遗留煤柱和构造对顺层瓦斯抽采效果的影响

遗留煤柱和构造对顺层瓦斯抽采效果的影响
范迎春;丁红;马宏宇
【摘要】为了研究平庆煤矿工作面顺层瓦斯抽采效果,根据保护层开采后形成的采空区和煤柱以及工作面构造带,对抽采影响范围进行划分,并对瓦斯抽采效果进行了分析,从而得出:煤柱对被保护煤层具有集中应力作用,使得瓦斯抽采效果大大降低;采空区和构造带均对煤层具有卸压作用,但是在以采空区卸压为主的区域瓦斯抽采效果较好,而在构造带卸压为主的区域瓦斯抽采效果相对较差.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】5页(P35-38,42)
【关键词】保护层开采;采空区;煤柱区;构造带;瓦斯抽采
【作者】范迎春;丁红;马宏宇
【作者单位】河南省煤炭科学研究院有限公司,河南郑州 450001;中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037;国家煤矿安全技术工程研究中心,重庆400037;中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037;国家煤矿安全技术工程研究中心,重庆 400037
【正文语种】中文
【中图分类】TD712.6
作为一种有效的防治煤与瓦斯突出措施保护层开采已被大量实践证明，并在国内外得到广泛应用[1-5]。

其中上保护层开采能使下邻近突出危险煤层的应力状态和瓦
斯动力状态发生改变，使得被保护层卸压，释放煤层的弹性潜能，增大煤层的透气性，达到预防煤与瓦斯突出的目的[6-7]。

而在上部煤层巷道布置、地质构造、煤
层局部开采等因素影响下，上部煤层不可避免留下一些不可采的煤柱，在上覆煤柱下方势必会形成高应力区，对煤柱下方工作面的安全开采造成威胁，当煤层群为近距离煤层群时，其影响将会更严重[8-11]。

同时大量煤炭开采实践和科学实验证明，突出发生的构造破坏带，具有集中应力、封闭高能瓦斯且低透气性构造煤发育的特征，但某些断层因区域局部应力和瓦斯的释放，使得其区域无瓦斯突出危险[12-15]。

同时由于工作面顺层预抽煤层瓦斯可以使煤层卸压和渗透率增加，在近年来
迅速发展成为常用的瓦斯灾害防治措施，但目前针对以上多种煤层开采和地质条件对工作面顺层瓦斯抽采效果的影响研究仍比较缺乏。

因此，研究保护层开采过程中形成的采空区和煤柱区，以及被保护层自身构造对工作面顺层钻孔瓦斯抽采效果的影响，具有重要的理论和实际意义。

本文通过分析煤矿井下顺层钻孔抽采数据，研究了上保护层开采遗留煤柱和煤层构造对工作面瓦斯抽采效果的影响规律。

平庆煤矿位于云南省富源县，矿井区域内全部及局部可采煤层12层，目前矿井主采的煤层C7+8煤层厚2.06～4.36 m，平均厚度3.50 m，煤层倾角4°～8°。

117802回采工作面位于矿井西北角，工作面北部延伸至北部断层区域，东部靠近尚未形成117804工作面，西部靠近井田上部边界，南部靠近C7+8胶带下山。

工作面走向长760 m，倾斜长200 m，设计可采储量约685 kt。

目前上覆C3煤
层基本采完，仅留部分工作面和井筒保护煤柱，C7+8煤层顶板主要为细砂岩、泥质粉砂岩和粉砂岩，与C3煤层平均间距为28.98 m。

工作面范围内C7+8煤层赋存整体较为稳定，工作面南部的局部区域受小型断层影响(断距2～3 m)。

保护层开采形成的采空区能使上下邻近突出危险煤层的应力状态和瓦斯动力状态发生改变，使被保护煤层卸压，瓦斯压力得以释放，从而释放煤层的弹性潜能，增大
煤层的透气性，有利于被保护层的瓦斯流动、解吸，从而减少煤层瓦斯含量，以降低煤层瓦斯内能。

