礦井保護層選擇分析論證

李木宣，李希建

(1.貴州大學，貴州貴陽550025; 2.貴州煤礦設計研究院，貴州貴陽550025)

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礦井保護層選擇分析論證

李木宣1，2，李希建1

(1.貴州大學，貴州貴陽550025; 2.貴州煤礦設計研究院，貴州貴陽550025)

［摘要］對于煤層層數較多的近距離煤層群且具有高瓦斯或煤與瓦斯突出的礦井，首采層選擇對礦井安全生產至關重要。以貴州肥田礦井為例，按照《防突規定》，從井田內上下煤組實測的瓦斯突出參數、煤層賦存狀況、瓦斯巷布置的空間條件、開采技術條件及區段石門揭穿突出煤層次數等方面綜合分析論證，最終選擇下煤組16號煤層作為保護層先行開采。

［關鍵詞］煤與瓦斯突出;保護層;選擇

［引用格式］李木宣，李希建.礦井保護層選擇分析論證［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 106－109.

開采保護層是防治突出礦井瓦斯災害最經濟、最有效的根本手段，是國內普遍采用的區域性防突措施。開采保護層后，對有突出危險的煤層被保護層產生保護作用，造成被保護層應力降低、煤層透氣性增加、強化瓦斯預抽，促使煤體強度增加，使之消除或減少突出危險性，達到防治煤與瓦斯突出的目的。

貴州省現有或在建大、中煤礦均為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災害已成為煤礦安全生產的最主要危害，解決辦法一般為開采保護層或預抽煤層瓦斯。針對煤層層數較多的近距離煤層群礦井，首采層選擇關系到礦井是否能安全生產，對其他煤層是否有保護作用至關重要，本文以肥田礦井作為實例進行探討分析。

1　礦井概況

肥田礦井位于貴州省織金縣的珠藏鎮和少普鄉境內，該井田由少普勘探區(肥田一號井)、普夏西勘探區(肥田二號井) 2個勘探區組成。井田位于珠藏向斜，呈北東－南西向展布，東北部與紅梅相接，南部與阿弓井田相接，礦井走向長7.05～13.9km，傾斜寬1.17～5.48km，面積約48.7785km2。設計生產能力為2.4Mt/a，礦井分期建設，一期已開工建設，二期正在審批中。

1.1煤層賦存狀況

井田內出露地層有第四系，三疊系下統飛仙關組，二疊系上統大隆組、長興組、龍潭組、峨嵋山組、下統茅口組。

本井田含煤地層為二疊系上統的大隆組、長興組、龍潭組。其中大隆、長興組共厚35.60m，含煤1～3層，總厚度0.10～2.30m，平均0.50m，為不可采煤層。

龍潭組厚度318～380m，含煤26～36層，分為3個含煤段，煤層總厚度21.90～25.53m，含煤系數6.3%～7.3%，其中可采煤層7～12層，即6，6－1，7，14，16，17，20，21，23，27，29，34號煤層。根據井田范圍內煤層賦存特征，煤層分為上下2個煤組: 6，6－1和7號煤層為上煤組; 16，17，20，21，23，27，29和34號煤層為下煤組，上下煤組之間層間距為93.60～138.50m。其上下煤組煤層賦存見圖1。

1.2煤層瓦斯參數

礦井在一分區11采區開拓及準備巷道工程中發現，11采區上煤組中6號煤層煤體松軟、煤體破壞類型較高，在施工順層預抽鉆孔時噴孔、卡鉆等現象嚴重、突出預兆明顯、實測瓦斯指標超標頻繁;一分區11采區上煤組7號煤層在主斜井施工過程中曾發生過煤與瓦斯突出事故;下煤組16號煤層至今未發生過噴孔、卡鉆等突出預兆和瓦斯動力現象，且煤層硬度較高，相比上煤組6號和7號煤層，突出危險程度相對較低，且抵抗突出的能力也較強。

圖1　井田上下煤組煤層賦存狀況

建井期間，重慶煤科院對礦井一分區11采區上煤組6號、7號，下煤組16號煤層進行過瓦斯基本參數測定及煤層突出危險性鑒定，肥田煤礦開采的上煤組6號、7號，下煤組16號煤層均為突出煤層，礦井為突出礦井，其測定的突出危險性參數見表1。

