突出煤層群礦井保護層和抽采巷層位優(yōu)化分析

李 鋒

(1.河南能源化工集團研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046；2.河南能源化工集團焦煤公司九里山煤礦，河南省焦作市，454005)

保護層和抽采巷作為煤礦瓦斯治理主要手段，近距離煤層群保護層和抽采巷層位的選擇是突出礦井區(qū)域瓦斯治理和安全高效開采的重要環(huán)節(jié)。合理的保護層和抽采巷層位能夠使礦井在生產(chǎn)過程中抽-掘-采在時間和空間上均衡銜接。特別是突出煤層群礦井，瓦斯治理是制約礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。新田煤礦設(shè)計選擇4#煤層作為首采層開采,底抽巷沿7#煤層施工，在實際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)一系列問題造成采掘接替十分緊張,無法實現(xiàn)礦井達產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。為了實現(xiàn)新田煤礦突出煤層群煤與瓦斯共采,礦井安全高效生產(chǎn),亟需對新田煤礦突出煤層群底抽巷和保護層進行優(yōu)選,為礦井瓦斯綜合治理、高效抽采和高效生產(chǎn)提供切實保障，從而實現(xiàn)礦井達產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

1 礦井概況

新田煤礦位于黔西縣北東部，一期生產(chǎn)能力60萬t/a。井田含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，涉及5層煤，分別是4#、5#、8#、9#、12#煤層。經(jīng)鑒定，新田煤礦屬突出礦井。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

新田井田位于黔西向斜北西翼近軸部地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)為次一級緩傾斜褶曲。地層總體走向為NE向，傾向以NW向和SE向為主，局部地段(轉(zhuǎn)折端附近)為SW向或NE向。地層傾角較緩，一般為5°～10°；斷層附近傾角常變陡，局部可達10°～21°。井田內(nèi)次一級褶曲和斷層均有發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜類型為中等。

1.2 煤層情況

新田礦涉及5層煤，分別是4#、5#、8#、9#、12#煤層。4#煤層厚1.24～5.83 m，平均厚度2.79 m，全區(qū)可采，夾石0～2層，一般0～1層，結(jié)構(gòu)較簡單，厚度較穩(wěn)定，對比可靠，屬較穩(wěn)定煤層。5#煤層厚0～1.15 m，平均厚度0.67 m，有尖滅點，零星可采，結(jié)構(gòu)簡單，夾石0～1層，一般為單一結(jié)構(gòu)，對比較可靠，屬不穩(wěn)定煤層。8#煤層厚0～2.29 m,平均厚度0.51 m，南部大面積尖滅(多為沖刷所致)，零星可采，結(jié)構(gòu)簡單，多為單一煤層，對比可靠，屬極不穩(wěn)定煤層。9#煤層厚1.36～4.66 m，平均厚度2.41 m，全區(qū)可采，夾石0～2層，一般0～1層，結(jié)構(gòu)較簡單，厚度較穩(wěn)定，對比可靠，屬較穩(wěn)定煤層。12#煤層厚0.40～1.44 m，平均厚度0.87 m，為局部可采煤層，結(jié)構(gòu)簡單至較復(fù)雜，含夾矸0～3層，多為0～2層，屬不穩(wěn)定煤層。煤層之間的層位關(guān)系見表1。

表1 可采煤層特征簡表

1.3 瓦斯情況

根據(jù)礦井資料，礦井涉及的5層煤均為突出煤層，各煤層瓦斯參數(shù)見表2。

表2 煤層瓦斯組分和含量表

主采4#煤層和9#煤層均為嚴重突出煤層，其中4#煤層在生產(chǎn)過程中發(fā)生過煤與瓦斯突出災(zāi)害。9#煤層未揭開，瓦斯參數(shù)為打鉆實測。4#和9#煤層瓦斯參數(shù)測試結(jié)果如表3。

