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摘要：坦家冲煤矿为严重的煤与瓦斯突出矿井，针对6煤层瓦斯含量大、瓦斯压力高、衰减系数大、透气性低，导致区域抽采效果不佳的特点，采取5煤层保护层开采的区域瓦斯治理措施。通过理论分析、数值模拟和现场测定相结合的方式，实测瓦斯压力和瓦斯含量确定2351工作面开采的保护范围，实测膨胀变形量、对比透气性和抽采参数证实2351工作面开采对6煤的保护效果有效。

关键词：低透气性煤层；保护层开采；效果考察研究

0引言

红卫矿业有限公司坦家冲煤矿为突出矿井，建井至今共发生了498次煤与瓦斯突出，最大的一次突出煤量高达4500t，涌出瓦斯138.5万m3，瓦斯灾害是制约矿井安全生产和可持续发展最重要的拦路虎，因此，探究适合坦家冲煤矿经济有效的区域瓦斯治理措施势在必行。红卫公司一直实施区域瓦斯治理战略，2023年首次完成了5煤层2351工作面保护层开采试验，探索了适合坦家冲煤矿的区域瓦斯综合治理措施。

1可行性分析

坦家冲煤矿主采煤层为6煤，5煤层煤厚0.3-0.5米，为不可采煤层， 23采区区域内地质构造简单，无大的断层，有小型褶曲。该区域5煤层走向局部有变化，整体呈一单斜构造，地层走向N14°W，倾向东，倾角18°～30°，平均24°，5煤无煤尘爆炸危险性，煤层自燃倾向性为不易自燃，该区域5煤层赋存较稳定，煤层瓦斯含量为7.70m3/t，瓦斯压力为0.63MPa，放散初速度为24mmHg，坚固性系数为1.53，距离6煤层平均27.3m，从突出危险性和层间距角度考虑，此区域内5煤具备较为理想的保护层开采条件。

2数值模拟

保护层开采保护效果考察指标有被保护层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层膨胀变形率等，但其准确性受现场条件的制约，无法实现全方位的考察。随着数值模拟技术的发展，结合岩体力学特性与地应力场，建立数值模型分析保护层开采过程中的复杂力学特征。借助COMSOL Multiphysics软件模拟保护层开采后的被保护层保护效果，为保护效果考察工作提供重要参考依据。

2.1 模型的建立

计算模型采用的屈服准则为Drucker-Prager准则，并匹配Mohr-Coulomb准则，需要的煤岩力学参数见表1。

2.2 走向保护效果数值模拟

保护层工作面未开采之前，煤岩受重力的影响，各煤岩层处于原始应力状态，走向开采100m后采空区周边围岩应力状态如图1所示，走向开采100m后被保护层6煤顶板、底板变形情况如图2所示。

2.3倾向保护效果数值模拟

2351保护层工作面倾向长95米，开采后采空区围岩应力分布如图3所示，被保护层6煤顶板、底板变形情况如图4所示。

2.4 保护效果数值模拟结果分析

由以上的模拟结果可知，在开挖100m时，被保护层6煤在走向上的最大相对膨胀变形量为6.5cm，最大相对膨胀变形率为11.84‰。在倾向方向上，被保护层6煤的最大相对膨胀变形量为5.8cm，最大相对膨胀变形率10.56‰。根据数值模拟分析结果，在坦家冲煤矿现有条件下，开采5煤对主采煤层6煤能够形成较好的保护效果。

3.卸压瓦斯的抽采

3.1穿层钻孔预抽卸压瓦斯

在保护层开采后，底板会发生位移，产生变形、裂隙等等，从而使瓦斯运移通道增加，设计时不采取常规的抽采半径，因此，在设计卸压保护范围内抽采钻孔时，抽采钻孔终孔间距按走向和倾向都按10m设计，卸压保护范围外抽采钻孔终孔间距按走向和倾向按6m进行设计。通过保护范围内、外抽采钻孔瓦斯浓度对比如图5所示，在保护层开采卸压范围抽采钻孔的瓦斯浓度普遍较高，最高瓦斯浓度能达到90%，且在抽采2个月后，部分钻孔的抽采浓度仍能保持在60%，在统计2个月的平均瓦斯浓度可以看出，瓦斯浓度基本能保持在50%以上，且各钻孔的平均浓度变化不大，这就表明在保护层开采卸压范围内抽采效果理想。

