同安煤矿远距离上保护层开采保护效果

同安煤矿远距离上保护层开采保护效果初探
谢雄刚1，2，车海云1，朱云仓
1
(1．贵州大学矿业学院，贵州贵阳550025;2．贵州大学瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州贵阳550025)
摘
要：以同安煤矿远距离上保护层开采作为研究对象，通过测定同安煤矿下部15#
突出煤层瓦
斯压力、瓦斯流量、煤层透气性和煤层相对变形等参数变化情况，研究该矿5#
煤层作为上保护层对下部15#煤层的防突保护效果。

结果表明:下保护范围内的15#
煤层原始瓦斯压力显著下降，
煤层相对变形增加到2．41ɢ，瓦斯流量增加了67倍，透气性系数增加了115倍。

5#
远距离上保
护煤层对下部15#
被保护煤层起到了较好的保护作用。

关键词：煤与瓦斯突出;远距离上保护层;保护距离
中图分类号：TD713+
．3
文献标志码：B 文章编号：1003－496X (2012)11－0154－04
Research on Mining Protective Effect in the Long Distance Upper Protective Seam of Tong ＇an Coal Mine
XIE Xiong －gang 1，2
，CHE Hai －yun 1，ZHU Yun －cang 1
(1．Mining College of Guizhou University ，Guiyang 550025，China ;2．Gas Hazard Prevention and Coalbed Methane Development
Research Institute ，Guizhou University ，Guiyang 550025，China )
Abstract :The long distance upper protective seam mining in Tong＇an Coal Mine is considered as the research object in this paper．Through testing the parameters change in the 15th outburst coal seam of Tong＇a n Coal Mine ，which include gas pressure ，gas flow ，per-meability ，relative deformation ，it studies the outburst protection effect that the 5th coal seam as upper protective seam gives the lower 15th coal seam effective protection．The results show that the original gas pressure of the 15th coal seam drops obviously within the low-er protected scope ，the relative deformation increases to 2．41ɢ，gas flow increases in 67folds and the permeability coefficient increa-ses in 115folds．The 5th long distance upper protective seam gives the lower 15th protected coal seam a good protective effect．Key words :coal and gas outburst ;long distance upper protective seam ;protective distance
基金项目：贵州省教育厅自然科学重点资助项目［黔教科（2011）034号］
；贵州省科技厅工业攻关项目［黔科合GY ［2012］3054］；贵州省国际科技合作计划资助项目［黔科合外G 字（2009）700111号］
我国煤炭资源大部分为井工开采，随着浅部煤
层资源开采完毕，大部分矿井必须向深部延伸开采，煤与瓦斯突出矿井数量将增多及原有突出矿井灾害
将加重，我国煤矿瓦斯灾害将日益严重［1］。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，有条件的突出矿井优先使用保护层开采技术。

保护层与被保护层之间的层
间距决定着被保护煤层的卸压保护效果
［2－3］。

同安煤矿属于煤与瓦斯突出矿井。

矿井自建井
以来，共发生了21次煤与瓦斯动力现象，均发生在
15#煤层。

矿井采用区内联合布置方式开采煤层群，首采无突出危险的5#
煤层，后开采15#
突出煤层，层间岩柱达61m 左右，为远距离上保护层，开采相对层间距（平均层间距与保护层采高之比）为33（小于
阈值75）。

因此，理论上以5#
煤层作保护层是能够
对15#
煤层进行保护的。

但层间存在约7m 厚泥
岩、
20．5m 厚的粉砂岩、15m 厚的泥质粉砂岩、5m 厚的细砂岩和4m 厚的煤层，砂岩的硬度系数f =7 9，承载能力强，泥岩具有遇水膨胀的特性，难以形成裂隙，这对15#
煤层的卸压和瓦斯排放不利，且煤层为缓斜煤层。

因此，该条件下的保护效果与合理
时空参数，需要进行测定验证。

1矿井区域防突措施1．1
矿井概况
同安煤矿设计生产能力120万t /a ，位于同安井
田中部，煤系地层为二叠系龙潭组，地质构造属中等偏复杂型。

采用立井－副斜井综合开拓方式，
矿井初步设计划分为+1500m 和+1350m 2个水平。

现生产+1500m 第一水平，阶段垂高约300m ，采用上山开采。

采用倾斜长壁采煤法，全部垮落法管理顶板，
矿井通风方法为机械抽出式，通风方式为分区对角式。

目前，矿井有5#
煤层综采工作面1个，
15#煤层综采放顶煤开采工作面1个。

1．2保护层开采
水城矿区同安煤矿以上部5#煤层作为上保护层先行开采，来保护下部具有严重突出危险的15#煤层。

5#煤层平均厚1．8m，15#煤层平均厚4m，平均倾角10ʎ，属缓斜煤层，5#煤层距被保护层15#煤层平均法向层间距59m，垂距61m，相对层间距为33，属远距离上保护层开采。

