晋煤集团下保护层开采规律研究

曹建波

(1.山西晋城煤业集团 生产技术处，山西 晋城 048006；2.山西晋城煤业集团 技术研究院，山西 晋城 048006)

晋煤集团下保护层开采规律研究

曹建波1，2

(1.山西晋城煤业集团 生产技术处，山西 晋城 048006；2.山西晋城煤业集团 技术研究院，山西 晋城 048006)

为了研究保护层开采规律，以寺河二号井94302工作面为试验工作面，采用深部基点法、钻孔电视、双端封堵测漏等技术手段对下部采场覆岩移动破坏规律进行研究，采用现场实测及数值模拟软件对瓦斯运移规律研究，试验结果表明：被保护层处于弯曲下沉带内，保护层开采后被保护层瓦斯卸压效果明显，可以有效降低煤层突出危险性。

保护层开采；卸压范围；深部基点；钻孔电视

RuleofLower-protectionCoal-seamMininginJinchengCoalGroup

随着晋煤集团各主力矿井3号煤层浅部易采资源的逐渐枯竭，开采向着地质条件复杂、高瓦斯区域转移。采用底抽巷或高抽巷对高瓦斯区域煤层进行提前抽采施工成本较高[1-2]，并且在部分区域效果并不理想。生产实践表明，保护层开采技术是防治煤与瓦斯突出最有效最经济的区域性措施[3-5]。

保护层采出后，上覆岩层应力重新分布，覆岩破坏形成典型的“三带”分布特征，而位于不同层位的被保护层变形破坏形态存在较大差异[6-7]，这直接影响着保护层开采及卸压瓦斯抽采的效果。以晋煤集团寺河二号井94302工作面为试验工作面，在工作面回采过程中对“三带”分布、3号煤层瓦斯卸压情况进行研究，为保护层开采提供依据。

1 工程概况

寺河二号井94302工作面位于九四盘区，开采9号煤层，工作面倾斜长150m，走向长492m，盖山厚度280～420m，煤层厚度为1.2～1.6m，平均1.5m，煤层倾角为3°，9号煤层直接顶为3.93m的粉砂岩，黑灰色，质密，具水平层理及缓波状层理；基本顶为5.3m的细砂岩，呈灰色，以石英为主，显波状层理；直接底为石灰岩，厚0.45m；基本底为细砂岩，厚5.09m，黑灰色，显波状层理。

六西北二运输巷位于94302工作面上方50m处的3号煤层中，巷道上方为3.5m厚顶煤，3号煤层直接顶板为2.3m的粉砂岩，基本顶为5.4m厚的中粒砂岩，底板为厚3m的深灰色砂质泥岩，老底为厚9.3m细粒砂岩。巷道与工作面存在压茬关系，见图1。

图1 观测巷道与回采面位置关系

2 岩层移动观测

在上部3号煤层巷道内布置监测钻孔，通过深基点、钻孔电视、双端封堵测漏等进行覆岩移动规律研究。

2.1 深基点观测

在工作面回采影响前，从上部观测巷道向9号煤工作面施工直径为98mm的钻孔，并在钻孔的不同位置安装深部基点，基点通过钢丝绳引至观测巷道，并在端部悬挂配重，见图2。

图2 深基点示意

在下部工作面回采过程中，量取各基点的变化量，以3号钻孔为例，各基点的变化曲线见图3(CZ3-3～CZ3-7曲线与CZ3-2基本一致，图中省略)。

图3 3号钻孔各基点曲线

3号钻孔在工作面距离钻孔40m时开始监测，由实测曲线可以看出该钻孔处岩层移动大致可以分为3个阶段：

(1)岩层移动的初始影响阶段 该阶段的特点是岩层开始变动，但是变动值较小，在工作面快要推到钻孔位置的时候，覆岩有少许的翘起，从该沉降曲线图可以看出，从工作面距离钻孔40m到推过钻孔3.7m的阶段顶板岩层变化不大，称为初始变化阶段。

(2)岩层的剧烈沉降阶段 在工作面推过钻孔3.7m后，3号钻孔处岩层的沉降进入剧烈沉降阶段，该阶段内岩层的整体下沉量较大，又分为2个部分，由沉降曲线可以看出，在工作面推过3.7～13.5m的区间内上覆岩层整体下沉，层间基本没有出现明显的离层现象；当工作面推过钻孔13.5m后，层间离层开始发育，到推至18.38m离层达到最大值。

