單一突出煤層分叉段保護(hù)層開采技術(shù)研究

谷 峰 ，易書鋼

（1. 河南焦煤能源有限公司中馬村礦，河南 焦作 454150 ；2. 河南能源焦煤公司科研所，河南焦作 454000）

0 引 言

焦作礦區(qū)主采煤層為二1煤，該煤層瓦斯含量高、透氣性較差、且具有煤與瓦斯突出危險性。由于上覆的煤層薄且層位理想，故焦作礦區(qū)一直以來將預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。中馬村礦27012 工作面為第二層工作面，頂層工作面27011 工作面已經(jīng)回采完畢。按初始設(shè)計27011 工作面由切眼向外推進(jìn)52m處，回風(fēng)巷煤層會出現(xiàn)分叉，回風(fēng)巷布置在上分叉煤中，由于前方75m 范圍煤厚為0～2.5m，局部夾矸達(dá)7.1m，若按設(shè)計布置方式，工作面回采初期即進(jìn)入薄煤區(qū)域，也給工作面設(shè)備、煤質(zhì)和頂板管理帶來困難。經(jīng)過對工作面瓦斯、頂板、煤厚探測資料進(jìn)行綜合分析，決定在27012 工作面實施保護(hù)層開采區(qū)域防突措施。

1 27012 工作面概況

27012 工作面位于27 采區(qū)東翼上部，工作面北為27011（上）工作面采空區(qū)北部，南為2703 工作面采空區(qū)，東為27011 工作面采空區(qū)里段，西臨27 回風(fēng)下山，工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在煤層分叉情況，其兩層煤間夾矸厚0～7.1m，平均2.1m，其夾矸在工作面南部、東部處于合并狀態(tài)，在工作面北部、西部逐漸開始分開，夾矸總體為北厚南薄，東薄西厚的分布狀態(tài)（工作面煤層綜合剖面圖如下圖1 所示）。

圖1 27012 工作面煤層綜合剖面圖

27012 工作面初始設(shè)計回風(fēng)巷布置于上分層煤中，平均煤厚0.8m，運輸巷布置于下分層煤中，平均煤厚5.4m。設(shè)計總工程量797.2m、走向121m、斜長113m，可采面積13412m2，按平均煤厚2.0m、容重1.5噸 /m3計算，可采儲量 4.1 萬 t。

2 保護(hù)層開采技術(shù)

2.1 工作面保護(hù)層開采設(shè)計初步準(zhǔn)備

從多方面收集資料，加強(qiáng)地質(zhì)探查研究，重新對工作面煤厚、夾矸分布情況、夾矸巖性等情況進(jìn)行探查分析，為修改設(shè)計提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

1）針對27012 工作面相鄰巷道進(jìn)行排查，收集相鄰巷道探鉆資料。經(jīng)分析27012 回風(fēng)巷南30m 處27011 回風(fēng)巷、設(shè)計停采線西58m 頂層工作面橫貫、27012 運輸巷相鄰27011 運輸巷均進(jìn)行過探鉆，探鉆終孔位置為L8 灰?guī)r層位，同時在薄煤區(qū)域還設(shè)計鉆孔往頂板進(jìn)行探查，經(jīng)過一系列探鉆，工作面內(nèi)煤層賦存情況已基本探明，

2）綜合分析27011 工作面及27011（上）工作面回采期間，探煤厚資料。27011 工作面及27011（上）工作面回采期間時施工的鉆孔，有部分鉆孔施工至下分層煤中，探明夾矸及下分層煤煤厚情況。根據(jù)夾矸分布情況在27012 工作面內(nèi)繪制出夾矸2m 分界線，要求通防部門加強(qiáng)對夾矸2m 以上的下分煤瓦斯管理。

2.2 工作面保護(hù)層開采相關(guān)設(shè)計

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定礦井首次開采保護(hù)層時，可參照規(guī)定中附錄E 確定被保護(hù)工作面沿傾斜的保護(hù)范圍、沿走向方向的保護(hù)范圍、最大保護(hù)垂距等參數(shù)。