2 保護層和底抽巷層位現(xiàn)狀

新田煤礦礦井一期范圍內(nèi)選用4#煤層作為9#煤層保護層，4#煤層采用底抽巷穿層鉆孔作為區(qū)域防突措施，底抽巷沿7#煤層施工。以1404底抽巷為例，巷道位于7#煤層層位，抽采巷距離4#煤層14～17 m，抽采巷距離9#煤層14～15 m，長1165 m，底抽巷切眼長160 m，位于1404工作面外20 m，服務(wù)于1404、1406、1904、1906等工作面。

表3 煤礦可采煤層基本參數(shù)表

3 保護層和抽采巷層位優(yōu)化

3.1 抽采巷層位優(yōu)化

(1)4#煤層頂板布置頂抽巷可行性分析。4#煤層距長興組灰?guī)r含水層平均間距僅30 m，如果在4#煤層之上布置頂板抽采巷，將面臨灰?guī)r水害威脅，且由于頂抽巷施工下向孔，鉆孔積水將大大降低鉆孔的抽采效率，因此4#煤層頂板不具備布置抽采巷的條件。

(2)4#煤層和9#煤層之間布置抽采巷。5#、6#、7#和8#煤層局部厚度均超過0.3 m，且未進行過突出危險性鑒定，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》應(yīng)按照突出煤層管理。各煤層間距較小，屬于煤層群，各煤層厚度分布不均，5#和8#煤層為局部可采煤層，未經(jīng)鑒定，按突出煤層管理，各煤層相互影響，施工抽采巷需要時刻探測煤層情況，防止誤揭煤引發(fā)瓦斯災(zāi)害，因此不具備布置抽采巷的條件。

(3)9#煤層底板布置抽采巷。12#～15#煤層距離底板茅口灰?guī)r含水層距離小于70 m，茅口灰?guī)r為礦井承壓含水層，預(yù)計水壓2.0 MPa，有突水危險，所以12#～15#煤層不適合布置抽采巷。

10#煤層厚0.15～0.52 m，頂板距離9#煤層13～17 m，底板7 m范圍內(nèi)僅有一層11#煤層，煤厚0.17～0.65 m。10#和11#煤層間為泥巖或砂質(zhì)泥巖，硬度低，適合快速掘進，10#和11#煤層附近7 m范圍內(nèi)薄煤層少，掘進期間不受或少受其他薄煤層影響，施工更安全，10#煤層適宜做底抽巷。

3.2 保護層優(yōu)化

礦井建設(shè)和開采期間揭煤情況，新田煤礦井田范圍內(nèi)含煤地層龍?zhí)督M平均厚125.59 m，含煤14～20層，煤層平均總厚度12.50 m。其中4#和9#煤層為全區(qū)可采煤層，5#、8#和12#煤層為局部可采煤層。

(1)局部可采煤層保護層開采分析。4#煤層上部1#、2#和3#煤層厚度小于0.3 m，井田范圍內(nèi)局部賦存，且距離上部長興組灰?guī)r含水層較近(小于30 m)，掘進期間易破壞頂板隔水層，可能引發(fā)突水事故，不適合作為保護層；4#和9#煤層中間分布有4層煤，5#、8#和12#煤層平均厚度超過0.3 m，瓦斯等級未進行鑒定，但按突出煤層管理，且距離主采煤層距離較近，5#煤層距4#煤層平均間距僅3.12 m，8#煤層距9#煤層平均間距僅5.37 m，開采保護層會破壞主采煤層，不適合作為保護層。7#煤層厚0.1～0.5 m，全區(qū)可見，賦存較穩(wěn)定，但7#煤層距離6#、5#和8#煤層距離局部小于7 m，4層煤因間距小，且局部煤層較厚，有突出危險，不適合做保護層；9#煤層底板有10#～15#煤層，其中12#煤層為局部可采煤層，12#～15#煤層距離底板茅口灰?guī)r含水層距離小于70 m，茅口灰?guī)r為礦井承壓含水層，預(yù)計水壓2.0 MPa，有突水危險，所以12#～15#煤層不適合做保護層。

(2)軟巖保護層開采分析。10#煤層厚0.15～0.52 m，頂板距離9#煤層13～17 m，底板7 m范圍內(nèi)有一層11#煤層，煤厚0.17～0.65 m。10#和11#煤層間為泥巖或砂質(zhì)泥巖，硬度低，可作為軟巖保護層開采，但巷道工程量大，軟巖開采投入大，不具備開采可行性。

