一种煤层内保护层构建效果评价方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯治理技术领域，尤其涉及一种煤层内保护层构建效果评价方法，适用于单一突出厚煤层瓦斯的区域治理。

背景技术

我国含煤岩系结构复杂、形态多样、透气性差，煤与瓦斯突出事故频发，严重制约煤矿的安全高效开采。《煤矿安全规程》的规定和大量工程实践均表明，保护层开采可改变煤岩应力环境、释放积聚的弹性能量、破坏围岩结构等，从而实现被保护层卸压引起煤层瓦斯压力下降和煤的力学强度增高，煤层突出危险性得以消除或降低。

然而，保护层开采具有其特定的适用性条件，对于近距离煤层群，特别是具有无突出危险煤层的煤层群而言，具有良好的安全及经济效益，然而多数矿井仅能选择邻近不可采煤层或岩层作为保护层，采用煤岩同采的方法实施保护层开采。特别是对于部分单一突出厚煤层或近距离煤层群首采突出煤层，由于顶底板岩层坚硬或具有严重的突水危险而不具备良好的开采条件，无法形成上/下保护层关系，主要采取顺层或穿层钻孔预抽煤层瓦斯的措施进行瓦斯治理，并采用测试煤层残余瓦斯含量或压力指标进行措施治理效果的检验。由于钻孔抽采控制范围有限，主要依靠降低抽采区域煤层瓦斯压力达到消突目的，与保护层开采技术相比效果差距明显。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种安全可靠、适用性强的煤层内保护层构建效果评价方法，本发明针对单一煤层分布特征，以钻冲割扩相结合的复合卸煤措施，在煤层一定层位或相邻钻孔间形成内保护层，促使煤层剩余煤体卸压、消除发生突出的动力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种煤层内保护层构建效果评价方法，包括如下步骤：

S1，利用穿层钻孔法测定单一突出煤层的原始瓦斯含量、原始瓦斯压力、煤层平均厚度、煤层不同层位坚固性系数；

其中，测定煤的坚固性系数是根据《煤和岩石物理力学性质测定方法 第12部分：煤的坚固性系数测定方法》（GB/T 23561.12-2010）而确定的。

S2，在煤层底板岩石巷道向煤层设置多组考察孔，每组考察孔实施不同规模的卸煤措施，准确计量各考察孔卸煤量，并测定考察孔周围煤体的膨胀变形量；

S3，以考察孔周围煤体的膨胀变形量≥3‰为依据，确定考察孔对应的有效控制范围，并结合煤层采掘工作面布置特征及接替需要，将煤层分出内保护层，并确定出内保护层、措施孔、措施孔单位卸煤指标；

S4，根据措施孔单位卸煤指标实施卸煤措施，并准确计量各措施孔卸煤量；当措施孔卸煤量大于等于单位卸煤指标时，该措施孔结束卸煤措施，当措施孔卸煤量小于单位卸煤指标时，该措施孔继续执行卸煤措施；

S5，计算措施孔累计卸煤量，判定措施有效性是否达标；如果达标，则进行步骤S6；如不达标，则重复步骤S4，即在卸煤量未达到单位卸煤指标的相邻措施孔间继续实施卸煤措施；

S6，卸煤措施实施结束后，将措施孔控制区域划分成30m×30m的矩形单元，采用孔间坑透探测法，探测矩形单元内煤层是否存在卸压空白区；

S7，判定煤层内保护层保护效果；若不存在卸压空白区，则判定煤层内保护层保护效果达标，进行步骤S8；若存在卸压空白区，则判定煤层内保护层保护效果不达标，重复步骤S4，在卸压空白区继续实施卸煤措施；

S8，内保护层措施效果检验，在测试范围内所有钻孔压力无负压状态后，按程序测定出的钻孔瓦斯压力、瓦斯含量，测定结果符合《防治煤与瓦斯突出细则》相关要求。

作为对上述技术方案的改进，所述考察孔，根据考察需要布置于底板岩石巷道内的、垂直于巷道中线布置的、1个或1列多个呈扇形分布的穿层钻孔，考察孔终孔位置穿过煤层顶板不少于0.5m，且每组考察孔间隔20m以避免交叉影响。