3.2高位钻孔抽采上隅角瓦斯

为了防止2351回风巷上隅角的瓦斯超限，在2351工作面回风巷布置3个高位钻场，每个钻场设计18个钻孔，分三组布置，每组6个，共设计54个，钻孔孔径94mm，平面上呈扇形布置。每个钻场的第一组钻孔终孔于距离工作面煤层顶板4m处（冒落带与裂隙带交界处），第二组终孔于距离工作面煤层顶板11m处（裂隙带中部），第三组钻孔终孔于距离工作面煤层顶板16m处（裂隙带顶部）。

4.保护范围确定及效果考察

通过实测瓦斯压力和瓦斯含量确定2351工作面开采的保护范围，通过实测膨胀变形量、对比透气性和抽采参数考察2351工作面开采对6煤的保护效果。

4.1 倾向保护范围

保护层开采前，通过-150m南大巷、236-150m北石门南抽采巷、236一轨-113m南底板巷向6煤层施工穿层钻孔如图6，按照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》AQ/T1047-2007、《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》GB/T23250-2009的要求测定煤层原始瓦斯压力和原始瓦斯含量，保护层开采后，布置钻孔获取残余瓦斯压力和残余瓦斯含量以确定2351工作面在倾向上的保护范围，

采用压力对比法， 1号钻孔的原始瓦斯压力为0.6MPa，在2351工作面开采后，其残余瓦斯压力为0.56MPa，瓦斯压力有所下降，但是下降幅度较小，仅为6.7%，且与抽采效果评判采用的压力指标临界值（0.6MPa）较为接近，考虑到被保护层6煤厚度情况，认为1号钻孔未处于有效卸压范围之内，而2、3号钻孔的原始瓦斯压力分别为0.5、0.4MPa，开采后残余瓦斯压力分别为0.35、0.20MPa，瓦斯压力下降幅度较大，分别达到30%、55%。从中可以看出3号钻孔的下降幅度更大，3号钻孔的角度为66°，运用平均值法，将卸压角定为2号及3号钻孔角度的平均值，即为71°，因此，2351工作面开采后下边界的卸压角为71°。

采用含量对比法，6号钻孔的原始瓦斯含量为8.48m3/t，在2351工作面开采后，其残余瓦斯含量为7.90m3/t，瓦斯含量有所下降，但是下降幅度较小，且超过抽采效果评判采用的含量指标临界值，因此认为该钻孔未处于卸压保护范围之内，而4、5号钻孔的原始瓦斯含量分别为13.66、12.45m3/t，开采后残余瓦斯含量分别为5.70、5.62m3/t，瓦斯含量下降幅度较大，可以确定此区域为2351工作面的卸压区，因此，可以判定2351工作面开采后上边界的卸压角为75°。

综上所述，2351工作面保护层开采在倾向上的上边界卸压角为71°，下边界卸压角为75°。

4.2.2 走向保护范围

保护层开采前，通过2351机巷和底板瓦斯抽放巷向6煤层施工穿层钻孔，按照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》AQ/T1047-2007的要求测定煤层原始瓦斯压力，保护层开采后，获取残余瓦斯压力确定2351工作面在走向上的保护范围，钻孔布置如图7所示。