2开采保护层防突作用机理
国内外的考察资料证明，保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯动力参数均发生显著变化［4－7］。

保护层防治煤和瓦斯突出的原理如图1。

图1保护层防治煤与瓦斯突出原理框图
3测试方案
3．1保护层开采工作面概况
试验工作面选在一采区，以5#煤层作为保护层先行开采，保护距5#煤层层间距达61m的15#煤层。

试验保护层工作面为110506东工作面下段，对应的被保护层工作面将是要布置的111506工作面。

110506工作面走向长160m，倾斜长303m。

工作面5#煤层走向ES126ʎ，倾向216ʎ，倾角平均7．5ʎ。

煤厚平均1．8m，含夹矸1 3层。

煤层呈单斜构造，产状较稳定，地质构造简单。

其直接顶为浅灰色薄层状泥质粉砂岩，老顶为浅灰色薄层状粉砂岩，呈水平层理，底部为泥质粉砂岩及泥岩。

3．2测试方法
1）选定煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形等参数作为验证指标［8－11］，分别测定15#煤层保护层开采前后的瓦斯压力、煤层变形、瓦斯流量及透气性变化情况，以确定被保护层工作面的保护效果，沿煤层走向方向的卸压保护范围。

2）测压孔共布置6个（含2个煤层瓦斯基本参数孔J1、J2）。

在111506底板瓦斯巷附近的+1500
m大巷内布置4个孔（C
1 C
4
，其中，C
1
布置在预计
的卸压范围内，C2布置在预计卸压线上，C3、C4布置
在卸压线外），测定15#煤层瓦斯压力及其变化，钻
孔见煤点沿走向之间距离为5m；在+1500m大巷
测量导线点补B1左右各10m打1个钻孔（J1、J2），
测定15#煤层的瓦斯基本参数，钻孔参数见表1，钻
孔布置图如图2。

表1煤层瓦斯压力钻孔参数表
孔号
终孔
层位
孔径
/mm
方位角
/（ʎ）
倾角
/（ʎ）
见煤
孔深/m
煤+夹矸长
/m
C1157536．550．526．55．7+5．0
C2157536．550．026．36．4+4．6
C3157536．552．523．64．6+3．4
C4157536．551．024．23．5+5．7
J11565216．559．019．55．3+6．3
J21565216．059．020．55．2+5．
9
图2考察钻孔布置平面图
3）在111506底板瓦斯巷附近的大巷内布置瓦
斯流量孔共4个（B1 B4，兼作变形孔），测定5#煤
层开采后15#煤层钻孔瓦斯自然涌出量及其变化，
钻孔见煤点沿走向之间距离为5m。

4）15#煤层利用基本参数钻孔和流量考察孔测
定透气性系数，当测得最大瓦斯压力并待其稳定4
5d后，拆掉压力表，用煤气表测定不同时间间隔
的流量值，每天测定1次，共测10 15d，用径向不
稳定流法计算其原始透气性系数。

5）利用测定15#煤层瓦斯流量钻孔，一孔两用
来测定15#煤层变形，采用扩张式基点法测定煤层
顶底板相对变形。

3．3测试结果及分析
3．3．1瓦斯压力
5#煤层开采后15#煤层瓦斯压力如图3。

从图3
中可以看出：C3钻孔的瓦斯压力在110506工作面
开采前后变化不显著，C4孔最终滞后于C1孔，其瓦斯压力均降为0，估计C4孔与C1孔有裂隙沟通。

C
2
孔瓦斯压力下降较多（C2孔局部地段与其他孔贯通，导致瓦斯压力最低值为0．1MPa），C3钻孔降为0．55MPa，说明这2个钻孔位置的15#煤层受到了有效的保护作用。