作为对上述技术方案的改进，考察孔或措施孔的卸煤措施，包括但不限于利用水力冲孔、割缝、机械扩孔在内的卸煤措施；采用水力或机械动力破坏煤层完整性，并将破碎煤体由考察孔或措施孔卸出，在煤层内形成一定形态的孔洞（内保护层），以达到为考察孔或措施孔控制区域剩余煤体提供膨胀变形空间的目的。

作为对上述技术方案的改进，所述孔洞（内保护层），或指形态为煤层中坚固性系数较小分层的煤体连续卸出后，而形成的平行于煤层的连续孔洞（内保护层）（如图2所示）；或指形态为多个独立或部分独立的、与煤层正交或斜交的孔洞（内保护层）（如图3所示）。

作为对上述技术方案的改进，步骤S2所述不同规模，根据一个考察孔的卸煤量的多少，而划分的卸煤措施实施不同强度，同一组的每个考察孔实施相同规模的卸煤措施。

作为对上述技术方案的改进，步骤S2所述卸煤量，是考察孔采取卸煤措施后，由考察孔卸出煤体的质量。

作为对上述技术方案的改进，步骤S2所述膨胀变形量测定，是指预先在考察孔两侧5m~10m范围内安设多组层位定位器，每组层位定位器沿底板岩石巷道中线间隔1m布置，且分别监测煤层顶板、煤层底板、煤层在考察孔实施卸煤措施前、后的层位变形量。

作为对上述技术方案的改进，步骤S3所述有效控制范围，是以考察孔为中心、以考察孔周围煤体的膨胀变形量大于等于3‰的位置到考察孔中心的最小距离为半径的圆所覆盖的范围。

作为对上述技术方案的改进，步骤S3所述措施孔，根据煤层瓦斯治理需要布置于底板岩石巷道内的、垂直于巷道中线的、多列呈扇形分布的穿层钻孔，措施孔应穿过煤层顶板不少于0.5m，且相邻措施孔最大间距应不大于其对应单位卸煤指标有效控制范围的2倍，并保证相邻措施钻孔间不存在控制空白区。

作为对上述技术方案的改进，步骤S3所述单位卸煤指标，符合措施孔设计间距的措施孔单位煤孔段长度最小卸煤量，以本发明为例，定为措施孔煤段1m应卸出煤量0.5t，即单位卸煤指标为0.5t/m（煤孔段）。

作为对上述技术方案的改进，步骤S5所述措施有效性判定公式为：

C

作为对上述技术方案的改进，步骤S5所述累计卸煤量计算公式为：

C

作为对上述技术方案的改进，步骤S6所述孔间坑透探测法，利用划分矩形单元边缘措施孔实施定点法探测，定点发射，多点接收：即在两条测道（矩形单元左侧边缘措施孔和右侧边缘措施孔）分别安设发射探管和接收探管，同一点位发射探管发出的高频无线电波信号，由接收探管在另一测道对应点位进行接收（扇形接收），交替变换发射探管和接收探管的位置，对两条相对测道之间的矩形单元煤层实施全部探测后，交绘圈出该矩形单元煤层内部卸压空白区。而后按照同样方式完成每个矩形单元的孔间坑透探测。

作为对上述技术方案的改进，步骤S6所述点位，发射探管和接收探管在煤层中的相对位置，以本发明为例，发射探管和接收探管的点位为煤层顶板位置、煤层中间位置、煤层底板位置，孔间坑透探测实施过程中，发射探管和接收探管的点位应一致，即同时处于煤层顶板位置或同时处于煤层底板位置。

