分析坚硬厚煤层上分层开采后对下分层卸压保护作用

王超

（河南能源化工集团焦作煤业（集团）有限责任公司赵固二矿，河南 辉县 453633）

一、卸压消突研究基础

在巷道掘进过程中，巷道周围煤层中的瓦斯压力平衡状态不断遭到破坏，使瓦斯压力重新分布、煤体透气性增加而形成卸压带。由于煤体内部到煤壁之间存在着瓦斯压力梯度，卸压带内的煤体中瓦斯沿煤体裂隙及孔隙向巷道涌出，瓦斯涌出强度随着煤壁暴露时间的增加而降低。巷道预排瓦斯等值宽度受原始瓦斯含量、排放时间、巷道规格、支护形式等多种因素影响，应根据矿井实测资料确定，如果无实测数据，可采用下式计算确定。

预排瓦斯等值宽度计算公式：

低变质煤：0.808×t0.55；高变质煤：（13.85×0.0183t）/（1+0.0183t）

根据预排瓦斯等值宽度计算公式，分别计算低、高变质煤煤壁暴露1500 天巷道预排瓦斯等值宽度，并绘制变化曲线，见图1。

图1 不同变质程度煤体巷道预排瓦斯等值宽度随时间变化情况

由图1 可见，低变质程度煤体巷道预排瓦斯等值宽度随煤壁暴露时间呈现持续增大趋势，但变化趋势逐渐趋缓；高变质程度煤体巷道预排瓦斯等值宽度在160 天以内呈快速增大趋势，之后缓慢增大，在300 天后逐渐趋于稳定。在高变质程度煤体内巷道成巷后随煤壁暴露时间延长，巷道预排瓦斯等值宽度存在极限宽度，且极限宽度出现在巷道煤壁暴露300 天以上，即高变质程度煤体内巷道煤壁暴露300 天以上时，其巷道预排瓦斯等值宽度基本不再增大。

二、上分层开采后卸压保护作用范围防突效果

瓦斯的吸附和游离状态在煤层中达到了一种动态平衡。若瓦斯压力下降，则吸附的瓦斯数量将小于解吸的瓦斯量，动态平衡朝着游离瓦斯增加的方向偏移，从而出现游离瓦斯量上升的表现。在应力集中区域的瓦斯压力相对偏高，空隙以及相关的裂缝位置在遭受较大气压环境下产生闭合，透气性逐渐下降；相对于应力集中带而言，卸压带区域呈现出来的瓦斯气压就相对偏小，已有的裂隙也对应维持其扩大以及张开的状态，极易出现最新的裂隙，整体的透气效果得到很好的增强。

三、上分层开采卸压作用有效保护范围测定方法

（一）钻屑法测定

采用现场打钻测定钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑解吸指标方法进行。测定时施工一组φ42mm 顺煤层钻孔若干个，单孔长度不小于15m。

（二）钻孔应力法

在巷道中垂直煤层走向布置一组若干个φ42mm 顺煤层钻孔，钻孔间隔不小于2m，钻孔深度根据测定需要设计。所有钻孔施工结束后，在钻孔不同孔深位置分别安装钻孔应力计，进行钻孔围岩应力变化观测，观测周期为30 天，实时记录数据，每7 天进行一次数据采集和分析。利用不同深度处钻孔应力变化情况考察和判断煤层巷旁卸压带的宽度。

四、试验地区煤层赋存特征

赵固二矿主采的二1 煤层赋存于山西组下部，上距砂锅窑砂岩（Ss）45.64～81.25m，平均60.18m；下距L8 石灰岩19.65～40.24m，平均27.01m。二1煤层厚度4.73～6.77m，平均煤厚6.16m，结构比较简单，层位稳定，属稳定型厚煤层，煤质变化小，煤类单一，全区可采。区内二1 煤层以块煤为主，软分层不发育，矿井开拓及生产过程中未发生过煤与瓦斯动力现象。

五、现场测试与考察

（一）考察方法及钻孔布置

根据现场实际情况，本次上分层开采后对下分层卸压保护作用影响效果测定选择瓦斯参数法（即钻屑量与钻屑解吸指标法）以及钻孔应力法进行现场的测定，采用多种方法进行综合评判。

（二）参数测定方案

1.钻屑量法和钻屑指标法测定

钻孔施工期间，自钻孔3～4m 深处开始，每2m 测定钻孔的钻屑量，并用MD-2 型煤钻屑瓦斯解吸仪测定一次钻孔的钻屑解吸指标（△h2 或K1），同时测定一次钻孔瓦斯涌出初速度，直至21m 深处。

