预计走向保护范围内15 m，通过测定3个不同位置处被保护层的原始瓦斯压力和残余瓦斯压力对比，可以考察走向保护范围的边界线。

倾向保护范围考察钻孔布置在被保护层预计的倾向保护边界线两侧。4号钻孔布置在预计倾向保护范围外15 m，5号钻孔布置在预计倾向保护范围处，6号钻孔布置在预计倾向保护范围内15 m，通过测定3个不同位置处被保护层的原始瓦斯压力和残余瓦斯压力对比，可以考察倾向保护范围的边界线。

3 卸压效果的测评方法

3.1 煤体物理力学特性效果测评

3.1.1 煤层透气性系数

煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志，反映了煤体卸压后裂隙网络的发育程度，是评价煤层瓦斯可抽性和煤与瓦斯突出危险性的重要指标之一。对煤层透气性系数的测定方法分为实验室测定和现场测定，由于实验室条件下很难模拟井下的实际情况，故实验室只能进行定性的和规律性的研究;要准确获得井下煤层的透气性系数，必须进行现场实际测定［11］。目前，现场测定煤层透气性系数主要采用钻孔径向流量法，该方法以瓦斯在煤层中径向不稳定流动理论为基础，依据达西定律和质量守恒准则来建立数学模型，采用相似准数推导出煤层透气性系数的计算公式，其理论基础可靠，测定结果准确，现场实用性较好，因此在我国得到广泛应用。

3.1.2 围岩相对变形量

保护层开采后围岩的卸压效果用应力和应变来衡量，由于现场应力测定较为困难且准确度相对较低，因此，通常采用被保护层顶底板相对变形量反映卸压效果。在现场通常采用深部基点法测定煤层顶底板相对变形，测定原理为:在煤层的顶、底板岩石中分别安设测点，通过观测2个测点之间的相对位移来确定煤层的变形量。图3为现场测定煤层变形的一种方式，变形钻孔施工时要求钻孔进入煤层顶板1.0 m，在煤层顶板及底板各安装一对钢楔固定深部基点，钢楔由钢管和钢板做成，形状如倒楔形锚杆。煤层顶板的钢楔焊接一根10mm钢筋，穿过煤层底板的钢楔至孔口。煤层底板的钢楔焊有一根直径15 mm的无缝钢管，套在与顶板钢楔相联的钢筋上。用千分卡尺测定钢管与钢筋的相对位移，然后计算煤层顶底板相对变形。

图3 深部基点法测定煤层顶底板变形装置示意图

3.2 煤层瓦斯特性效果测评

3.2.1 原始瓦斯压力和残余瓦斯压力考察

保护层工作面开采前，在预计保护范围内，从被保护层底板瓦斯抽采巷向被保护层工作面施工穿层钻孔，钻孔封孔工作结束后，接好压力表开始压力测定，钻孔内瓦斯压力逐渐升高，待压力稳定后测定的值即为被保护煤层原始瓦斯压力。

在保护层工作面开采和被保护层卸压瓦斯抽采之后，测压装置最终显示的瓦斯压力即为被保护层残余瓦斯压力。具体操作方法可按AQ/T1047—2007的规定测定被保护层瓦斯压力，为了减少钻孔内瓦斯压力的平衡时间，尽快测出煤层原始瓦斯压力，可采用向钻孔内注氮气的方法。

3.2.2 原始瓦斯含量和残余瓦斯含量考察

采用测定的被保护层原始瓦斯压力和残余瓦斯压力，按式(1)计算被保护层的原始瓦斯含量和残余瓦斯含量［4，8］。

式中:W为被保护层原始瓦斯含量或残余瓦斯含量，m3/t;a为煤的瓦斯吸附常数，表示试验温度下煤的极限吸咐量，cm3/g;b为煤的瓦斯吸附常数，MPa-1;P为被保护层原始瓦斯压力或残余瓦斯压力，MPa;Ad为煤的灰分，%;Mad为煤的水分，%;n为煤的孔隙率，m3/m3;γ为煤的容重(假比重)，t/m3。

