突出煤層群保護(hù)層開采及巷道布置研究

楊彥宏 丁 楊

(中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司,北京市西城區(qū),100120)

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突出煤層群保護(hù)層開采及巷道布置研究

楊彥宏 丁 楊

(中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司,北京市西城區(qū),100120)

摘 要針對西上莊礦井高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層群開采存在的瓦斯防治難題,選擇弱突煤層作為保護(hù)層開采,采用理論計算判定方法論證了下保護(hù)層開采的可行性,確定了下保護(hù)層的保護(hù)垂距。在此基礎(chǔ)上對采區(qū)主要巷道系統(tǒng)布置方式進(jìn)行研究,確定突出煤層群開采的主要巷道布置參數(shù)。

關(guān)鍵詞煤與瓦斯突出煤層 上行開采 內(nèi)錯尾巷 走向高抽巷 巖石底抽巷

Study on protective seam mining and roadway layout of outburst coal seam group

Yang Yanhong,Ding Yang
(Beijing Huayu Engineering Co.,Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group,Xicheng,Beijing 100120,China)

Abstract Aiming at gas prevention and control problem existed in high-gas and coal and gas outburst coal seam group mining,and choosing a weak outburst coal seam as a protective seam,the feasibility of underside protective seam mining was demonstrated by theoretical calculation methods,and the protective vertical distance of underside protecting seam was determined.And on this basis main roadway system layout of mining area was researched,then the main roadway layout parameters of the outburst coal seam group mining were determined.

Key words coal and gas outburst coal seam,ascending mining,inner stagger tail roadway,high level suction roadway on the strike,rock bed plate suction roadway

保護(hù)層開采、預(yù)抽煤層瓦斯為煤與瓦斯突出礦井煤層群開采主要的區(qū)域性防突措施.合理的采區(qū)巷道布置是保障區(qū)域防突措施有效實(shí)施的關(guān)鍵,直接影響到礦井正常生產(chǎn)接續(xù)及安全生產(chǎn).因此,研究高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層群保護(hù)層開采及采區(qū)巷道布置方式的合理性對礦井設(shè)計和生產(chǎn)都有重要的意義.

1　工程概況

西上莊礦井位于沁水煤田東北邊緣,陽泉礦區(qū)西南部,東鄰陽煤集團(tuán)二礦擴(kuò)區(qū),北鄰新景礦及保安煤礦,南接孟家村煤炭勘探區(qū),西為七元井田.井田北東～南西走向長約10.0 km,南西傾斜寬約5.5 km,面積約58.316 km2.地質(zhì)資源量合計1047.06 Mt,設(shè)計生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a,服務(wù)年限為75.6 a.主立井、副立井和中央回風(fēng)立井3個井筒均布置在工業(yè)場地內(nèi),設(shè)計采用兩個水平開拓.

井田內(nèi)可采煤層有:山西組3＃、6＃煤層,太原組8＃、9＃、12＃、15＃、15下＃煤層,煤層傾角5°～12°,8＃、15＃煤層全區(qū)可采,為本礦井的主采煤層.根據(jù)各可采煤層間距,將井田7個可采煤層共劃分4個煤組,分別為3＃、8＃、12＃和15＃煤組.其中6＃、8＃、9＃煤層間距較小,具備聯(lián)合開采條件,劃分為8＃煤組,15＃、15＃下煤層劃分為15＃煤組.上部3＃、8＃煤組由一水平開采,水平標(biāo)高為＋386 m;下部12＃、15＃煤組由二水平開采,水平標(biāo)高為＋282 m.

根據(jù)地勘數(shù)據(jù),礦井主要可采煤層瓦斯含量平均值在6.66～11.09 m3/t,最大值為20.11 m3/t,礦井屬高瓦斯礦井.由于礦井尚處于建井階段,參照鄰近新景礦、陽煤二礦、保安煤礦資料,新景煤礦在開采3＃煤層時發(fā)生多起煤與瓦斯突出事故,經(jīng)鑒定新景礦3＃煤層為突出煤層,根據(jù)保安煤礦鑒定結(jié)論,8＃、9＃煤層為煤與瓦斯突出煤層,＋247 m水平以上區(qū)域15＃煤層為非突出煤層.本礦井按煤與瓦斯突出礦井設(shè)計.

