突出矿井保护层开采后掘进工作面卸压范围划定计算应用

何星江

（贵州诚搏煤业有限公司天合煤矿，贵州 习水 564600）

1 概况

贝勒矿设计生产能力45万t/a，矿区面积6.2718km2，开采深度+650m，含矿层为二叠系上统龙潭组（P3l），矿层总厚24.34～40.29m，平均总厚33.28m，含矿系数9.4%。全区可采、大部分可采及局部可采矿层9层，可采矿层5层，编号为M1、M4、M5、M6、M7，该矿为突出矿井。1603运输巷布置在M6矿层，上覆M5矿层1503工作面于2011年已回采结束，对1603运输巷预掘条带气体压力进行了释放。以1503工作面采空区卸压范围对1603运输巷掘进工作面的保护范围进行划定。有效预压层能够对矿山开采层及邻近层进行有效防护，防御层之间有间距，其作用是控制开采高度达到上限，并且可以确定保护层是否有效，通过工程技术实例理论计算走向、倾向卸压范围和有效保护层间距，对突出矿层掘进工作面具有一定指导意义。

2 保护层开采基本原理

保护层开采后，上下矿体应力重新分布，周围矿层向采空区移动。采空区上方的矿体形成了自然落拱。采空区膨胀形成裂隙，引起采空区上下矿体应力、透气性、气压、位移等变化。研究保护层开采后顶底岩体应力重分布规律具有重要意义。了解顶板和底板的变形和破坏特征，确定保护层的泄压范围是非常重要的。

3 保护层开采卸压范围

保护层开采后，被保护层的应力状态和矿井气体动力参数发生很大变化，卸压范围包括沿工作面走向(回采方向)和沿工作面倾向上的两种。

3.1 保护层沿倾向的卸压保护角及保护范围划定

沿倾斜方向保护范围可按卸压角划定。卸压角大小与矿层倾角，开采深度，层间岩性等因素有关，保护层工作面沿倾斜方向的保护范围按卸压角划定，卸压角δ与矿层倾角划定，贝勒矿此次保护层开采沿倾向方向的保护范围参考的数据。矿井西翼一区段矿层倾角26°，按30°取值，则δ3为77°、δ4为70°。根据揭露资料，西翼一区段M6矿层距M5矿层法线距离11.8～14.8m，按最大值14.8m取值。计算沿倾向的卸压范围的上下部内错和沿走向的卸压范围的内错。对M6矿层沿倾向的卸压范围为保护层相对被保护层下部；

下部相对内错距 ：L1=h/tan（δ3）=14.8/tan（77°）=3.42

1603矿井运输巷水平内退距离L内退=sin[90°-（77°-26°）]*L卸=sin39° *14.8/cos（90° -77°）=9.55m ；

上部相对内错 ：L2=h/tan（δ3）=14.8/tan（70°）=5.39

根据三角函数，可以求得1503采空区对1603矿井运输巷水平内退距离，如下

L内退=cos（64+20）*L卸=cos84 ° *14.8/cos（90 ° -70 °）=1.63m

3.2 保护层沿走向的卸压保护角及保护范围划定

由于地面压力的传递，保护层的有效保护范围应小于保护层的保护范围。受保护层的起始线和停止线应与受保护层的起始线和停止线保持一定距离，这与层之间的垂直距离有关。根据测试，上保护层之间的垂直距离是层之间的垂直距离的0.55-0.67倍。建议将压力释放角度保持在56到61之间，并且应在实践中调查具体数据。贝勒矿1503工作面于2011年回采结束，对其矿井内气体压力进行了释放，沿走向方向的保护范围划定上部外错 ；对M6矿层 ：水平内错 ：L2=h/tan（δ5）=14.8/ tan（56°）=9.98m。

4 保护层的有效保护层间距

根据大量试验资料统计分析认为，在采深小于550m，回采面长度小于120m条件下，保护层的有效保护层间垂距为：急倾斜矿层上保护层60m，下保护层80m，缓倾斜和倾斜矿层上保护层50m，下保护层100m。选择保护层时应根据保护层厚度、顶板管理方法，回采工作面长度和开采深度等因素确定有效垂距。

M6矿层倾角为26°，划定卸压角δ1为77°。根据最大保护垂距缓倾斜矿层最大保护垂距上保护层小于50m，下保护层小于100m的规定。

式中：β1、β2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，取L=0.3H，但L不得大于250m；

β1－保护层开采的影响系数，当M≤M0时，β1= M/M0，当M＞M0时，β1=1；

M－保护层的开采厚度，m；

M0－保护层的最小有效厚度，m。M0

β2－层间硬岩体（砂岩、石灰岩）含量系数，以η表示在层间岩体中所占的百分比，当η≥50%时，β2=1-0.4η/100，当η＜50%时，β2=1。

经计算M6矿层作为被保护矿层，最大保护垂距为66m。贝勒矿M6矿层与M5矿层间距，因此最大保护垂距取50m。M6矿层与M5矿层层间距为11.8～14.8m，M6矿层上覆岩层在开采上保护层（M5矿层）后卸压，在生产实践中，开采后的工作面底板发生底鼓膨胀，出现裂隙，因此透气性增加，形成底鼓变形带，当矿层间距小于50m时，在其保护范围内，被保护层（M6、M7矿层）均可以消除突出危险。

5 防治效果

由于1603矿井运输巷上覆M5矿层的1503工作面已开采，对1603运输巷掘进条带形成了保护，矿井气体得到了很好的释放，1603矿井运输巷在掘进过程中已采取了区域措施效果检验和区域验证，在保护范围的循环区域措施效果检验过程中，实测M6矿层预掘条带最高矿井气体压力为0.26MPa，最高矿井内气体含量为3.2506m3/t。区域验证及工作面突出危险性预测60次，60次均未超过临界值，其中平均钻屑量S值为2.4kg/m，最高钻屑量S值为2.6kg/m，钻屑矿井内气体解析指标K1值平均为0.15 g·min1/2，最高时为0.24g·min1/2。

6 结语

总之，保护层（首采层）工作面和被保护层工作面矿井内气体治理，其中首采层工作面矿井内气体治理是关键所在。突出矿井巷掘进工作面气体防治方法有多种，需要根据工作面的气体涌出量、气体涌出形式、矿层透气性系数和地质条件等采取针对性措施，各种防治技术还需要进一步摸索、完善和总结，一是减少保护层开采时的气体涌出量，同时也加大了对被保护层的保护效果。加大指标考察力度，特别是矿井内气体压力、钻孔气体流量及抽放量、透气性系数、矿层相对变形参数的变化情况。在突出矿层开采过程中，优先选用开采上保护层，有效释放突出矿层易燃气体，确保矿矿安全生产。