保护层开采被保护层卸压增透效果的应用研究

冯拥军 周玉军 张喜传

（1.河南工业和信息化职业学院采矿工程系，河南省焦作市，454000；2.河南能源化工焦煤集团宝雨山煤业公司，河南省洛阳市，471300）

1 工作面概况

河南能化焦煤集团宝雨山煤业公司井田位于登封煤田的最西端，主采二1煤层，矿井采用立井二水平上、下山开拓，采深69～354m，正常涌水量312～426m3／h。2012年二1煤层鉴定为煤与瓦斯突出煤层，瓦斯含量3.26～6.52m3／t，瓦斯压力最大0.78 MPa。目前揭露的11采区和12采区的二1煤层和一7煤层经鉴定均为三类不易自燃煤层。

由于宝雨山煤业公司二1煤层原始煤体的透气性差、煤体结构松软、煤层瓦斯吸附能力强等原因，在原始煤体条件下预抽煤层瓦斯很难达到理想的消突效果，实践证明采取开采保护层结合被保护层卸压瓦斯强化抽采技术能够区域性消除二1煤层的突出危险性，将高瓦斯突出煤层转变为低瓦斯无突出煤层，实现宝雨山煤业公司安全高效生产。

宝雨山煤业公司12采区西翼有二1煤层和一7煤层2层煤可采。一7煤层平均厚度0.5 m，煤层倾角20°，属不稳定煤层，瓦斯含量不大，煤层无突出危险，局部能构成工作面，因此可作为保护层开采。二1煤层为厚度4m 左右赋存稳定的突出煤层，煤层倾角20°，煤层瓦斯压力0.67～0.81 MPa，瓦斯含量7.03～8 m3／t，因此开采前应采取区域性防突措施。根据 《防治煤与瓦斯突出规定》，在具备开采保护层的条件下，采用保护层开采技术治理煤层瓦斯。因此12采区西翼的瓦斯治理选择一7煤层作为下保护层，开采一7 煤层保护二1煤层。二1煤层和一7煤层平均层间距为20m。

一7煤层开采12B06 工作面，工作面走向长650m，倾斜长185 m。二1 煤层开采12112 工作面，工作面走向长650m，工作面倾斜长115m。

2 被保护层卸压增透效果考察设计方案

宝雨山煤业公司在12B06 工作面下巷道所测第一个被保护层工作面二1煤层的瓦斯含量最大为6.52m3／t，因 此 在12B06 工 作 面 中 巷 道370 ～590m之间布置10个钻场，在下巷道120 ～300m之间布置10个钻场，施工穿层钻孔对被保护层二1煤层进行抽采，考察瓦斯抽采参数。钻场及钻孔平面布置如图1所示。1号钻场剖面图如图2所示。

图1 12B06中巷道10个钻场及钻孔平面布置图

图2 12B06中巷道1号钻场钻孔剖面图

本次考察方案共设计了22个考察钻孔 （这是考察工作必需的钻孔数目），其中6 个测压孔、7个变形孔和9个瓦斯抽采钻孔。

变形孔用于测定保护层开采及卸压瓦斯抽放过程中二1煤层顶底板的相对变形，要求进入煤层顶板1m；测压孔用于测定保护层工作面开采及卸压瓦斯抽放过程中，二1煤层瓦斯压力、瓦斯含量和煤层透气性等参数的变化，并经进一步分析得出保护层开采及卸压瓦斯抽采的影响程度。

在被保护范围内通过测定二1煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、煤层顶底板相对变形，考察保护层开采对被保护层卸压瓦斯抽采的影响。

3 卸压增透效果及其分析

3.1 二1煤层透气性考察

在考察钻孔中选取4号钻场1＃、2＃及3＃钻孔来考察煤层自然瓦斯流量，本次考察远离采动影响，即在测定瓦斯压力后，卸下压力表，测其在自然状态下的瓦斯流量，具体流量如图3所示。

图3 钻孔自然瓦斯流量随时间的变化

3个钻孔的自然瓦斯流量参数、瓦斯基础参数及钻孔参数如表1所示。

通常测得的煤层透气性系数均在煤矿井下实测，本文测定方法采用中国矿业大学的方法。这种方法较为简便，是在煤层瓦斯向钻孔流动的状态属径向不稳定流动的基础上建立的，该方法需要打钻时测定煤层的原始瓦斯压力、卸压后的钻孔瓦斯自然流量及测定煤层的瓦斯含量系数。通过钻孔径向不稳定计算公式来进行煤层透气性系数计算，原始透气性测定结果见表2所示。

