低渗高突煤层开采保护层的可行性研究

霍晶晶

(潞安化工集团 寺家庄煤业公司，山西 晋中 045300)

保护层开采基于岩层运动[1]，在释放被保护层弹性潜能、解除被保护层突出危险性、增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率等方面被国内外学者认为是最有效的区域防突措施[2]，《防治煤与瓦斯突出细则》和《煤矿安全规程》均将开采保护层作为区域防突措施的首选。前苏联是最早进行保护层开采研究的国家之一，自从1933年法国开始进行保护层开采试验研究以来，德国和波兰等国家也开始应用保护层开采技术防治煤与瓦斯突出。从1958年开始，我国在重庆和北票地区进行试验，目前已有26%的突出矿井采用此法来解决突出危险煤层的开采问题。袁亮[3]研究分析保护层开采后对岩层的移动变化分布、瓦斯运移规律等进行科学归纳总结，并形成系统成熟的保护层开采后煤层瓦斯抽采理论与技术；秦汝祥[4]、尹锡峰[5]、师景勤[6]等人运用FLAC3D数值模拟分析保护层开采对被保护层的垂直应力场影响与卸压范围，并用现场直接实测的方法分析对瓦斯抽采的相关参数影响；许灿荣[7]等运用COMSOL多物理场软件，对近距离下保护层开采条件的瓦斯流动建立耦合模型；李丽[8]、王海峰[9]等利用井下实测数据，对近距离上保护层开采工作面瓦斯运移规律进行研究，为抽采参数优化提供指导；黄友金等[10]为防治保护层开采过程上隅角瓦斯超限问题，采用高位钻孔抽采采空区瓦斯、穿层钻孔预抽临近煤层瓦斯的综合抽采治理措施。

本文结合某矿现有揭露煤层的突出情况与实际开采技术条件，采用UDEC数值模拟对不同情况保护层开采进行分析，开展保护层开采可行性论证，为低渗透高瓦斯突出煤层的区域防突措施提供理论依据。

1 工程研究背景

某矿含煤地层有山西组与太原组，共18层，由上而下编号为1号、2号、3号、4号、5号、6号、81号、82号、84号、9上号、9号、11号、12号、13号、14号、14下号、15及16号，1～6号煤层属于山西组，81～16号煤层属于太原组，其中9号、11号、13号、14号、15号煤层均为突出煤层，属于典型的突出煤层群开采条件；81号、84号、9号煤层为局部可采煤层，为一个煤组；15号煤层为全区可采煤层，为一个煤组。煤层瓦斯参数情况见表1，目前主要开采的是15号煤层，15号煤层透气性系数在0.099 4～0.135 09 m2/MPa2·d，属于低渗透煤层。

表1 煤层参数测定结果

目前主要在15号煤层进行采掘活动，所以优先研究15号煤层作为被保护层的可行性。根据《防治煤与瓦斯突出细则》中要求的有效保护垂距范围，81号、84号煤层距15号煤层垂直距离平均在77.58～86.98 m，故初步判定81号、84号煤层不宜作为15号煤层的保护层，而11、12、13、14、14下等煤层较薄，均属不稳定的全区不可采煤层，且11号、13号、14号煤层(瓦斯压力1.2 MPa)均为强突出煤层，不具备作为保护层的开采条件。9号煤层属于较稳定的大部可采煤层，理论上可以作为15号煤层的上保护层。

另一方面，在距离15号煤层底板3.05 m的16号煤层属于不稳定的全区不可采煤层，与15号煤层间距过近，会威胁保护层工作面安全和破坏煤层开采条件，不宜作为15号煤层的下保护层。

综上所述，需要对9号和15号煤层分别作为保护层的可行性进行论证。

2 上保护层开采可行性论证

煤与瓦斯突出是地应力、煤中的瓦斯以及煤的结构和力学性质综合作用的动力现象。瓦斯压力是发生突出的主要能量来源，当煤的强度、煤与围岩的摩擦力低时，地应力造成的变形潜能使煤体破碎。

由表1所示的瓦斯参数来看，9号煤层与15号煤层的破坏类型均为III类，其瓦斯含量相近，9号煤层的瓦斯压力是15号煤层的近4倍，瓦斯放散初速度要比15号煤层要大20%，坚固性系数是15号煤层的0.5倍。由此可见，除了煤的破坏类型以外，9号煤层的其他突出危险性预测指标值比15号煤层要更加远离指标临界值(特别是反映突出动能大小的瓦斯压力指标值)，这表明9号煤层的突出危险程度要远大于15号煤层。

2.1 保护范围及卸压效果分析

1) 最大保护垂距。9号煤层倾角为3～19°，一般8°，属于缓倾斜煤层。按照表2所示的保护层与被保护层之间的最大保护垂距，某矿开采上保护层9号煤层的最大保护垂距为50 m。

表2 保护层与被保护层之间的最大保护垂距

保护层与被保护层之间的最大保护垂距计算公式如下：

S上=S'上β1β2

(1)

式中：S'上为保护层的理论最大保护垂距，m。它与工作面长度L和开采深度H有关，可参照表2取值。当L>0.3H时，取L=0.3H，但L不得大于250 m；β1为保护层开采的影响系数，当M≤M0时，β1=M/M0，当M>M0时，β1=1；M为保护层的开采厚度，m；M0为保护层的最小有效厚度，m。M0可参照图2确定；β2为层间硬岩(砂岩、石灰岩)含量系数，以η表示在层间岩石中所占百分比，当η≥50%时，β2=1～0.4，η/100，当η<50%时，β2=1。

