王志亮 焦殿志 彭 輝

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2.安徽皖北煤電集團公司五溝煤礦，安徽 淮北 235157)

保護層開采效果測評方法研究①

王志亮1②焦殿志2彭 輝2

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2.安徽皖北煤電集團公司五溝煤礦，安徽 淮北 235157)

為深入分析保護層開采的實施效果，依據(jù)煤巖卸壓變形理論和瓦斯運移特性，建立了保護層開采測評指標(biāo)體系，對效果測評指標(biāo)的現(xiàn)場實測方法進行分析。研究結(jié)果表明:測評體系包括保護范圍和保護效果兩部分，其中瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)、煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃?、瓦斯抽放量、突出指?biāo)的變化等因素可作為效果考察的現(xiàn)場測評指標(biāo)。保護層開采后，應(yīng)首先明確其保護范圍，然后再對保護效果分別從煤體力學(xué)特性、煤層瓦斯特性和煤層開采動力特性3方面進行綜合分析，按照現(xiàn)場實測值與指標(biāo)臨界值的對比，即可系統(tǒng)地定量評價保護層開采的效果。

保護層開采;煤與瓦斯突出;指標(biāo)體系;測評方法

長期的理論研究和突出危險煤層的開采實踐證明，開采保護層是防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟的區(qū)域性措施【1，2】。具有突出危險性的礦井，只要有保護層，一般都采用這項技術(shù)。但對保護層開采后的效果測評方法卻沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大部分礦井僅僅在被保護煤層實施采掘作業(yè)過程中采用某些突出指標(biāo)進行消突效果驗證，若指標(biāo)超限則繼續(xù)補充防突措施，直至指標(biāo)值降低至突出臨界值以下才進行生產(chǎn);有的礦井為了生產(chǎn)進度，甚至超指標(biāo)作業(yè)，這不僅大大降低生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)計劃和銜接，而且給礦井瓦斯事故埋下極大隱患。在保護層開采實施前，需要預(yù)先確定保護范圍，保護層開采后，需要對卸壓范圍和保護效果進行考察和分析，以便在被保護層的有效卸壓區(qū)域內(nèi)合理布置作業(yè)工作面。本文依據(jù)保護層開采相關(guān)理論，詳細分析了保護層開采后的效果測評指標(biāo)，并對其現(xiàn)場實施方法進行探討，從而建立較為系統(tǒng)和完善的效果測評方法，為現(xiàn)場瓦斯防治提供參考依據(jù)，同時也進一步完善了保護層開采理論體系。

1 保護層開采效果測評指標(biāo)體系

由于保護層開采后的卸壓作用，采動形成的煤(巖)體變形、破裂和裂隙伸張將大幅度地提高煤(巖)體瓦斯運移的透氣性，產(chǎn)生“卸壓增透增流”效應(yīng)，形成瓦斯“解吸-擴散-滲流”活化流動的條件，卸壓瓦斯得以排放，瓦斯壓力和瓦斯含量下降，煤體變硬，進而達到消除煤層突出危險性的目的［3-6］，此時被保護范圍內(nèi)突出煤層的應(yīng)力變形狀態(tài)和瓦斯動力參數(shù)發(fā)生重大變化［7-10］，由此而喪失或降低其突出危險性。保護層開采的卸壓范圍決定了被保護煤層設(shè)計采區(qū)及工作面布置區(qū)域，其卸壓效果決定了被保護層工作面生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量的大小，直接影響到工作面生產(chǎn)效率和安全狀況。因此，在保護層開采措施實施前，需要劃定保護范圍;保護層開采后，需要對保護效果進行考察和分析，以檢驗措施的有效性。建立科學(xué)合理的保護層開采測評指標(biāo)體系并對開采效果進行評估，可為礦井合理組織生產(chǎn)、優(yōu)化抽采設(shè)計、保證礦井產(chǎn)量和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。依據(jù)保護層開采相關(guān)理論，保護層開采效果測評指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 保護層開采效果測評指標(biāo)體系

2 保護范圍的測評方法

保護層保護范圍考察方法因煤層賦存情況，保護層與被保護層相對位置關(guān)系和被保護層卸壓瓦斯抽采方法等不同需采取針對性考察技術(shù)方案。文中介紹底板巖巷上向穿層鉆孔考察被保護層的保護范圍，其原理是通過底板巖石巷道布置2組考察鉆孔，通過測定被保護層原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力來考察走向和傾向保護邊界，保護范圍的測評方法見圖2所示。