作为对上述技术方案的改进，步骤S3和S7所述内保护层，对比层间保护层（上保护层、下保护层）开采后，促使被保护层膨胀变形，消除突出发生突出的动力，煤层内保护层是在煤层内部实施卸煤措施，为同一煤层剩余煤体提供膨胀变形空间，达到该煤层消除突出发生突出的动力的目的。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明提出了一种煤安全可靠、适用性强的煤层内保护层构建效果评价方法，针对单一煤层分布特征，以钻冲割扩相结合的复合卸煤措施，在煤层一定层位或相邻钻孔间形成内保护层，促使煤层剩余煤体卸压、消除发生突出的动力；利用层位定位器监测卸煤措施前后煤层膨胀变形量，考察卸煤措施有效控制范围及单位卸煤指标，为卸煤措施参数设计提供依据；采用孔间坑透探测卸压空白区，评价煤层内保护层保护效果，进一步提高措施可靠性。

对比常规层间保护层（上/下保护层）开采，提高了措施的适用性和可靠性，解决了单一突出厚煤层或近距离煤层群首采突出煤层卸压消突安全开采的难题，改变了单纯依靠抽采实现消突的瓦斯治理模式，有效提高了煤层卸压效果、缩短瓦斯治理周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方法具体流程图；

图2a、图2b为突出煤层内保护层卸煤降压示意图（平行于煤层的连续孔洞（内保护层））；其中图2a为卸压前形成的，图2b为卸压后形成的；

图3a、图3b为突出煤层内保护层卸煤降压示意图（与煤层形成正交或斜交孔洞（内保护层））；其中图3a为卸压前形成的，图3b为卸压坏后形成的；

图4 措施孔布置及矩形单元划分示意图；

图5a、图5b、图5c 为孔间坑透探测装置连接示意图；其中图5a为煤层顶板位置点位孔间坑透探测装置连接示意图，图5b为煤层中间位置点位孔间坑透探测装置连接示意图，图5c为煤层底板位置点位孔间坑透探测装置连接示意图；

图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f 为孔间坑透探测实施工序示意图；其中图6a为孔间坑透探测相对位置关系图，图6b为煤层顶板位置点位孔间坑透探测图，图6c为煤层中间位置点位孔间坑透探测图，图6d为煤层底板位置点位孔间坑透探测图，图6e为全部点位孔间坑透探测图，图6f为孔间坑透探测交替变换工序图。

其中，1为煤层卸压前状态；2为煤层卸压前应力分布；3为措施孔，4为内保护层，5为煤层卸压后状态，6为煤层卸压后应力分布，7为煤层顶板，8为煤层，9为矩形单元，10为矩形单元边缘，11为卸压空白区，12为底板岩石巷道，13为发射探管，14为接受探管，15为线缆，16为探测主机，17为场强射线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本实施例公开了一种煤层内保护层构建效果评价方法，包括如下步骤：

S1，利用穿层钻孔法测定单一突出煤层的原始瓦斯含量、原始瓦斯压力、煤层平均厚度、煤层不同层位坚固性系数；

其中，测定煤的坚固性系数是根据《煤和岩石物理力学性质测定方法 第12部分：煤的坚固性系数测定方法》（GB/T 23561.12-2010）而确定的。

S2，在煤层底板岩石巷道向煤层设置多组考察孔，每组考察孔实施不同规模的卸煤措施，准确计量各考察孔卸煤量，并测定考察孔周围煤体的膨胀变形量；

S3，以考察孔周围煤体的膨胀变形量≥3‰为依据，确定考察孔对应的有效控制范围，并结合煤层采掘工作面布置特征及接替需要，将煤层分出内保护层，并确定出内保护层、措施孔、措施孔单位卸煤指标；

S4，根据措施孔单位卸煤指标实施卸煤措施，并准确计量各措施孔卸煤量；当措施孔卸煤量大于等于单位卸煤指标时，该措施孔结束卸煤措施，当措施孔卸煤量小于单位卸煤指标时，该措施孔继续执行卸煤措施；