2　保護(hù)層開采的選擇論證

2.1保護(hù)層的選擇

高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井煤層群開采通常要優(yōu)先選擇保護(hù)層開采.根據(jù)地質(zhì)勘探報告和周邊礦井經(jīng)驗(yàn),本礦井主要可采煤層均可能存在突出危險性,15＃煤層瓦斯含量、瓦斯壓力較低,其余各煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力均較高.設(shè)計選擇突出危險程度較小的15＃煤層作為保護(hù)層先行開采.

2.2下保護(hù)層開采可行性分析

下保護(hù)層開采可行性分析包括兩個方面,一是下保護(hù)層開采不會破壞上部被保護(hù)煤層;二是能夠較大程度地實(shí)現(xiàn)對上部煤層瓦斯卸壓,提高煤層透氣性,為瓦斯抽放提供較好的條件.被保護(hù)層處于裂隙帶的中上部是較為理想的位置.上行開采可行性判別方法包括比值法、三帶判別法、圍巖平衡法等.另外,開采下保護(hù)層最小層間距可按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中計算方法確定.

(1)比值法.比值法采用上下煤層的層間距H與下部煤層的采高M(jìn)之比采動影響倍數(shù)K (K ＝H/M)判定,本礦井下保護(hù)層15＃煤層采高3.87 m,與上部12＃煤層間距為39.11 m,采動影響倍數(shù)約為10,大于我國經(jīng)驗(yàn)采動影響倍數(shù)7.5,滿足上行開采要求.

(2)三帶判別法.當(dāng)上煤層位于下層煤開采的冒落帶時,上行開采不可行,當(dāng)上煤層位于下層煤開采的裂隙帶或者彎曲下沉帶時,可以上行開采.本礦井15＃煤層與12＃煤層之間主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及石灰?guī)r,單軸抗壓強(qiáng)度多為20～40 MPa,為中硬巖層,根據(jù)三帶計算方法,冒落帶高度為10.40 m±2.2 m,裂隙帶高度為39.52 m±5.6 m,12＃煤層位于裂隙帶上位巖層或彎曲下沉帶下位巖層,可以進(jìn)行上行開采.

(3)圍巖平衡法.所謂平衡巖層就是煤層的上覆巖層中能夠保持一定的整體性,不發(fā)生臺階錯動,能形成平衡結(jié)構(gòu),從下位煤層的頂板到平衡巖層的高度叫做圍巖平衡高度.根據(jù)相關(guān)計算式計算得上行開采必要的層間距為25.35 m,而上部12＃煤層位于圍巖平衡高度之上,所以可以進(jìn)行上行開采.

(4)保護(hù)層開采最小間距限定.開采下保護(hù)層時,不破壞上部被保護(hù)層的最小層間距可按有關(guān)計算式計算得38.55 m.而15＃煤層與上部12＃煤層平均間距39.11 m,大于計算的允許采用的最小層間距.

綜合以上分析可知,本礦井15＃煤層作為下保護(hù)層開采可行.

2.3下保護(hù)層保護(hù)垂距

礦井采用15＃煤層作為下保護(hù)層,根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距有兩種確定方法.

方法一:按表1選擇保護(hù)垂距的范圍,礦井煤層傾角為5°～12°,為緩傾斜煤層,且為下保護(hù)層,故最大保護(hù)垂距＜100 m.

表1　保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距　m

方法二:按下保護(hù)層最大保護(hù)垂距計算式計算確定.

式中:S下——下保護(hù)層最大保護(hù)垂距,m;

S′下——下保護(hù)層的理論最大保護(hù)垂距,m;

β1——保護(hù)層開采的影響系數(shù),取1;

β2——層間硬巖含量系數(shù),取0.6.

S′下與工作面長度L、開采深度H有關(guān),參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》附錄D中S′下和L、H關(guān)系表選取.本礦井工作面長度245 m,開采深度660 m,由于L＞0.3H,所以按照工作面長度為0.3H,即198 m對照附錄D,選取S′下為146 m.

將S′下為146 m及相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1),得S下為87.6 m.

綜合以上兩種確定方法,保護(hù)層最大保護(hù)垂距為87.6 m.15＃煤層上部87.6 m范圍內(nèi)的煤層為8＃、9＃、12＃煤層,故8＃、9＃、12＃煤層均為被保護(hù)層.