(3)岩层沉降的衰退阶段 该阶段内由于覆岩受到下部垮落岩石的支撑，沉降速度逐渐减小，沉降值逐渐趋于稳定，层间离层有少许的闭合，根据现场观测的数据，离层并未完全闭合。

从曲线的总体可以看出，在工作面推到钻孔前，钻孔处岩层垂直移动较小，而当工作面推过钻孔3m后覆岩开始快速下沉。工作面推过钻孔13.5m时层间离层开始快速发育，而由监测曲线可以很明显地看出，离层主要发生在CZ3-7测点以下，尤其是CZ3-7～CZ3-8之间离层量较大，最大可达到254mm，而CZ3-8～CZ3-9之间的离层量也比较明显，最大离层量达89mm。

2.2 钻孔电视观测

为了能够更好了解下部工作面回采后覆岩破坏情况，在采动前后分别施工钻孔，并对岩层进行钻孔窥视，窥视结果见图4。

图4 各钻孔冒落带顶部位置

根据对采后4个钻孔观测图像可以得到，各钻孔所在区域的垮落带和裂缝带发育高度。具体统计见表1。

表1 各带高度统计

可以得出垮落带高度为2.2～4.5m，裂缝带高度为21.6～27.2m。

2.3 双端封堵测漏观测

钻孔分段注水观测方法是一种最传统、最可靠的确定上覆岩层受采动后其裂缝带、垮落带发育高度的方法[8-10]，此方法是采动后上覆岩层会形成分层且各分层的裂隙大小与数量不等，因此各阶段的注水量不同，采用封孔器封住两端，利用测试段测量此段注水量的多少，利用注水量的多少来判断此段情况。并结合卡钻、掉钻等情况综合判定垮落带、裂缝带高度的一种方法。其系统见图5。

1—渗透段；2—橡胶密封段；3—钻杆；4—高压水管；5—高压泵；6—流量计；7—压力表；8—阀门；9—三头连通器

对采后4个孔进行注水测试，得出注水曲线图见图6。

根据1号，2号，3号，4号钻孔双端封堵测试技术可以得出各钻孔在不同层位内的注水速度，根据各注水速度可以分析出裂缝带与垮落带的高度，见表2。

表2 各钻孔区域分布统计

根据表2统计结果，可以得出9号煤层垮落带高度为2.5～4.5m；裂缝带高度为19～26m。根据以上统计可知，靠近工作面停采线区域的裂缝带高度较大，为26m，距离工作面停采线较远的区域裂缝带高度为19～23m。

结合钻孔电视及双端封堵测漏技术测试，可以得出94302工作面垮落带高度为2.2～4.5m，裂缝带(不含垮落带)高度为19～27.2m；距离工作面停采线较近(约40m)的钻孔的裂缝带高度要大于中部其他钻孔处的裂缝带高度，靠近边界的裂缝带高度为26～27m，中部钻孔处裂缝带高度为19～23m；下部工作面的回采，引起上部煤体应力的变化，部分煤体应力转化为水平应力导致观测巷道底鼓，根据监测底鼓影响区在0～7m的岩层范围内。

图6 双端封堵测漏注水量分布

3 卸压瓦斯运移规律研究

3.1 瓦斯流动模型的COMSOL解算

利用COMSOL Multiphysics可以求解构建的近距离下保护层开采瓦斯流动模型[11]。建立寺河二号井下保护层开采模型，保护层开采过程中垂直应力和瓦斯压力模拟结果如图7所示。

