基于双重保护层开采条件下的区域防突效果评价*

2023-09-18蔡敏博汪万里

陕西煤炭 2023年5期

蔡敏博,刘军,汪万里

(1.陕西陕煤韩城矿业公司下峪口煤矿,陕西渭南 715400;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

0 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[1-2],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[3-4]。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[5]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[6]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[7]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[8]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[9]研究下伏被保护层双重采动影响下覆岩瓦斯富集规律,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23306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。

1 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1.50 Mt/a,2号、3号煤层为突出煤层。矿井2-3采区北翼3号煤层因沉积过程中分叉,局部区域存在可采3下煤层;煤层倾角3°～5°,平均4°。该区域煤层开采顺序为从上到下依次开采,即2号煤层→3号煤层→3下煤层,2号煤层平均煤厚1.0 m,3号、3下煤层平均煤厚均为2.5 m,2号、3号煤层间距10.0～15.0 m,3号、3下煤层间距7.0～8.0 m,属极近距离煤层群开采。上覆2号煤层已经全部开采,3号煤层正在回采23308工作面;开采2号煤层时考察了3号煤层的被保护效果,走向方向卸压角60°,倾斜上方卸压角75°,倾斜下方卸压角78°;未对3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3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1所示。

图1 采掘位置关系示意

2 3下煤层卸压保护效果分析

试验区域上覆2号与3号煤层层间距为10.0～15.0 m,主要岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩;3号与3下煤层间距7.0～8.0 m,主要岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩。开采23206工作面期间,对23306工作面保护效果进行了考察,经考察,23306工作面3号煤层最大膨胀变形量为12.9‰,远远大于《防治煤与瓦斯突出细则》规定的3‰。开采2号煤层保护3号煤层时,2号煤层采高1.5 m,开采3号煤层保护3下煤层时,3号煤层采高2.5 m,由此分析,3号煤层采高大于2号煤层采高,2号煤层与3号煤层间距大于3号煤层与3下煤层间距,且岩性相同,同时3下煤层受2号、3号煤层双重保护。因此,3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2号煤层保护层3号煤层考察的卸压角临界值划定3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1。

表1 煤层参数对比

3 23306下工作面有效保护范围分析

下峪口煤矿2-3采区北翼3下煤层同时受2号、3号煤层保护,可以以2号煤层或者3号煤层开采卸压角划定3下煤层有效保护范围,但要综合考虑3号煤层保护煤柱产生的集中应力影响。

3.1 开采2号煤层对3下煤层的保护范围

下峪口煤矿2-3采区保护层21203工作面与23206工作面之间留有6 m煤柱,23206工作面与23208工作面之间采用沿空留巷无煤柱开采。保护层2号煤层平均煤厚1 m,采高1.5 m,试验区域内2号煤层底板与3下煤层顶板间距13～24 m,平均15.5 m。依据现场考察结果,2号煤层作为下伏3号煤层保护层开采,对3号煤层走向、倾向上方、倾向下方的卸压保护角分别为60°、78°、75°;《防治煤与瓦斯突出细则》附录E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56°～60°、75°、75°。而在开采保护层时未对3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E推荐值划定2号煤层开采对3下煤层的保护范围。

在走向方向上,卸压角取60°,被保护层3下煤层在走向方向保护范围边界线相对于保护层23206工作面运输顺槽内错16.19 m,如图2所示。

图2 2号煤层开采对3下煤层走向保护范围剖面

在倾向方向上,倾向上方、倾向下方卸压角分别取75°、75°,被保护层3下煤层在倾向方向保护范围边界线相对于保护层23206工作面切眼及停采线位置分别内错4.74 m、8.09 m,如图3所示。

图3 2号煤层开采对3下煤层倾向保护范围剖面

3.2 开采3号煤层对3下煤层的保护范围

根据现场考察结果,2号煤层作为下伏3号煤层保护层开采,对3号煤层走向、倾向上方、倾向下方的卸压保护角分别为60°、78°、75°,2号煤层与3号煤层最大层间距15.0 m。因此,被保护层3号煤层在走向方向保护范围边界线相对于保护层23206工作面运顺内错10.77 m;被保护层3号煤层在倾向方向保护范围边界线相对于保护层23206、23208工作面切眼及停采线位置分别内错4.59 m、1.92 m。但23306工作面设计时,23306进顺、切眼、停采线实际分别内错23206运顺12 m、23206切眼46 m、23206停采线81.84 m,如图4、图5所示。在开采2号、3号煤层保护层时未对3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E划定3号煤层开采对3下煤层的保护范围。

图4 3号煤层开采对3下煤层走向保护范围剖面

图5 开采23306工作面对3下煤层倾向保护范围剖面

在走向方向上,卸压角取56°,被保护层3下煤层在走向方向保护范围边界线相对于保护层23306进顺内错4.62 m,如图4所示。

在倾向方向上,倾向上方、倾向下方卸压角均为75°,被保护层3下煤层在倾向方向保护范围边界线相对于保护层23306工作面切眼及停采线位置分别内错2.53 m、1.49 m,如图5所示。

3.3 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。

23306工作面与23308工作面之间留有10 m的护巷煤柱,煤柱上方为2号煤层采空区,煤柱两侧分别为23306工作面、23308工作面采空区,煤柱下方为3下实体煤,三层煤从上到下层间距分别为10～15 m、7～8 m。根据“煤柱影响带的确定”理论[3],23306工作面与23308工作面之间煤柱造成的应力在底板传递深度d2约为32 m,对底板两侧的影响范围根据图6确定,为煤柱两侧2.81 m,即对3下煤层影响宽度约15.6 m,同时,上方2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2号煤层、23306、23308工作面的采动影响下,煤柱区域经历了3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2.81 m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150 m左右),将23306下回顺布置在煤柱外侧20 m位置。综上所述,23306下工作面切眼应内错23306工作面切眼2.53 m,进顺应内错23306进顺4.62 m,停采线应内错23306停采线1.49 m,回顺距23308回顺20 m,剖面如图6所示。

4 3下煤层区域防突效果评价

4.1 邻近工作面开采情况

23304下工作面同样以开采上覆2号、3号煤层作为保护层,工作面设计宽度143 m,可采长度870 m。上覆2号煤层21203工作面于2008年7月回采结束,3号煤层23304工作面于2010年11月回采结束。23304下工作面形成后,在进顺、回顺每隔50 m施工一个效果检验钻孔实测煤层残余瓦斯含量,共布置28个,实测残余瓦斯含量为4.88～6.13 m3/t。

23304下工作面在上覆2号、3号煤层双重保护条件下,实测最大残余瓦斯含量6.13 m3/t,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。

4.2 23306下工作面防突效果评价

23306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3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23306回顺和23308回顺之间的煤柱附近布置20个测点,在工作面区域布置12个测点,从23308回顺施工效果检验钻孔。

根据现场实测,工作面区域残余瓦斯含量为4.06～5.62 m3/t,煤柱周围残余瓦斯含量为4.16～5.73 m3/t,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8 m3/t(未保护区域、采动应力集中区临界值6 m3/t),因此,23306下工作面区域防突措施效果有效。