高瓦斯煤层群开采保护层效果及有效保护范围研究

王 镇 颜叶成

（山东省三河口矿业有限责任公司，山东 枣庄 277000）

1 概况

东于煤业有限公司为高瓦斯矿井， 自上而下逐层开采03#、2#、4#、5#、6#、8#、9#煤层。03#煤层的03304 工作面为上保护层工作面，采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，工作面走向长768.4 m，倾向长196.5 m。03#煤层平均煤厚1.6 m，直接顶为灰色砂质泥岩，基本顶为灰黑色泥岩，直接底为灰色细砂岩，基本底为灰黑色泥岩。2#煤层作为被保护层，平均煤厚2.5 m，煤层倾角平均9°，距03#煤层平均7 m。

2 保护层效果考察方案

2.1 考察内容及方法

上保护层开采使得周围的岩层及煤层朝着采空区方向出现位移和变形，地应力出现变化，被保护层卸压，煤层膨胀变形产生裂隙，瓦斯解吸、透气性增高，进而引起下邻近层内瓦斯压力和瓦斯含量发生变化[1]。向被保护层施工钻孔，安设相应的仪器和设备，定期观测煤层瓦斯压力、含量等数据。为避免对正常生产时造成影响，选择在03304 工作面停采线以外的胶带顺槽、轨道顺槽钻场内布置穿层考察钻孔，测定分析03#煤层回采后其下方2#煤层瓦斯压力、含量等相关参数的变化规律，进而确定03#煤层开采对2#煤层的保护范围，并对保护效果进行分析。

2.2 2#煤层考察钻孔的布置

1 号、2 号钻场布置在03304 工作面胶带顺槽和轨道顺槽停采线边缘处，在两个钻场共计施工穿层钻孔16 个，钻孔进入2#煤层底板1 m。其中1、2 号钻孔用来测定2#煤层原始瓦斯含量；3 号钻孔在03304 工作面回采结束2 个月后测定2#煤层残余瓦斯含量；4 号钻孔用来分析2#煤层的变形规律；5～8 号钻孔用来分析03#煤层在倾斜上部对2#煤层的保护效果及保护范围；9～12 号钻孔用来分析03#煤层在倾斜下部对2#煤层的保护效果及保护范围；13～16 号钻孔用来分析03#煤层在走向上对2#煤层的保护效果及保护范围[2]。在满足钻孔施工要求的同时，减少钻孔裂隙对数据造成的影响，钻孔采用Φ94 mm 钻头施工，并严格按“两堵一注”的封孔工艺对钻孔进行封孔。钻孔施工参数见表1。

表1 钻孔施工参数表

3 保护层开采前后2#煤层瓦斯参数变化及保护效果分析

3.1 2#煤层瓦斯含量变化分析

根据现场和实验室的测定数据，1 号钻孔中测定2#煤层解吸量为5.72 m3/t，损失量为1.11 m3/t，残存量为1.95 m3/t，原始瓦斯含量为8.78 m3/t。2 号钻孔中测定2#煤层解吸量为5.52 m3/t，损失量为1.15 m3/t，残存量为1.95 m3/t，原始瓦斯含量为8.62 m3/t。3 号钻孔中测定2#煤层解吸量为2.91 m3/t，损失量为0.44 m3/t，残存量为1.95 m3/t，原始瓦斯含量5.30 m3/t。

根据相关规定，残余瓦斯压力不超过0.74 MPa、残余瓦斯含量不超过8 m3/t 时，即可说明区域防突措施效果有效[3]。从测定结果可以看出，2#煤层原始瓦斯含量为8.62～8.78 m3/t，3#煤层回采之后，残余瓦斯含量降为5.30 m3/t，煤层中有3.32～3.48 m3/t 的瓦斯得到释放，占煤层原始瓦斯含量的38%～40%。说明03304 工作面开采后，2#煤层出现卸压，地应力减小，煤层膨胀变形产生裂隙，瓦斯解吸、透气性增高，被保护层煤层的瓦斯得到了很好的释放。

3.2 2#煤层瓦斯压力变化分析

3.2.1 瓦斯压力测定结果

安装压力表后，采用被动测压法每天记录5～16号钻孔的瓦斯压力变化情况，对观测数据进行统计分析，绘制可视化的曲线，各钻孔曲线变化趋势相似，其中5～8 号考察钻孔的瓦斯压力随着保护层03304 工作面位置和时间的变化规律曲线如图1、图2。

图1 钻孔瓦斯压力随时间变化曲线

图2 钻孔瓦斯压力随工作面位置变化曲线

3.2.2 瓦斯压力测定结果分析

根据钻孔瓦斯压力随工作面位置变化曲线可发现，没有开采保护层03304 工作面时，被保护层煤层瓦斯压力处于原始状态，随着保护层的推采，煤层瓦斯压力开始下降，随着越来越接近保护层03304 工作面，被保护层受到集中应力的影响，瓦斯压力出现反弹上升现象，随后瓦斯压力逐步降到最小值并处于稳定状态，保护层的影响程度达到最大值。期间被保护层的钻孔瓦斯压力变化出现相似的特征，经历了二次卸压的过程。

