三匯二礦新水平保護(hù)層選擇及瓦斯治理技術(shù)研究

彭世剛

重慶能投渝新能源有限公司三匯二礦，中國(guó)·重慶 400700

1 引言

礦井通過對(duì)保護(hù)層K3、K4煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯吸附指標(biāo)、煤層透氣性情況、地質(zhì)情況、保護(hù)效果等進(jìn)行綜合分析，合理地選擇保護(hù)層進(jìn)行開采，并且改進(jìn)保護(hù)層瓦斯治理技術(shù)措施，提高保護(hù)層瓦斯治理效果，達(dá)到保護(hù)層的正常部署接替，緩解礦井采、掘接替緊張的局面，促進(jìn)礦井的可持續(xù)發(fā)展。

2 概況

三匯二礦礦部位于中國(guó)重慶合川區(qū)三匯鎮(zhèn)。礦區(qū)位于華鎣山復(fù)式背斜寶頂背斜的東翼，地處合川區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)三地交界地帶，井田范圍行政區(qū)劃屬重慶市北碚區(qū)金刀峽鎮(zhèn)和渝北區(qū)華鎣山鎮(zhèn)所轄。襄（湖北）渝（重慶）國(guó)鐵和儀碚公路縱跨礦區(qū)西側(cè)，交通較為便利。

三匯二礦為煤與瓦斯突出礦井，歷年來發(fā)生煤與瓦斯突出7次，最大突出煤量為5000t。K1煤層瓦斯含量為11.53～22.86m3/t，原始瓦斯壓力最高為3.8MPa，K3煤層瓦斯含量為8.771～10.25m3/t，原始瓦斯壓力為2.1MPa，K4煤層瓦斯含量為11.53～17.4m3/t，原始瓦斯壓力為2.5MPa。2016年礦井絕對(duì)涌出量為44.19m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為61.93m3/t。

3 礦井前期保護(hù)層部署情況

根據(jù)礦井地質(zhì)情況及生產(chǎn)部署，礦井生產(chǎn)格局將按照“兩薄兩中厚”進(jìn)行部署準(zhǔn)備。礦井歷年來保護(hù)層工作面均布置在K4煤層中，礦井南、北翼均布置為新水平首采工作面。

4 礦井保護(hù)層開采方案選擇

對(duì)礦井煤層地質(zhì)情況和保護(hù)層開采的合理性、可靠性進(jìn)行分析，礦井可供開采的保護(hù)層為K3煤層和K4煤層，因此提出兩種方案進(jìn)行比選。

方案一：K4煤層作保護(hù)層開采。

方案描述：礦井選擇K4煤層作保護(hù)層開采。①在K1煤層與K4煤層中間選擇在K3煤層頂板“小鐵板”位置施工K4煤層瓦斯專用底板巷；②采取水力壓裂措施和穿層抽放措施進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理；③工作面開采前施工機(jī)、風(fēng)巷順層鉆孔進(jìn)行工作面區(qū)域措施補(bǔ)充；④局部再補(bǔ)充抽、排放鉆孔進(jìn)行局部瓦斯治理；⑤工作面開采過程中設(shè)置工作面尾抽管，進(jìn)行工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯抽放；⑥保護(hù)層工作面開采同時(shí)在被保護(hù)層K1煤層進(jìn)行卸壓抽放，最終達(dá)到保護(hù)層和被保護(hù)瓦斯治理效果。

方案二：K3煤層作保護(hù)層開采。

方案描述：礦井選擇K3煤層作保護(hù)層開采。由于礦井+550m水平和+525m水平茅口大巷不具備K3煤層穿層鉆孔施工條件，并且礦井開采+550m、+525m水平K3煤層埋深均小于500m，且礦井K3煤層未發(fā)生過突出，礦井南、北翼K3煤層f值均大于0.3，符合本層條帶抽放鉆孔作為區(qū)域防突措施條件[1]。

由于礦井煤層地質(zhì)條件限制，因此將方案一和方案二進(jìn)行對(duì)比和分析，最終選擇方案二進(jìn)行實(shí)施。礦井按照現(xiàn)階段生產(chǎn)水平情況將K3煤層瓦斯治理分為兩種不同的方案實(shí)施，同時(shí)在+550m南四邊界區(qū)域?qū)3煤層穿層區(qū)域措施進(jìn)行效果試驗(yàn)，為+525m以下水平K3煤層瓦斯治理打下基礎(chǔ)，保證K3煤層做好護(hù)層開采的順利進(jìn)行。

5 局部瓦斯治理技術(shù)方案

根據(jù)區(qū)域順層條帶鉆孔施工情況、地質(zhì)情況、瓦斯和預(yù)測(cè)情況，在掘進(jìn)工作面時(shí)增補(bǔ)短孔抽放作為區(qū)域防突措施的補(bǔ)充。短孔抽放控制范圍在區(qū)域條帶鉆孔控制范圍內(nèi)，每循環(huán)設(shè)計(jì)抽放鉆孔8～10個(gè)，控制巷道上部、下部8～10m，前方25～35m范圍。同時(shí)，按照抽放孔的施工要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)資料收集和鉆孔施工，施工完畢進(jìn)行封孔接抽，抽采時(shí)間為3～5天[2]。

