晉中礦區(qū)突出煤層上保護層開采總體方案研究

劉艷紅

(山西焦煤集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

·試驗研究·

晉中礦區(qū)突出煤層上保護層開采總體方案研究

劉艷紅

(山西焦煤集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

以山西焦煤集團晉中某礦采礦地質(zhì)條件為研究背景，綜合考慮該區(qū)域的特殊煤層地質(zhì)條件，分別針對該區(qū)域礦井高瓦斯、低透氣性、煤層自然發(fā)火嚴(yán)重、水文地質(zhì)條件復(fù)雜等因素進行分析研究，確定采用近距離保護層開采技術(shù)作為該礦井的有效防突手段，并對開采作業(yè)方式、工作面通風(fēng)和瓦斯抽采提出了實施方案。該研究成果為該礦區(qū)實行保護層防突技術(shù)提供了合理的理論驗證和技術(shù)支撐。

高瓦斯；低透氣性；自然發(fā)火；近保護層開采；防突技術(shù)

所謂保護層防突技術(shù)，是通過首先開采一個或多個煤層(軟層)，從而消除鄰近煤層的突出危險而實行的防突技術(shù)措施[1-3]. 保護層的超前開采，使上、下巖層產(chǎn)生強烈拉張破壞，原來的擠壓應(yīng)力變成了拉張應(yīng)力；上覆煤巖層垮落、破裂、下沉彎曲或者下覆煤(巖)層破裂、上鼓，使得煤(巖)層的大量裂隙張開，地應(yīng)力在大范圍內(nèi)有效釋放，無論是構(gòu)造還是地應(yīng)力對瓦斯的封閉作用都會被釋放，被保護層的透氣性系數(shù)成數(shù)百倍甚至數(shù)千倍的增大，瓦斯壓力會急劇下降，大量的吸附瓦斯被解吸；最終，被保護層突出危險性得到降低甚至消除[4-7].

到目前為止，世界上幾乎所有開采有突出或者沖擊地壓危險煤層的國家，在煤層賦存條件允許的條件下都優(yōu)先開采保護層[8]. 高保彬等[9]采用相似模擬和現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，對晉煤集團海天煤業(yè)進行了下保護層開采關(guān)鍵技術(shù)研究，得到了很好的卸壓增透效果；胡國忠等[10]通過建立煤體孔隙率與滲透率的動態(tài)變化模型，最終形成了以極限瓦斯壓力值為判定值的保護層開采保護范圍的判別準(zhǔn)則；杜澤生[11]等研究隨著保護層的推進，被保護層的煤層滲透率變化情況；劉洪永等[12]通過分析煤層開采地質(zhì)條件，建立了以當(dāng)量相對層間距為指標(biāo)的保護層分類判定法；王志亮等[13]通過建立保護層開采測評指標(biāo)體系，對淮南礦區(qū)的保護層開采效果進行了分析；吳建亭[14]通過分析近距離保護層開采過程中，被保護層瓦斯的釋放，提出了合理的瓦斯綜合治理技術(shù)，從而有效地解決了近距離保護層開采時瓦斯超限問題。

目前，我國保護層開采大多數(shù)對近水平煤層和緩傾斜煤層的中、遠距離保護層開采進行了大量的試驗研究，對于傾斜煤層特別是近距離、極近距離的保護層開采進行的現(xiàn)場研究相對較少[15]；特別是當(dāng)瓦斯大、煤層透氣性差、煤層自然發(fā)火嚴(yán)重時，保護層開采技術(shù)未能得到很好的實施應(yīng)用。本文以山西焦煤集團晉中礦區(qū)某礦為工程背景，綜合分析該礦所采煤層的特殊地質(zhì)條件，提出采用近距離上保護層開采技術(shù)作為該礦井的防突技術(shù)手段，將14#煤層作為上保護層進行開采方案設(shè)計，從而最大限度地將15#煤層解放出來，達到區(qū)域防突和瓦斯治理的目的，為該區(qū)域具有相似地質(zhì)條件的礦區(qū)或礦井提供一定的技術(shù)支撐。