1）沿傾斜方向的保護(hù)范圍。27011 外段工作面、27011（上）工作面所采煤層產(chǎn)狀為N41°～72°E/SE∠10～12°，整體傾角在11°左右，根據(jù)表D1，選取卸壓角 δ3、δ4 均為 75°；27012 工作面為二層工作面，根據(jù) 27011、27011（上）工作面及 27012 工作面掘進(jìn)期間地質(zhì)資料顯示，27012 工作面所處范圍上分層（二1煤）煤厚0～2.8 m（頭層回采后剩余煤厚），平均0.3m，下分層（二11煤）煤厚 0.2～4.2m，平均 2.5m（工作面主要回采煤層）。27012 改造工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二1煤存在煤層分叉情況（分叉為二1煤與二11煤），其兩層煤間夾矸厚0.9～7.2m，平均4.7m，其夾矸在工作面南部、東部較薄，在工作面北部、西部較厚，總體呈北厚南薄，東薄西厚的分布狀態(tài)。根據(jù)27011、27011（上）工作面兩個頂層工作面回采資料，27011（上） 回風(fēng)巷距下分層（二11煤） 最大間距為3.5m，保護(hù)范圍為27011（上）回風(fēng)巷下0.91m；27011運輸巷距下分層（二11煤）最大間距為3m，保護(hù)范圍為27011 運輸巷0.78m；頂層回采范圍傾斜長145m，經(jīng)計算，沿傾斜方向的保護(hù)范圍為143.31m。

2）沿走向方向的保護(hù)范圍。頂層工作面最晚回采2016 年3 月份，已回采結(jié)束33 個月，卸壓比較充分，故卸壓角 δ5 為 56°- 60°；27011 工作面及27011（上）工作面停產(chǎn)線處距下分層（二11煤）最大間距為4m，保護(hù)范圍為停采線東2.23m，即走向保護(hù)范圍為：頂層停產(chǎn)線東2.23m 至27012 工作面切眼。

3）最大保護(hù)垂距。27011 外段工作面、27011（上）工作面所在煤層均屬于緩傾斜煤層，根據(jù)表D2，選取最大垂距＜50m；27012 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二1 煤存在煤層分叉情況（分叉為二1煤與二11煤），其兩層煤間夾矸厚0.9～7.2m，平均4.7m，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，頂層回采范圍內(nèi)距下分層（二11煤）最大垂距為7.2m，小于50m。

經(jīng)計算并結(jié)合工作面設(shè)計圖，27012 改造工作面回采區(qū)域均位于27011 外段工作面、27011（上）工作面保護(hù)范圍之內(nèi)。

2.3 工作面保護(hù)層開采相關(guān)優(yōu)化設(shè)計

改造回風(fēng)巷與原回風(fēng)巷重疊布置，改造回風(fēng)巷從工作面停采位置按設(shè)計搭桿換落底。巷采用3.2×2.8m 工鋼按- 6°坡度進(jìn)行搭桿落底，按設(shè)計坡度施工至下分層煤層底板后沿底板掘進(jìn)主巷，待施工至設(shè)計拐點位置按+24°坡度上山掘進(jìn)與原回風(fēng)巷貫通。修改設(shè)計后總工程量175m、走向131m、斜長113m，可采面積14803m2，按平均煤厚5.4m、容重1.5 噸/m3計算，可采儲量12 萬t。巷道設(shè)計圖如下圖2 所示。

圖2 27012 工作面巷道設(shè)計平面圖

1）27012 回風(fēng)巷巷工程。27012 回風(fēng)改造巷開口在測點W2255 以西12.4m 處向西掘進(jìn)，開口坐標(biāo)X=3907248.2，Y=38439115.0，Z=- 128.773m， 方位角a=230°53′18″。巷道采用3.2×2.8m 工鋼單棚（平棚）支護(hù)，立柱傾斜度：18°，誤差≤1°，巷高2.4m，下部凈寬4.5m。改造巷按- 6°坡度進(jìn)行搭桿落底，施工至下分層煤層底板后沿底板掘進(jìn)主巷，待施工至設(shè)計拐點位置按+24°坡度上山掘進(jìn)于3 月3 日與原回風(fēng)巷貫通（掘進(jìn)工期約28 天），3 月8 日開始回采，7 月初回采結(jié)束。工作面回采煤量共計18.7 萬t。

