开采保护层同时预抽被保护层瓦斯 保护层开采上覆煤岩变形移动及瓦斯抽采效果

　　摘 要：根据潘三矿东四采区实际开采条件和回采工艺，运用数值模拟和现场试验相结合的方法，分析了近水平煤层保护层开采过程中被保护层应力、变形量、透气性系数在保护层开采过程中的演化机制。结果表明：保护层开采过程中，被保护层存在未受影响区（原始应力区）、增压区、过渡卸压区、稳定卸压区和重新压实区，被保护层边界区域附近过渡卸压区内的透气性系数为原始透气性系数的30倍左右，煤体应力下降，产生了一定的膨胀变形，大大提高了瓦斯抽采效果。
　　关键词：采矿工程；保护层；瓦斯抽采
　　中图分类号：TD853.3∶TD712.6文献标识码：A
　　文章编号：1672-1098(2012)02-0035-06
　　收稿日期：2012-04-25
　　作者简介：方昌才（1963-），男，安徽桐城人，高级工程师，学士，从事矿井通风安全工作。
　　The Deformation Characteristic of overlying coal/rock and Gas Drainage Effect with Protective Seam Mining
　　Fang chang-cai
　　(Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Amnhui 232000, China)
　　Abstract:According to the geologic conditions and miningg technology of pansan coal mine, the evolution mechnism of stress, permeability and deformation in process of protective coal seam mining are investigated. The results show that there are five zones in the protected coal seam during protective seam mining, which are unaffected zone, pressure increased zone, transitional stress releaf zone, stablized stress releaf zone，re-compacted zone. Permeability of proteted seam in protected boundary areas increases 30 times than original permeability. Decrease of stress in coal seam results in a certain degree of swelling deformation, which greatly improve effect of gas extraction.
　　Key words:mining engineering; protective seam mining; gas extraction
　　我国保护层开采过程中，保护效果的考察，特别是保护边界的确定是沿用前苏联的相关参数与指标［1］。这与我国煤矿保护层开采的实际情况有一定的出入。根据近年来我国关于保护层开采的研究表明，前苏联关于保护层保护边界的划分偏于保守，特别是在目前地面钻孔广泛运用的前提下，被保护范围边界区域煤岩及瓦斯变化特征的研究对合理保护范围的确定更有其现实意义。
　　保护层开采作为最有效的区域防突措施，一直是国内外学者研究的热点。文献［2-3］分别应用数值模拟和相似模拟的方法得出下保护层开采过程中，被保护层卸压范围、膨胀变形、应力分布和透气性系数的变化。文献［4］运用损伤透气性耦合演化方程，研究了保护层开采过程中卸压瓦斯流动的机理。文献［5-7］对于煤与远程卸压瓦斯安全高效共采、上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽放技术、保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律、高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共采和软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术进行了系统的研究，为煤与瓦斯共采指明了方向。但是，关于近水平远距离保护层开采过程中，被保护层边界区域煤岩及瓦斯压力变化规律的研究尚不多见。
　　1 煤岩体变形移动及保护范围
　　1.1 试验区概况
　　17171(1) 保护层工作面位于潘三矿东四采区，工作面走向长度1 200 m，倾向长度240 m， 埋深为-722～-752 m， 开采11-2煤层， 平均倾角为5°，平均煤厚2 m，保护13-1煤层，13-1煤层位于11-2煤层上方，平均层间距72 m，被保护层原始瓦斯含量为12～22 m3/t，瓦斯压力为3.5 MPa，煤层原始透气性系数为2×10-4m2/MPa2?d。
　　1.2 数值计算模型
　　计算模型共建立16层煤岩（见图1），其中第三层和第五层分别代表13-1煤和11-2煤。煤岩具体力学及几何参数如表1所示。模型走向方向长300 m，垂直方向长120 m，共划分300×120个单元，根据煤层赋存实际，上边界施加为10 MPa的地应力，左、右、下边界为位移约束边界， 保护层（11-2煤）采用一次采全高， 分步开挖全部跨落管理顶板， 依据实际开采强度， 每步开挖时间间距为1 d， 共开挖20步即开采时间为20 d， 总共开挖100 m。
　　图1 数值计算模型(单位：m)
　　1.3 采场围岩空间应力分布特征
　　保护层开采过程中（见图2），随着工作面的推进，11-2煤层上方岩层不断跨落，形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。在被保护煤层走向方向上形成未受影响区（原始应力区）、过渡卸压区、稳定卸压区、重新压实区（见图3）。 当11-2煤层开挖为100 m时，垂直方向上，冒落带高度约为15 m，裂隙带高度约为35 m，这与实际测量结果比较吻合。 随着11-2工作面的推进，其采空区上方的13-1煤层的最大主应力与剪切应力开始下降，下降幅度与范围随着保护层开采范围的扩大而扩大。当开采达到75 m时，13-1煤层中部(11-2采空区正上方)最大主应力与剪切应力开始反弹；开采100 m时，被保护层中部出现被重新压实的现象即卸压开始减小（见图4）。 由此可见在被保护层过渡卸压区、稳定卸压区和重新压实区范围内最大主应力与剪切应力呈现“W”形分布。被保护层在走向方向上经历了未受影响区—增压区（压缩）—过渡卸压区（开始膨胀）—稳定卸压区（膨胀变大）—重新压实区（膨胀减小至稳定）。