3　采準(zhǔn)巷道布置

3.1準(zhǔn)備巷道布置

按照煤組劃分,每個煤組單獨(dú)布置1組采準(zhǔn)巷道,全礦井共布置4組,每組布置4條巷道,即帶式輸送機(jī)大巷、輔助運(yùn)輸大巷、1號回風(fēng)大巷和2號回風(fēng)大巷.

礦井初期開采二水平的15＃煤層組,15＃煤層組含15＃煤層和15下＃煤層2個煤層,煤層平均間距6.07 m,具備聯(lián)合開采的條件.考慮到其服務(wù)年限和便于使用,提出兩種采區(qū)大巷布置方案.

方案一:15＃煤組中,將1、2號回風(fēng)巷布置在煤層中,帶式輸送機(jī)大巷、輔助運(yùn)輸大巷布置在15下＃煤層底板10 m的巖層中,每條大巷水平間距為50 m,回采工作面均通過聯(lián)絡(luò)巷與各巷道相聯(lián),見圖1(a).

方案二:將帶式輸送機(jī)大巷、輔助運(yùn)輸大巷布置在15下＃煤層底板15 m的巖層中,1、2號回風(fēng)大巷布置在15下＃煤層底板10 m的巖層中,每條大巷水平間距為50 m,回采工作面均通過聯(lián)絡(luò)巷與各巷道相聯(lián),見圖1(b).

圖1　15＃煤組采區(qū)大巷布置方案

方案一的優(yōu)點(diǎn)為1、2號回風(fēng)大巷布置在煤層中,便于掌握煤層變化,煤巷施工投資低,但15＃煤層雖為弱突煤層,不排除突出的可能性,施工過程中可能存在突出危險,煤巷維護(hù)困難,兩條回風(fēng)大巷距離遠(yuǎn),不便于雙巷施工,施工進(jìn)度慢,采區(qū)變電所施工聯(lián)絡(luò)困難等問題.方案二的優(yōu)點(diǎn)為全巖巷施工,不存在瓦斯問題,巷道易于維護(hù),采區(qū)變電所布置簡單,雙巷施工方便,但存在巖巷施工投資高,不易掌握煤層變化,施工時需提前探明的問題.綜合考慮,為保證施工安全,設(shè)計推薦方案二,即帶式輸送機(jī)大巷、輔助運(yùn)輸大巷布置在15下＃煤層底板15 m的巖層中,1、2號回風(fēng)大巷布置在15下＃煤層底板10 m的巖層中.采區(qū)大巷布置方案見圖1.

3.2回采巷道布置

礦井為高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井,設(shè)計提出兩種回采巷道布置方案.

3.2.1工作面平巷布置方式

方案一:回采工作面采用2進(jìn)2回的雙巷道布置方式,分別為膠運(yùn)巷、輔運(yùn)巷,1、2號回風(fēng)巷,巷道中心距25 m,上下巷道每200 m布置1條聯(lián)絡(luò)巷,工作面巷道布置見圖2(a).

圖2　工作面巷道布置

方案二:回采工作面巷道采用1進(jìn)2回的單巷道布置方式,分別為膠運(yùn)巷、回風(fēng)巷,距回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)水平距離10 m的14＃煤層中布置瓦斯內(nèi)錯尾巷(半煤巖巷),工作面巷道布置見圖2(b).

方案一的優(yōu)點(diǎn)為采用雙巷掘進(jìn)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)壓通風(fēng),巷道掘進(jìn)長度不受通風(fēng)能力不足的限制.通風(fēng)系統(tǒng)為雙“U”型通風(fēng),提高了工作面的抗災(zāi)能力,工作面安全性較好.但也存在聯(lián)絡(luò)巷施工量大,采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)密閉量大,區(qū)段煤柱較多,存在上隅角瓦斯超限問題等缺點(diǎn).方案二的優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)系統(tǒng)為“U＋I(xiàn)”型通風(fēng),利用瓦斯內(nèi)錯尾巷解決上隅角瓦斯超限問題,且區(qū)段煤柱少,掘進(jìn)工程量小,但存在巷道長距離單巷掘進(jìn)通風(fēng)能力不足的限制,需采取一定的措施,保證施工安全.從解決上隅角瓦斯超限問題及節(jié)省工程量角度,推薦采用方案二,“1進(jìn)2回”的單巷道布置方式.