同时由于上保护层受巷道布置、地质构造、局部可采等因素影响，在煤层开采过程中或多或少留下了一些煤柱。

这些煤柱的存在会在煤层底板形成高应力区，导致煤层底板破坏，也直接导致被保护层的顶板破碎，应力集中作用使得煤层的原始应力改变，促使煤层瓦斯运移，改善瓦斯的渗流环境。

煤层瓦斯赋存与断层关系复杂，这是因为断层圈闭瓦斯与否，既与断层的力学性质有关，又与煤层的围岩性质和断层上、下盘与煤层接触地点岩石的岩性以及与断层弱面的充填情况等均有关。

煤层中发育的某些断层带具有集中应力、封闭高能瓦斯且低透气性构造煤发育的特征。

开放性断层是指具有较好的透气性、便于瓦斯排放的断层，多是在区域或局部引张应力作用下形成。

根据掘进期间的地质勘测和瓦斯涌出量等资料，可以判断117802回采工作面区域的断层属于开放性断层。

由于开放性断层长期处于张应力场作用下，在破裂面附近由于应力释放而成为非应力增高区，致使煤层瓦斯压力相对较低；同时断层带充填物胶结性差，煤层瓦斯大量解吸并沿破裂面逸散，致使煤层瓦斯含量下降。

目前，平庆煤矿主采煤层C7+8煤层上部煤层C3煤层已经开采完毕，在117802回采工作面区域顶板形成了采空区和煤柱区。

其中在胶带运输巷外段、胶带运输巷和切眼交接处及回风巷内段顶板形成了窄煤柱区；在胶带运输巷和回风巷中段顶板形成了贯穿工作面的宽煤柱区。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》(附录D：保护层保护范围的确定)的规定，保护层工作面沿倾斜方向的保护范围应根据卸压角划定，在没有该矿井实测的卸压角时，根据该矿井煤层倾角4°～8°，选取经验卸压角δ3=δ4=75°(图1)。

因保护层C7+8煤层回采工作面停采时间超过3个月、且卸压比较充分，则该保
护层采煤工作面对被保护层沿走向的保护范围对应于始采线、终采线及所留煤柱边缘位置的边界线，可按卸压角δ5=56°～60°划定(图2)。

保护层与被保护层之间的最大保护垂距可参照经验值进行选取。

由于C7+8煤层
倾角4°～8°，属于缓倾斜和倾斜煤层，上保护层的最大保护垂距小于50 m，而
C7+8煤层顶板与C3煤层平均间距为28.98 m，属于上保护层的保护范围之内。

目前117802回采工作面已经形成，工作面范围内C7+8煤层赋存整体较为稳定，但是受区域构造影响，在工作面南部发育有F2正断层，该断层位于矿区中部，走向东西、倾向南，倾角70°，断距15 m左右，实际开采中影响宽度为南北各25 m。

且在F2正断层附近局部区域受小型断层影响(断距2～3 m)，在近断层带节理特别发育。

根据上保护层C3煤层采空区和煤柱区以及C7+8煤层断层带的分布范围，将其对工作面顺层瓦斯抽采钻孔的影响范围划分为5个区域：①采空区卸压区(Ⅰ区)；②宽煤柱应力增高区(Ⅱ区)；③窄煤柱应力增高区(Ⅲ区)；④采空区、断层带共同卸
压区(Ⅳ区)；⑤采空区、煤柱区和断层带共同影响区(Ⅴ区)。

不同影响区域内钻孔编号见表1，影响区域划分如图3所示。

此次对117802回采工作面顺层钻孔瓦斯抽采效果进行考察，通过分析钻孔汇流
管瓦斯抽采效果，得到不同影响区域的瓦斯浓度变化规律，如图4—图8所示。

从图4—图8可以看出，117802回采工作面的顺层瓦斯抽采钻孔汇流管瓦斯浓度变化在不同的划分区域具有一定的规律。

(1)采空区卸压区(Ⅰ区)的n78—n137钻孔汇流管平均抽采浓度为9.55%～
26.68%，j113—j152钻孔汇流管平均抽采浓度为39.89%～68.17%。