圖2 保護范圍考察方案示意圖

走向保護范圍考察鉆孔布置在被保護層預(yù)計的走向保護邊界線兩側(cè)。1號鉆孔布置在預(yù)計走向保護范圍外15 m，2號鉆孔布置在預(yù)計走向保護范圍處，3號鉆孔布置在預(yù)計走向保護范圍內(nèi)15 m，通過測定3個不同位置處被保護層的原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力對比，可以考察走向保護范圍的邊界線。

傾向保護范圍考察鉆孔布置在被保護層預(yù)計的傾向保護邊界線兩側(cè)。4號鉆孔布置在預(yù)計傾向保護范圍外15 m，5號鉆孔布置在預(yù)計傾向保護范圍處，6號鉆孔布置在預(yù)計傾向保護范圍內(nèi)15 m，通過測定3個不同位置處被保護層的原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力對比，可以考察傾向保護范圍的邊界線。

3 卸壓效果的測評方法

3.1 煤體物理力學(xué)特性效果測評

3.1.1 煤層透氣性系數(shù)

煤層透氣性系數(shù)是煤層瓦斯流動難易程度的標(biāo)志，反映了煤體卸壓后裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育程度，是評價煤層瓦斯可抽性和煤與瓦斯突出危險性的重要指標(biāo)之一。對煤層透氣性系數(shù)的測定方法分為實驗室測定和現(xiàn)場測定，由于實驗室條件下很難模擬井下的實際情況，故實驗室只能進行定性的和規(guī)律性的研究;要準(zhǔn)確獲得井下煤層的透氣性系數(shù)，必須進行現(xiàn)場實際測定［11］。目前，現(xiàn)場測定煤層透氣性系數(shù)主要采用鉆孔徑向流量法，該方法以瓦斯在煤層中徑向不穩(wěn)定流動理論為基礎(chǔ)，依據(jù)達西定律和質(zhì)量守恒準(zhǔn)則來建立數(shù)學(xué)模型，采用相似準(zhǔn)數(shù)推導(dǎo)出煤層透氣性系數(shù)的計算公式，其理論基礎(chǔ)可靠，測定結(jié)果準(zhǔn)確，現(xiàn)場實用性較好，因此在我國得到廣泛應(yīng)用。

3.1.2 圍巖相對變形量

保護層開采后圍巖的卸壓效果用應(yīng)力和應(yīng)變來衡量，由于現(xiàn)場應(yīng)力測定較為困難且準(zhǔn)確度相對較低，因此，通常采用被保護層頂?shù)装逑鄬ψ冃瘟糠从承秹盒ЧＴ诂F(xiàn)場通常采用深部基點法測定煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃?，測定原理為:在煤層的頂、底板巖石中分別安設(shè)測點，通過觀測2個測點之間的相對位移來確定煤層的變形量。圖3為現(xiàn)場測定煤層變形的一種方式，變形鉆孔施工時要求鉆孔進入煤層頂板1.0 m，在煤層頂板及底板各安裝一對鋼楔固定深部基點，鋼楔由鋼管和鋼板做成，形狀如倒楔形錨桿。煤層頂板的鋼楔焊接一根10mm鋼筋，穿過煤層底板的鋼楔至孔口。煤層底板的鋼楔焊有一根直徑15 mm的無縫鋼管，套在與頂板鋼楔相聯(lián)的鋼筋上。用千分卡尺測定鋼管與鋼筋的相對位移，然后計算煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃巍?/p>

圖3 深部基點法測定煤層頂?shù)装遄冃窝b置示意圖

3.2 煤層瓦斯特性效果測評

3.2.1 原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力考察

保護層工作面開采前，在預(yù)計保護范圍內(nèi)，從被保護層底板瓦斯抽采巷向被保護層工作面施工穿層鉆孔，鉆孔封孔工作結(jié)束后，接好壓力表開始壓力測定，鉆孔內(nèi)瓦斯壓力逐漸升高，待壓力穩(wěn)定后測定的值即為被保護煤層原始瓦斯壓力。

在保護層工作面開采和被保護層卸壓瓦斯抽采之后，測壓裝置最終顯示的瓦斯壓力即為被保護層殘余瓦斯壓力。具體操作方法可按AQ/T1047—2007的規(guī)定測定被保護層瓦斯壓力，為了減少鉆孔內(nèi)瓦斯壓力的平衡時間，盡快測出煤層原始瓦斯壓力，可采用向鉆孔內(nèi)注氮氣的方法。

