涌山礦首采層選擇及其區(qū)域防突技術(shù)實(shí)踐

廖文德，鄒云輝，鐘勇林

（1.江西省煤炭工業(yè)科學(xué)研究所，江西 南昌 330029；2.江西省礦山安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029）

首采層是指在某一區(qū)域被選作保護(hù)層的煤層中，最先被安排開采的煤層。由于首采層仍可能具有動(dòng)力顯現(xiàn)特點(diǎn)，且首采層開采過(guò)程中，其鄰近層的瓦斯將通過(guò)開采裂隙大量滲入首采層采動(dòng)空間，因此如何合理選擇首采層、如何選擇和實(shí)施區(qū)域防突措施、防治瓦斯積聚措施等，在開采首采層的過(guò)程中顯得極為重要。

涌山煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主要含煤地層為上三迭統(tǒng)安源組，煤系地層厚300～1000m，含多層泥巖、粉砂巖，透氣性差，瓦斯賦存良好。含煤18 層，可采煤層總厚度為27.4 m，其中一、二、三、五、六1、七、八1煤為主采煤層。煤層特征是層數(shù)多，松散易碎，多呈粉末狀，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化大，傾角為45°～85°，煤的變質(zhì)程度高，煤類為無(wú)煙煤。

1 首采層選擇合理性分析

1.1 開采保護(hù)層作用機(jī)理

突出煤層群在保護(hù)層先采以后，在其上、下的煤層發(fā)生變形、位移、卸壓（地應(yīng)力減小）、透氣性增大、瓦斯得到排放、瓦斯壓力與瓦斯含量下降，煤體變硬等，可使鄰近的突出煤層喪失突出危險(xiǎn)。其中卸壓作用是首要的、起決定性的因素，是引起其它因素變化的依據(jù)。

1.2 首采層優(yōu)選指標(biāo)

1.2.1 煤層的突出危險(xiǎn)性

保護(hù)層應(yīng)優(yōu)選無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)或者煤與瓦斯突出危險(xiǎn)相對(duì)較小（突出次數(shù)少、突出強(qiáng)度小）的煤（巖）層。礦區(qū)范圍無(wú)以上條件煤（巖）層情況下，可選定開采過(guò)程中能最有效落實(shí)區(qū)域防突措施的煤（巖）層作為保護(hù)層，要求開采保護(hù)層后能確保被保護(hù)層得到最大范圍的保護(hù)。

（1）突出類型分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，涌山礦突出類型：突出占38.4%左右；傾出占42.4%左右；壓出占19.2%左右。各煤層情況不盡相同。

突出次數(shù)：五煤（19次）＞八1煤（18次）＞六煤（14次）＞八2煤（3次）＞七煤（2次）≥三煤（2次）＞二煤（1次）≥四煤（1次）＞一煤（0次）。

傾出次數(shù)：八1煤（21次）＞五煤（11次）＞六煤（6次）≥二煤（6次）≥一煤（6次）≥三煤（6次）＞八2煤（2次）≥七煤（2次）＞四煤（0次）。

壓出次數(shù)：五煤（10次）＞三煤（8次）＞六煤（4次）＞一煤（2次）＞八1煤（1 次）≥二 煤（1 次）≥四 煤（1 次）＞八2煤（0次）≥七煤（0次）。

（2）突出次數(shù)分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，涌山礦各煤層突出次數(shù)（含突出、傾出、壓出）排序情況為：

八1煤（40次）≥五煤（40次）＞六煤（24次）＞三煤（16次）＞二煤（8 次）≥一 煤（8 次）＞八2煤（5 次）≥七 煤（4次）＞四煤（2次）。

（3）最大突出強(qiáng)度分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，涌山橋礦區(qū)各煤層最大突出強(qiáng)度排序情況為：

八1煤（8600t）＞五煤（300t）＞六煤（1047t）＞七煤（390t）＞三煤（150t）≥四煤（150t）＞一煤（70t）＞二煤（50t）＞八2煤（15t）。

綜合以上分析，涌山礦保護(hù)層的優(yōu)選順序：為四煤→七煤→八2煤→一煤→二煤→三煤→六煤→八1煤→五煤。

1.2.2 煤層相對(duì)間距

相關(guān)研究表明〔1〕：開采保護(hù)層的保護(hù)作用呈現(xiàn)一定規(guī)律性，煤層傾角和相對(duì)間距是決定保護(hù)層缷壓效果的關(guān)鍵因素。

（1）保護(hù)作用隨保護(hù)層與被保護(hù)層相對(duì)間距變小而加強(qiáng)；隨相對(duì)間距增大而減小，達(dá)到某一臨界值后，將失去保護(hù)作用。

（2）當(dāng)煤層相對(duì)間距相等時(shí)，下保護(hù)層的保護(hù)作用隨煤（巖）層傾角增大而減小。

（3）當(dāng)煤層相對(duì)間距相等時(shí)，上保護(hù)層的保護(hù)作用隨煤（巖）層傾角增大而增大。

（4）保護(hù)層與被保護(hù)層間存在關(guān)鍵層（如砂巖、石灰?guī)r、石英砂巖等）時(shí)，保護(hù)層的保護(hù)效果降低。

（5）如果被保護(hù)層的缷壓充分，其保護(hù)作用是不可逆的，不會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而消失。

綜上所述，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出了保護(hù)層分類指標(biāo)——相對(duì)當(dāng)量層間距R：