采用压力对比法，7号钻孔的原始瓦斯压力为0.40MPa，在工作面开采且充分卸压3个月后，残余瓦斯压力为0.38MPa，下降幅度很小，仅为5%，判定此区域未在2351工作面开采的卸压区，而8、9号钻孔的原始瓦斯压力为0.40MPa、0.50MPa，在工作面开采且充分卸压3个月后，残余瓦斯压力分别为0.20MPa、0.20MPa，瓦斯下降幅度较大，分别达到50%、60%，可以判定此区域为2351工作面开采的卸压区。因此，2351工作面开采后走向切眼的保护层边界线的卸压角为60°。

12号孔的原始瓦斯压力为0.18MPa，在2351工作面开采后，其残余瓦斯压力仍为0.18MPa，瓦斯压力没有变化确定为此区域未在2351工作面的卸压区，而10、11号钻孔的原始瓦斯压力分别为0.20、0.15MPa，开采后残余瓦斯压力分别为0.10、0.10MPa，瓦斯压力下降幅度较大，可以确定此区域为2351工作面的卸压区，因此，可以判定2351工作面开采后走向方向工作面200m的卸压角为60°。

综上所述，2351工作面保护层开采在走向上的左右边界卸压角均为60°

4.3保护效果考察

4.3.1膨胀变形量测定

用深部基点法测定煤层顶底板的相对变形量，进而可获得被保护层的绝对膨胀变形量，绝对膨胀变形量除以被保护层的厚度，便可得出被保护层的相对膨胀变形量，膨胀变形量测试钻孔布置如图8。

通过实测13号、14号孔相对膨胀变形量分别为8.57%、13.84%，在理论保护范围内的测试钻孔均超过了3‰，最大达到13.84‰，与结合矿井实际条件模拟数值较为接近，而在理论保护范围外的测试钻孔膨胀变形量为4.04‰，也超过了3‰，但是超过幅度较小。表明在2351工作面开采后在保护范围内对6煤是有效的。

4.3.2 透气性分析

根据煤层透气性系数测定方法（MT/T1173-2019），采用径向流量法测定，计算采用径向流量法计算煤层透气性系数公式表的方法，对钻孔煤层瓦斯压力与流量进行数据测定，开采前、后的流量分别为180ml/min、1100ml/min，计算得出开采前后透气性系数分别0.0165m2/MPa2·d、0.7666m2/MPa2·d，保护层开采后被保护层透气性增加了46.5倍，被保护层煤层透气性系数在10～0.1（m2/（MPa2·d））之间，根据瓦斯抽采难易程度得知，被保护层从较难抽采改变为可以抽采。从透气性的角度分析也可以表明，2351工作面开采对6煤保护是非常明显的。

5 结论

坦家冲煤矿2351工作面首次保护层开采的保护范围及保护效果考察，采取理论分析、数值模拟和现场测定相结合，得到如下主要结论：

1、在模拟开挖100m时，被保护层6煤在走向上的最大相对膨胀变形量为6.5cm，最大相对膨胀变形率为11.84‰。在倾向方向上，被保护层6煤的最大相对膨胀变形量为5.8cm，最大相对膨胀变形率10.56‰，检验和考察结果可适用于具有同一保护层和被保护层关系的其他区域。

2、通过对被保护层6煤原始瓦斯压力、原始瓦斯含量以及残余瓦斯压力、残余瓦斯含量的测定，得到2351工作面保护层开采在倾向上的上边界卸压角为71°，下边界卸压角为75°，2351工作面保护层开采在走向上卸压角均为60°。矿井其他区域以5煤作为保护层开采时，如果煤层厚度、层间距以及煤层倾角等条件没有发生明显变化，则可参考2351工作面考察结果确定保护范围。

3、通过对保护范围内、外进行膨胀变形量的测试，最大膨胀变形量为13.84‰。通过对保护层开采前后的透气性进行测定，开采前的透气性为0.0165m2/MPa2·d，开采后的透气性为0.7666m2/MPa2·d，保护层开采后的被保护层透气性增加了46.5倍，且被保护层从较难抽采改变为可以抽采，表明2351工作面开采后在保护范围内对6煤是有效的。

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