2）27012 運輸巷工程。巷道施工前，運輸巷距停采位置30m 范圍壘設(shè)兩道風(fēng)門，通過風(fēng)機(jī)對掘進(jìn)頭進(jìn)行通風(fēng)，回風(fēng)利用原工作面回風(fēng)系統(tǒng)；掘進(jìn)出煤仍沿用工作面出煤系統(tǒng)；回風(fēng)巷采用擺木垛、打設(shè)叉子棚（叉子棚底采用3.0m 工鋼配合400×400mm 鐵鞋進(jìn)行支撐）對頂?shù)装暹M(jìn)行維護(hù)，防止改造回風(fēng)巷掘進(jìn)期間原回風(fēng)巷塌冒；開口前后20m 范圍煤墻進(jìn)行打錨桿進(jìn)行加固，防止掘進(jìn)期間煤墻片幫；開口處對周邊支架采用廢舊皮帶進(jìn)行維護(hù)，防止爆破對支架立柱損壞；改造回風(fēng)巷掘進(jìn)前，在原回風(fēng)巷采取煤層注水措施,降低掘進(jìn)期間的粉塵濃度,對井下工人及作業(yè)場所的危害程度起到關(guān)鍵作用。

3 保護(hù)層開采區(qū)域措施效果檢驗

3.1 可解吸瓦斯量計算

按照《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》附錄A4 計算可解吸瓦斯量如下：

式中：Wj為煤的可解吸瓦斯量，m3/t;Wcy為實施區(qū)域瓦斯治理措施后實測煤層的殘余瓦斯含量，m3/t，取：4.26～5.18;Wc為煤在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的殘存瓦斯含量，按公式（2）計算：

式中：a，b 為吸附常數(shù)，該工作面的 a=55.39m3/t，b=0.871MPa-1；Ad為煤的灰分，%Mad為煤的水分，%；π 為煤的孔隙率，m3/m3，取 0.05；γ 為煤的容重（假密度），t/m3，取 1.5。

3.2 預(yù)計回采期間的瓦斯?jié)舛扔嬎?/h3>

回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛扔嬎阋娤率龉?/p>

式中：C 為回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛龋?；G計為工作面計劃日產(chǎn)量，取1001～2500t；G底為工作面計劃日推進(jìn)留有底層煤量；Wj為最大可解吸瓦斯含量，m3/t；Q為工作面百米鉆孔流量，取0.05m3/min·hm；L 為該塊段鉆孔孔深，113m；Q計為工作面計劃配風(fēng)量，780m3/min；

計算27012 改造工作面殘存瓦斯含量為3.06m3/t，可解吸瓦斯含量為1.2～2.12m3/t，計劃產(chǎn)量1001～2500t/ 日，可解吸瓦斯含量≤7m3/t；工作面計劃配風(fēng)量780m3/min，巷道最小斷面為9.2m2,可計算出風(fēng)速為1.41m/s，小于4m/s；通過日產(chǎn)量和可解析瓦斯含量計算出該塊段回采期間的瓦斯?jié)舛葹?.29～0.57%，均滿足《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求，可判定該塊段瓦斯預(yù)抽效果已經(jīng)達(dá)標(biāo)。

3.3 實測殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力檢驗

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定，委托焦煤集團(tuán)科研所對工作面范圍內(nèi)煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力進(jìn)行現(xiàn)場取樣實測檢驗及現(xiàn)場封孔測壓，在27012 改造工作面回風(fēng)巷布置殘余瓦斯含量取樣點8個,殘余瓦斯壓力測點8 個。

現(xiàn)場共施工取樣鉆孔8 個（1 個孔未見煤），取樣12 個，測壓7 個，取樣過程中未出現(xiàn)噴鉆、卡鉆、頂鉆等異常情況，所有煤樣實測殘余瓦斯含量均小于6m3/t，殘余瓦斯壓力均為0.1MPa，區(qū)域防突措施效果檢驗合格。

4 結(jié) 語

通過多角度、縱深入的分析礦井現(xiàn)狀，礦井首次實施了保護(hù)層開采技術(shù)，從設(shè)計到施工，再到工作面回采，礦井積累了重要的保護(hù)層開采技術(shù)經(jīng)驗。開采保護(hù)層技術(shù)實施后，區(qū)域防突措施效果檢驗表明該工作面區(qū)域防突措施有效，通過實施保護(hù)層開采技術(shù)和工作面設(shè)計優(yōu)化，增加可采儲量約10 萬t，工作面回采周期延長五個月以上，緩解了礦井生產(chǎn)接替緊張，減少了面內(nèi)的出矸量，提高了煤質(zhì)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。