3.2.2 原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量考察

采用測定的被保護層原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力，按式(1)計算被保護層的原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量［4，8］。

式中:W為被保護層原始瓦斯含量或殘余瓦斯含量，m3/t;a為煤的瓦斯吸附常數(shù)，表示試驗溫度下煤的極限吸咐量，cm3/g;b為煤的瓦斯吸附常數(shù)，MPa-1;P為被保護層原始瓦斯壓力或殘余瓦斯壓力，MPa;Ad為煤的灰分，%;Mad為煤的水分，%;n為煤的孔隙率，m3/m3;γ為煤的容重(假比重)，t/m3。

3.2.3 瓦斯抽采量考察

單位時間內(nèi)百米鉆孔瓦斯抽采量是計算煤層透氣性系數(shù)的主要參數(shù)，也是衡量保護層開采的卸壓程度，以及卸壓瓦斯抽放的重要指標(biāo)。被保護層卸壓瓦斯抽采量考察包括3部分，分別為單個鉆孔瓦斯抽采量、單個鉆場瓦斯抽采量和被保護層工作面總的瓦斯抽采量。單個鉆孔瓦斯抽采量和單個鉆場瓦斯抽采量的考察可選擇代表性的鉆孔和鉆場進行，在被保護層工作面瓦斯抽采系統(tǒng)的總干管上安設(shè)瓦斯監(jiān)測裝置，考察總的瓦斯抽采量變化。瓦斯抽采量考察可采用孔板流量計或瓦斯抽采監(jiān)測裝置，主要測定參數(shù)為抽采管路混合流量、瓦斯?jié)舛群统椴韶搲?，每日至少記錄一次測定參數(shù)，用于測評被保護層卸壓瓦斯的抽采效果和進行被保護層區(qū)域性消除突出危險性認證。

3.3 煤層開采動力特性效果測評

在被保護層保護范圍內(nèi)進行采掘作業(yè)時，對被保護層區(qū)域性消除突出危險性的效果檢驗可采用最大鉆屑量Smax，鉆屑解吸指標(biāo)K1和Δh2、鉆孔瓦斯涌出初速度qm、煤的普氏系數(shù)f等單項指標(biāo)及其組合的綜合指標(biāo)來進行消突效果考察［12］。

3.3.1 最大鉆屑量Smax

鉆屑量是預(yù)測煤層突出危險性指標(biāo)之一，鉆屑量可用重量法或容量法測定。重量法:每鉆進1 m鉆孔，收集全部鉆屑，用彈簧秤稱重，單位kg/m;容量法:每鉆進1m鉆孔，收集全部鉆屑，用量袋或量杯計量鉆屑容積，單位L/m。

3.3.2 鉆屑解吸指標(biāo)K1和Δh2

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和△h2都是預(yù)測煤層是否具有突出危險的重要指標(biāo)，綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，現(xiàn)場一般采用瓦斯解吸儀來測定。其測定原理為:將含瓦斯煤樣瞬間暴露于瓦斯解吸儀器中，根據(jù)等容或變?nèi)葑儔航馕頊y定煤樣在不同時間段的瓦斯解吸量或不同時刻的瓦斯解吸速度，然后根據(jù)測定數(shù)據(jù)與煤樣暴露時間的關(guān)系進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理，得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)。其中，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1是測定鉆屑試樣在卸壓初期一段時間(5 min)瓦斯解吸曲線的斜率，單位為cm3/g·min1/2;鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2是測定鉆屑試樣在卸壓初期一段時間(2 min)瓦斯解吸而產(chǎn)生的壓力差，單位為Pa。

3.3.3 鉆孔瓦斯涌出初速度qm

鉆孔瓦斯涌出初速度表示測試鉆孔封孔后，單位時間內(nèi)從測量室中涌出的最大瓦斯涌出量，該參數(shù)綜合反映了煤層的破壞程度、瓦斯壓力和瓦斯含量、煤體的應(yīng)力狀態(tài)及透氣性，是評價突出危險性的綜合指標(biāo)?，F(xiàn)場一般采用突出危險性預(yù)報儀來測定鉆孔瓦斯涌出初速度，同時還可測定鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)，二者綜合分析即可測評煤層的突出危險性。

3.3.4 煤的普氏系數(shù)f

煤的普氏系數(shù)可通過井下采取煤樣，然后在實驗室采用落錘法測定獲得，其值大小不僅能夠客觀地反映煤體強度和破壞程度，而且還能很好地體現(xiàn)發(fā)生瓦斯突出的氣體介質(zhì)條件。大量的試驗考察結(jié)果證明，f值參數(shù)決定于煤體結(jié)構(gòu)的宏觀類型，盡管其絕對值隨礦區(qū)不同而有所變化，但對于同一礦區(qū)、同一煤層來說，其數(shù)值特征主要取決于煤體的破壞程度。

