上保护层开采卸压瓦斯抽采问题分析
改脸
郭钦
春满仕途
脚心穴位图
申晋豪 李润求 王刚
摘 要：上保护层开采后邻近煤层瓦斯涌入工作面后造成工作面瓦斯超限，通过对瓦斯来源以及瓦斯运移分析提出了相关的降低保护层瓦斯超限的方法；提出不同层间距对被保护层和保护层的抽采钻孔的钻孔布置时机的影响分析和相应的解决方法。
关键词：上保护层；瓦斯抽采；瓦斯超限；钻孔布置；抽采钻孔
TD712 文献标志码：A ：2095-2945（2019）03-0060-03
Abstract： The overrun of gas in the working face is caud by the influx of gas from the adjacent coal am after the upper protective layer is mined. Through the analysis of the gas source and gas migration， the related methods for reducing the overrun of the gas in the protective layer are put forward. The analysis of the influence of different interval spacing on the drilling time of the protected layer and the extraction borehole of the protective layer， and the corresponding solving methods.
Keywords： upper protective layer； gas drainage； gas overrun； borehole layout； drainage borehole
引言
我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，自上世纪五十年代年吉林省辽源矿务局富国西二坑发生第一次有记录突出以来，我国矿井不断发现煤与瓦斯突出事故，虽然近年来国家加强煤矿安全投入，但煤与瓦斯突出事故还是时有发生。一方面是由于煤矿对安全问题的疏忽，另一方面也是因为经过多年来的开采我国大部分矿井已经进入深部开采，深部开采时代的到来造成很多低瓦斯煤矿变为高瓦斯矿井，高瓦斯矿井的煤与瓦斯突出问
平均分教学设计题更加严重。根据《防治煤与瓦斯突出规定》在开采具有突出危险性煤层群时应首选保护层开采作为区域防突措施[1]。
保护层开采技术最早用于防治煤与瓦斯突出是在法国，之后在各个主要采煤国得到广泛运用和改进。我国自上世纪中后期以来进行了大量保护层开采的试验研究，先后在北票、天府、中梁山等矿区开展了实验性研究，取得了一系列成果。我国煤炭赋存多以煤层群赋存，这就为保护层开采提供了条件。
国家要求强制开采保护层，做到可保尽保、并抽采瓦斯降低瓦斯压力。可见保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为我国煤矿优先使用的一种区域性瓦斯灾害治理技术。本文重点阐述了当前上保护层开采中的两大问题并对其问题的原因进行了分析并提出了应该重视的现场施工问题以及相应的处理办法。
1 被保护层瓦斯运移原因和影响因素
为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层称为保护层。位于被保护的煤层上方称为上保护层。煤层开采后煤层周围因为受采动影响导致煤层卸压，弹性潜能释放，产生大量裂隙，
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煤岩层透气性增大，这就为瓦斯的解析和运移提供了通道和瓦斯浓度差，再通过人工手段进行强化抽采进而消除煤与瓦斯突出危险。
保护层开采后，由于改变了保护层下方的平衡状态，采空区底板一定范围内的煤岩层发生了底鼓变形和破坏，底板下方由于受煤岩层性质以及到采空区距离影响，出现了两个分带即底鼓裂隙带和底鼓变形带[2]。底鼓裂隙带内的裂隙主要是由于煤岩层离层后产生的顺层裂隙和由于煤岩层断裂而产生的垂直、斜交的穿层裂隙，底鼓裂隙带中的顺层裂隙和穿层裂隙都为瓦斯运移和浓度差的产生提供了条件，穿层裂隙的产生为煤岩层瓦斯向采空区的运移提供了通道。底鼓变形带内的裂隙主要以沿煤岩层层理形成的顺层裂隙为主。
当前保护层瓦斯的抽采效果除了受抽采方法和瓦斯赋存状况影响外，主要是受被保护层透气性、保护层和被保护层之间的煤岩层透气性的影响。透气性增加倍数的变化大小直接影响了后期的瓦斯抽采效果。受保护层采动影响范围内的煤岩层性质、被保护层和保护层的层间距以及被保护层的煤层倾角都直接影响着透气性增加倍数。
根据多年的生产实践发现，上保护层开采造成的底板裂隙带的高度为18-20倍采高[2]。当保护层处于被保护层底板中的底鼓裂隙带中下部时，被保护层的的裂隙虽然发育，透气性
增加，但未完全形成沟通的通道，卸压瓦斯只有一部分能自然排放，大部分瓦斯还需要进行瓦斯抽采，才能消除突出危险。当被保护层处于底鼓弯曲带时，煤岩层中形成了大量的顺层裂隙，而穿层裂隙很少，这样被保护层中的瓦斯很难做到自然排放。
2 被保护层瓦斯涌向保护层工作面造成瓦斯超限
