曹建波

(1.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)處，山西 晉城 048006；2.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 技術(shù)研究院，山西 晉城 048006)

晉煤集團(tuán)下保護(hù)層開采規(guī)律研究

曹建波1，2

(1.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)處，山西 晉城 048006；2.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 技術(shù)研究院，山西 晉城 048006)

為了研究保護(hù)層開采規(guī)律，以寺河二號(hào)井94302工作面為試驗(yàn)工作面，采用深部基點(diǎn)法、鉆孔電視、雙端封堵測(cè)漏等技術(shù)手段對(duì)下部采場(chǎng)覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行研究，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬軟件對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：被保護(hù)層處于彎曲下沉帶內(nèi)，保護(hù)層開采后被保護(hù)層瓦斯卸壓效果明顯，可以有效降低煤層突出危險(xiǎn)性。

保護(hù)層開采；卸壓范圍；深部基點(diǎn)；鉆孔電視

RuleofLower-protectionCoal-seamMininginJinchengCoalGroup

隨著晉煤集團(tuán)各主力礦井3號(hào)煤層淺部易采資源的逐漸枯竭，開采向著地質(zhì)條件復(fù)雜、高瓦斯區(qū)域轉(zhuǎn)移。采用底抽巷或高抽巷對(duì)高瓦斯區(qū)域煤層進(jìn)行提前抽采施工成本較高[1-2]，并且在部分區(qū)域效果并不理想。生產(chǎn)實(shí)踐表明，保護(hù)層開采技術(shù)是防治煤與瓦斯突出最有效最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施[3-5]。

保護(hù)層采出后，上覆巖層應(yīng)力重新分布，覆巖破壞形成典型的“三帶”分布特征，而位于不同層位的被保護(hù)層變形破壞形態(tài)存在較大差異[6-7]，這直接影響著保護(hù)層開采及卸壓瓦斯抽采的效果。以晉煤集團(tuán)寺河二號(hào)井94302工作面為試驗(yàn)工作面，在工作面回采過(guò)程中對(duì)“三帶”分布、3號(hào)煤層瓦斯卸壓情況進(jìn)行研究，為保護(hù)層開采提供依據(jù)。

1 工程概況

寺河二號(hào)井94302工作面位于九四盤區(qū)，開采9號(hào)煤層，工作面傾斜長(zhǎng)150m，走向長(zhǎng)492m，蓋山厚度280～420m，煤層厚度為1.2～1.6m，平均1.5m，煤層傾角為3°，9號(hào)煤層直接頂為3.93m的粉砂巖，黑灰色，質(zhì)密，具水平層理及緩波狀層理；基本頂為5.3m的細(xì)砂巖，呈灰色，以石英為主，顯波狀層理；直接底為石灰?guī)r，厚0.45m；基本底為細(xì)砂巖，厚5.09m，黑灰色，顯波狀層理。

六西北二運(yùn)輸巷位于94302工作面上方50m處的3號(hào)煤層中，巷道上方為3.5m厚頂煤，3號(hào)煤層直接頂板為2.3m的粉砂巖，基本頂為5.4m厚的中粒砂巖，底板為厚3m的深灰色砂質(zhì)泥巖，老底為厚9.3m細(xì)粒砂巖。巷道與工作面存在壓茬關(guān)系，見圖1。

圖1 觀測(cè)巷道與回采面位置關(guān)系

2 巖層移動(dòng)觀測(cè)

在上部3號(hào)煤層巷道內(nèi)布置監(jiān)測(cè)鉆孔，通過(guò)深基點(diǎn)、鉆孔電視、雙端封堵測(cè)漏等進(jìn)行覆巖移動(dòng)規(guī)律研究。

2.1 深基點(diǎn)觀測(cè)

在工作面回采影響前，從上部觀測(cè)巷道向9號(hào)煤工作面施工直徑為98mm的鉆孔，并在鉆孔的不同位置安裝深部基點(diǎn)，基點(diǎn)通過(guò)鋼絲繩引至觀測(cè)巷道，并在端部懸掛配重，見圖2。

