五沟煤矿保护层开采技术及卸压范围探讨①

焦殿志 王志亮

(1.安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽淮北 235157;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

五沟煤矿保护层开采技术及卸压范围探讨①

焦殿志1②王志亮2

(1.安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿，安徽淮北 235157;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

理论研究和现场应用表明，保护层开采和预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性措施。对于采用保护层开采技术的矿井，首先必须计算出其卸压范围，然后才能在该区域内设计瓦斯抽采系统和布置作业工作面。本文依据煤岩卸压变形理论和煤层瓦斯赋存特性，结合安徽皖北煤电公司五沟煤矿保护层开采的实践应用，确定了本矿煤层开采的合理顺序，得出保护层开采后的卸压范围.研究结果可为现场瓦斯防治提供参考依据。

保护层开采;煤与瓦斯突出;卸压范围;瓦斯防治

长期的理论研究和突出危险煤层的开采实践证明，开采保护层和预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性措施［1］。具有突出危险性的矿井，只要有保护层，一般都采用这项技术。保护层开采后，在其上、下一定范围内的煤层会发生变形、位移、卸压、透气性增大、瓦斯压力和瓦斯含量下降等现象，大量高压瓦斯得以释放，突出煤层的应力状态和瓦斯动力参数发生重大变化，由此而丧失或降低突出危险性［2，3］，该范围称之为保护范围。在保护层开采实施前，需要预先确定保护范围，以便在被保护层卸压区域内合理设计瓦斯抽放系统和布置作业工作面。为此，本文结合五沟煤矿的煤层赋存条件，对其保护层开采的机理和卸压范围进行探讨，为现场瓦斯防治工程提供理论依据。

1 保护层开采卸压机理

在煤层群开采条件下，选择瓦斯含量低、无突出危险(或突出危险性较小)的煤层作为首采煤层，即保护层。由于保护层开采后的卸压作用，采动形成的煤(岩)体变形、破裂和裂隙伸张将大幅度地提高煤(岩)体瓦斯运移的透气性，产生“卸压增透增流”效应，形成瓦斯“解吸一扩散一渗流”活化流动的条件，卸压瓦斯得以排放，瓦斯压力和瓦斯含量下降，煤体变硬，进而达到消除煤层突出危险性的目的［4-10］。由于处在不同区域内的煤(岩)裂隙分布不同，瓦斯的解吸及流动条件不同，若在保护层开采的前提下，对被保护层采用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统，则可实现煤层群开采条件下煤与瓦斯资源高效安全共采的综合体系。保护层开采卸压消突的技术原理可用图1来表示。

图1 保护层开采防治煤与瓦斯突出技术原理示意图

2 保护层卸压范围

2.1 走向保护边界

在保护层始采停采线处，工作面虽已停采，但岩层的移动过程并未随之结束，只是随着时间的推移，其强度逐渐有所减弱。对停采的保护层工作面，停采时间超过3个月、且卸压比较充分，该保护层工作面的始采线、停采线和煤柱留设对被保护层沿走向的保护范围可按卸压角δ5=56°～60°划定，如图2所示。

图2 沿走向方向的卸压范围和卸压角关系

2.2 倾向保护边界

保护层工作面沿倾斜方向的保护范围按卸压角δ划定，卸压角的大小与煤层倾角α、煤系地层的岩石力学性质等因素有关，但主要取决于煤层倾角，各矿井应通过实地考察来确定，见图3。

图3 沿倾向方向的卸压范围和卸压角关系

2.3 有效层间垂距

保护层开采后，开采层周围的岩层和煤层向采空区方向移动和变形，根据卸压程度的大小，在保护层垂直层面方向上可划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，因此保护作用的有效层间垂距即为弯曲下沉带的上边界至保护层的层间垂距，按如下公式进行计算［10］:

下保护层的最大保护垂距:

上保护层的最大保护垂距:

式中:S'下、S'上分别为下保护层和上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。当 L＞0.3H时，则取 L=0.3H，但L不得大于250m;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;β2为层间硬岩(砂岩、石灰岩)含量系数，以η表示在层间硬岩所占的百分比，当η≥50%时，β2=1-0.4η/100，当η ＜50%时，β2=1。

2.4 开采下保护层的最小层间距

开采下保护层时，上部被保护层不被破坏的最小层间距离可参用下式确定［10］:

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

3 现场应用

3.1 矿井概况

五沟煤矿位于淮北市濉溪县境内，井田南北走向长约3.3km，东西宽3km～5km，面积约15km2。区内共含10 个煤组，其中72、81、82、10 煤层为主要可采煤层，赋存比较稳定，平均厚为1.90m～3.66m。矿井10 煤瓦斯含量较低，72、81、82煤层瓦斯含量较高，经鉴定具有突出危险性。目前矿井正在回采10煤层，矿井煤层赋存条件及瓦斯参数见表1所示。