3.2.3 保护层沿倾斜的卸压角

保护层03304 工作面开采后，2#煤层倾斜上部考察钻孔的瓦斯压力均出现下降现象，其中6、7、8 号钻孔在保护层03304 工作面瓦斯压力值分别从1.25 MPa、1.30 MPa、1.21 MPa 降为0.25 MPa、0.24 MPa、0.22 MPa，表明6、7、8 号钻孔均已得到充分保护。2#煤层倾斜下部考察钻孔的瓦斯压力也都出现下降现象，其中9、10、11 号钻孔在保护层03304 工作面瓦斯压力值分别从1.18 MPa、1.27 MPa、1.23 MPa 降为0.19 MPa、0.21 MPa、0.23 MPa，表明9、10、11 号钻孔均已得到充分保护。通过对煤层顶底板相对位移分析，得出3#煤层开采对2#煤层沿倾斜方向的卸压角[4]，利用插值法计算，得出保护层沿倾斜的卸压角为80°。

3.2.4 保护层沿走向的卸压角

保护层03304 工作面开采后，沿着2#煤层走向方向上考察钻孔的瓦斯压力均出现下降，其中14、15、16 号钻孔的瓦斯压力值分别从1.10 MPa、1.13 MPa、1.18 MPa 下降到0.22 MPa、0.23 MPa、0.21 MPa，这表明14、15、16 号钻孔均受到了保护作用。利用插值法计算，得出保护层03304 工作面沿走向的卸压角为70°。

3.3 2#煤层变形量变化分析

2#煤层顶底板的相对变形采用深部基点法进行测定，观测出2#煤层绝对变形量后，2#煤层绝对变形量除以煤层的厚度即为2#煤层的相对变形量。观测并记录4 号钻孔穿过2#煤层60 m 时的数据，一直持续到工作面回采结束3 个月后，根据观测到的数据绘制的2#煤层变形量随时间、工作面位置的变化曲线如图3、图4。

图3 2#煤层变形量随时间变化曲线

图4 2#煤层变形量随工作面位置变化曲线

由图3、图4 可以看出，在保护层03304 工作面回采过程中，受回采扰动影响，2#煤层先出现微弱的膨胀变形，随着工作面继续推进，煤层开始出现压缩变形，在煤层压缩变形至一定程度之后，开始恢复膨胀变形并持续，直至煤层变形测定钻孔位于工作面后方25 m 左右位置处趋于稳定。此时推采的时间约为50 d，膨胀变形量达到最大值25 mm，计算出膨胀率为9.8‰。随后膨胀变形量保持不变，此状态可持续数月之久。长时间的煤层膨胀变形稳定期为瓦斯抽采迎来了良好的条件和充足时间。

4 保护层外错段2#煤层瓦斯抽采效果考察

在2#煤层中施工了一条03304 底抽巷（外错03304 胶带顺槽帮对帮20 m），并在该巷道中施工本煤层顺层钻孔对涌入03#煤层的瓦斯进行拦截。保护层03304 工作面开采后，倾斜方向卸压角δ2=80°，表明03304 工作面胶带顺槽外错段的2 号煤层20 m 范围内（03304 底抽巷～03304 胶带顺槽正下方2 号煤层）没有处于保护层有效保护范围内。

现场在03304 底抽巷100 m、220 m、350 m、500 m、600 m 处分别进行取样测定，经计算2 号煤层残余瓦斯含量测定结果分别见表2。

表2 瓦斯抽采后残余瓦斯含量测定结果

从表2 的测定结果可以看出，03304 胶带顺槽外错段2 号煤层20 m 范围内，经本煤层顺层拦截钻孔抽采后，残余瓦斯含量最大为5.29 m3/t，不超过8 m3/t。经计算，瓦斯抽采后煤的残余相对瓦斯压力为0.24 MPa，不超过0.74 MPa，说明经瓦斯抽采后该范围无煤与瓦斯突出危险性。

5 结论

对东于煤业有限公司03#煤层保护层03304 工作面开采后的保护范围和保护效果进行了测试研究分析后，得到以下主要结论：

1）2#煤层原始瓦斯含量在8.62～8.78 m3/t 之间，03#煤层保护层开采后，2#煤层残余瓦斯含量下降为5.30 m3/t。

2）03#煤层对2#煤层沿倾斜方向卸压角δ3=80°，沿走向方向卸压角δ5=70°。

3）03#煤层作为保护层开采，能够显著提高2#煤层膨胀变形量，最高值达到25 mm，膨胀率达到9.8‰，超过《防治煤与瓦斯突出细则》中所要求的3‰，表明被保护层得到了较好的保护作用[5]。

4）经过2#煤层本煤层顺层拦截钻孔抽采后，03304 胶带顺槽外错段的2#煤层20 m 范围内（03304底抽巷～03304 胶带顺槽正下方的2#煤层）瓦斯含量最大为5.29 m3/t，最大相对瓦斯压力为0.24 MPa，小于8 m3/t 和0.74 MPa，该范围经抽采后无煤与瓦斯突出危险性。