3.2.3 瓦斯抽采量考察

单位时间内百米钻孔瓦斯抽采量是计算煤层透气性系数的主要参数，也是衡量保护层开采的卸压程度，以及卸压瓦斯抽放的重要指标。被保护层卸压瓦斯抽采量考察包括3部分，分别为单个钻孔瓦斯抽采量、单个钻场瓦斯抽采量和被保护层工作面总的瓦斯抽采量。单个钻孔瓦斯抽采量和单个钻场瓦斯抽采量的考察可选择代表性的钻孔和钻场进行，在被保护层工作面瓦斯抽采系统的总干管上安设瓦斯监测装置，考察总的瓦斯抽采量变化。瓦斯抽采量考察可采用孔板流量计或瓦斯抽采监测装置，主要测定参数为抽采管路混合流量、瓦斯浓度和抽采负压，每日至少记录一次测定参数，用于测评被保护层卸压瓦斯的抽采效果和进行被保护层区域性消除突出危险性认证。

3.3 煤层开采动力特性效果测评

在被保护层保护范围内进行采掘作业时，对被保护层区域性消除突出危险性的效果检验可采用最大钻屑量Smax，钻屑解吸指标K1和Δh2、钻孔瓦斯涌出初速度qm、煤的普氏系数f等单项指标及其组合的综合指标来进行消突效果考察［12］。

3.3.1 最大钻屑量Smax

钻屑量是预测煤层突出危险性指标之一，钻屑量可用重量法或容量法测定。重量法:每钻进1 m钻孔，收集全部钻屑，用弹簧秤称重，单位kg/m;容量法:每钻进1m钻孔，收集全部钻屑，用量袋或量杯计量钻屑容积，单位L/m。

3.3.2 钻屑解吸指标K1和Δh2

钻屑瓦斯解吸指标K1和△h2都是预测煤层是否具有突出危险的重要指标，综合反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小，现场一般采用瓦斯解吸仪来测定。其测定原理为:将含瓦斯煤样瞬间暴露于瓦斯解吸仪器中，根据等容或变容变压解吸原理测定煤样在不同时间段的瓦斯解吸量或不同时刻的瓦斯解吸速度，然后根据测定数据与煤样暴露时间的关系进行相应的数学处理，得出钻屑瓦斯解吸指标。其中，钻屑瓦斯解吸指标K1是测定钻屑试样在卸压初期一段时间(5 min)瓦斯解吸曲线的斜率，单位为cm3/g·min1/2;钻屑瓦斯解吸指标△h2是测定钻屑试样在卸压初期一段时间(2 min)瓦斯解吸而产生的压力差，单位为Pa。

3.3.3 钻孔瓦斯涌出初速度qm

钻孔瓦斯涌出初速度表示测试钻孔封孔后，单位时间内从测量室中涌出的最大瓦斯涌出量，该参数综合反映了煤层的破坏程度、瓦斯压力和瓦斯含量、煤体的应力状态及透气性，是评价突出危险性的综合指标。现场一般采用突出危险性预报仪来测定钻孔瓦斯涌出初速度，同时还可测定钻孔瓦斯涌出衰减系数，二者综合分析即可测评煤层的突出危险性。

3.3.4 煤的普氏系数f

煤的普氏系数可通过井下采取煤样，然后在实验室采用落锤法测定获得，其值大小不仅能够客观地反映煤体强度和破坏程度，而且还能很好地体现发生瓦斯突出的气体介质条件。大量的试验考察结果证明，f值参数决定于煤体结构的宏观类型，尽管其绝对值随矿区不同而有所变化，但对于同一矿区、同一煤层来说，其数值特征主要取决于煤体的破坏程度。

