突出煤层开采近距离下保护层保护效果研究

李臣武

（贵州职业技术学院建筑工程学院，贵州 贵阳 550023）

瓦斯是影响矿井安全生产的重要制约因素，特别是近距离煤层群瓦斯给矿井安全开采带来的困难尤为明显，寻找近距离煤层群瓦斯治理的有效方法迫在眉睫[1]。开采保护层是我国井工煤矿主要区域防突技术措施之一，保护层开采能降低煤与瓦斯突出危险，增大煤层透气性，有利于瓦斯抽采[2]。保护层分为上保护层和下保护层，下保护层开采能极大改善被保护层的应力状态，卸压增透效果明显，大大降低瓦斯含量，有效地控制煤与瓦斯突出危险性[3]。金源煤矿下保护层M9 煤层已开采，需对其上覆煤层M5 煤层的保护效果进行判定，同时也是决定M5 煤层被保护范围是否继续采取区域防突措施的关键问题。

1 工程概况

金源煤矿主要可采煤层从上往下依次为M5、M9、M13 煤层，M5、M9、M13 煤层相邻间距分别为11.23 m、27.43 m。矿井瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井，矿井采用斜井开拓方式，全矿井划分为1 个水平3 个采区，水平标高+1080 m。一采区采用联合布置，开采一采区下山南侧的M5、M13 煤层，二采区、三采区分层布置，二采区开采M5 煤层（+1150 m 至一采区下山北侧的煤层），三采区开采M13 煤层（+1080 m 至一采区下山北侧煤层）。矿井范围M9 煤层已开采结束，正在回采M5 煤层，一采区10501、10503 工作面已开采完，10505、10507、10509 工作面切眼已贯通。M9 与M5 煤层间距7.98～16.10 m，平均11.23 m。M5 煤层的下保护层M9 煤层已开采，经现场调查M5 煤层未受到破坏。

2 保护层保护范围确定

2.1 沿铅垂方向的保护范围

《防治煤与瓦斯突出细则》规定缓倾斜和倾斜煤层下保护层的最大保护垂距为100 m[3]，M5 与M9 煤层间距为11.23 m，小于100 m，M5 煤层处于M9 煤层的有效保护垂距范围内。

2.2 沿倾斜方向的保护范围

保护层沿倾斜的保护范围可按卸压角划定，卸压角与煤层倾角、开采深度、地层岩性等因素有关。

金源煤矿M5 煤层倾角为4°，M5 煤层与M9煤层间距为11.23 m，根据《防治煤与瓦斯突出细则》选取卸压角δ1=79°，δ2=81°。M9 煤层开采后，M5 煤层沿倾斜方向的保护范围如图1。

图1 M9 煤层对M5 煤层沿倾斜方向的保护范围

2.3 沿走向方向的保护范围

M9 煤层采煤工作面停采时间已远超3 个月，卸压比较充分，则采煤工作面对被保护层（M5 煤层）沿走向的保护范围对应于始采线、采止线及所留煤柱边缘位置的边界线可按卸压角56°～60°进行取值，该次取58°。走向方向保护范围如图2。

图2 M9 保护层工作面沿走向方向对M5 煤层保护范围

3 保护层开采的防突措施效果检验

金源煤矿采取开采M9 煤层保护层作为区域防突措施，根据《防治煤与瓦斯突出细则》第六十八条规定，以煤层残余瓦斯压力实测值为主要指标，以煤层残余瓦斯含量及其他指标为辅助指标，综合判定M5 煤层被保护范围内保护效果。

3.1 M5 煤层瓦斯压力测定

结合金源煤矿井下巷道实际状况，现场考察瓦斯压力测定钻孔布置如下：在10509 运输巷距切眼52 m 上帮布置1#孔，距回风绕道口向里100 m 上帮布置2#孔，在10509 回风巷距切眼50 m 下帮布置3#孔，距回风绕道口向里100 m 下帮布置4#孔，在10511 运输巷距开口20 m 处上帮布置5#孔、下帮6#孔，10511 回风巷距开口18 m 处上帮布置7#孔、下帮8#孔，四个观测点共布置8 个钻孔测定M5 煤层瓦斯压力。钻孔封孔24 h 后，开始安装压力表，此时各表数字均为零，经过一段时间观测瓦斯压力趋于稳定。各测定钻孔瓦斯压力观测数据及变化曲线如图3。

