基于双重保护层开采条件下的区域防突效果评价.pdf

收稿日期：基金项目：重庆市自然科学基金面上项目（）作者简介：蔡敏博（），男，陕西宝鸡人，工程师，现从事煤矿技术管理工作。基于双重保护层开采条件下的区域防突效果评价蔡敏博，刘军，汪万里（陕西陕煤韩城矿业公司下峪口煤矿，陕西 渭南 ；中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 ）摘要：双重保护层开采后，被保护层充分卸压，但中间层遗留的护巷煤柱形成应力集中，需要对被保护区域及应力集中范围的防突效果进行考察研究，为被保护层开采设计提供依据。以下峪口煤矿 下工作面为例，采用卸压保护理论及煤柱影响带确定理论分析了被保护层的有效保护范围，在有效保护范围及煤柱应力影响区域内采用现场测试残余瓦斯含量的方式评价了区域防突效果。经测试，最大残余瓦斯含量为 ，小于临界值，被保护区域防突效果有效。关键词：双重保护层；煤柱；应力集中；效果评价中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言保护层开采后，上下煤岩体膨胀变形、应力降低，煤岩透气性成倍增加，为煤层瓦斯解吸、运移提供便利 ，对于降低煤层瓦斯压力、瓦斯含量有极大的促进作用，是当前国内外普遍认可的最有效、最经济的预防煤与瓦斯突出措施之一 。经过多年的实践，国内外学者对保护层开采的作用机理有了非常充分的研究，刘林 通过理论分析与现场试验，确定合理的保护参数，进一步完善保护层开采效果考察方法。任中华等 针对多煤层远距离重叠开采条件，分析留设煤柱及采空区对底板卸压效果的影响。范东旭等 采用数值模拟和理论计算的方法对被保护层工作面布置方式进行研究，解决多重采动影响下煤柱资源浪费问题。李杨等 研究多煤层开采中间岩层对覆岩移动的影响，认为中间厚硬岩层的破断对上覆岩层移动起决定性作用。周银波等 研究下伏被保护层双重采动影响下覆岩蔡敏博刘军汪万里基于双重保护层开采条件下的区域防突效果评价 年瓦斯富集规律，并取得良好的瓦斯治理效果。近距离煤层群多煤层开采，被保护层经过多重卸压，加之上覆煤柱的应力集中影响，应力分布规律变得更为复杂，目前，对于该方面的研究很少，对于多重保护层开采的防突效果评价更是少之又少。以下峪口煤矿 下工作面为例，利用现有的卸压保护理论结合煤柱应力集中范围分析，现场考察双重保护条件下的工作面防突效果，为工作面采掘活动提供依据。下峪口煤矿双重保护层开采概况下峪口煤矿设计生产能力 ，号、号煤层为突出煤层。矿井 采区北翼号煤层因沉积过程中分叉，局部区域存在可采 下煤层；煤层倾角 ，平均 。该区域煤层开采顺序为从上到下依次开采，即 号煤层号煤层下煤层，号煤层平均煤厚 ，号、下煤层平均煤厚均为 ，号、号煤层间距 ，号、下煤层间距 ，属极近距离煤层群开采。上覆 号煤层已经全部开采，号煤层正在回采 工作面；开采 号煤层时考察了 号煤层的被保护效果，走向方向卸压角 ，倾斜上方卸压角 ，倾斜下方卸压角 ；未对 下煤层的被保护效果进行考察，现需要根据双重保护层开采情况划定 下煤层有效保护范围，并评价其防突效果，采掘位置关系示意如图 所示。?图 采掘位置关系示意 下煤层卸压保护效果分析试验区域上覆 号与 号煤层层间距为 ，主要岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩；号与下煤层间距 ，主要岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩。开采 工作面期间，对 工作面保护效果进行了考察，经考察，工作面 号煤层最大膨胀变形量为 ，远远大于 防治煤与瓦斯突出细则 规定的 。开采 号煤层保护 号煤层时，号煤层采高 ，开采 号煤层保护下煤层时，号煤层采高 ，由此分析，号煤层采高大于 号煤层采高，号煤层与 号煤层间距大于 号煤层与 下煤层间距，且岩性相同，同时 下煤层受 号、号煤层双重保护因此，下煤层得到充分卸压，可以采用 防治煤与瓦斯突出细则 推荐的卸压角临界值或者开采 号煤层保护层 号煤层考察的卸压角临界值划定 下煤层的有效保护范围，可以采用残余瓦斯含量或者残余瓦斯压力考察防突效果。煤层参数对比见表 。