4 应用实例

安徽五沟煤矿位于淮北市濉溪县境内，井田南北走向长约3.3 km，东西宽3～5 km，面积约15 km2。区内共含 10 个煤组，其中 72、81、82、10煤层为主要可采煤层，其中10煤瓦斯含量较低，72、81、82煤层瓦斯含量较高，经鉴定具有突出危险性。经技术分析本矿确定10煤作为下保护层开采，本文选取保护层1012工作面来分析其对72煤层的保护效果。1012工作面布置参数如下:工作面倾向150 m，走向长1500 m，采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤方法，10煤与72煤层间硬岩含量系数按照50%考虑，层间距为103 m。按照上述测评方法计算结果见表1所示。

表1 五沟煤矿保护层开采后72煤层效果测评指标计算表

5 结论

1)保护层开采后的效果测评从两方面来分析，一方面是保护范围的考察，另一方面是保护效果的考察。保护范围决定了被保护煤层采区及工作面设计的布置区域，保护效果决定了被保护层工作面生产过程中瓦斯涌出量的大小，直接影响到工作面生产效率和安全状况。

2)保护范围采用煤层原始瓦斯压力和残余瓦斯压力对比分析来确定;卸压效果通过煤体力学特性、煤层瓦斯特性和煤层开采动力特性3方面来分析测评。

3)被保护层开采前的测评指标有:煤层透气性系数、顶底板相对变形量、瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯抽采率等;被保护层采掘作业过程中，可通过实测最大钻屑量、钻屑解吸指标、钻孔瓦斯涌出初速度、煤的普氏系数等参数及其综合指标来验证保护效果。

［1］ 马雷舍夫［俄］.煤与瓦斯突出预测方法和防治措施［M］.魏风清，张建国译.北京:煤炭工业出版社，2003

［2］ 李建敏.煤与瓦斯突出防治技术手册［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006

［3］ 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2004

［4］ 何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1995

［5］ 林柏泉.矿井瓦斯抽放理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1996

［6］ 孙月庚.改变煤层透气性防突措施及应用［J］.煤矿安全，2005 ，36(9):56-57

［7］ 陈远平，俞启香.煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用［J］.中国矿业大学学报，2003，32(5):471-475

［8］ 马跃龙，林柏泉.煤层透气性系数的测定及其分析［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，1998，17(3):240-243

［9］ 李树刚，钱鸣高.我国煤层与甲烷安全共采技术的可行性［J］. 科技导报，2000，(6):39-41

［10］ 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论［M］.北京:煤炭工业出版社，1999

［11］ 梁冰，孙可名.低渗透煤层气开采理论及其应用［M］.北京:科学出版社，2006

［12］ 国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009

Study on Evaluation Method of appliance effect for Exploiting Protection Layer

WANG Zhiliang1，2，JIAO Dianzhi1，PENG Hui1，

(1.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157)

In order to analyze the implementation effect of protection layer exploiting，according as distortion mechanism of wall rock and moving characteristics of gas，evaluation results index system on protection layer exploiting was brought forward，and application methods of testing evaluation indexes were analyzed in locale practice area.Research result indicated that the measure system includes two pats which one is evaluation of protection scope and the other is protection effect.Those factors of gas pressure，gas content，coal seam permeability coefficient，relative deformation of coal seam roof and floor，gas drainage quantity and the change of outburst indexes can be used as the evaluation indexes in fieldwork.In accordance with the steps of effect assessment on protective layer，the protection scope should be ascertained firstly，then protection effect can be evaluated in term of coal physical properties，coal seam gas properties and dynamic characteristics in coal mining.The evaluation result can be appraised quantificationally by contrast measured values on-site and index Thresholds.

protection layer exploiting;coal and gas outburst;index system;evaluation method

TD713+.31

A

1672-7169(2012)03-0011-05

2012-04-05

王志亮(1971-)，男，山西阳泉人，博士，华北科技学院安全工程学院副教授。