图3 安装压力表后时间与压力关系图

由上述各测压孔瓦斯压力数据及曲线图分析可知，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#号钻孔自装上压力表时开始测压，1#钻孔初始压力为0 MPa，达到0.25 MPa 后，压力基本保持稳定不变；2#钻孔瓦斯压力从初始压力0 MPa 到0.19 MPa 后，压力基本保持稳定不变；3#钻孔瓦斯压力从初始压力为0 MPa 达到0.26 MPa 后，压力基本保持稳定不变；4#钻孔自装上压力表时开始测压，压力从初始压力0 MPa 到0.18 MPa 后，压力基本保持稳定不变；5#钻孔瓦斯压力从初始压力0.1 MPa 达到0.14 MPa 后，压力基本保持稳定不变；6#钻孔瓦斯压力从初始压力0 MPa 达到0.17 MPa 后，压力基本保持稳定不变；7#钻孔瓦斯压力从初始压力0.06 MPa 达到0.22 MPa 后，压力基本保持稳定不变；8#钻孔瓦斯压力从初始压力0.10 MPa 下降到0.08 MPa 后，压力基本保持稳定不变。各钻孔压力最大值见表1。

表1 M5 煤层瓦斯压力测定值

3.2 M5 煤层瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量测定方法分为直接测定法和间接测定法。直接法测瓦斯含量操作简便，是当前井下普遍采用的瓦斯含量测定方法[]，该次煤层瓦斯含量测定采用直接法。经过现场考察确定M5 煤层瓦斯含量测定地点为10509 采面回风巷、10511 运输巷和10511 回风巷，三个地点共布置8 个钻孔12个煤样测定瓦斯含量。煤样在井下初步解吸后，升井到地面实验室再进行测定，测定结果见表2。经过对比分析，在10509 回风巷距切眼60 m 处所取煤样瓦斯含量最大，最大值为5.202 m³/t。

表2 M5 煤层瓦斯含量测试结果表

3.3 瓦斯放散初速度及坚固性系数测定

在10509 采面、10511 运输巷和10511 回风巷分别采集M5 煤层全层样1 组，煤样采取新暴露的M5 煤层沿煤层厚度的上、中、下部各采取块度为100 mm 左右的煤样两块，煤样送资质单位瓦斯实验室进行坚固性系数指标f 值的测定，测定结果见表3。

表3 M5 煤层的放散初速度及坚固性系数结果表

在10509 采面运输巷、10509 采面回风巷、10511 运输巷和10511 回风巷对M5 煤层进行宏观观察，煤体整体光泽度为暗淡-半亮型，层理清楚，节理平整，较有秩序，硬度中等，用手难以掰开，综合判定M5 煤层煤体的破坏类型为Ⅱ类。

4 判断指标可靠性分析

M5煤层实测残余瓦斯含量为2.908～5.202 m3/t，采用直接测压法现场测得M5 煤层的残余瓦斯压力为0.08～0.26 MPa，利用实测的煤层瓦斯含量计算M5 煤层残余瓦斯压力为0.148～0.292 MPa，测定的坚固性系数指标f 值最小值为1.42，放散初速度值△P为8.6 mmHg。根据M5 煤层掘进期间突出危险性效果检验统计表及通风瓦斯报表显示，工作面掘进期间瓦斯涌出量较小，最大值为0.50 m3/min，工作面突出危险性预测值（K1值）最大为0.15 mL/g.min1/2，钻屑量最大值为1.7 kg/m，未发现指标超过临界值现象。通过数据对比和分析认为该次测得M5 煤层残余瓦斯含量、残余瓦斯压力等数据可靠性较高，可以作为保护效果判定的依据。

5 结论

金源煤矿M5 煤层采取开采保护层M9 煤层区域防突措施后，经效果检验，采用直接测压法现场测得M5 煤层最大残余瓦斯压力为0.26 MPa，小于0.74 MPa，采用直接测定煤层瓦斯含量法，实测得M5煤层最大残余瓦斯含量为5.202 m3/t，小于8 m3/t，最大残余瓦斯压力和瓦斯含量均小于《防治煤与瓦斯突出细则》规定的临界值，同时参考测定的瓦斯放散初速度、坚固性系数等辅助指标，并结合M5煤层掘进期间的瓦斯涌出情况，综合判定金源煤矿M5 煤层被保护范围的保护效果有效，即M5 煤层的区域防突措施达到效果。在M5 煤层被保护范围内进行采掘活动，需进行区域验证并采取“四位一体”的局部综合防突措施后方可进行采煤工作面回采工作。