千米级深井上保护层开采下伏煤层卸压效果研究

代志旭，刘 强

（1.平顶山天安煤业股份有限公司十二矿，河南 平顶山 467000；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）

由于我国煤层普遍具有低渗透、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点，各类煤与瓦斯突出事故对煤矿安全高效生产造成诸多不利影响[1-4]。一直以来，国内众多学者对保护层开采方式下被保护层卸压效果进行了大量相关研究[5-11]。从研究范围上看，目前有关保护层开采方式下被保护层卸压效果的研究大都基于浅埋煤层，而煤层赋存深度对被保护层卸压效果影响显著；从研究手段上看，同类研究只进行数值模拟或室内相似模拟试验，缺少全方位现场监测，无法准确指导瓦斯抽采工作[12-14]。为深入研究千米级深井上保护层开采下伏煤层卸压效果，以埋深超千米的平煤十二矿己14-31070工作面为依托，利用YHW19矿用本安型顶底板位移监测仪对其下伏己15煤层的膨胀变形量进行监测，对采动影响下伏煤层卸压效果进行系统分析评价，为现场瓦斯高效抽采提供科学指导。

1 试验背景及方案设计

1.1 现场试验工作面概况

平顶山矿区地处华北地块南缘带，矿区整体位于区域构造李口向斜的南西翼，地质构造线展布主要方向与李口向斜轴近似平行。平煤十二矿井田范围内较大的褶曲构造3个，大中型断层（落差≥20 m）3条，因受到复杂构造环境的影响，为典型的煤与瓦斯突出矿井。平煤矿区地质构造图如图1。

图1 平煤矿区地质构造图

己14-31070工作面赋存深度约994~1 100 m，走向长约642 m，倾斜长约145 m，工作面平均煤厚约0.7 m，属于结构较复杂的薄煤层，煤层倾角3°～5°。工作面所采煤层直接顶为8m左右厚的砂质泥岩，基本顶为10 m厚的细砂岩，底板为6.5 m厚砂质泥岩。己14煤层下距己15煤层约为12～14 m，试验主要对下伏己15煤层的膨胀变形量进行监测。根据现场地质资料分析，该区域内己15煤层平均煤厚3.2 m，煤层倾角3°～7°。己15煤层直接顶为灰色砂质泥岩，厚约4.5 m，直接底为黑色泥岩，厚约1.2 m。试验区域岩性综合柱状图如图2。

1.2 现场试验设备与试验方案

采用YHW19矿用本安型顶底板位移监测仪以实现煤层膨胀变形量长时检测，该仪器测量精度高达0.028 mm，且1次最多可以测量100个锚固头的位置，且可自动计算相邻2个测量锚固头之间的位移情况。

图2 试验区域岩性综合柱状图

通过分析工作面回采情况，选择在己14-31070下进风巷距老切眼230 m处测定煤层膨胀变形量，实现保护层开采下伏己15煤层卸压效果考察。在下进风巷采煤帮靠近底板位置共施工5个φ89 mm穿层钻孔，钻孔深度均为15 m，钻孔角度均为-85°，在钻孔内己15煤层上部与下部安装测试磁环，磁环安装完成后封孔并进行第1组数据测试，并将该值作为煤层厚度初始值。通过测试磁环间距变化，近似算出保护层开采条件下煤层膨胀变形量，其中：膨胀变形量v=磁环间距变化值△/磁环间距初始值S，煤层膨胀变形量测定钻孔布置如图3。

2 千米级深井煤层膨胀量及卸压效果分析

煤层膨胀变形量测试时间跨度约为1个月，己15煤层膨胀变形量与据采面距离及推进速度相关变化如图4。

分析可知，随着采面不断推进，1#～5#钻孔内煤层膨胀变形量呈现不断增大趋势，主要经历了初期平缓增长，中期迅速增长，后期趋于稳定3个阶段。1#、2#、3#、4#、5#钻孔己15煤层最大膨胀变形分别为：28.9、18.6、34.0、15.4、15.2 mm，最大膨胀变形量分别为：8.06‰、5.74‰、10.28‰、5.36‰、4.66‰。己15煤层最大膨胀变形平均值为22.4 mm，最大膨胀变形量平均值为6.82‰。距离采面15～45 m范围为保护层开采主要影响区域，该卸压区内被保护煤层膨胀变形量增加显著，且在该范围内工作面推进速度增大，煤层膨胀变形量增速加大。通过曲线拟合发现煤层膨胀变形量受采面推进影响较好符合一元三次多项式增长趋势。根据国内外的开采实践，当煤层膨胀量达到3‰～5‰时,煤层已充分卸压，煤层内裂隙发育，煤层透气性将显著增加，此次监测被保护层的最大膨胀变形量均大于临界值3‰，说明被保护层煤层在保护层开采过程中达到充分卸压，并且验证了己15-31070工作面保护层开采对被保护的己15煤层的保护效果及保护范围，考察结果可适用于矿井其他区域的同一保护层和被保护层。

图3 煤层膨胀变形量测定钻孔布置图

图4 己15煤层膨胀变形量变化曲线图

在对己15煤层膨胀变形量进行监测的同时，对己15煤层抽放管路中的单孔瓦斯浓度与主干管路的瓦斯抽放总量进行统计，系统评价上保护层开采下伏己15煤层整体卸压效果。1个月监测期内，己15煤层抽放管路单孔瓦斯浓度变化如图5，主管路瓦斯抽放总量变化如图6。

分析可知，随着采面不断推进，单孔瓦斯浓度与瓦斯抽放总量在监测初期略有下降，在监测中期整体上显著提高，小范围内有所波动，在监测后期逐渐趋于稳定，其中单孔瓦斯浓度稳定在17.5%，瓦斯抽放总量稳定在19 m3。造成这一现象的原因可能是监测初期随着上部煤层开采扰动，下部煤层内应力重新调整分布导致煤层出现压缩现象，部分原生裂隙闭合导致煤体透气系数下降，抽采孔内瓦斯浓度降低。随着采面向前推进至卸压影响区域，保护层开采扰动使得被保护煤层裂隙发育，次生裂隙的产生使得煤层透气性系数增加，被保护层得到了有效卸压，抽采孔内瓦斯浓度显著升高。曲线拟合发现单孔瓦斯浓度与瓦斯抽放总量在整个监测周期内较好符合一元三次多项式增长趋势，这一现象也表明，随着上部保护层的开采，下伏被保护层卸压特征明显，透气性增加显著，若配合合理的人工强化瓦斯抽采措施，可消除下伏卸压煤层突出危险性。

图5 己15煤层抽放管路单孔瓦斯浓度变化图

图6 己15煤层主管路瓦斯抽放总量变化图

3 结论

1）随着己14保护层工作面不断推进，下伏己15煤层膨胀变形量经历了初期平缓增长，中期迅速增长，后期趋于稳定3个阶段，距离采面15～45 m区域为保护层开采的主要影响区域。

2）己15煤层最大膨胀变形平均值为22.4 mm，最大膨胀变形量平均值为6.82‰，整体上己15煤层最大膨胀变形量均大于临界值3‰，说明被保护层煤层已充分卸压。

3）单孔瓦斯浓度与瓦斯抽放总量在监测初期略有下降，在监测中期整体上显著提高，在监测后期逐渐趋于稳定。

4）曲线拟合显示煤层膨胀变形量、单孔瓦斯浓度与瓦斯抽放总量在整个监测周期内均较好符合一元三次多项式的增长趋势，保护层开采下伏被保护层卸压特征明显，卸压效果显著。