表1　一分區主采煤層瓦斯突出參數實測

從織金片區上下煤組的瓦斯賦存情況、肥田煤礦井田內上下煤組實測的瓦斯突出參數及建井期間揭露上下煤組的煤層特征看出，肥田煤礦下煤組的突出危險性程度低于上煤組。因此，肥田煤礦宜選擇下煤組優先開采，即井田內組間開采順序為:下煤組→上煤組，采用“組間上行”的開采程序，利用下煤組多重采動影響來增加上煤組煤層的透氣性，從而形成突出煤層群開采的宏觀區域性瓦斯治理格局。

2　首采層選擇

由于肥田煤礦選擇下煤組優先開采，采用“組間上行”開采順序，即下煤組→上煤組。因此，首采層的選擇僅考慮在下煤組可采煤層中進行確定。

根據《貴州省織納礦區肥田煤礦資源/儲量核實報告》礦產資源儲量評審備案證明及《貴州省織納礦區肥田煤礦資源/儲量核實報告》礦產資源儲量評審意見書(國土資礦評儲字〔2010〕21 號)，礦井地質資源量僅核準至下煤組20號煤層，礦井初步設計未將21～34號煤層納入資源/儲量及可采儲量范圍，暫不進行開采。因此，下煤組首采層的選擇僅在16號、17號、20號煤層之間進行。

2.1瓦斯賦存條件分析

查閱《肥田煤礦精查地質報告》及井下實測16號煤層瓦斯含量，不同埋深條件下的下煤組煤層瓦斯含量(見表2)。

表2　下煤組煤層瓦斯含量統計

從表2可以看出，下煤組原煤瓦斯含量均較高，根據地勘期間及井田開拓期間實測的煤層瓦斯含量與埋深的相關關系，推算埋深300m時(目前開采深度)下煤組煤層瓦斯含量(見表2)。

通過對下煤組煤層瓦斯含量的分析，相同埋深條件下，16號煤層的瓦斯含量要小于其他煤層瓦斯含量，由于下煤組同屬無煙煤，且煤質相當，從16號煤層經鑒定為突出煤層及其他煤層與16號煤層瓦斯含量指標的對比來看，下煤組各煤層也應具有突出危險傾向，且突出危險傾向性程度應逐漸增加。

根據《防治煤與瓦斯突出規定》(以下簡稱《防突規定》)第四十六條第(三)款“當礦井中所有煤層都有突出危險時，選擇突出危險程度較小的煤層作保護層先行開采”的相關規定，并從煤層瓦斯含量及煤層突出危險傾向性程度來看，下煤組宜選擇突出危險傾向程度相對較小的16號煤層作為保護層先行開采。

2.2下煤組煤層賦存條件分析

從煤層賦存條件分析，一分區下煤組16號、17號、20號煤層的厚度及變化趨勢見表3。

表3　一分區下煤組煤層煤厚變化情況

根據《防突規定》第四十六條第(二)款“當煤層群中有幾個煤層都可作為保護層時，綜合比較分析，擇優開采保護效果最好的煤層”的相關規定，因此保護層優先選擇煤層賦存穩定的可采煤層作為保護層先行開采，其主要原因在于穩定可采煤層作為保護層開采時可以實現煤層的大面積均勻連續開采，可以全面有效地消除被保護層的突出危險性。

通過對不同分區下煤組煤層賦存及可采程度分析，下煤組的16號煤層賦存穩定、全區可采; 20號煤層賦存相對穩定，可采程度較高。從下煤組煤層賦存條件分析，礦井下煤組可以選擇16號煤層或20號煤層作為保護層先行開采。

2.3頂底板瓦斯抽采巷布置的空間條件分析

一分區下煤組層間距見表4。

表4　一分區下煤組層間距變化情況

根據《防突規定》二十一條:所有突出煤層外的掘進巷道(包括鉆場等)距離突出煤層的最小法向距離小于10m時(在地質構造破壞帶為小于20m時)，必須邊探邊掘，確保最小法向距離不小于5m。

根據貴州省地方政府關于頂(底)板瓦斯抽采巷布置的要求，頂底板瓦斯抽采專用巷布置層位應距上下突出煤層的法向距離不少于10m。

根據一分區下組煤的煤層賦存間距，結合《防突規定》二十一條和貴州省地方政府關于頂(底)板瓦斯巷布置的要求，在16號煤層頂板、29號和34號煤層之間具備布置瓦斯巷的條件。

若將下煤組瓦斯巷布置在29號和34號煤層之間，距離可采的20號和16號煤層的平均層間距達到75m和103m，一是預抽鉆孔較長，鉆孔工程量較大，不利于正常采掘接替;二是由于層間賦存有灰巖標志層，鉆孔施工難度較大;三是底板瓦斯巷布置時，石門需穿過17號、20號、23號、27號和29號等具有突出傾向的煤層，揭穿突出危險煤層次數較多，對安全不利。