在该区域
由于只受到上保护层开采形成的采空区的卸压作用，使C7+8煤层的应力状态和
瓦斯动力状态发生改变，瓦斯压力得以释放，从而释放煤层的弹性潜能，增大煤层的透气性，有利于瓦斯流动、解吸。

因此在采空区卸压区，煤层瓦斯平均抽采浓度、
平均抽采纯量均达到最大值。

(2)宽煤柱集中增高区(Ⅱ区)的n47—n77钻孔汇流管平均抽采浓度为7.71%～13.00%；j89—j112钻孔的汇流管平均抽采浓度为26.00%～40.70%。

在该区域由于只受到上保护层开采遗留的煤柱影响，当煤柱宽度在50 m以上时，煤柱底板应力呈现“倒铁塔”式分布状态，且随着煤柱宽度的不断增加，煤柱底板应力集中系数不断减小。

因此在宽煤柱应力增高区，C7+8煤层受到的集中应力较小，基本上处于原始应力阶段，煤层瓦斯平均抽采浓度、平均抽采纯量均较大。

(3)窄煤柱应力增高区(Ⅲ区)q1、n1—n46-1钻孔的汇流管平均抽采浓度为
5.95%～9.46%；j50—j88、j153—j112钻孔的汇流管平均抽采浓度为14.50%～33.33%。

在该区域煤柱宽度小于50 m，煤柱底板应力呈现“钟”形分布状态，距煤柱中心越近应力越大。

因此在窄煤柱应力增高区，受到很大的集中应力作用，煤体变形收缩，使得瓦斯流通通道变窄，瓦斯运移受阻，透气性系数变小，煤层瓦斯平均抽采浓度、平均抽采纯量较宽煤柱应力增高区来说较小。

(4)采空区、断层带共同卸压区(Ⅳ区)的汇流管平均抽采浓度为5.58%～19.47%。

在该区域C7+8煤层除了受到上保护层采空区的卸压作用，最主要是受到长期处于张应力场的开放性断层作用，在煤层成煤过程中各种断层带有利于瓦斯提前排放到采掘空间，而断层带发育会大大减少钻孔过程中的见煤长度，降低顺层钻孔瓦斯抽采效果。

因此在此区域断层带对瓦斯抽采效果起到决定作用，煤层瓦斯平均抽采浓度、平均抽采纯量均较小。

(5)采空区、煤柱区和断层带共同影响区(Ⅴ区)的汇流管平均抽采浓度为5.17%～9.56%。

在该区域，煤柱在原来断层带发育的煤层中形成集中应力，使得本就相互错动的煤层更加破碎，裂隙相互贯通连接，产生更多的瓦斯渗流通道，煤层瓦斯提前得到大范围的释放。

因此在此区域的煤层瓦斯平均抽采浓度、平均抽采纯量是所有区域里面最小的。

(6)117802胶带运输巷顺层钻孔汇流管瓦斯抽采平均浓度、平均抽采量和平均抽
采纯量均明显大于回风巷，分析认为这是由于胶带运输巷施工的上向钻孔长度普遍在130 m左右，且见煤效果均较好，而回风巷施工的下向钻孔长度普遍在70 m
左右，见煤效果不理想，换算得到胶带运输巷的顺层百米煤孔长度远远大于回风巷，因此在瓦斯抽采效果方面较好。

(1)根据C7+8煤层上保护层C3煤层采空区、煤柱区及工作面断层带的分布范围，将工作面顺层瓦斯抽采钻孔的影响范围划分为5个区域：采空区卸压区；宽煤柱
应力增高区；窄煤柱应力增高区；采空区、断层带共同卸压区；(2)通过对5个区
域的钻孔汇流管瓦斯抽采浓度进行分析可以看出，上保护层开采后遗留的煤柱对被保护层煤层具有集中应力作用，使得顺层钻孔瓦斯抽采效果大大降低。

采空区、煤柱区和断层带共同影响区。

(3)上保护层开采形成的采空区和工作面构造带都对煤层具有卸压作用，但是在以
采空区卸压为主的区域瓦斯抽采效果较好，而在断层带卸压为主的区域瓦斯抽采效果相对较差。