圖2 深基點(diǎn)示意

在下部工作面回采過(guò)程中，量取各基點(diǎn)的變化量，以3號(hào)鉆孔為例，各基點(diǎn)的變化曲線見圖3(CZ3-3～CZ3-7曲線與CZ3-2基本一致，圖中省略)。

圖3 3號(hào)鉆孔各基點(diǎn)曲線

3號(hào)鉆孔在工作面距離鉆孔40m時(shí)開始監(jiān)測(cè)，由實(shí)測(cè)曲線可以看出該鉆孔處巖層移動(dòng)大致可以分為3個(gè)階段：

(1)巖層移動(dòng)的初始影響階段 該階段的特點(diǎn)是巖層開始變動(dòng)，但是變動(dòng)值較小，在工作面快要推到鉆孔位置的時(shí)候，覆巖有少許的翹起，從該沉降曲線圖可以看出，從工作面距離鉆孔40m到推過(guò)鉆孔3.7m的階段頂板巖層變化不大，稱為初始變化階段。

(2)巖層的劇烈沉降階段 在工作面推過(guò)鉆孔3.7m后，3號(hào)鉆孔處巖層的沉降進(jìn)入劇烈沉降階段，該階段內(nèi)巖層的整體下沉量較大，又分為2個(gè)部分，由沉降曲線可以看出，在工作面推過(guò)3.7～13.5m的區(qū)間內(nèi)上覆巖層整體下沉，層間基本沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象；當(dāng)工作面推過(guò)鉆孔13.5m后，層間離層開始發(fā)育，到推至18.38m離層達(dá)到最大值。

(3)巖層沉降的衰退階段 該階段內(nèi)由于覆巖受到下部垮落巖石的支撐，沉降速度逐漸減小，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，層間離層有少許的閉合，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，離層并未完全閉合。

從曲線的總體可以看出，在工作面推到鉆孔前，鉆孔處巖層垂直移動(dòng)較小，而當(dāng)工作面推過(guò)鉆孔3m后覆巖開始快速下沉。工作面推過(guò)鉆孔13.5m時(shí)層間離層開始快速發(fā)育，而由監(jiān)測(cè)曲線可以很明顯地看出，離層主要發(fā)生在CZ3-7測(cè)點(diǎn)以下，尤其是CZ3-7～CZ3-8之間離層量較大，最大可達(dá)到254mm，而CZ3-8～CZ3-9之間的離層量也比較明顯，最大離層量達(dá)89mm。

2.2 鉆孔電視觀測(cè)

為了能夠更好了解下部工作面回采后覆巖破壞情況，在采動(dòng)前后分別施工鉆孔，并對(duì)巖層進(jìn)行鉆孔窺視，窺視結(jié)果見圖4。

圖4 各鉆孔冒落帶頂部位置

根據(jù)對(duì)采后4個(gè)鉆孔觀測(cè)圖像可以得到，各鉆孔所在區(qū)域的垮落帶和裂縫帶發(fā)育高度。具體統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各帶高度統(tǒng)計(jì)

可以得出垮落帶高度為2.2～4.5m，裂縫帶高度為21.6～27.2m。

2.3 雙端封堵測(cè)漏觀測(cè)

鉆孔分段注水觀測(cè)方法是一種最傳統(tǒng)、最可靠的確定上覆巖層受采動(dòng)后其裂縫帶、垮落帶發(fā)育高度的方法[8-10]，此方法是采動(dòng)后上覆巖層會(huì)形成分層且各分層的裂隙大小與數(shù)量不等，因此各階段的注水量不同，采用封孔器封住兩端，利用測(cè)試段測(cè)量此段注水量的多少，利用注水量的多少來(lái)判斷此段情況。并結(jié)合卡鉆、掉鉆等情況綜合判定垮落帶、裂縫帶高度的一種方法。其系統(tǒng)見圖5。

1—滲透段；2—橡膠密封段；3—鉆桿；4—高壓水管；5—高壓泵；6—流量計(jì)；7—壓力表；8—閥門；9—三頭連通器

對(duì)采后4個(gè)孔進(jìn)行注水測(cè)試，得出注水曲線圖見圖6。

根據(jù)1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)鉆孔雙端封堵測(cè)試技術(shù)可以得出各鉆孔在不同層位內(nèi)的注水速度，根據(jù)各注水速度可以分析出裂縫帶與垮落帶的高度，見表2。