6 項(xiàng)目實(shí)施

6.1 實(shí)施地點(diǎn)

根據(jù)礦井保護(hù)層部署和礦井地質(zhì)情況。礦井南翼從+550m南二邊界以北100m開始轉(zhuǎn)入K3煤層保護(hù)層開采即3321工作面，礦井北翼從+525m北一以南200m開始轉(zhuǎn)入K3煤層保護(hù)層開采即33101工作面。礦井南翼K3保護(hù)層布置巷道為3321機(jī)巷、3321風(fēng)巷、3332機(jī)巷、3332風(fēng)巷、3342機(jī)巷、3342風(fēng)巷；礦井北翼K3保護(hù)層布置巷道為33103機(jī)巷、33101風(fēng)巷、33103風(fēng)巷。

6.2 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況

+550m水平K3煤層原始瓦斯含量為8.771m3/t，+525m水平原始瓦斯含量為10.25m3/t。根據(jù)礦井實(shí)測(cè)K3煤層抽采流量情況，K3煤層抽采鉆孔施工完畢正式接抽到抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間（正式接抽前為邊打孔邊抽）：+525m水平為5～7天，+550m為4～7天。

6.3 實(shí)施效果

6.3.1 經(jīng)濟(jì)效果

根據(jù)K3、K4煤層保護(hù)層瓦斯治理工程情況，礦井在+525m及以上水平保護(hù)層開采瓦斯治理工程（按照走向400m）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析如下：

①減少瓦斯底板巷施工產(chǎn)生的效益。

由于K3煤層直接在茅口大巷進(jìn)行穿層抽放孔施工，將減少瓦斯底板巷施工，按照工作面平均400m走向計(jì)算，將減少400m瓦斯底板巷施工，石門巷道40m。瓦斯底板巷預(yù)算單價(jià)為4300元/m，可以減少井巷投入189.2萬元。

②減少本層鉆孔產(chǎn)生的效益。

由于K3煤層瓦斯抽采效果比K4煤層好（瓦斯抽采半徑K3煤層為2m，K4煤層為1.5m），由計(jì)算可知，走向長(zhǎng)400m工作面需增加本層鉆尺19920m。本層鉆孔鉆尺預(yù)算單價(jià)為35元/m，可以減少本層鉆孔投入69.72萬元[3]。

③工作面順層鉆孔投入。

K3煤層和K4煤層工作面順層鉆孔間距和孔深均一致，工程投入上基本一致。但K4煤層受偽頂薄，頂板堅(jiān)硬影響施工難度上更大。

④經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)上述工程量經(jīng)濟(jì)效益分析如下：根據(jù)以上計(jì)算可以得出，轉(zhuǎn)層至K3煤層保護(hù)層開采后+525m及以上水平每個(gè)工作面瓦斯治理費(fèi)用將節(jié)約258.9萬元，同時(shí)礦井將增加被保護(hù)層提產(chǎn)增效的巨大效益。

189.2＋69.72=258.9萬元

6.3.2 安全效果

①開采K3保護(hù)層以后，加快了保護(hù)層準(zhǔn)備進(jìn)度，根據(jù)現(xiàn)階段保護(hù)層掘進(jìn)進(jìn)度南翼3321、3332工作面和北翼N34101、33101工作面均能夠按照生產(chǎn)部署時(shí)間節(jié)點(diǎn)正常接替。杜絕因此生產(chǎn)部署失調(diào)而導(dǎo)致的安全生產(chǎn)隱患。

其中礦井保護(hù)層部署兌現(xiàn)。

②開采K3保護(hù)層以后，不但能夠加大K1煤層保護(hù)效果和范圍，實(shí)現(xiàn)K1煤層瓦斯高效抽采，而且還能夠更好地滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》等安全法規(guī)的要求，從而實(shí)現(xiàn)合法生產(chǎn)。同時(shí)，將大大減輕煤與瓦斯突出威脅，甚至消滅煤與瓦斯突出，為礦井安全生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此安全效益是十分明顯的。

7 結(jié)語

①礦井保護(hù)層從K4煤層轉(zhuǎn)入K3煤層是可行的，滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》等安全法規(guī)的要求。

②K3煤層區(qū)域順層條帶抽放孔抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為3～7天，K3煤層保護(hù)層綜合掘進(jìn)單進(jìn)為27～59m，平均為44m，較K4煤層綜合掘進(jìn)單進(jìn)提高了1.1倍。3332機(jī)巷、3332風(fēng)巷正常掘進(jìn)單進(jìn)為58.6m/月和51.8m/月，最大達(dá)到80.8m/月。

③K3煤層掘進(jìn)防突超標(biāo)率為0～0.018次/m，平均為0.01次/m，較K4煤層防突超標(biāo)率降低了33.3%。

④K3煤層掘進(jìn)本層抽、排鉆孔平均施工量為29.5m/月，K4煤層本層抽、排鉆孔施工量為54.4m/月，本層鉆尺施工量減少了45.8%。