保护层开采过程中被保护层瓦斯压力变化如图8所示。

随着保护层工作面的不断推进，被保护煤层瓦斯压力经历卸压过程；且被保护层的瓦斯压力变化具有一致的规律性，可以将其划分为四带：

(1)正常压力带 位于工作面前方20m以外，被保护层未受到开采影响，煤层瓦斯压力处于原始状态。

图7 保护层开采过程中垂直应力分布

图8 瓦斯压力变化

(2)集中压力带 位于工作面前方20m到工作面正上方0m范围，此带内煤层瓦斯压力出现一定的上升现象。

(3)过渡变化带 位于工作面0m到工作面后方30m，此带内瓦斯压力发生显著变化，瓦斯压力显著降低。

(4)充分卸压带 位于工作面后方30～40m以外，在此带内瓦斯加剧解吸，瓦斯压力下降到最小值，并基本稳定下来，即保护层的影响达到最大程度。

保护层开采过程中被保护层渗透性系数变化结果如图9所示。

图9 推进过程中透气性系数变化

保护层开采以后，被保护层中裂隙发育加强，煤层内部透气性的分布规律也发生变化。如图9所示，随着保护层开采范围的扩大，被保护层不仅透气性系数随之扩大，而且高透气性分布的范围也在扩大。当保护层回采推进100m时,透气性系数为原始透气性系数的120倍左右。

透气性系数大小的分布与被保护层中的应力分布有直接关系，其中高透气性系数分布在稳定卸压区，透气性系数在重新压实区有所减少但也维持在较高的范围，这与“O”型圈理论基本一致。高透气性系数主要分布在稳定卸压区与重新压实区，其宽度约为60m。在过渡卸压区范围内透气性系数虽然增加幅度不大，但仍然为原始透气性系数的70倍左右。

3.2 保护效果现场实测分析

9号煤层开采上覆岩层稳定后，采用井下直接解吸法测试3号煤层瓦斯含量。3号煤层试验巷道中测点的瓦斯含量总结如表3所示。

表3 试验巷道3号煤层瓦斯含量

3号煤层试验巷道开采前与开采后的瓦斯含量对比分析如图10所示。

图10 开采前后3号煤层实验巷道瓦斯含量对比分析

从开采前后3号煤层实验巷道瓦斯含量对比分析图可以看出，在9号煤层94302试验工作面开采过后，3号煤层中试验巷道瓦斯含量有所降低，这说明9号煤层94302试验工作面开采过后形成上覆三带，产生了大量裂隙，汇集、贯通形成了3号煤层与9号煤层之间的瓦斯通道，9号煤层开采后对于3号煤层具有一定的卸压增透作用，能够降低3号煤层的瓦斯含量，降低3号煤层的突出危险性，提高煤矿生产的安全性。

9号煤层开采上覆岩层稳定后，3号煤层试验巷道中测点的瓦斯压力总结如表4所示。

3号煤层试验巷道开采前与开采后的瓦斯压力对比分析图如图11所示。

表4 3号煤层试验巷道采后瓦斯压力

图11 开采前后3号煤层实验巷道瓦斯压力对比

从图11中可以看出，虽然3号煤层试验巷道已经得到部分卸压，但是下保护层开采还能够对上覆煤层再次卸压。3号煤层透气性系数大大增加，说明下保护层开采可以对被保护层进行卸压增透，有利于瓦斯抽采，实现煤与瓦斯共采。

4 结论

(1)根据深基点监测数据，岩层移动基本划分为3个阶段：初始影响阶段、岩层的剧烈沉降阶段及岩层移动的衰退阶段。初始影响阶段一般发生在工作面前方30m到工作面后方3m的区域内；岩层的剧烈沉降阶段一般发生在工作面后方4～20m的范围内；沉降衰退阶段一般发生在工作面后方20m以远的区域。

(2)结合钻孔电视及双端封堵测漏可以得出，9号煤层采场垮落带高度为2.2～4.5m，裂缝带高度为19～27.2m。

(3)运用COMSOL4.2多物理场数值模拟软件，建立了中距离下保护层开采瓦斯流动模型，模拟了保护层开采过程中的瓦斯流动规律，得出工作面推过20m后，煤层瓦斯压力明显降低，煤层透气性增大120倍左右，卸压宽度约为60m。

(4)现场测试结果表明，中距离下保护层开采后，被保护层瓦斯压力和瓦斯含量分别比采前降低33%和28%，卸压效果明显，有利于进行瓦斯抽采，消除突出危险。

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[责任编辑：于健浩]

2014-05-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.011

曹建波(1971-)，男，山西长治人，硕士研究生，高级工程师，现主要从事煤矿生产技术管理工作。

曹建波.晋煤集团下保护层开采规律研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：36-40.

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1006-6225(2014)05-0036-05