2.钻孔应力测定

所有钻孔施工结束后，在1#～10#钻孔孔深9m、12m、15m、18m、21m 处，分别安装钻孔应力计，进行钻孔围岩应力变化观测。观测周期为30 天，实时记录数据，每7 天进行一次数据采集和分析。

（三）钻屑法考察分析

1.钻孔钻屑测试情况

钻孔施工期间，分别测定了各钻孔不同深度处钻屑量S、钻屑瓦斯解吸指标Δh2和钻孔瓦斯涌出初速度q 值，试验区域瓦斯含量整体偏低，在进行钻孔瓦斯涌出初速度q 测定期间，所有测点测定结果均小于1.5L/min（流量计测定量程最小值为1.5L/min），试验区域煤层对钻孔瓦斯涌出初速度指标不敏感，测定结果无法有效判断出上分层开采后对下分层卸压保护作用影响范围。

2.钻屑量结果分析

根据测定的数据，通过统计回归，得到钻孔的钻屑量S（kg/m）与孔深（m）关系曲线图，如图2 所示。

图2 各钻孔不同孔深钻屑量变化情况

由图2 可见，各钻孔钻屑量S 均随孔深增加呈增大趋势，其中：

1#、2#、3#、4#、5#钻孔各测点钻屑量随孔深基本符合线性回归曲线，其中：1#钻孔孔深18m 处钻屑量开始明显增大，之后钻屑量整体高于18m 之前的钻屑量，孔深21m 时有所下降，21m 以外的深部钻屑量数值呈增加趋势；2#、3#钻孔孔深16m处钻屑量开始明显增大，孔深22m 时有所下降，孔深22m 后的深部，钻屑量数值有所增减；4#钻孔孔深17m 处钻屑量开始明显增大，在孔深23m、24m 时有所下降；5#钻孔不同孔深钻屑量总体变化较小，S 值在2.6kg/m 以内，数值也较小，无能判断出应力集中带范围。

综合对比分析5个试验钻孔不同钻孔深度（m）与钻屑量（kg/m）的关系曲线图可知，采用钻屑量指标法考察，赵固二矿12042 上顺槽应力集中带在巷帮16～18m 以深位置。

3.钻屑解吸指标结果分析

受试验区域整体瓦斯含量偏低影响，1#、2#、3#、4#、5#孔测点数值均较小。1#钻孔孔深18m 位置、2#钻孔孔深16m 位置、3#钻孔孔深19m 位置、4#钻孔孔深20m 位置，钻屑解吸指标达到峰值，在峰值前总体呈增大趋势，峰值后总体呈减小或者稳定趋势。5#钻孔仅有两个数据且数值为10pa，数值较小故不做参考。

分析判断，赵固二矿12042 上顺槽应力集中带在巷帮16～20m 以深位置，即顺槽侧上分层开采后形成的卸压作用有效保护范围宽度为16m。

（四）钻孔应力法考察分析

1.钻孔应力计安装及测试情况

本次考察在12042 上顺槽试验地点按照设计各施工完成5 个钻孔后，沿钻孔不同孔深位置分别安设钻孔应力计。

2.钻孔应力测定结果分析

各钻孔应力计在一个月的观测期内应力变化趋于稳定，均未出现高于初始应力的情况。

本次卸压带的最深监测深度为21m，综合所有数据，初步判断12042 上顺槽巷帮应力集中带深度边界在15m 左右，即顺槽侧上分层开采后形成的卸压作用有效保护范围宽度为15m。

（五）考察结果

结合理论分析（对于高变质程度煤体，工作面回采结束300 天以上时，预排瓦斯等值宽度基本不再增大、应力趋于稳定），确定赵固二矿二1 煤层工作面回采结束300 天以上时，顺槽侧上分层开采后形成的卸压作用有效保护范围宽度为15m，受上分层工作面开采后卸压保护作用影响，下分层工作面已经充分卸压。

结束语

研究表明，煤层在回采或者掘进后，工作面前方煤体应力平衡状态被打破，在趋向新应力平衡过程中出现带状划分，依次为卸压区、应力集中区及原始应力区。卸压区内应力经过长时间释放，煤层透气性增加、瓦斯不断解吸释放、瓦斯压力大幅降低，逐步失去了发生瓦斯灾害的动能，在该段卸压区域的保护作用下，只要预留足够的保护宽度，即可实现掘进期间的消突工作。由此可知，准确确定卸压带宽度对于快速安全掘进及瓦斯有效抽采具有重要意义。