在上保护层开采及卸压瓦斯抽采的过程中存在最大的问题就是当保护层开采后处于底鼓裂隙带中的被保护层由于顺层裂隙和穿层裂隙发育，造成大量的吸附瓦斯转化为游离瓦斯，从底板远端到保护层工作面产生了瓦斯浓度压力差，裂隙的发育又为瓦斯的运移提供了大量的通道，造成被保护层的卸压瓦斯大量向保护层工作面涌来如图1，这就造成了保护层工作面瓦斯超限，为保护层的正常开采带了巨大的安全隐患。以青东煤矿上保护层开采为例，保护层回采工作面的瓦斯涌出量69%来源于被保护层的卸压瓦斯[1]，如果這些瓦斯不及时采取办法处理将会造成很大的安全事故。
当前处理被保护层瓦斯向保护层工作面涌出的问题，主要是通过拦截瓦斯和降低被保护层瓦斯含量。拦截瓦斯可在保护层与被保护层中间的岩层中开凿抽采巷道或在保护层底板开凿岩巷通过穿层钻孔进行抽采拦截，穿层钻孔可以同时抽采保护层瓦斯，抽采成本将会降
低。如果保护层和被保护层层间距较小不能在之间开凿巷道或其他条件不满足，也可从保护层向被保护层打钻孔、在被保护层底板开凿底板岩巷向被保护层打穿层钻孔抽采进而降低被保护层的瓦斯含量。
对于被保护层涌出的瓦斯造成工作面或采空区瓦斯超限的问题时，应在保护层瓦斯治理的时候进行综合治理。由于工作面瓦斯不仅仅只有被保护层瓦斯，还有部分本煤层瓦斯，在进行保护层工作面瓦斯超限进行治理时多使用采空区埋管抽采、采空区长立管抽采、上隅角插管抽采、底板岩巷上向网格式穿层钻孔等方法综合運用进行治理。大部分矿井在采取以上方法进行综合治理后都取得了很好的效果。
如汪家寨煤矿在应对11号被保护层瓦斯向8号上保护层的X40806工作面涌出，造成保护层工作面瓦斯超限的瓦斯涌出问题时，通过在工作面的运输巷和回风巷布置底板穿层钻孔对邻近煤层的卸压瓦斯进行拦截抽采，同时结合回风巷留管抽采采空区瓦斯，有效的解决了X40806工作面的瓦斯突出危险，抽采率达到了84.6%，杜绝了瓦斯超限[3]。
3 被保护层抽采钻孔布置时机及位置把控
在煤层走向方向由于保护层工作面的推进改变了煤岩层的原有应力分布情况，采空区底板岩层发生移动变形，围岩应力重新分布。在走向方向形成了原始应力区、支撑应力区、卸压区和应力逐渐恢复区如图2所示。四个应力区的被保护层透气性大小为：卸压区>应力逐渐恢复区>原始应力区>支撑应力区。
卸压区是由于受保护层开采产生应力转移，在采空区顶板或底板一定范围的煤岩层内形成的应力降低区，最大卸压点在保护层工作面后方20-130m处[2]，它的位置是随着工作面的推进而改变的，此区域的被保护层的煤体发生膨胀变形，原生裂隙张开，随着煤岩体的移动形成次生裂隙，被保护层透气性呈几何级倍数增大，为被保护层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件。卸压区的范围主要受层间岩性、层间距的影响，它是随工作面的移动而移动的。所以在抽采被保护层瓦斯时由于卸压区的透气性成几何倍增加，这就为被保护层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件，只有这样才能实现保护层开采技术的应用效果的最大化。
因此在保护层卸压瓦斯抽采过程中对卸压区的位置的确定将会很重要，以祁东煤矿上保护层开采为例，由于未发现被保护层卸压区滞后20-25m，在钻孔施工时出现了喷孔、夹钻、钻孔突出、并出现保护层回采动压破坏封孔段漏气、煤孔段塌孔等重大安全隐患[4]。因此卸压区的位置确定在保护层开采卸压瓦斯的应用中非常重要。
目前被保护层底板穿层抽采钻孔普遍都是超前保护层工作面施工的，如果不能合理把控钻孔的打孔时机和钻孔位置，那么在突出严重的煤层中施工钻孔不仅会造成喷孔、卡钻等问题，还会由于保护层的开采引起前方应力集中，容易造成钻孔切断或钻孔变形进而对后面的瓦斯抽采造成影响，严重的将不能达到消除突出的目的。因此对钻孔位置和时机的把握在保护层及卸压瓦斯抽采中是至关重要的。
经过多年来的现场研究表明，在近距离上保护层开采过程中，由于保护层和被保护层之间层间距较小，被保护层受集中应力影响较大，也为了防止邻近层卸压瓦斯大量涌向保护层工作面和采空区，可以超前上保护层工作面施工穿层钻孔；在中远距离上保护层开采过程中，为保障底板穿层钻孔的安全施工和瓦斯的高效抽采，可以滞后上保护层工作面15-20m施工抽采钻孔；再远距离上保护层开采过程中如果被保护层的突出危险性较大，钻孔施工则需要滞后上保护层采煤工作面20-30m，如果被保护层突出危险性较小，则可以超前上保护层工作面施工钻孔[5]。
4 结论
（1）上保护层开采造成被保护层瓦斯涌向保护层工作面造成瓦斯超限，可采用采空区埋管
抽采、采空区长立管抽采、上隅角插管抽采、底板岩巷上向网格式穿层钻孔等方法综合运用进行治理，治理后可使工作面瓦斯超限问题得到解决。
（2）对被保护层瓦斯抽采钻孔布置时机和位置的把控不当将会造成的问题进行了分析，得出了保护层和被保护层的层间距为近距离时可以超前上保护层工作面施工穿层钻孔，中远距离可以滞后上保护层工作面15-20m施工抽采钻，远距离时需要滞后上保护层采煤工作面20-30m施工抽采钻孔。
我的再发展行动计划参考文献：
[1]陈延可，戴广龙，汪大全.上保护层开采卸压瓦斯治理技术研究[J].煤炭科学技术，2013，41（3）：77-80.
[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992：92-97.朝花夕拾的好词
[3]石琨.近距离煤层群上保护层煤与瓦斯共采技术研究[J].煤炭工程，2018，50（7）：64-66.