1 工程概況

1.1 礦井概況

山西焦煤集團晉中某礦為多煤層賦存區(qū)域，其中主采煤層為14#、15#煤層，煤層層間距為5.97～12.03 m，平均間距為9.46 m；14#煤層為薄煤層，煤層厚度為0.25～0.86 m，平均厚度為0.64 m，為非突出危險性煤層；15#煤層為厚煤層，煤層厚度為3.17～7.40 m，平均厚度為6.01 m，為突出危險性煤層。

根據(jù)保護層開采條件及14#煤層與15#煤層賦存條件，得出14#煤層具備良好的保護層開采自然條件，可將14#煤層作為保護層，進行近距離保護層開采。采用下行開采順序，進行上保護層開采，可以最大限度地解放15#煤層，提高瓦斯抽放效果，消除突出危險性，見圖1.

圖1 保護層開采效果分析示意圖

1.2 工作面概況

礦井目前掘進作業(yè)在15#煤層進行，開拓巷道、準(zhǔn)備巷道及回采巷道都已布置完畢，現(xiàn)已形成11采區(qū)，布置有1101回采工作面，并已進行開采作業(yè)；其井田范圍內(nèi)所規(guī)劃的15#煤層開采區(qū)域內(nèi)的上覆14#煤層具體良好的開采條件。因此，可以在15#煤層中布置12采區(qū)，將該采區(qū)1201首采工作面作為被保護區(qū)域的觀測點。在14#煤層進行采掘部署時，可在15#煤層1201回采工作面上覆保護區(qū)域內(nèi)布置14#煤層首采工作面，并進行回采作業(yè)，從而可以通過觀測14#煤層首采工作面回采前后15#煤層中1201回采工作面的煤層增透效果、瓦斯釋放效果及防突效果作為分析指標(biāo)，綜合考察保護層開采的效果，見圖2.

圖2 保護層開采工作面布置壓茬關(guān)系示意圖

2 保護層防突設(shè)計

2.1 設(shè)計前的準(zhǔn)備和計算

在對保護層開采設(shè)計之前，首先采用RMT-150B巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，對現(xiàn)場采集到的具有代表性的巖石(煤)試樣進行巖石力學(xué)基本參數(shù)測定，獲取試樣變形規(guī)律和破壞特征；然后采用FLAC3D、UDEC數(shù)值分析軟件及應(yīng)力-應(yīng)變相似試驗臺，分別模擬開采保護層條件下圍巖移動規(guī)律、頂?shù)装迤茐奶卣鞯龋瑸榇_定開采保護層防突技術(shù)研究的主要技術(shù)參數(shù)提供理論依據(jù)；最后，分別對保護層和被保護層進行首采工作面開采優(yōu)化設(shè)計，并合理設(shè)計工作面通風(fēng)、瓦斯抽采方式，從而達到15#煤層的防突目的。

2.2 開采規(guī)劃設(shè)計

2.2.1 保護層開采規(guī)劃設(shè)計

1) 采掘部署。

利用現(xiàn)有井筒、15#煤層井底車場、主要大巷及采區(qū)上山，直接向15#煤層頂板開拓斜巷，穿透14#煤層，在14#煤層中直接進行合理的采區(qū)和區(qū)段劃分，并布置開拓巷道、準(zhǔn)備巷道及回采巷道，然后在15#煤層1201回采工作面上方布置14#煤層的首采工作面。

2) 采面布置。

已知15#煤層采掘規(guī)劃中1201回采工作面傾斜長約為180 m，走向長約為950 m.根據(jù)《防突規(guī)定》(附錄D：保護層保護范圍的確定)，得到開采保護范圍(見圖3)，進而確定14#煤層首采工作面(見圖4)傾斜長約為190 m，走向長約為960 m.