表2 各鉆孔區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得出9號(hào)煤層垮落帶高度為2.5～4.5m；裂縫帶高度為19～26m。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)可知，靠近工作面停采線區(qū)域的裂縫帶高度較大，為26m，距離工作面停采線較遠(yuǎn)的區(qū)域裂縫帶高度為19～23m。

結(jié)合鉆孔電視及雙端封堵測(cè)漏技術(shù)測(cè)試，可以得出94302工作面垮落帶高度為2.2～4.5m，裂縫帶(不含垮落帶)高度為19～27.2m；距離工作面停采線較近(約40m)的鉆孔的裂縫帶高度要大于中部其他鉆孔處的裂縫帶高度，靠近邊界的裂縫帶高度為26～27m，中部鉆孔處裂縫帶高度為19～23m；下部工作面的回采，引起上部煤體應(yīng)力的變化，部分煤體應(yīng)力轉(zhuǎn)化為水平應(yīng)力導(dǎo)致觀測(cè)巷道底鼓，根據(jù)監(jiān)測(cè)底鼓影響區(qū)在0～7m的巖層范圍內(nèi)。

圖6 雙端封堵測(cè)漏注水量分布

3 卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

3.1 瓦斯流動(dòng)模型的COMSOL解算

利用COMSOL Multiphysics可以求解構(gòu)建的近距離下保護(hù)層開采瓦斯流動(dòng)模型[11]。建立寺河二號(hào)井下保護(hù)層開采模型，保護(hù)層開采過(guò)程中垂直應(yīng)力和瓦斯壓力模擬結(jié)果如圖7所示。

保護(hù)層開采過(guò)程中被保護(hù)層瓦斯壓力變化如圖8所示。

隨著保護(hù)層工作面的不斷推進(jìn)，被保護(hù)煤層瓦斯壓力經(jīng)歷卸壓過(guò)程；且被保護(hù)層的瓦斯壓力變化具有一致的規(guī)律性，可以將其劃分為四帶：

(1)正常壓力帶 位于工作面前方20m以外，被保護(hù)層未受到開采影響，煤層瓦斯壓力處于原始狀態(tài)。

圖7 保護(hù)層開采過(guò)程中垂直應(yīng)力分布

圖8 瓦斯壓力變化

(2)集中壓力帶 位于工作面前方20m到工作面正上方0m范圍，此帶內(nèi)煤層瓦斯壓力出現(xiàn)一定的上升現(xiàn)象。

(3)過(guò)渡變化帶 位于工作面0m到工作面后方30m，此帶內(nèi)瓦斯壓力發(fā)生顯著變化，瓦斯壓力顯著降低。

(4)充分卸壓帶 位于工作面后方30～40m以外，在此帶內(nèi)瓦斯加劇解吸，瓦斯壓力下降到最小值，并基本穩(wěn)定下來(lái)，即保護(hù)層的影響達(dá)到最大程度。

保護(hù)層開采過(guò)程中被保護(hù)層滲透性系數(shù)變化結(jié)果如圖9所示。

圖9 推進(jìn)過(guò)程中透氣性系數(shù)變化

保護(hù)層開采以后，被保護(hù)層中裂隙發(fā)育加強(qiáng)，煤層內(nèi)部透氣性的分布規(guī)律也發(fā)生變化。如圖9所示，隨著保護(hù)層開采范圍的擴(kuò)大，被保護(hù)層不僅透氣性系數(shù)隨之?dāng)U大，而且高透氣性分布的范圍也在擴(kuò)大。當(dāng)保護(hù)層回采推進(jìn)100m時(shí),透氣性系數(shù)為原始透氣性系數(shù)的120倍左右。

透氣性系數(shù)大小的分布與被保護(hù)層中的應(yīng)力分布有直接關(guān)系，其中高透氣性系數(shù)分布在穩(wěn)定卸壓區(qū)，透氣性系數(shù)在重新壓實(shí)區(qū)有所減少但也維持在較高的范圍，這與“O”型圈理論基本一致。高透氣性系數(shù)主要分布在穩(wěn)定卸壓區(qū)與重新壓實(shí)區(qū)，其寬度約為60m。在過(guò)渡卸壓區(qū)范圍內(nèi)透氣性系數(shù)雖然增加幅度不大，但仍然為原始透氣性系數(shù)的70倍左右。