表 煤层参数对比 煤层 号层间距 保护层采高 主要岩性备注、泥岩、粉砂岩、细砂岩号煤层保护 号煤层、下 泥岩、粉砂岩、细砂岩号煤层保护 下煤层 下工作面有效保护范围分析下峪口煤矿 采区北翼 下煤层同时受 号、号煤层保护，可以以 号煤层或者 号煤层开采卸压角划定 下煤层有效保护范围，但要综合考虑 号煤层保护煤柱产生的集中应力影响。开采 号煤层对 下煤层的保护范围下峪口煤矿 采区保护层 工作面与 工作面之间留有 煤柱，工作面与 工作面之间采用沿空留巷无煤柱开采。保护层号煤层平均煤厚，采高 ，试验区域内号煤层底板与 下煤层顶板间距 ，平均第 期蔡敏博刘军汪万里基于双重保护层开采条件下的区域防突效果评价。依据现场考察结果，号煤层作为下伏 号煤层保护层开采，对 号煤层走向、倾向上方、倾向下方的卸压保护角分别为 、；防治煤与瓦斯突出细则 附录 中，近水平煤层在走向、倾斜上方、倾斜下方的卸压保护角分别为 、。而在开采保护层时未对 下煤保护效果进行考察，为保障安全生产，现参照 防治煤与瓦斯突出细则 附录 推荐值划定号煤层开采对下煤层的保护范围。在走向方向上，卸压角取 ，被保护层下煤层在走向方向保护范围边界线相对于保护层 工作面运输顺槽内错 ，如图 所示。在倾向方向上，倾向上方、倾向下方卸压角分别取 、，被保护层下煤层在倾向方向保护范围边界线相对于保护层 工作面切眼及停采线位置分别内错 、，如图 所示。?图 号煤层开采对 下煤层走向保护范围剖面?图 号煤层开采对 下煤层倾向保护范围剖面 开采 号煤层对 下煤层的保护范围根据现场考察结果，号煤层作为下伏 号煤层保护层开采，对 号煤层走向、倾向上方、倾向下方的卸压保护角分别为 、，号煤层与 号煤层最大层间距 。因此，被保护层 号煤层在走向方向保护范围边界线相对于保护层 工作面运顺内错 ；被保护层 号煤层在倾向方向保护范围边界线相对于保护层 、工作面切眼及停采线位置分别内错 、。但 工作面设计时，进顺、切眼、停采线实际分别内错 运顺 、切眼 、停采线 ，如图 、图 所示。在开采 号、号煤层保护层时未对 下煤保护效果进行考察，现参考 防治煤与瓦斯突出细则 附录 划定 号煤层开采对 下煤层的保护范围。在走向方向上，卸压角取 ，被保护层下煤层在走向方向保护范围边界线相对于保护层 进顺内错 ，如图 所示。在倾向方向上，倾向上方、倾向下方卸压角均为 ，被保护层 下煤层在倾向方向保护范围边界线相对于保护层 工作面切眼及停采线位置分别内错 、，如图 所示。?图 号煤层开采对 下煤层走向保护范围剖面 保护煤柱应力影响分析煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质综合作用的结果，煤矿井下的采掘活动破坏了原有的应力平衡，使得应力重新分配达到一种新的平衡。煤柱两侧的采空区在持续垮落、压实过程中，其上方尚未垮落的岩体和采掘过程中超前支陕西煤炭 年 撑压力作用在煤柱上，形成应力叠加，产生应力集中效应。应力集中作用在煤体上，使煤中孔隙缩小，降低煤的透气性，阻碍煤层内部瓦斯向外排放，形成高瓦斯区。?图 开采 工作面对 下煤层倾向保护范围剖面 工作面与 工作面之间留有 的护巷煤柱，煤柱上方为 号煤层采空区，煤柱两侧分别为 工作面、工作面采空区，煤柱下方为 下实体煤，三层煤从上到下层间距分别为 、。根据“煤柱影响带的确定”理论 ，工作面与 工作面之间煤柱造成的应力在底板传递深度 约为 ，对底板两侧的影响范围根据图 确定，为煤柱两侧 ，即对下煤层影响宽度约 ，同时，上方 号煤层开采后形成采空区，煤柱形成后大部分应力向上方采空区自由面传递，小部分应力传递给底板。另一方面，在开采 号煤层、工作面的采动影响下，煤柱区域经历了 次应力平衡，在此过程中，煤柱下方煤岩反复变形破坏，使煤体充分卸压。?根据以上计算可知，煤柱外侧 范围内为煤柱应力集中影响区域，考虑到煤巷掘进时应远离煤柱应力集中影响区，结合开采经验（切眼长度一般为 左右），将 下回顺布置在煤柱外侧 位置。综上所述，下工作面切眼应内错 工作面切眼 ，进顺应内错 进顺 ，停采线应内错 停采线 ，回顺距 回顺 ，剖面如图 所示。下煤层区域防突效果评价 邻近工作面开采情况 下工作面同样以开采上覆 号、号煤层作为保护层，工作面设计宽度 ，可采长度 。