4 應(yīng)用實例

安徽五溝煤礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，井田南北走向長約3.3 km，東西寬3～5 km，面積約15 km2。區(qū)內(nèi)共含 10 個煤組，其中 72、81、82、10煤層為主要可采煤層，其中10煤瓦斯含量較低，72、81、82煤層瓦斯含量較高，經(jīng)鑒定具有突出危險性。經(jīng)技術(shù)分析本礦確定10煤作為下保護層開采，本文選取保護層1012工作面來分析其對72煤層的保護效果。1012工作面布置參數(shù)如下:工作面傾向150 m，走向長1500 m，采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤方法，10煤與72煤層間硬巖含量系數(shù)按照50%考慮，層間距為103 m。按照上述測評方法計算結(jié)果見表1所示。

表1 五溝煤礦保護層開采后72煤層效果測評指標(biāo)計算表

5 結(jié)論

1)保護層開采后的效果測評從兩方面來分析，一方面是保護范圍的考察，另一方面是保護效果的考察。保護范圍決定了被保護煤層采區(qū)及工作面設(shè)計的布置區(qū)域，保護效果決定了被保護層工作面生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量的大小，直接影響到工作面生產(chǎn)效率和安全狀況。

2)保護范圍采用煤層原始瓦斯壓力和殘余瓦斯壓力對比分析來確定;卸壓效果通過煤體力學(xué)特性、煤層瓦斯特性和煤層開采動力特性3方面來分析測評。

3)被保護層開采前的測評指標(biāo)有:煤層透氣性系數(shù)、頂?shù)装逑鄬ψ冃瘟俊⑼咚箟毫?、瓦斯含量、瓦斯抽采率?被保護層采掘作業(yè)過程中，可通過實測最大鉆屑量、鉆屑解吸指標(biāo)、鉆孔瓦斯涌出初速度、煤的普氏系數(shù)等參數(shù)及其綜合指標(biāo)來驗證保護效果。

［1］ 馬雷舍夫［俄］.煤與瓦斯突出預(yù)測方法和防治措施［M］.魏風(fēng)清，張建國譯.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003

［2］ 李建敏.煤與瓦斯突出防治技術(shù)手冊［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］ 袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004

［4］ 何學(xué)秋.含瓦斯煤巖流變動力學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995

［5］ 林柏泉.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996

［6］ 孫月庚.改變煤層透氣性防突措施及應(yīng)用［J］.煤礦安全，2005 ，36(9):56-57

［7］ 陳遠平，俞啟香.煤層群煤與瓦斯安全高效共采體系及應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，32(5):471-475

［8］ 馬躍龍，林柏泉.煤層透氣性系數(shù)的測定及其分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998，17(3):240-243

［9］ 李樹剛，錢鳴高.我國煤層與甲烷安全共采技術(shù)的可行性［J］. 科技導(dǎo)報，2000，(6):39-41

［10］ 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1999

［11］ 梁冰，孫可名.低滲透煤層氣開采理論及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006

［12］ 國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009

Study on Evaluation Method of appliance effect for Exploiting Protection Layer

WANG Zhiliang1，2，JIAO Dianzhi1，PENG Hui1，

(1.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157)

In order to analyze the implementation effect of protection layer exploiting，according as distortion mechanism of wall rock and moving characteristics of gas，evaluation results index system on protection layer exploiting was brought forward，and application methods of testing evaluation indexes were analyzed in locale practice area.Research result indicated that the measure system includes two pats which one is evaluation of protection scope and the other is protection effect.Those factors of gas pressure，gas content，coal seam permeability coefficient，relative deformation of coal seam roof and floor，gas drainage quantity and the change of outburst indexes can be used as the evaluation indexes in fieldwork.In accordance with the steps of effect assessment on protective layer，the protection scope should be ascertained firstly，then protection effect can be evaluated in term of coal physical properties，coal seam gas properties and dynamic characteristics in coal mining.The evaluation result can be appraised quantificationally by contrast measured values on-site and index Thresholds.

protection layer exploiting;coal and gas outburst;index system;evaluation method

TD713+.31

A

1672-7169(2012)03-0011-05

2012-04-05

王志亮(1971-)，男，山西陽泉人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副教授。