3.2.2瓦斯內(nèi)錯尾巷

在15＃煤層頂板裂隙帶,距回風(fēng)巷道內(nèi)側(cè)10 m處的14＃煤層中布置一條瓦斯內(nèi)錯尾巷.內(nèi)錯尾巷位于工作面上方,不與工作面貫通,通過回采過程中的滯后自然垮塌,與支架后方采空區(qū)溝通,形成一個低壓區(qū),高濃度瓦斯流在自然瓦斯壓力差的作用下向上運(yùn)移至內(nèi)錯尾巷,使低壓區(qū)由上隅角轉(zhuǎn)移至內(nèi)錯尾巷與采空區(qū)溝通處,截流了內(nèi)錯尾巷與膠運(yùn)巷之間采空區(qū)的瓦斯,減小了上隅角的瓦斯壓力,有效處理了上隅角瓦斯問題.瓦斯內(nèi)錯尾巷布置見圖2(b)、(c).

3.2.3巖石底抽巷

15＃煤層雖為弱突出煤層,但不排除其突出的可能性,所以在15＃煤層工作面膠運(yùn)巷、回風(fēng)巷掘進(jìn)前,在15下＃煤層底板下10 m處布置2條底板瓦斯預(yù)抽巷,1條底抽巷與回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)水平距離25 m,另1條底抽巷與膠運(yùn)巷內(nèi)側(cè)水平距離12 m,兩條底抽巷在15＃煤層工作面開切眼與輔助開切眼中間貫通.在底抽巷頂板布置穿層條帶預(yù)抽鉆孔對15＃、15下＃煤層工作面巷道左右兩側(cè)15 m條帶范圍內(nèi)煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽,對煤層進(jìn)行消突,以確保巷道掘進(jìn)安全及施工進(jìn)度.底板瓦斯預(yù)抽巷及穿層鉆孔布置見圖2(b)、(c).

3.2.4頂板走向高抽巷

15＃煤層作為上部8＃、9＃、12＃煤層的解放層開采,由于15＃煤層開采的瓦斯卸壓作用,導(dǎo)致上部8＃、9＃、12＃煤層瓦斯大量涌出,對15＃煤層開采影響較大,為有效解決鄰近層瓦斯涌出問題,在距工作面回風(fēng)巷道水平距離75 m,距15＃煤層垂直距離40 m左右的12＃煤層中布置1條頂板走向高抽巷,抽放15＃煤層工作面開采時鄰近層瓦斯.該區(qū)域處于15＃煤層工作面開采的采動裂隙帶范圍內(nèi),鄰近層瓦斯涌出密集、瓦斯卸壓效果好,且不易受采動影響破壞,便于抽放.據(jù)鄰近的新景礦、陽煤二礦的實(shí)踐證明,在15＃煤層工作面上部布置走向高抽巷抽放鄰近8＃、9＃、12＃煤層瓦斯,抽出率都在80％～90％,最大抽采量可達(dá)100 m3/min以上,是陽泉礦區(qū)防治鄰近層瓦斯一種行之有效的方法.走向高抽巷布置見圖2(b)、(c).

4　結(jié)語

(1)西上莊礦井高瓦斯、突出煤層群開采優(yōu)先選擇瓦斯含量、瓦斯壓力相對低的弱突出煤層15＃煤層作為下保護(hù)層.理論判別計算結(jié)果表明上行開采可行,下保護(hù)層開采間距滿足要求,下保護(hù)層保護(hù)垂距87.6 m.

(2)采區(qū)準(zhǔn)備巷道布置在15下＃煤層底板下10 m左右的巖層中,共4條.工作面巷道采用1 進(jìn)2回的單巷道布置方式,通風(fēng)方式為U＋I(xiàn)型通風(fēng).在15＃煤層頂板裂隙帶,距回風(fēng)巷道內(nèi)側(cè)10 m處的14＃煤層中布置一條瓦斯內(nèi)錯尾巷,解決上隅角瓦斯超限問題.

(3)在15下＃煤層底板10 m左右的巖層中布置底板瓦斯預(yù)抽巷,穿層條帶預(yù)抽巷道瓦斯,對掘進(jìn)巷道兩側(cè)條帶煤層進(jìn)行消突.在距回風(fēng)巷道水平距離75 m,12＃煤層中布置1條走向高抽巷,抽放15＃煤層工作面開采時鄰近層瓦斯.

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

作者簡介:楊彥宏(1984－),男,山西臨汾人,工程師,主要從事礦井設(shè)計方面的工作。

中圖分類號TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A