式中：R 為相對(duì)當(dāng)量層間距；S為層間垂距，m；M 為保護(hù)層厚度，m；M0為保護(hù)層最小有效開采厚度，m，由圖1確定；β1為保護(hù)層采高影響系數(shù)，M＜M0時(shí)，β1=M／M0，M＞M0時(shí)，β1=1；β2為關(guān)鍵層含量系數(shù)，由式（4）計(jì)算；βα為地層傾角系數(shù)；R0為相對(duì)間距；α為煤層傾角（°）；K 為頂板管理方法系數(shù)，全部冒落法取1，充填法取0.2，其他頂板管理方法取0.6。

圖1中，當(dāng)工作面長(zhǎng)度L 大于0.3 H（開采深度）時(shí)，取L=0.3H，原則上，L≤250m。

圖1 M0與保護(hù)層回采參數(shù)關(guān)系

式中：η表示保護(hù)層與被保護(hù)層間關(guān)鍵層所占百分比，%；關(guān)鍵層含量系數(shù)β2主要體現(xiàn)了關(guān)鍵層對(duì)層間的巖層移動(dòng)、變形的影響程度。

由式1、式2計(jì)算的相對(duì)當(dāng)量層間距可作為保護(hù)層選定指標(biāo)，其結(jié)果可準(zhǔn)確直觀體現(xiàn)保護(hù)層的缷壓、保護(hù)效果，從而為煤礦確定保護(hù)層類型提供依據(jù)。

1.3 涌山煤礦首采層的選定

根據(jù)涌山煤礦煤系地質(zhì)柱狀圖，將保護(hù)層工作面回采參數(shù)和煤層賦存條件、關(guān)鍵層含量系數(shù)等代入式（1）或式（2）計(jì)算相對(duì)當(dāng)量層間距，計(jì)算得其相對(duì)當(dāng)量層間距均小于20m，為近～中距離保護(hù)層或近距離保護(hù)層。

涌山煤礦32采區(qū)五煤層為瓦斯含量大的厚煤層，為提高其透氣性，選擇開采其下部24m 的四煤層下向卸壓，在四煤層開采后，再開采五煤上部20m 的六煤層下向?qū)ξ迕盒秹骸?/p>

2 首采層區(qū)域防突措施

2.1 首采層區(qū)域性預(yù)抽瓦斯技術(shù)

首采層工作面開采期間的瓦斯主要來(lái)于本層、采空區(qū)和鄰近層的卸壓瓦斯。瓦斯大量匯集到隨工作面的推進(jìn)而移動(dòng)的采動(dòng)裂隙“O”形圈內(nèi)，只要將采動(dòng)裂隙“O”形圈內(nèi)的集聚瓦斯大量抽采出來(lái)，就可以保證工作面的高效安全推進(jìn)〔2〕。

首采層為煤層群中首先開采的煤層，沒(méi)有保護(hù)層可供選擇。當(dāng)首采層為突出煤層時(shí)，必須對(duì)原始煤體進(jìn)行預(yù)抽消突。原始煤體預(yù)抽是目前主要的消突方法，分為穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽條帶煤層瓦斯和順層鉆孔預(yù)抽條帶煤層瓦斯。

根據(jù)對(duì)各種抽采方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析，同時(shí)充分考慮四煤層的賦存條件、瓦斯條件及其突出危險(xiǎn)性等因素，本次試驗(yàn)主要采用“穿層鉆孔抽采區(qū)段煤層瓦斯”的區(qū)域防突措施。

2.2 巷道布置

32402頂板抽采巷標(biāo)高-340m，布置在四煤頂板處，抽采巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為345m、開切上山40m、走向長(zhǎng)度為365 m（見(jiàn)圖2）。

圖2 32402采掘巷道布置

2.3 抽采范圍及抽采鉆孔布置

32402工作面抽采范圍見(jiàn)圖3，其抽采鉆場(chǎng)、鉆孔布置見(jiàn)圖4與圖5。

圖3 32402工作面預(yù)抽范圍布置

圖4 32402工作面抽采鉆場(chǎng)布置

圖5 32402頂板抽采巷鉆場(chǎng)布置布置

3 首采層區(qū)域防突措施效果考察

3.1 原始煤層瓦斯含量

項(xiàng)目組分別在32402頂板抽采巷、32602 機(jī)巷、32502底板巷等地點(diǎn)取得四煤、五煤、六煤的煤樣測(cè)定煤層瓦斯含量〔3〕，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤層原始瓦斯含量直接法測(cè)定結(jié)果

根據(jù)以上測(cè)定結(jié)果，涌山煤礦32402采面四煤原始煤層瓦斯含量為7.11m3／t，32502采面五煤原始煤層瓦斯含量為12.1 m3／t，32602 采面六煤原始煤層瓦斯含量為10.3m3／t。

3.2 區(qū)域措施后殘余瓦斯含量

區(qū)域措施實(shí)施后，項(xiàng)目組在32 采區(qū)-330 m 標(biāo)高32402頂板巷向四煤層布置5個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)測(cè)定煤層殘余瓦斯含量，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 32402煤層殘余瓦斯含量直接法測(cè)定結(jié)果

3.3 考察結(jié)論

比較表1和表2可知，首采層—32402工作面（四煤）在采用“穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層”區(qū)域措施后，其殘余瓦斯含量為3.75 m3／t，為原始瓦斯含量的52.7%，小于8.0 m3／t（《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性指標(biāo)臨界值），區(qū)域防突措施達(dá)到了預(yù)期效果。

〔1〕劉洪永，程遠(yuǎn)平，等.保護(hù)層的分類及判定方法研究，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，2009.

〔2〕袁 亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

〔3〕中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法.AQ1066-2008.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布，2008.

〔4〕中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法.AQ／T1047-2007.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布，2008.

〔5〕中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范.AQ1050-2008.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布，2008.