(3)4#煤層保護層分析。目前采用4#煤層為上保護層，解放9#煤層。在4#和 9#煤層之間施工抽放巷，解決4#煤層掘進期間消突問題，沿4#煤層工作面施工順層鉆孔解決4#煤層工作面消突問題。實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)一系列問題，以1401工作面為例，1401工作面回采后，4#煤層頂板隔水層破壞，長興組灰?guī)r水導(dǎo)入采空區(qū)，沿工作面流出，最大涌水量110 m3/h；由于采動破壞，9#煤層頂板發(fā)生破壞，大量的灰?guī)r水導(dǎo)入9#煤層被保護層中，1401工作面回采后，鉆探發(fā)現(xiàn)9#煤層存在積水區(qū)，積水面積達1.8萬，積水量達4059 m3，探測結(jié)果如圖1所示。由于9#煤層積水，巷道施工和鉆孔施工存在水害威脅；且底抽巷施工下行孔抽放9#煤層時孔內(nèi)有水,抽放效果差。4#煤層作為保護層開采實際效果不理想。

(4)9#煤層保護層分析。9#煤層作為保護層開采，因9#煤層距離長興組含水層約70 m，掘進和回采期間預(yù)計不受水害影響，且上行鉆孔預(yù)抽4#煤層瓦斯效果更佳,4#煤層中的水沿9#煤層采動裂隙進入9#煤層采空區(qū)，有利于被保護層4#煤層的開采。

圖1 9#煤層積水量預(yù)測圖

3.3 方案優(yōu)點

(1)抽采保護層瓦斯的同時可抽采被保護層瓦斯。目前底抽巷布置在4#煤層與9#煤層中間，先在底抽巷施工穿層鉆孔治理4#煤層瓦斯，在鉆孔施工過程中因底板積水、積渣(在4#煤層回采期間，底抽巷巷道情況不好)，不能同時施工下行穿層鉆孔抽采9#煤層瓦斯，對下部9#煤層瓦斯治理造成嚴重的影響。

底抽巷布置在9#煤層底板后，施工穿層鉆孔可直接穿過9#煤層和4#煤層，同時抽采保護層和被保護層瓦斯，減少鉆孔總體個數(shù)，降低瓦斯治理費用。

(2)有利于新技術(shù)使用。底抽巷布置在9#煤層底板下方后，后期揭煤作業(yè)都是上行揭煤，瓦斯治理鉆孔也都是上行鉆孔。上行穿層鉆孔的施工，杜絕了孔內(nèi)積水對瓦斯抽采效果的影響，同時可采取水力沖孔或超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)以提高瓦斯治理效果和消突周期，加快揭煤進度和煤巷條帶、采面中部煤層消突速度，盡快扭轉(zhuǎn)瓦斯治理滯后的問題。

(3)底抽巷布置在9#煤層底板下方后，可施工上行穿層鉆孔及水力化卸壓增透措施，可有效提高9#煤層的瓦斯治理效果，開采方案有很大的優(yōu)化余地。

(4)減少礦井排水。因10#煤層距離上部長興組含水層約90 m，距離下部茅口灰?guī)r含水層約80 m，在掘進和回采期間不受上部和底板含水層影響，減少排水工作量，上部解放層回采后，采空區(qū)水沿底板裂縫導(dǎo)入底抽巷，自底抽巷排出，也可減少回采工作面涌水量，增加回采面安全系數(shù)。

5 結(jié)論

對新田煤礦突出煤層群保護層和抽采巷層位進行優(yōu)選，對抽采巷沿7#煤層調(diào)整為沿10#煤層，首采煤層由4#煤層調(diào)整為9#煤層的方案可行性進行了分析，并對比了調(diào)整后的優(yōu)缺點，得出如下結(jié)論:分析討論了首采層由4#煤層調(diào)整為9#煤層的可行性，選擇9#煤層作為保護層開采案可行；分析了不同煤層作為抽采巷層位的可行性，確定沿10#煤層掘進抽采巷有利于新技術(shù)的推廣和瓦斯治理。