图35#煤层开采前后15#煤层瓦斯压力变化曲线3．3．2瓦斯流量
5#煤层开采后15#煤层的瓦斯流量如图4。

从图4中可以看出，5#煤层110506工作面采完后，4个流量孔都有不同程度的增加。

其中，B1、B4钻孔上升值最大，B2、B3孔瓦斯流量上升值较小。

从流量衰减距离看，B1、B2孔衰减较B3、B4慢。

图45#煤层开采前后15#煤层瓦斯流量曲线3．3．3透气性
5#煤层开采前后15#煤层煤层透气性变化情况如图5。

从图5中可以看出：5#煤层110506工作面采完后，4个钻孔瓦斯透气性系数都有不同程度的增加。

其中，B1、B4孔上升值最大，B2、B3孔上升值较小。

3．3．4膨胀变形
5#煤层开采后15#煤层的膨胀变形情况见表2。

图55#煤层开采前后15#煤层透气性变化曲线
从表2可以看出：5#煤层110506工作面采完后，4个钻孔煤层都有不同程度的膨胀变形。

其中，B
1
、B
2
孔煤层绝对变形量和相对变形量最大，B3、B4孔煤层绝对变形量和相对变形量都较小。

表215#煤层在5#煤层开采后膨胀变形情况
孔号
开始膨胀
变形位置/m
最大绝对膨胀变形
位置/m变形量/mm
最大相对
变形量B1+26+98232．41ˑ10－3
B3+40+81142．03ˑ10－3
B3+61+69111．39ˑ10－3
B4+37+896．50．96ˑ10－3
4保护层保护效果分析
由于篇幅的限制，选取有代表性的考察钻孔B1和C2，将15#煤层的煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形共4个参数的观测结果绘成图，如图6，分析上保护层5#煤层对15#煤层的保护作用。

从图6可以看出，在上保护层110506工作面开采前后，15#煤层的瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形等参数发生了明显的变化，从不同的角度反映了5#煤层的开采对15#煤层的保护作用。

1）从5#煤层110506工作面后方10 40m，15#煤层开始卸压进入卸压带。

在卸压带内，其相对膨胀变形量增加到1．57ˑ10－3；煤层透气性增加到13．6m2/（MPa2·d），为原始透气性系数的15倍；钻孔瓦斯由于解吸而流量增加到0．298m3/min；煤层瓦斯压力下降到1．1MPa。

2）在5#煤层工作面后方60 100m的范围，15#煤层相对膨胀变形达到了最大值2．89ˑ10－3；煤层
图6煤层5#开采后15#煤层参数变化曲线
透气性能急剧增加到19．67m2/（MPa2·d），为原始透气性系数的21．86倍；煤层瓦斯的解吸过程显著加快，钻孔瓦斯流量最大达到了0．429m3/min。

同时，煤层瓦斯压力急剧下降到了0．2MPa直至0。

3）在5#煤层工作面后方120m以后，15#煤层的瓦斯压力、钻孔瓦斯流量和煤层透气性系数趋于稳定。

其中，瓦斯压力为0 0．1MPa；钻孔瓦斯流量仍达到0．34m3/min，为卸压前钻孔瓦斯流量的15倍；相对膨胀变形仍有2．41ˑ10－3（为最大膨胀变形的83%）；煤层透气性系数仍达到17．4m2/（MPa2·d），即是原始透气性系数的19倍。

5结论
1）考察钻孔的4个参数充分说明：5#煤层回采工作面相对于15#煤层掘进工作面的合理超前距应不小于120m（即2倍层间距）。

2）结果表明：同安煤矿以5#煤层作为远距离上保护层开采后，对下部的15#煤层瓦斯卸压效果显著。

同安煤矿上保护层5#煤层开采稳定后，下方保护范围内的15#煤层原始瓦斯压力由2MPa快速下降，瓦斯流量则增加了67倍，15#煤层透气性系数增加了115倍，15#煤层膨胀变形（相对变形）由0增加到稳定的2．41ɢ。

3）对地应力释放效果未达到国内外公认的6ɢ有效膨胀变形指标，但仍起到了较好的保护效果［5－7］。

因此，建议开采5#煤层作为保护层时，必须对15#煤层进行瓦斯有效抽采。

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作者简介：谢雄刚(1971－)，男，湖南郴州人，副教授，博士，从事煤矿安全开采技术、煤与瓦斯突出灾害防治等方面的研究工作。

(收稿日期:2012－04－08;责任编辑:王福厚
)。