3.2 确定保护层

五沟矿72、81、82煤层具有突出危险性，目前开采的10煤层为非突出煤层。当开采72、81、82煤层前须采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等综合防突措施，并对突出煤层经效果检验确定有效后方可进行回采。按照保护层理论，首先应将瓦斯含量较低且无突出危险性的下煤组 10 煤作为中煤组(72、81、82煤)的保护层，由于10煤与中煤组间距为80m，而作为下保护层开采时上部煤层不被破坏的最小间距为36m，因此，10煤作为中组煤的下保护层是合理的。

表1 五沟煤矿煤层赋存条件及瓦斯参数表

对于中煤组，由于72与81煤层的平均间距为13m，81和82煤层的平均间距为10m，按照保护层开采理论，结合煤层赋存条件，若采用82煤作为下保护层开采时，被保护层不被破坏的最小层间距离为25.5m;若采用81煤作为下保护层，被保护层不被破坏的最小层间距离为24m;最小层间距均大于中组煤各煤层之间的平均距离，因此中组煤不具备下保护层开采的基本条件，只能采用上保护层开采，即选择72煤层作为81和82煤层的上保护层。

3.3 保护层卸压范围

按照矿井煤层赋存条件和地质特征，不同煤层及采区内工作面布置参数不同，为便于分析和对比保护层开采的卸压范围，保护层工作面参照目前正在回采的工作面参数布置。

3.3.1 下保护层10煤

工作面布置参数:工作面倾向150 m，走向长1500 m，采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤方法，地面标高+27.0 m左右，煤层埋藏深度最深可达700 m，10煤回采上限标高-330 m，10煤与中组煤岩层间硬岩含量系数按照50%考虑。则按照保护层开采卸压理论，下保护层10煤开采后的卸压范围如表2所示。

3.3.2 上保护层72煤

工作面布置参数:工作面倾向150 m，走向长1500 m，地面标高+27.0 m左右，72煤层回采上限标高-300 m，煤层埋藏深度最深按600 m计算。则上保护层开采后的卸压范围如表3所示。

表2 五沟矿下保护层10煤卸压范围计算表

表3 五沟矿上保护层72煤层卸压范围计算表

4 结论

结合五沟煤矿煤层赋存条件和保护层开采实际，可得如下结论:

1)依据保护层开采理论，采用10煤作为中组煤的下保护层技术可行、安全可靠、经济合理，是矿井保护层开采的首选。

2)由于中组煤各煤层间距较近，小于下保护层开采的最小层间距，因此中组煤不具备下保护层开采的条件，只能采用72煤作为中组煤的上保护层;

3)从保护层开采的卸压范围来看，距离保护层间距越远，走向上和倾向上卸压范围越小;围岩的卸压角要在矿井生产过程中不断实测、统计、分析来确定，不断积累现场实测技术参数;

4)由于10煤的最大卸压垂距为92m，仅能对82煤层起到一定的卸压作用，因此必须结合瓦斯抽采措施对81煤层和72煤层的瓦斯进行预抽，如可在10煤层设计上向穿层长钻孔抽采系统、在中组煤底板布置岩石瓦斯抽放专用巷进行抽采或采用地面钻孔进行抽采等，具体选择何种预抽方式，需对各个方案进行经济技术比较后才能确定。

［1］ 马雷舍夫［俄］.煤与瓦斯突出预测方法和防治措施［M］.魏风清，张建国译.北京:煤炭工业出版社，2003

［2］ 李建敏.煤与瓦斯突出防治技术手册［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006

［3］ 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2004

［4］ 何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1995

［5］ 孙月庚.改变煤层透气性防突措施及应用［J］.煤矿安全，2005 ，36(09):56-57

［6］ 陈远平，俞启香.煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用［J］.中国矿业大学学报，2003，32(05):471-475

［7］ 马跃龙，林柏泉.煤层透气性系数的测定及其分析［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，1998，17(03):240-243

［8］ 李树刚，钱鸣高.我国煤层与甲烷安全共采技术的可行性［J］. 科技导报，2000，(06):39-41

［9］ 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论［M］.北京:煤炭工业出版社，1999

［10］ 国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009

Study on protection layer exploiting technology and press released area of wugou coal mine

JIAO Dianzhi1，WANG Zhiliang2

(1.Wugou coal mineAnhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157;2.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

It was testified based on theory research and spot application that exploiting protection layer and pre-draining gas were the best effectively and economically measures for region coal and gas outburst control.For the mines that are applying this technology，the first step is obtaining press released area，then gas drainage system and working faces can be designed.According as distortion mechanism of wall rock and occurrence characteristic of gas，with a view to practice application of protection layer exploiting in Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，reasonable coal seam mining sequence is analyzed and press released area is calculated out in this paper.The research result will provide some reference basis for gas control in spot.

protection layer exploiting;coal and gas outburst;press released area;gas control

TD713+.31

A

1672-7169(2012)01-0036-04

2011-12-16。基金项目:中央高校基本科研业务费资助(项目编号:AQ1201B)。

焦殿志(1972-)，男，安徽淮北人，硕士，高级工程师，皖北煤电公司五沟煤矿总工程师。