由表2 看出，二1 煤层透气性为0.0154～0.0203m2／ （MPa2·d），平均0.02m2／ （MPa2·d），属于难以抽采煤层。

保护层一7煤层开采后，被保护层二1煤层发生卸压膨胀变形，二1煤层的透气性也发生相应变化，透气性大大增加。图4为保护层开采后钻孔瓦斯流量随工作面位置变化曲线。

表1 原始煤层透气性测定参数

表2 原始煤层透气性测定计算结果

图4中坐标原点代表钻孔所处在工作面的位置，坐标左侧为工作面超前钻孔前方的位置，坐标右侧位置为工作面推过钻孔后方的位置。由图4可以看出，1＃、2＃、3＃钻孔自然瓦斯流量基本趋于一致，大体呈现先下降→上升→下降→上升→趋于稳定→下降。

图4 保护层开采后钻孔瓦斯流量随工作面位置变化曲线

由图4可知，在采面距钻孔20m 时，钻孔瓦斯流量开始上升，在此位置处，表明一7煤层开采对二1煤层的开采开始产生了卸压变形，煤层透气性增大，瓦斯解吸及涌出速度加快，自然瓦斯量增大，越来越多的瓦斯涌向钻孔；当采面推进到钻孔位置时候，钻孔自然瓦斯流量达到了极大值；当采面推过到钻孔后20m 位置，自然瓦斯流量开始有小的波动，随着工作面的继续推进，流量趋于稳定，至工作面推过钻孔90m 位置时，自然瓦斯流量开始变得很小，说明煤层发生了收缩变形，也可能是顶板的裂隙带与钻孔导通，也可能为二1煤层中的游离态瓦斯已逸散至保护层工作面后方的采空区及裂隙带的孔隙裂隙中，二1煤层自身的瓦斯量已经很少。

将二1煤层卸压后的透气性与卸压前的透气性进行比较，可以深入了解保护层开采前后二1煤层所发生的变化。二1煤层卸压后的透气性测定方法与测定原始透气性系数相同，所不同的是需要代入煤层的残余瓦斯压力和测定残余瓦斯压力钻孔打开后测定的钻孔瓦斯流量。

利用上述钻孔资料，实测在12B06 工作面回采后的二1煤层受保护区域二1煤层透气性系数增加到16.2m2／ （MPa2·d），提高了810倍。

3.2 二1煤层顶底板膨胀变形

在12B06保护层开采过程中，重点考察了被保护层顶底板膨胀变形量，以此分析保护层开采后被保护层的卸压保护效果。煤层顶底板膨胀变形随开采时间变化曲线如图5所示。

图5 二1煤层顶底板膨胀变形随开采时间变化曲线

在12B06中巷道施工钻孔，用深部基点法测二1煤层顶底板膨胀变形，钻孔煤厚3.5 m，实测最大膨胀变形量为72 mm，最大膨胀变形率为20.6‰，远超过 《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值3‰，说明保护层开采导致被保护煤层的地应力有较大下降，能够起到很好的卸压保护作用，最大膨胀变形发生在工作面采过20m 处，说明保护层开采导致二1煤层的地应力有较大下降，由于煤层卸压膨胀变形在煤层内形成顺层张裂隙，有利于卸压瓦斯在煤层内流动。

4 结论

（1）上覆煤岩体为坚硬特厚灰岩，产生整体弯曲下沉变形，上覆岩体不产生冒落带；被保护层位于保护层的老顶的弯曲下沉带；由于保护层开采作用，二1煤层产生卸压膨胀变形的同时形成大量顺层张裂隙，沿层理方向的透气性增加。

（2）二1煤层获得卸压保护效果后，煤层瓦斯解吸，但是由于在煤层中形成大量顺层张裂隙，所以煤层中的卸压瓦斯沿顺层张裂隙流动，少量卸压瓦斯可能会通过采动裂隙涌入保护层工作面采空区。

（3）现场保护层开采试验表明，在层间距23.4m，相对层间距达50倍条件下，保护层开采使得二1煤层瓦斯压力由0.9 MPa降为0.12 MPa，瓦斯含量由6.52m3／t降为3.1m3／t。现场采用深部基点法实测二1煤层顶底板相对膨胀变形率达到20.6‰，远超过 《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值3‰，煤层透气性提高810倍，在卸压区内全面地消除了二1煤层的煤与瓦斯突出危险。

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