S5，计算措施孔累计卸煤量，判定措施有效性是否达标；如果达标，则进行步骤S6；如不达标，则重复步骤S4，即在卸煤量未达到单位卸煤指标的相邻措施孔间继续实施卸煤措施；

S6，卸煤措施实施结束后，将措施孔控制区域划分成30m×30m的矩形单元，采用孔间坑透探测法，探测矩形单元内煤层是否存在卸压空白区；

S7，判定煤层内保护层保护效果；若不存在卸压空白区，则判定煤层内保护层保护效果达标，进行步骤S8；若存在卸压空白区，则判定煤层内保护层保护效果不达标，重复步骤S4，在卸压空白区继续实施卸煤措施；

S8，内保护层措施效果检验，在测试范围内所有钻孔压力无负压状态后，按程序测定出的钻孔瓦斯压力、瓦斯含量，测定结果符合《防治煤与瓦斯突出细则》相关要求。

如图2a、图2b、图3a、图3b所示，步骤S2所述卸煤措施，采用水力或机械动力破坏煤层的完整性，并将破碎煤体由措施孔3卸出，在煤层内形成内保护层4，即在卸煤措施孔3周围形成多个独立或部分独立的、与煤层正交或斜交的孔洞（图3a内保护层4），为煤层剩余煤体提供水平膨胀变形空间，或形成平行于煤层的连续孔洞（图2a内保护层4），为煤层剩余煤体提供垂直膨胀变形空间，使得煤体逐步蠕变变形，赋存形态由煤层卸压前状态1转变为煤层卸压后状态5，同时煤层卸压前应力分布2同步降低并趋于均匀，最终形成煤层卸压后应力分布6。

如图4所示，步骤S3中，所述措施孔3，根据煤层瓦斯治理需要布置于底板岩石巷道12内的、垂直于巷道中线的、多列呈扇形分布的穿层钻孔，措施孔3应穿过煤层顶板7不少于0.5m，且相邻措施孔最大间距应不大于其对应单位卸煤指标有效控制范围的2倍，并保证相邻措施钻孔间不存在控制空白区；步骤S6所述矩形单元9，根据措施孔3控制区域将煤层8划分的30m×30m的矩形，其中矩形单元9边缘措施孔3所在平面为矩形单元边缘10，在措施孔3控制区域可能存在卸压空白区11。

如图5所示，步骤S6所述孔间坑透探测法，孔间坑透探测装置包括发射探管13、接受探管14、线缆15、探测主机16，将1个发射探管13通过线缆15连接至探测主机16，并送入措施孔3内，同时将多个接受探管14分别通过对应的线缆15连接至各自的探测主机16，并依次送入对应的措施孔3内。而后实施定点法探测，定点发射，多点接收：由发射探管13依次在煤层顶板、煤层中间、煤层底板定点发射高频无线电波信号，由多个接受探管14在对应的位置依次同步扇形接收高频无线电波信号，高频无线电波信号传播、接收路径入即为场强射线17。

如图6所示，步骤S6所述孔间坑透探测实施工序，利用一侧矩形单元边缘10中的措施孔3作为测道一，与其相平行的、该矩形单元9的另一侧矩形单元边缘10中的措施孔3作为测道二。按照图4所示孔间坑透探测装置连接方式，将发射探管13、接受探管14分别与其对应的线缆15、探测主机16依次连接，并将发射探管13送入测道一中的第一个措施孔3中，将多个接收探管14分别送入测道二中的每一个措施孔3中。

第一步，由发射探管13在测道一中的第一个措施孔3中依次在煤层顶板、煤层中间、煤层底板定点发射高频无线电波信号，由测道二中多个接收探管14在对应的点位依次同步扇形接收高频无线电波信号；

第二步，将发射探管13从测道一中的第一个措施孔3中退出，送入测道一中的第二个措施孔3中，以相同的顺序实施探测，直至发射探管13在测道一中的每个措施孔3均实施完成探测；