若將下煤組瓦斯巷布置在16號煤層頂板，距離可采的16號和20號煤層的平均層間距為12m 和43m，預抽鉆孔較短，鉆孔工程量較小，有利于正常采掘接替，層間無標志層，鉆孔施工難度小，且石門無需揭穿下組突出煤層，對安全有利。

因此，從頂(底)板瓦斯巷布置的空間條件來看，礦井下煤組可以選擇16號或20號煤層作為保護層先行開采。

2.4開采技術條件分析

根據《防突規定》第四十六條第(四)款“保護層選擇應優先選擇上保護層，在選擇開采下保護層時，不得破壞被保護層的開采條件”。下面分別從《防突規定》附錄D4:“開采下保護層的最小層間距”的頂板控制系數法和煤層間垮落上行順序采煤的比值判別法，對不同分區選擇保護層時是否破壞上部鄰近可采煤層開采條件進行分析。

(1)頂板控制系數法當開采下保護層開采時，應不破壞上部鄰近可采煤層的開采條件，其最小層間距離根據《防突規定》中最小層間距計算公式如下:

當α＜60°時，H = KMcosα

當α≥60°時，H = KMsin(α/2)

式中，H為允許采用的最小層間距，m; M為保護層的開采厚度，m;α為煤層傾角，(°) ; K為頂板控制系數。當冒落法控制頂板時，K取10;當充填法控制頂板時，K取6。

(2)比值判別法根據我國上行順序開采的生產實踐和研究證明，當上下鄰近煤層層間距離和首采層采高的比值K＞7.5時，一般不影響上部煤層開采，上部煤層采掘活動應在下煤層開采4～6個月后進行。用比值K的大小判別，即:

K = H/M2

式中，H為上部與下部煤層的層間距，m; M2為下部開采層煤層的開采厚度，m。

按照頂板系數法和比值判別法對礦井一分區開采保護層時不破壞被保護層的開采技術條件進行分析，見表5、表6。

根據頂板系數法和比值判別法計算得出，下煤組開采16號、20號煤層時，不會破壞上鄰近層的開采條件，因此，從開采技術條件分析，下煤組可選擇16號或20號煤層作為保護層先行開采。

表5　按照頂板系數法計算允許的最小層間距

表6　按照比值判別法計算允許的最小層間距

2.5區段石門揭穿突出煤層次數分析

從肥田煤礦一分區現有開拓巷道布置來看，一分區井底車場及采區主要巷道均布置在上下煤組之間，采煤工作面均通過區段石門揭穿煤層布置工作面巷道，形成回采工作面。

根據《防突規定》第十六條第二款“突出礦井的巷道布置應減少井巷揭穿突出煤層的次數”的相關規定，結合礦井已布置的開拓巷道情況，下煤組首采16號煤層時，相對下組其他煤層，揭穿突出煤層或具有突出傾向性的煤層的次數最少。

因此，從區段石門揭穿突出煤層次數分析，肥田煤礦宜選擇下煤組16號煤層作為保護層先行開采。

3　保護層選擇結果

綜合上述分析，從肥田煤礦井田內上下煤組實測的瓦斯突出參數、建井期間揭露上下煤組時的煤層賦存情況、頂(底)板瓦斯巷布置的空間條件、開采技術條件及區段石門揭穿突出煤層次數等方面分析來看，肥田煤礦優先選擇下煤組16號煤層作為保護層先行開采。

［參考文獻］

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［責任編輯:鄒正立］

Analysis of Selecting Protective Coal-seam in Coal-and-methane Outburst Mine

LI Mu-xuan1，2，LI Xi-jian1

(1.Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2.Guizhou Coal Mine Design and Research Institute，Guiyang 550025，China)

Abstract:For the high-methane or coal-and-methane outburst mines with close-distance coal-seams，selection of primary-mining coalseam was very important.For Feitian Mine，according to outburst prevention regulations，from methane outburst parameters，coalseam occurrence state，space condition of methane roadway arrangement，mining condition and times of section crossdrift uncovering coal，16th coal-seam of lower-group was selected as protective seam.

Keywords:coal-and-methane outburst; protective coal-seam; selection

［作者簡介］李木宣(1979－)，男，貴州赫章人，高級工程師，從事采礦設計工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.029

［收稿日期］2014－06－18

［中圖分類號］TD823.82

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0106-04