3.2 保護(hù)效果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

9號(hào)煤層開采上覆巖層穩(wěn)定后，采用井下直接解吸法測(cè)試3號(hào)煤層瓦斯含量。3號(hào)煤層試驗(yàn)巷道中測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量總結(jié)如表3所示。

表3 試驗(yàn)巷道3號(hào)煤層瓦斯含量

3號(hào)煤層試驗(yàn)巷道開采前與開采后的瓦斯含量對(duì)比分析如圖10所示。

圖10 開采前后3號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)巷道瓦斯含量對(duì)比分析

從開采前后3號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)巷道瓦斯含量對(duì)比分析圖可以看出，在9號(hào)煤層94302試驗(yàn)工作面開采過(guò)后，3號(hào)煤層中試驗(yàn)巷道瓦斯含量有所降低，這說(shuō)明9號(hào)煤層94302試驗(yàn)工作面開采過(guò)后形成上覆三帶，產(chǎn)生了大量裂隙，匯集、貫通形成了3號(hào)煤層與9號(hào)煤層之間的瓦斯通道，9號(hào)煤層開采后對(duì)于3號(hào)煤層具有一定的卸壓增透作用，能夠降低3號(hào)煤層的瓦斯含量，降低3號(hào)煤層的突出危險(xiǎn)性，提高煤礦生產(chǎn)的安全性。

9號(hào)煤層開采上覆巖層穩(wěn)定后，3號(hào)煤層試驗(yàn)巷道中測(cè)點(diǎn)的瓦斯壓力總結(jié)如表4所示。

3號(hào)煤層試驗(yàn)巷道開采前與開采后的瓦斯壓力對(duì)比分析圖如圖11所示。

表4 3號(hào)煤層試驗(yàn)巷道采后瓦斯壓力

圖11 開采前后3號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)巷道瓦斯壓力對(duì)比

從圖11中可以看出，雖然3號(hào)煤層試驗(yàn)巷道已經(jīng)得到部分卸壓，但是下保護(hù)層開采還能夠?qū)ι细裁簩釉俅涡秹骸?號(hào)煤層透氣性系數(shù)大大增加，說(shuō)明下保護(hù)層開采可以對(duì)被保護(hù)層進(jìn)行卸壓增透，有利于瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，巖層移動(dòng)基本劃分為3個(gè)階段：初始影響階段、巖層的劇烈沉降階段及巖層移動(dòng)的衰退階段。初始影響階段一般發(fā)生在工作面前方30m到工作面后方3m的區(qū)域內(nèi)；巖層的劇烈沉降階段一般發(fā)生在工作面后方4～20m的范圍內(nèi)；沉降衰退階段一般發(fā)生在工作面后方20m以遠(yuǎn)的區(qū)域。

(2)結(jié)合鉆孔電視及雙端封堵測(cè)漏可以得出，9號(hào)煤層采場(chǎng)垮落帶高度為2.2～4.5m，裂縫帶高度為19～27.2m。

(3)運(yùn)用COMSOL4.2多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件，建立了中距離下保護(hù)層開采瓦斯流動(dòng)模型，模擬了保護(hù)層開采過(guò)程中的瓦斯流動(dòng)規(guī)律，得出工作面推過(guò)20m后，煤層瓦斯壓力明顯降低，煤層透氣性增大120倍左右，卸壓寬度約為60m。

(4)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，中距離下保護(hù)層開采后，被保護(hù)層瓦斯壓力和瓦斯含量分別比采前降低33%和28%，卸壓效果明顯，有利于進(jìn)行瓦斯抽采，消除突出危險(xiǎn)。

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[責(zé)任編輯：于健浩]

2014-05-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.011

曹建波(1971-)，男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

曹建波.晉煤集團(tuán)下保護(hù)層開采規(guī)律研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：36-40.

TD713.31

B

1006-6225(2014)05-0036-05