第三步，交替变换发射探管13与接收探管14在测道一和测道二中的位置，重复按照第一步、第二步施工顺序，由发射探管13在测道二中的每个措施孔3中依次发射高频无线电波信号，由接收探管14在测道一中对应点位依次同步扇形接收高频无线电波信号，最终完成全部点位的探测；

第四步，根据全部点位的探测结果，交绘圈出该矩形单元9中煤层8内部卸压空白区11。而后按照同样方式完成每个矩形单元9的孔间坑透探测。

考察孔，根据考察需要布置于底板岩石巷道内的、垂直于巷道中线布置的、1个或1列多个呈扇形分布的穿层钻孔，考察孔终孔位置穿过煤层顶板不少于0.5m，且每组考察孔应间隔20m，避免交叉影响；

卸煤措施，该卸煤措施包括但不限于利用考察孔实施水力冲孔、割缝、机械扩孔在内的卸煤措施；采用水力或机械动力破坏煤层完整性，并将破碎煤体由考察孔卸出，在煤层内形成一定形态的孔洞（内保护层），以达到为考察孔控制区域剩余煤体提供膨胀变形空间的目的；

孔洞（内保护层），或指形态为煤层中坚固性系数较小分层的煤体连续卸出后，而形成的平行于煤层的连续孔洞（内保护层）（如图2所示）；或指形态为多个独立或部分独立的、与煤层正交或斜交的不规则孔洞（内保护层）（如图3所示）；

不同规模，根据一个考察孔的卸煤量的多少，而划分的卸煤措施实施不同强度，同一组的每个考察孔实施相同规模的卸煤措施；卸煤量，是考察孔采取卸煤措施后，由考察孔卸出煤体的质量；膨胀变形量测定，是指预先在考察孔两侧5m~10m范围内安设多组层位定位器，每组层位定位器沿底板岩石巷道中线间隔1m布置，且分别监测煤层顶板、煤层底板、煤层不同分层在考察孔实施卸煤措施前、后的层位变形量；

有效控制范围，是以考察孔为中心、以考察孔周围煤体的膨胀变形量大于等于3‰的位置到考察孔中心的最小距离为半径的圆所覆盖的范围；

措施孔，根据煤层瓦斯治理需要布置于底板岩石巷道内的、垂直于巷道中线的、多列呈扇形分布的穿层钻孔，措施孔应穿过煤层顶板不少于0.5m，且相邻措施孔最大间距应不大于其对应单位卸煤指标有效控制范围的2倍，并保证相邻措施钻孔间不存在控制空白区；

单位卸煤指标，符合措施孔设计间距的措施孔单位煤孔段长度最小卸煤量，以本发明为例，定为措施孔煤段1m应卸出煤量0.5t，即单位卸煤指标为0.5t/m（煤孔段）。

措施有效性判定公式为：

C

累计卸煤量计算公式为：

C

孔间坑透探测法，利用划分矩形单元边缘措施孔实施定点法探测，定点发射，多点接收：即在两条测道（矩形单元左侧边缘措施孔和右侧边缘措施孔）分别安设发射探管和接收探管，同一点位发射探管发出的高频无线电波信号，由接收探管在另一测道对应点位进行接收（扇形接收），交替变换发射探管和接收探管的位置，对两条相对测道之间的矩形单元煤层实施全部探测后，交绘圈出该矩形单元煤层内部卸压空白区。而后按照同样方式完成每个矩形单元的孔间坑透探测。

点位，发射探管和接收探管在煤层中的相对位置，以本发明为例，发射探管和接收探管的点位为煤层顶板位置、煤层中间位置、煤层底板位置，孔间坑透探测实施过程中，发射探管和接收探管的点位应一致，即同时处于煤层顶板位置或同时处于煤层底板位置。

煤层内保护层，对比层间保护层（上保护层、下保护层）开采后，促使被保护层膨胀变形，消除突出发生突出的动力，煤层内保护层是在煤层内部实施卸煤措施，为同一煤层剩余煤体提供膨胀变形空间，达到该煤层消除突出发生突出的动力的目的。