9号煤层厚度平均1.33 m。根据式(1)计算可得，开采上保护层9号煤层的最大保护垂距为61 m。

15号煤层上距9号煤层54.5～71.57 m，平均63.74 m，然而，由方法1和方法2确定的最大有效作用垂距为50～61 m。根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定，此时被保护层15号煤层只有一少部分在保护层9号煤层的有效作用范围内，尚有大部分区域处于有效作用范围之外。

2) 被保护层15号煤层的应力释放规律。根据地质条件，对开采9号煤层后被保护层15号煤层的应力释放与膨胀变形规律利用UDEC进行数值模拟，9号煤层开采长度为400 m，采高为1.33 m，9号煤层与15号煤层之间垂距分别为52 m、62 m、72 m，得到不同层间距条件下被保护层15号煤层的应力释放规律见图1。

图1 在不同层间距条件下被保护层15号煤层的应力释放规律

如图1所示，在层间距72 m、保护层开采范围50 m的情况下，被保护层15号煤层应力释放率最大为46%.随着层间距的降低，保护层开采范围的增大，保护层开采趋于充分采动，在层间距52 m、保护层开采范围200 m的情况下，被保护层15号煤层的应力释放率最大为85%.

3) 被保护层15号煤层的膨胀变形规律如图2所示。在层间距为72 m、保护层开采范围为50 m的情况下，被保护层15号煤层得到卸压，顶底板相对变形量最大为0.9%.随着层间距的降低，保护层开采范围的增加，保护层开采趋于充分采动，在层间距为52 m、保护层开采范围为200 m的情况下，顶底板相对变形量最大为3.6%.

图2 在不同层间距条件下被保护层15号煤层的膨胀变形规律

综上所述，9号煤层开采后被保护层的卸压效果一般，被保护的15号煤层大部分区域处于有效保护范围之外，不能消除突出危险性，不能作为15号煤层的上保护层。

3 下保护层开采可行性分析

1) 最大保护垂距。15号煤层倾角为2～20°，平均8.5°，属于缓倾斜煤层。按照表2所示的保护层与被保护层之间的最大保护垂距，某矿北一盘区开采下保护层15号煤层的最大保护垂距为100 m。根据式(1)计算可得，开采下保护层15号煤层的最大保护垂距为155 m，故下保护层15号煤层开采后的最大有效保护垂距为100～155 m。

2) 最小层间距。根据《防治煤与瓦斯突出细则》第六十一条的规定，选择下保护层开采时，不得破坏被保护层的开采条件。开采下保护层时，不破坏上部被保护层的最小层间距可参用式(2)或者式(3)确定：

当α<60°时，H=KMcosα

(2)

当α≥60°时，H=KMsin(α/2 )

(3)

式中：H为允许采用的最小层间距，m；M为保护层的开采厚度，m；α为煤层倾角，°；K为顶板管理系数。垮落法管理顶板时，K取10；充填法管理顶板时，K取6。

15号煤层的厚度为3.20～6.41 m，平均5.14 m；煤层倾角为2～20°，平均8.5°；工作面采用垮落法管理顶板，顶板管理系数K取值10。则，由式(2)计算可得，开采下保护层15号煤层的允许最小层间距为30.1～64.1 m。

3) 采厚比。根据国内采用全部垮落法管理顶板的经验，在受一个煤层采动影响后，只要柱厚(两层煤之间的岩层厚度)/采高比达到7.5以上，具备以下条件之一即可上行开采。经过计算得到9号煤层与15号煤层的柱厚与采高比最小为54.5/6.41=8.5，大于7.5。

4) 影响范围。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》提供的导水裂隙带高度计算公式，下部15号煤层开采后的最大影响高度小于两层煤层的间距。

(4)

式中：H为最大影响高度，m；M为下部煤层采高，m。

15号煤层采高最大为6.41 m，由式(4)计算，H=46.26 m，即下部15号煤层开采后的最大影响高度为51.86 m，小于盘区内9号与15号煤层的平均层间距63.74 m，15号煤层的开采不会影响上部9号煤层的开采条件。

5) 层间岩性及岩层结构。上、下煤层间岩层的岩性及岩层的结构是控制采动影响的重要因素，15号煤层直接顶板为砂质泥岩、粉砂岩。15号煤层与9号煤层之间的岩性主要以灰岩、砂岩为主，泥岩为辅，形成了软硬岩层相间的结构。因此，15号煤层与9号煤层之间的层间岩性及岩层结构有利于上行开采。

6) 采煤方法及采净程度。下层煤的采煤方法及采净程度对上部煤层的破坏程度有重要影响，下部煤层中残留煤柱是造成上部煤层掘进和回采困难的原因之一。一方面，下部15号煤层的采煤方法为一次采全高走向长壁综采法，采净程度较高，能较好地降低对上部煤层的破坏影响；另一方面，15号煤层使用小煤柱巷道布置方法，使得残留煤柱较少，从而减轻残留煤柱对上部煤层的开采影响。

根据上述分析，15号煤层突出危险性小于9号煤层，优先作为保护层开采，15号煤层开采后的最大有效保护垂距为100～155 m，被保护层的9号煤层在有效作用范围内；15号煤层作为下保护层开采后，对上部9号煤层开采影响较小。总之，15号煤层作为9号煤层的下保护层先行开采，是可行的。

4 结 语

1) 某矿9号煤层的突出危险程度大于15号煤层，且开采后被保护的15号煤层大部分区域处于有效保护范围之外，不能消除突出危险性，不能作为15号煤层的上保护层。

2) 15号煤层的最大有效保护垂距、允许最小层间距、采厚比、影响范围、层间岩性及岩层结构、采煤方法及采净程度等都满足要求，可以作为9号煤层的下保护层开采。