圖3 保護范圍示意圖

圖4 14#煤層首采工作面布置示意圖

2.2.2 被保護層開采規(guī)劃設(shè)計

1) 采掘部署。

15#煤層11采區(qū)已部署完畢，并已開始進行回采。為滿足合理的采掘接替，并對保護層開采效果進行觀測，現(xiàn)需對12采區(qū)進行采掘部署，本次設(shè)計著重對12采區(qū)1201首采工作面進行部署。

2) 采面布置。

按礦井原有采掘接替計劃，15#煤層12采區(qū)1201首采工作面布置示意圖見圖5，其中工作面傾斜長180 m，走向長950 m.

圖5 15#煤層首采工作面布置示意圖

2.3 工作面通風(fēng)設(shè)計

14#煤層和15#煤層首采工作面平面布置方式基本相同，空間中存在一定的壓茬關(guān)系，共用一個采區(qū)和礦井通風(fēng)系統(tǒng)。對各自的回采工作面，則采用“U+高抽巷”的通風(fēng)方式：膠帶順槽進風(fēng)，軌道順槽和高抽巷回風(fēng)，同時，膠帶順槽負(fù)責(zé)運煤，軌道順槽負(fù)責(zé)運料、排矸，高抽巷負(fù)責(zé)瓦斯抽放。

2.4 工作面瓦斯抽采

為降低工作面瓦斯含量，防止工作面瓦斯超限，同時達到消除突出危險的目的，對14#煤層和15#煤層進行抽采方法的選擇。

1) 地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯。

采用地面鉆井對14#和15#煤層進行預(yù)抽。

2) 順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯。

設(shè)計該礦井14#和15#煤層均采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯(見圖6)作為回采工作面區(qū)域防突措施，在回采工作面利用工作面運輸順槽和回風(fēng)順槽施工順層鉆孔，在工作面回采前對本煤層瓦斯進行預(yù)抽，回采過程中進行邊采邊抽，從而提高工作面本煤層瓦斯抽采量，減少開采層的瓦斯涌出。

圖6 順層鉆孔布置示意圖

3) 順層鉆孔預(yù)抽煤巷掘進條帶瓦斯。

15#煤層為突出煤層，在開采14#煤層對其進行卸壓保護的同時，必須對15#煤層煤巷掘進工作面進行預(yù)抽消突(見圖7)，消除突出危險后方可掘進。

圖7 超前抽采鉆孔布置示意圖

4) 鄰近層瓦斯抽采。

礦井對14#煤層進行采掘部署時，15#煤層瓦斯會大量涌入14#煤層采掘空間。因此，必須采用底板巷穿層鉆孔預(yù)抽14#煤巷條帶區(qū)域防突措施，即利用15#煤層回采工作面回風(fēng)順槽，向上施工穿層鉆孔，對14#煤層瓦斯進行區(qū)段預(yù)抽。

5) 采空區(qū)瓦斯抽采。

采空區(qū)瓦斯抽采采用采空區(qū)預(yù)埋管法(將抽采管在頂板冒落之前直接預(yù)埋或砌筑于采空區(qū)內(nèi)對采空區(qū)瓦斯進行抽采)(見圖8)，并結(jié)合高抽巷對現(xiàn)采空區(qū)瓦斯進行抽采，可以有效解決上隅瓦斯超限問題。

由于14#和15#均為自燃煤層，自然發(fā)火等級為二級，采空區(qū)抽采易引起自燃。因此，還需進行專項的防滅火設(shè)計，合理控制抽采負(fù)壓，降低抽采對自然發(fā)火的影響，同時定期監(jiān)測采空區(qū)一氧化碳濃度等參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)濃度超標(biāo)情況，立即采取措施。