上覆 号煤层 工作面于 年 月回采结束，号煤层 工作面于 年 月回采结束。下工作面形成后，在进顺、回顺每隔 施工一个效果检验钻孔实测煤层残余瓦斯含量，共布置 个，实测残余瓦斯含量为 。下工作面在上覆 号、号煤层双重保护条件下，实测最大残余瓦斯含量 ，消除了工作面煤与瓦斯突出危险性，回采过程中未发生过异常动力现象，工作面瓦斯涌出量较小，实现了安全回采。下工作面防突效果评价 下工作面为双重保护区域，煤层瓦斯已充分卸压，无法测得残余瓦斯压力，本次评价采用直接法测定法测得 下煤层残余瓦斯含量。由于目前相关法规未明确保护层开采后被保护层的效果检验测试点布置原则，参照区域预测布点方式，并适当增加布点数量。在双重保护层开采条件下，煤柱周围形成应力集中，突出危险性最大，本次评价在 回顺和 回顺之间的煤柱附近布置 个测点，在工作面区域布置 个测点，从 回顺施工效果检验钻孔。（下转第 页）第 期蔡敏博刘军汪万里基于双重保护层开采条件下的区域防突效果评价图 划定煤柱影响带示意 号煤层”的目的。在北采区，利用水压冲钻预抽瓦斯，对井巷内的煤层气进行了局部预防，并对井巷内的煤层气进行了预抽。防突效果表明，针对桑树坪煤矿瓦斯突出特点提出以深井提前抽采为手段的区域和局部防突措施，现场应用效果良好。参考文献：刘帅，李晓斌 桑树坪煤矿煤与瓦斯突出问题研究 陕西煤炭，（）：令狐建设，臧杰 基于多目标模型的煤与瓦斯突出风险分类方法研究 山东煤炭科技，（）：，薛斌 近断层掘进的煤层瓦斯赋存及突出危险性 陕西煤炭，（）：，杨晓东 采煤工作面煤与瓦斯突出构造物理预警指标体系研究 煤炭科技，（）：代芳瑞，李希建，胡贝，等 基于 的煤与瓦斯突出危险性等级预测 矿业工程研究，（）：赵旭生，马国龙，周密 煤与瓦斯突出智能预警方法及系统 矿业安全与环保，（）：，霍晶晶 低渗高突煤层开采保护层的可行性研究 煤，（）：王恩元，张国锐，张超林，等 我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望 煤炭学报，（）：唐永志，李平，朱贵旺，等 超高压水力割缝技术在中等硬度低透气性煤层的应用 煤炭科学技术，（）：刘程，孙东玲，武文宾，等 我国煤矿瓦斯灾害超前大区域精准防控技术体系及展望 煤田地质与勘探，（）：毕猛，冯家正 王家岭煤矿本煤层预抽钻孔施工参数优化研究 能源技术与管理，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）根据现场实测，工作面区域残余瓦斯含量为 ，煤柱周围残余瓦斯含量为 ，施工过程中无喷孔、顶钻等异常现象，小于有效保护区域效果检验瓦斯含量临界值 （未保护区域、采动应力集中区临界值 ），因此，下工作面区域防突措施效果有效。结论（）工作面与 工作面之间煤柱造成的应力在底板传递深度 约为 ，对底板两侧的影响范围为煤柱两侧 。（）综合 号煤层保护 下煤层、号煤层保护下煤层划定的保护范围及煤柱应力影响区域，划定了 下工作面有效保护范围。（）工作面区域测得残余瓦斯含量 ，煤柱影响区域测得残余瓦斯含量 ，施工过程中无喷孔、顶钻等异常现象，下工作面基于双重保护层开采条件下区域防突效果有效。参考文献：耿朝光，马建宏，侯江涛 中泰矿业下保护层开采数值模拟研究 能源技术与管理，（）：，秦冰，叶栋林，石占山，等 双重上保护层叠加开采应力分布规律 重庆大学学报，（）：于不凡 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 北京：煤炭工业出版社，李敏，翟成，贾惠乔，等 被保护层双重卸压特性研究 安全与环境学报，（）：刘林 煤层群多重保护层开采防突技术的研究 矿业安全与环保，（）：任中华，寇建新，高建成，等 煤柱影响下远距离多煤层重叠开采覆岩运动规律 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：范东旭，弓培林，李鹏 多重采动影响下合理开采错距研究 煤炭技术，（）：李杨，王建鹏，陈一鼎，等 多煤层开采中间岩层对覆岩移动的影响研究 煤炭科学技术，（）：周银波，黄继磊，王思琪，等 下伏被保护层双重采动影响下覆岩瓦斯富集规律 工矿自动化，（）：，陕西煤炭 年