圖8 預(yù)埋管法采空區(qū)瓦斯抽采示意圖

3 結(jié) 論

為使晉中礦區(qū)15#煤層達到區(qū)域防突的目的，從保護層開采的基本原理出發(fā)，經(jīng)過理論研究、巖石力學(xué)實驗、數(shù)值模擬分析，將保護層開采作為該礦井的主要防突技術(shù)手段，系統(tǒng)地對保護層開采過程中工作面的布置、通風(fēng)方式的選擇、抽采方法的選擇進行了合理的研究、規(guī)劃及設(shè)計。最終，期望通過實行保護層防突技術(shù)，達到以下幾個技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)：

1) 被保護層(15#煤層)瓦斯至少40%涌入到保護層工作面。

2) 被保護層煤層透氣性系數(shù)將會大幅增加，預(yù)計透氣性系數(shù)將增加50～100倍。

3) 被保護層突出指標(biāo)將降至臨界值以下，達到防突效果。

4) 保障被保護層15#煤層的安全開采。

[1] 于不凡，王佑安，盧簽章，等．煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[2] 張鐵崗．礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2001．

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．防治煤與瓦斯突出規(guī)定[S]．2009-05-14.

[4] 袁 亮，薛俊華．中國煤礦瓦斯治理理論與技術(shù)[A]．2010年安徽省科協(xié)年會—煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展專題研討會論文集[C].2010.

[5] 袁 亮．卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術(shù)體系[J]．煤炭學(xué)報，2009，34(1)：1-8．

[6] 王海鋒．采場下伏煤巖體卸壓作用原理及在被保護層卸壓瓦斯抽采中的應(yīng)用[D]．北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

[7] 張寶春．保護層工作面瓦斯綜合治理技術(shù)[J]．煤礦安全，2007(12)：16-19.

[8] 謝和平，周宏偉，薛東杰，等．煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考[J]．2012，37(4)：535-542.

[9] 高保彬，劉云鵬，袁東升．下保護層開采上覆煤巖卸壓增透機理研究與應(yīng)用[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(7)：67-70，74.

[10] 胡國忠，王宏圖，袁志剛．保護層開采保護范圍的極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則[J]．煤炭學(xué)報，2010，35(7)：1131-1136.

[11] 杜澤生，羅海珠，孫 波，等．保護層采空區(qū)內(nèi)研究被保護煤層透氣性變化規(guī)律[J]．煤礦安全，2011(06)：135-137.

[12] 劉洪永，程遠平，趙長春，等．保護層的分類及判定方法研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報，2010，27(4)：468-474.

[13] 王志亮，楊仁樹，張躍兵．保護層開采效果測評指標(biāo)及應(yīng)用研究[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，21(10)：58-63.

[14] 吳建亭．近距離保護層工作面瓦斯綜合治理技術(shù)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(8)：64-67.

[15] 談國文，趙旭生，張慶華，等．渝陽煤礦煤與瓦斯突出綜合預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用[J]．煤礦安全，2011，42(1)：78-81.

StudyonMiningGeneralSchemeofUpperProtectiveinJinzhongDiggingsLayerOutburstCoalMine

LIUYanhong

A coal mine in Jinzhong is as the research background. Comprehensive considering the special geological conditions, analyzes the elements such as high gas, low permeability, serious spontaneous combustion, complex hydrogeology condition. The technique of protection layer mining in short distance is adopted to as the effective outburst prevention measure. Then the implementation plans of mining operation mode, working face ventilation and gas drainage are put forward. The research results provide reasonable theoretical test and technical support for similar coal mine to use outburst prevention technique of protective layer to removing outburst.

High gas; Low permeability; Spontaneous combustion; Protection layer mining in short distance; Outburst Prevention Technique

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0026-05

2017-06-09

劉艷紅(1974—)，男，遼寧法庫人，1997年畢業(yè)于華北礦業(yè)高等?？茖W(xué)校，工程師，主要從事煤礦通風(fēng)安全工作(E-mail)693234187@qq.com